本文選題：分布式交互應用　切入點：覆蓋網(wǎng)　出處：《中國礦業(yè)大學(北京)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：人類社會是群居社會,交流和協(xié)作是人類社會活動的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡和計算機等相關(guān)技術(shù)的持續(xù)高速發(fā)展把人類帶入了信息化時代。信息化時代的計算機應用從單用戶模式向多用戶協(xié)作模式發(fā)展,不再局限于單機獨立的系統(tǒng),而是以分布式的形式開展。當把Internet看成一個整體,人們與眼前計算機的交互應用就變成基于Internet的人與人交互應用,即分布式交互應用(Distributed Interactive Applications,DIA)。信息化時代基于交流和協(xié)作的DIA能夠提高工作效率,促進生產(chǎn)力的發(fā)展,改善人們的工作和生活方式。覆蓋網(wǎng)絡(Overlay Network)由于具有可擴展性、靈活性、健壯性和易于部署等特點而備受關(guān)注并取得了廣泛的發(fā)展。Overlay Network技術(shù)是一種與特定網(wǎng)絡層次、特定技術(shù)無關(guān)的網(wǎng)絡構(gòu)造的方法,通過在原有物理網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上,根據(jù)實際的需求來構(gòu)造一個虛擬的邏輯網(wǎng)絡,在保證與原有網(wǎng)絡最大限度地兼容的情況下,支持原網(wǎng)絡很難或者不可能提供的功能和服務。因此,可以較為靈活地解決現(xiàn)有網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)中存在的問題。本文基于DIA的研究現(xiàn)狀和特點,從網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)入手,研究可擴展的分布式交互應用,將Overlay Network的思想融入到DIA的研究中,利用Overlay Network的可擴展性和適應性等特性,將DIA基于Overlay Network之上進行研究,有利于克服DIA在體系結(jié)構(gòu)和機制方面的不足,從而實現(xiàn)DIA的大規(guī)模部署和應用。因此,本文針對DIA的可擴展性、低延時、高帶寬、動態(tài)性、多對多、交互性等需求,提出了基于Overlay Network的DIA的概念及網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)(Overlay-Network based Distributed Interactive Applications,ODIA),并對其關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。第一,對基于覆蓋網(wǎng)的DIA的網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)進行了深入研究。在分析傳統(tǒng)的DIA網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了基于覆蓋網(wǎng)的DIA的概念以及網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)模型ODIA。從功能上將ODIA劃分為用戶DIA應用層、ODIA覆蓋層和物理網(wǎng)絡層三個層次,并定義了各層的功能及相互關(guān)系。詳細描述了基于覆蓋網(wǎng)的DIA覆蓋層的構(gòu)造,提出了DIA服務域?qū)印狣IA核心層的分層覆蓋網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型。該模型的構(gòu)造結(jié)合DIA的特點和現(xiàn)有物理網(wǎng)絡的特點,以現(xiàn)有物理網(wǎng)絡的自治域為單位綜合考慮自治域間的延時和領(lǐng)域相關(guān)性,將網(wǎng)絡聚類劃分成K個DIA服務域,每個DIA服務域都包含一個或多個自治域,并在服務域內(nèi)征用和部署一定的代理節(jié)點,由代理節(jié)點構(gòu)造生成服務域?qū)泳W(wǎng)絡,為服務域內(nèi)的DIA提供支撐。同時在每個DIA服務域內(nèi)都選取出一個或多個核心代理節(jié)點,由核心代理構(gòu)造生成DIA核心層網(wǎng)絡,為服務域間的DIA提供支持。然后,在構(gòu)造出的ODIA分層模型下確定了需要解決的關(guān)鍵問題。第二,研究了基于覆蓋網(wǎng)的DIA網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)模型ODIA的覆蓋層構(gòu)造問題。ODIA覆蓋層的主要任務是生成并維護支撐分布式交互應用的Overlay Network拓撲結(jié)構(gòu),同時為其上層DIA應用層提供實現(xiàn)分布式交互應用所需的功能,如路由和交互性控制等,是整個DIA網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)模型的核心。ODIA覆蓋層的構(gòu)造包括五個子問題,即DIA服務域的劃分問題DSDD,DIA代理節(jié)點的征用和部署問題DPRP,DIA服務域?qū)拥臉?gòu)造問題DSCP,DIA核心代理節(jié)點選取問題DKPS,以及DIA核心層的構(gòu)造問題。首先,針對DIA服務域的劃分問題DSDD,以現(xiàn)有物理網(wǎng)絡的自治域為單位綜合考慮自治域間的延時和領(lǐng)域相關(guān)性,把自治域間地理位置鄰近和領(lǐng)域相關(guān)性大的劃分到一個DIA服務域中,對DSDD問題進行形式化描述和建模,并研究了求解DSDD問題的改進遺傳算法DSDD_IGA。其次,可擴展的DIA應首先能夠?qū)崿F(xiàn)自治域內(nèi)的分布式交互應用,由于在自治域內(nèi)的DIA網(wǎng)絡中,存在許多類型的服務器,因此以自治域為單位將這些服務器有選擇的征用起來作為DIA代理節(jié)點,征用節(jié)點作為DIA代理的費用遠遠小于部署DIA代理的代價,只有當征用的代理節(jié)點無法支撐自治域內(nèi)的DIA時,才部署一定的DIA代理節(jié)點,即DIA代理節(jié)點的征用和部署問題DPRP。然后,對DPRP問題進行了形式化描述和建模,研究了求解DPRP問題的改進粒子群算法DPRP_IPSO,該算法能夠在滿足網(wǎng)絡性能約束的條件下,使得部署代價盡量小。再次,為了支撐服務域內(nèi)的DIA應用,針對DIA服務域?qū)拥臉?gòu)造問題進行研究;為了構(gòu)造拓撲匹配的DIA服務域?qū)泳W(wǎng)絡,采用了GNP網(wǎng)絡坐標系統(tǒng)、Hilbert空間填充曲線、Skip Lists等技術(shù),并對DIA服務域?qū)拥臉?gòu)造問題進行建模,研究了求解DIA服務域?qū)拥臉?gòu)造問題的差分進化算法DE_DSCP。第四,針對DIA核心代理節(jié)點選取問題DKPS進行建模,提出求解DKPS問題的免疫算法DKPS_IA,使得核心代理節(jié)點的選取滿足最大網(wǎng)絡帶寬、最小網(wǎng)絡延時。最后,為了高效地支撐服務域間的DIA應用,針對DIA核心層的構(gòu)造問題,提出基于改進超立方體Hypercube對DIA核心層進行構(gòu)造,并對該問題進行建模,達到DIA核心層網(wǎng)絡的總時延最小、物理鏈路重用度最小、鏈路最小帶寬的最大和總鏈路帶寬最大的優(yōu)化目標。第三,研究了基于覆蓋網(wǎng)的DIA路由問題�；诒疚奶岢龅腄IA網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)模型ODIA,結(jié)合DIA路由問題的特點和性質(zhì),對DIA的路由問題分別從域內(nèi)路由和域間路由兩個方面進行了研究。首先,針對DIA服務域內(nèi)的路由問題,由于DIA路由的多對多、實時性等特點,為每一個需要發(fā)送數(shù)據(jù)的DIA節(jié)點都以它為根構(gòu)造一棵數(shù)據(jù)分發(fā)樹,費用開銷太大,而所有需要發(fā)送數(shù)據(jù)的DIA節(jié)點都基于單棵共享樹進行數(shù)據(jù)分發(fā)樹,又會造成流量集中,DIA延時無法保障。因此,這里采用多棵共享樹來分發(fā)DIA數(shù)據(jù)。基于多共享樹研究了DIA服務域內(nèi)靜態(tài)路由問題SMSTR和動態(tài)路由問題DMSTR,提出了求解SMSTR問題的禁忌遺傳算法SMSTR_TSGA,研究了動態(tài)路由問題DMSTR的節(jié)點加入和退出算法。其次,針對可擴展的DIA應用,為了高效地支撐DIA服務域間的分布式交互應用,必須研究DIA的域間路由問題。域間路由是基于DIA核心層之上的,而DIA核心層是由所有DIA服務域內(nèi)選出核心代理節(jié)點基于Hypercube構(gòu)造出的一個覆蓋層,因此需要結(jié)合Hypercube研究DIA的域間路由問題。對于DIA服務域間的靜態(tài)路由問題SHMR,提出了基于局部簇的超立方體組播路由算法HMR_LC;對于DIA服務域間的動態(tài)路由問題DHMR,研究了DHMR的節(jié)點加入和退出算法。第四,研究了基于覆蓋網(wǎng)的DIA交互性問題。在DIA中,發(fā)生在兩個不同節(jié)點上的事件如何排序,如何判斷某個事件當前是否可以提交處理是非常關(guān)鍵的。由于網(wǎng)絡傳輸時延的異構(gòu),不同DIA節(jié)點接收到事件的順序是不一樣的,一個DIA節(jié)點顯然不能把事件的接收順序作為處理順序,也不能將已接收到的最小時間戳的事件作為當前需處理的事件,因為它無法判斷是否有更小時間戳事件仍在網(wǎng)上傳輸,還未接收到。本文根據(jù)DIA交互性問題的特點和性質(zhì),在基于Overlay Network的DIA網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上,分層次地解決DIA交互性問題。對于DIA服務域內(nèi)的交互性問題,在時鐘同步的前提下,為了能夠確定事件的可處理時刻,有效的解決了DIA服務域內(nèi)不同節(jié)點上事件處理順序不一致造成的交互性問題,提出了基于周期采樣和事件序列號的DIA服務域內(nèi)交互性控制方法ICM_SE。對于DIA服務域間的交互性問題,由于節(jié)點地理上分布的廣泛性,節(jié)點間時鐘無法精確同步。即時鐘同步不能很好地適用于大規(guī)模廣域網(wǎng)環(huán)境,但DIA服務域間的各節(jié)點的時鐘步進速率幾乎沒有差異。因此,針對DIA服務域間的交互性問題,為了能夠把發(fā)生在其他DIA服務域內(nèi)的事件時間戳轉(zhuǎn)化為對應的本地DIA服務域內(nèi)的時間,本文提出了基于時鐘關(guān)系矩陣的時間轉(zhuǎn)化方法,進而提出DIA服務域間的交互性控制方法ICM_CRM。模擬仿真表明,本文提出的交互性控制方法具有開銷低,可擴展性好,能有效減少DIA中不一致現(xiàn)象的發(fā)生。最后,針對在網(wǎng)環(huán)境下DIA網(wǎng)絡的擁塞和數(shù)據(jù)包的丟失無法完全避免,會造成事件消息不一定都能在用戶可接受的響應時間內(nèi)到達接收節(jié)點的問題,研究了DIA交互性控制的修復機制。第五,研究了基于覆蓋網(wǎng)的DIA機制。在基于覆蓋網(wǎng)的DIA網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究了基于覆蓋網(wǎng)的DIA機制,主要包括DIA會話和節(jié)點管理機制中的DIA會話的注冊機制、DIA節(jié)點的加入機制、DIA節(jié)點的退出機制,以及基于周期采樣和事件序列號的DIA服務域內(nèi)交互性機制和基于時鐘關(guān)系矩陣的DIA服務域間交互性機制。同時,利用形式化工具Petri網(wǎng)對基于覆蓋網(wǎng)的DIA機制進行了形式化描述,基于Petri網(wǎng)可達圖對DIA機制的模型進行了正確性和完備性驗證。最后,分析了論文中存在的不足。基于現(xiàn)有的工作,針對需要進一步研究的問題提出了一些設(shè)想,并對基于覆蓋網(wǎng)的DIA的發(fā)展前景做出了展望。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP393.02

【參考文獻】

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1 蘇金樹;曹繼軍;張博鋒;;應用層組播穩(wěn)定性提高技術(shù)綜述[J];計算機學報;2009年03期

2 ;A survey on virtual reality[J];Science in China(Series F:Information Sciences);2009年03期

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7 黃國言;李曉冬;;協(xié)同工作(CSCW)下協(xié)作模型的研究[J];計算機工程與應用;2006年22期

8 秦嘯;分布式交互系統(tǒng)中連續(xù)媒體的延遲一致性模型(英文)[J];軟件學報;2002年06期

9 潘志庚,cad.zju.edu.cn,姜曉紅,張明敏,石教英;分布式虛擬環(huán)境綜述[J];軟件學報;2000年04期

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本文編號：1572926