基于流言机制的自组织Overlay组播拓扑优化方法研究

论文摘要

军事环境下大规模的组播数据分发对于未来信息化战争具有重要的作用。现代军事通信环境具有规模大、动态性强、异构、服务质量要求高的特点,尤其是特殊的战场环境造成了军事通信网络强烈的动态性,极大地超越了传统网络技术所能管理的极限。在应用层实现的overlay组播数据分发技术可以更好地完成军事环境下的大规模数据分发任务。通过在物理网络之上构建特定的overlay网络,可以在网络的可靠性、抗毁性、灵活性方面提供更多的支持,实现更复杂地协同通信。同时反观生物网络等自然网络系统,虽然其规模巨大,但是面对诸多突发事故具有灵活的处理能力。通过引入自然网络系统中的适应性特征来改进军事通信网络,可以使网络面对复杂环境具有强自组织、自适应能力。本文采用从流行病传播理论发展而来的流言（Gossip）机制作为overlay拓扑组织和管理的主要手段,对overlay组播拓扑进行优化,增强其面对复杂环境的适应能力。通过分析,非结构化overlay网络和网络编码相结合的方法更适合于完成军事环境下overlay组播数据分发任务,本文对该方法中涉及的拓扑优化问题进行了阐述,选择军事应用背景下亟待解决的几个关键环节进行了优化研究。（1）基于自适应gossip机制的快速overlay拓扑收敛机制的研究。采用gossip机制维护的非结构化overlay拓扑能够随着网络状况的变化及时调整拓扑结构,根据不同的网络状况收敛到不同的状态。Overlay网络拓扑的收敛速度的快慢反映出overlay网络面对动态环境的适应程度,收敛速度越快,适应程度越好。本文通过分析overlay拓扑收敛过程中结点的行为特征,分析了固定周期gossip报文交换的弊端,提出了一种自适应周期的gossip报文交换机制代替固定周期方式。该机制减少了报文交换中的盲目性,节省了网络资源和提高了数据交换的效率,从而允许部分结点在局部加快数据交换的频率,最终提高overlay拓扑的收敛速度。（2）自组织overlay拓扑演化中的连通性保证研究。保证网络的连通性是overlay拓扑管理的一项重要任务。非结构化的overlay拓扑在网络状况发生变化时,通过改变邻居列表,达成与物理网络拓扑匹配的目的,使得overlay网络本身具有良好的灵活性。本文分析了基于gossip机制的overlay拓扑管理方法中overlay拓扑的演化过程,发现真实网络所具有的地域特征和非结构化overlay拓扑的邻居择优策略,可能在overlay拓扑的演化过程中导致拓扑的连通性遭到破坏。通过分析网络连通性被破坏的主要机理,本文提出了一种能够在拓扑演化的同时保证连通性的连接置换算法。而且,通过将各种单一的拓扑管理方法相结合,提出了多邻居列表的非结构化网络成员管理方法,并基于连接置换算法,建立了一个多邻居列表成员管理方法的实例C-MLMM,该方法能够在保证网络拓扑演化速度的同时,保证网络拓扑的连通性。（3）基于gossip机制的分布式网络编码拓扑构建方法研究。网络编码组播方法能够在动态环境中提供较多的结点容错性支持。传统的大多数网络编码构造方法要么需要全局的拓扑知识,要么需要使用较多结点参与编码,对结点的计算能力消耗巨大。军事通信网络环境要求一种资源利用更为有效的分布式网络编码构造方法。本文通过将网络编码方案分解为几个基本的数据“请求—响应”过程,总结出各种类型结点在构成网络编码方案中所进行的典型行为,利用gossip机制的局部信息获取能力,提出了一种以自组织方式构造网络编码方案的分布式方法。该方法相对于随机编码方式,资源利用率更高。通过仿真,在取得相似网络吞吐量的前提下,该方法只使用了约10%的结点参与编码。（4）编码超级结点的动态选择和维护策略的研究。网络编码组播中的编码结点需要付出额外的计算能力,通过动态地在网络中维护一定数量能力较强的超级结点,优先作为候选的编码结点,可以避免编码结点能力不足负载过量造成网络故障。本文通过研究用于编码的超级结点存在的特殊性,使用gossip机制作为基本手段,提出了一种适用于网络编码组播的动态超级结点选择和维护策略。（5）多个网络编码组播组资源共享和竞争的相关问题分析。军事通信网络应用中包括了多种不同的网络服务,服务的共存导致了一部分资源共享和竞争的问题。本文分析了在网络编码组播这种特定的应用模式下,overlay层次多服务共存的特殊性。为了共享不同组播组之间的资源,提出了基于服务无关性的统一overlay成员管理方法;对不同共享模式下的资源竞争,进行了博弈分析,分析发现:为了更好地促进资源的共享,有必要引入一定的网络信任机制。总的说来,本文以复杂军事环境下的大规模数据分发为应用背景,采用gossip机制作为网络拓扑组织和管理的基本手段,对军事环境下overlay组播拓扑优化中亟待解决的几个关键问题进行了研究,为增强军事通信网络的数据获取和分发能力奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 军事通信中的Overlay组播
• 1.1.2 军事环境中网络自组织能力的重要性
• 1.1.3 自组织Overlay组播拓扑优化研究
• 1.2 相关研究工作
• 1.2.1 Overlay组播拓扑
• 1.2.2 Overlay组播的控制拓扑
• 1.2.3 Overlay组播的数据拓扑
• 1.3 论文研究内容
• 1.4 本文组织结构
• 第二章 基于Gossip机制的Overlay拓扑优化
• 2.1 Gossip机制相关理论研究和通信模型
• 2.1.1 Gossip机制相关理论研究
• 2.1.2 Gossip通信模型
• 2.2 控制拓扑优化
• 2.2.1 拓扑匹配
• 2.2.2 资源发现效率和结点可达性
• 2.2.3 消息过滤
• 2.2.4 结点能力的区分
• 2.3 数据拓扑优化
• 2.3.1 基本指标
• 2.3.2 其他方面
• 2.4 小结
• 第三章 基于自适应gossip周期的快速拓扑收敛机制
• 3.1 前言
• 3.2 基于Gossip机制的拓扑管理
• 3.2.1 Gossip机制拓扑管理基本方法
• 3.2.2 基本方法的不足
• 3.3 自适应周期方法
• 3.3.1 自适应周期控制的基本模型
• 3.3.2 增长函数
• 3.3.3 相关应用规则和突发事件
• 3.3.4 不同取值的增长函数应用模型
• 3.4 仿真
• 3.4.1 仿真模型
• 3.4.2 静态场景
• 3.4.3 动态剧变场景
• 3.4.4 Churn场景中的混合策略模型
• 3.5 小结
• 第四章 具有连通性保证的Gossip机制成员管理协议
• 4.1 自组织Overlay网络的连通性分析
• 4.1.1 破坏连通性的两种基本模式
• 4.1.2 一般Gossip机制成员管理协议的连通性分析
• 4.1.3 网络地域特征对于连通性的影响
• 4.1.4 仿真分析
• 4.2 保证Overlay网络连通性的自组织方法
• 4.2.1 连通性破坏的原因
• 4.2.2 保证连通性的连接置换算法
• 4.2.3 有效性验证
• 4.3 保证连通性的Gossip机制成员管理协议C-MLMM
• 4.3.1 单一管理方式的不足
• 4.3.2 基于多邻居列表的成员管理
• 4.3.3 仿真和结果分析
• 4.3.4 进一步的讨论
• 4.4 小结
• 第五章 基于Gossip机制的分布式网络编码拓扑构造方法
• 5.1 网络编码构造方法的相关工作
• 5.1.1 网络编码问题的数学描述
• 5.1.2 中心化方法
• 5.1.3 分布式随机编码方法
• 5.1.4 基于线性规划的分布式方法
• 5.1.5 当前方法的不足
• 5.2 网络动态特性对网络编码的影响
• 5.2.1 Last-mile带宽
• 5.2.2 拓扑动态性的影响
• 5.3 网络编码方案的分解
• 5.3.1 结点分类
• 5.3.2 结点行为分析
• 5.4 基于Gossip的分布式网络编码构造方法
• 5.4.1 控制拓扑
• 5.4.2 数据请求和响应
• 5.4.3 数据拓扑
• 5.4.4 拓扑的持续优化
• 5.4.5 结点加入退出
• 5.5 仿真评估
• 5.5.1 仿真模型
• 5.5.2 仿真结果分析
• 5.6 小结
• 第六章 编码超级结点的动态选择和维护策略
• 6.1 引言
• 6.2 Overlay网络中选择超级结点的相关研究
• 6.2.1 预先部署的超级结点
• 6.2.2 动态选择的超级结点
• 6.3 具有地域特征的超级结点选择策略
• 6.3.1 编码超级结点的特点
• 6.3.2 邻居集合
• 6.3.3 超级结点的选择
• 6.3.4 结点加入和失效
• 6.4 仿真和数据分析
• 6.4.1 系统模型
• 6.4.2 仿真结果
• 6.5 小结
• 第七章 多个网络编码组播组资源共享和竞争分析
• 7.1 相关背景
• 7.1.1 多个服务共存面临的主要问题
• 7.1.2 Overlay层次的多服务共存
• 7.1.3 网络编码组播中多服务共存的特殊性
• 7.2 用于资源共享的统一成员管理方法
• 7.3 资源竞争的博弈分析
• 7.3.1 具有准用控制机制的合作结点利用
• 7.3.2 自由共享的合作结点利用
• 7.4 小结
• 第八章 结束语
• 8.1 本文主要工作和创新点
• 8.2 进一步研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的学术成果
• 攻读博士学位期间主要参与的科研项目