异构移动终端能量感知的P2P数据共享机制
2022-06-09
0引言
随着移动互联网的发展，传统的无线移动网络已经得到了改进，3G、WiFi、WiMax网络相继出现。手机终端的性能得到提高，手机终端与移动电脑之间的通信成为可能[1-2]。无线移动网络环境下的对等网络（PeertoPeer，P2P）技术作为当今最流行的网络技术之一，已经得到了广泛的应用，特别是在分布式计算、文件存储及共享[3]、流媒体直播以及点播[4]等领域。本文关注的是文件存储和共享部分，前人已经做了相关研究[5]，考虑到无线移动P2P网络的不稳定性，需要在网络中引入冗余数据来增加文件的下载成功率。目前应用较多的两种数据冗余策略为：复制策略[6-7]和分片冗余策略[8-9]。
考虑到无线移动P2P网络中终端的异构性[10-11]，单纯应用复制或者分片冗余策略并不能满足网络的需求。终端的异构性是指移动P2P网络环境下，一方面终端的类型存在差异，处理能力、存储容量及能量供给方式不尽相同；另一方面同一类型的终端也存在着能量差异。这两类差异造成了网络中处理能力弱、能量低的终端容易成为瓶颈，造成整个文件共享网络的瘫痪，因此考虑终端的异构性，设计能量高效利用、负载均衡的数据共享机制，从而延长文件的共享时间具有相当重要的理论意义和实用价值。
本文考虑终端的异构性，提出一种异构移动终端能量感知的数据共享机制（EnergyAwarePeertoPeerDataSharingmechanisminheterogeneousmobileterminals，EADS），在无线移动P2P网络环境下具有良好的使用性能。该机制假设在网络中同时存有文件副本和文件分片两类共享数据。文件副本经过分发，优先存储在不考虑能量消耗的终端，同时在手机终端应用能量预测机制，使文件分片优先存放在未来一段时间内能耗低的终端，延长能耗高的终端的活动时间，延长共享网络的工作时间。
1P2P网络中的数据冗余策略
为了克服P2P网络环境的异构性和节点的不稳定性带来的不利影响，几乎所有的P2P网络都提供了相应的数据冗余策略以提高数据可用性。比较常见的两种冗余策略为：复制和分片冗余。
复制是最简单的冗余策略，数据共享网络中若干个不同文件的副本存放在相互独立的节点上，当有节点要求下载某个文件时，运行哈希函数查找该文件的索引节点，获得相应的索引信息，通过索引找到保存有该文件的节点，完成文件的下载过程，下载的文件被自动设为共享文件，以供随后的下载。复制策略存在的问题显而易见。随着下载次数的增加，网络中文件副本的数量越来越多，形成很多冗余数据，既占用资源又损耗能量，而且复制策略也没有考虑到节点的工作状态的不确定性，某些节点退出共享网络后，可能会造成某些文件永远不可被下载的后果。
针对复制策略存在的问题，分片冗余策略对其进行了改进，考虑到节点状态的不确定性以及负载的均衡性，将需要共享的文件分成若干个文件分片，利用网络编码技术[12-13]，将这些分片进一步编码，形成更多的编码分片，随机均匀地分布在网络中，获得分片的节点将相关信息注册到其索引节点上。当网络中的节点请求下载该文件时，访问索引节点，获得存有文件分片的节点信息，之后在这些节点上下载文件分片，最后在请求节点重组该分片。分片冗余策略的缺点是对网络资源有一定的浪费，下载过程会伴有过多的文件分片分发过程。
上述两种策略优点突出，然而也都存在着自身的问题，考虑到无线移动P2P网络的高动态性，网络中节点的异构性，单纯应用复制或者分片冗余策略，很难保证文件共享过程的高效性，而且没有考虑到节点的能量问题，容易造成节点能量过低，共享网络陷入瘫痪状态。
2能量感知的数据共享机制
2.1网络模型与相关假设
本文考虑的无线移动P2P网络中终端的异构性问题：网络中通信终端的类型不一致，同一类型终端的剩余能量也不同。网络中会包括不考虑能量消耗、处理能力强、存储空间大的终端，例如接有外接电源的笔记本电脑；也存在能量相对短缺、处理能力弱、存储空间小的终端，例如移动手机。如按传统的文件共享机制，平等地利用这些终端来进行文件共享而不考虑上述因素，会造成能力较强终端的利用率过低，而另一些能力较弱的终端提前停止工作，导致整个数据共享网络提前停止工作，数据无法继续下载。
2.3混合数据共享策略
利用2.2节中的方法，令网络中的共享数据分布得更合理，文件副本尽量分布在不考虑能量消耗的U上，文件分片尽量在C上共享，延长共享网络的工作时间。下面描述数据共享过程。
传统的数据共享策略，不管是应用了复制策略还是分片冗余策略，都有各自的优点和局限性，考虑混合使用复制和分片冗余两种数据冗余策略，形成一个更高效的数据共享策略，以适应无线移动P2P网络环境和终端的异构性特点。传统的数据共享策略大致分成三个模块：注册模块、请求模块和维护模块。本文设计的数据共享机制也遵循此三个模块进行设计。