基于对等网络的分布式网络电话系统关键技术研究

论文摘要

自1876年贝尔发明电话以来,随着社会需求的日益增长和科技水平的不断提高,电话交换技术处于迅速的变革和发展之中。从人工交换发展为程控交换,随后VoIP技术、移动通信技术也相继问世,交换的内容也从单纯语音扩展为视频、即时消息、文件等。近年来,对等网络也是一个迅速发展的研究领域。对等系统的应用已从传统的文件共享领域逐步扩展到更广泛的广域分布计算、存储空间共享、信息搜索、即时通信等领域,对等网络技术也日益受到人们的重视。由于对等网络具有分散式控制、自组织、自适应和良好的可扩展性等优点,使得它非常适合用来进行数据信息的交换,其中也包括分布式的网络电话系统（Distributed Internet Telephony System,DITS）。对等系统的分布式结构完全改变了原有电话交换网络集中控制的模式,可以充分利用Internet网络的主机资源,提供完全自组织、适应性好、可扩展性强、投入成本低的分布式网络电话服务。目前,对等系统的研究主要集中在文件共享、信息搜索领域,分布式网络电话系统的对等技术的相关研究工作才刚刚起步,亟待解决的问题依然还比较多。本文立足于现有对等网络的网络结构,充分考虑网络电话系统用户的特点,对分布式网络电话系统中的关键问题进行了较为深入的研究,提出了一种全新的对等网络拓扑结构及其网络路由算法,解决了分布式网络电话系统中存在的一些关键性问题。通过仿真和分析证明,本文提出的对等网络拓扑及其路由算法与现有的对等系统相比,可以有效的提升分布式网络电话系统的系统性能。针对分布式网络电话系统位置服务的要求,提出了一种支持多关键字模糊搜索、基于邻近域组织的非结构化对等搜索系统。利用资源描述框架（Resource Description Framework,RDF）给出了该搜索系统的抽象表示。抽象模型中,利用元数据的关联性来表征网络电话系统中各用户特征属性的关联性,依据元数据的关联程度对搜索系统进行邻近域的组织,并在此基础上给出了一种基于元数据贪婪匹配策略的多关键字混合模糊搜索算法,该算法不依赖于额外的索引机制即可实现多关键字搜索。接着,设计了一种基于二维向量空间随机节点的搜索模型,利用此模型来模拟网络电话系统中用户的呼叫行为特性,并在数学上证明了该模型的可行性。最后,通过仿真得出,在基于邻近域组织的对等搜索系统中采用泛洪搜索比并行搜索更为有效,该对等搜索系统和Gnutella对等搜索系统相比,搜索性能有了很显著的提高。定义并实现了基于对等系统、以及可以表征网络电话系统中用户行为特性的仿真环境。该仿真环境可以完全模拟对等网络中大量节点的动态加入、离开、失效、路由等行为,支持一维到多维的对等网络拓扑。利用该仿真环境,可以灵活的实现多种对等网络路由算法,并可以通过模拟节点行为来获取对等网络的性能仿真结果。该仿真环境为进一步研究对等网络技术奠定了基础。本文引入基于完全自组织对等搜索系统的增量模糊聚类（Incremental Fuzzy Clustering,IFC）算法,IFC算法能够在完全自组织的系统环境下通过局部视图来完成增量聚类过程。在IFC算法的基础上,利用小世界规则来增加聚类中心的长链接,以提高搜索系统对于长距离目标的搜索效率;并采用考虑聚类向量空间方向性的矢量聚类,通过聚类数据的各向均匀分布来提高系统搜索性能。依据以上原则,本文提出了基于多重聚类环构造的SWIFC（Small World IFC）算法。为增强算法对于系统规模的自适应能力,给出了聚类半径的自适应算法。通过系统仿真证明,SWIFC聚类算法对于搜索系统的性能提升非常有效,采用该算法后搜索系统的平均路径长度下降了75% ,换句话说,也就是缩短了网络电话系统的呼叫时延。系统的提出了一种适用于分布式网络电话系统,全新的对等网络拓扑结构-自组织多特征叠加（Self-Organizing Multi-Character Overlay,SOMCO）网络。SOMCO网络基于d维正向、规则、有限的笛卡尔空间,利用SWIFC算法来完成网络拓扑的构造。在SOMCO网络中给出了一种异构网络互连方案;并引入空间变换机制,增强了网络节点在空间拓扑上的对等性;并给出了矢量聚类的可实现算法。在SOMCO网络拓扑的基础上提出了SOMCO网络路由算法,定义了节点的网络行为,并利用蚁群算法的思想提出了路由置换算法,在不增加任何额外网络负载的情况下缩短了路由收敛时间,提高了网络的鲁棒性。通过网络性能的仿真说明,SOMCO网络拓扑及其路由算法和现有的对等网络相比,在路由效率、网络负载和网络适应性上表现得更为优异,更适合于分布式网络电话系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 对等系统的发展现状
• 1.3 网络电话系统的发展现状
• 1.4 本文研究的主要意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.6 本文的组织结构
• 2 基于邻近域的多关键字搜索系统
• 2.1 引言
• 2.2 基于索引搜索
• 2.3 基于邻近域的搜索
• 2.4 性能分析与仿真
• 2.5 本章小结
• 3 自组织系统 SWIFC 聚类算法
• 3.1 问题的提出
• 3.2 聚类方法
• 3.3 自组织系统聚类
• 3.4 SWIFC 聚类算法
• 3.5 仿真比较与分析
• 3.6 本章小结
• 4 SOMCO 网络拓扑及其路由算法
• 4.1 引言
• 4.2 现有对等网络路由算法
• 4.3 SOMCO 网络模型
• 4.4 SOMCO 路由算法
• 4.5 路由性能分析及仿真
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间参与的项目目录
• 附录3 缩略语