本文選題：分布式交互應(yīng)用　切入點(diǎn)：覆蓋網(wǎng)　出處：《中國礦業(yè)大學(xué)(北京)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)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(luò)和計算機(jī)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(jī)應(yīng)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(jī)獨(dú)立的系統(tǒng),而是以分布式的形式開展。當(dāng)把Internet看成一個整體,人們與眼前計算機(jī)的交互應(yīng)用就變成基于Internet的人與人交互應(yīng)用,即分布式交互應(yīng)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(jìn)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(luò)(Overlay Network)由于具有可擴(kuò)展性、靈活性、健壯性和易于部署等特點(diǎn)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(luò)層次、特定技術(shù)無關(guān)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的方法,通過在原有物理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,根據(jù)實(shí)際的需求來構(gòu)造一個虛擬的邏輯網(wǎng)絡(luò),在保證與原有網(wǎng)絡(luò)最大限度地兼容的情況下,支持原網(wǎng)絡(luò)很難或者不可能提供的功能和服務(wù)。因此,可以較為靈活地解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)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(diǎn),從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)入手,研究可擴(kuò)展的分布式交互應(yīng)用,將Overlay Network的思想融入到DIA的研究中,利用Overlay Network的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性等特性,將DIA基于Overlay Network之上進(jìn)行研究,有利于克服DIA在體系結(jié)構(gòu)和機(jī)制方面的不足,從而實(shí)現(xiàn)DIA的大規(guī)模部署和應(yīng)用。因此,本文針對DIA的可擴(kuò)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(luò)體系結(jié)構(gòu)(Overlay-Network based Distributed Interactive Applications,ODIA),并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。第一,對基于覆蓋網(wǎng)的DIA的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究。在分析傳統(tǒng)的DIA網(wǎng)絡(luò)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(luò)體系結(jié)構(gòu)模型ODIA。從功能上將ODIA劃分為用戶DIA應(yīng)用層、ODIA覆蓋層和物理網(wǎng)絡(luò)層三個層次,并定義了各層的功能及相互關(guān)系。詳細(xì)描述了基于覆蓋網(wǎng)的DIA覆蓋層的構(gòu)造,提出了DIA服務(wù)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(diǎn)和現(xiàn)有物理網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),以現(xiàn)有物理網(wǎng)絡(luò)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(luò)聚類劃分成K個DIA服務(wù)域,每個DIA服務(wù)域都包含一個或多個自治域,并在服務(wù)域內(nèi)征用和部署一定的代理節(jié)點(diǎn),由代理節(jié)點(diǎn)構(gòu)造生成服務(wù)域?qū)泳W(wǎng)絡(luò),為服務(wù)域內(nèi)的DIA提供支撐。同時在每個DIA服務(wù)域內(nèi)都選取出一個或多個核心代理節(jié)點(diǎn),由核心代理構(gòu)造生成DIA核心層網(wǎng)絡(luò),為服務(wù)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(luò)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(wù)是生成并維護(hù)支撐分布式交互應(yīng)用的Overlay Network拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),同時為其上層DIA應(yīng)用層提供實(shí)現(xiàn)分布式交互應(yīng)用所需的功能,如路由和交互性控制等,是整個DIA網(wǎng)絡(luò)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(wù)域的劃分問題DSDD,DIA代理節(jié)點(diǎn)的征用和部署問題DPRP,DIA服務(wù)域?qū)拥臉?gòu)造問題DSCP,DIA核心代理節(jié)點(diǎn)選取問題DKPS,以及DIA核心層的構(gòu)造問題。首先,針對DIA服務(wù)域的劃分問題DSDD,以現(xiàn)有物理網(wǎng)絡(luò)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(wù)域中,對DSDD問題進(jìn)行形式化描述和建模,并研究了求解DSDD問題的改進(jìn)遺傳算法DSDD_IGA。其次,可擴(kuò)展的DIA應(yīng)首先能夠?qū)崿F(xiàn)自治域內(nèi)的分布式交互應(yīng)用,由于在自治域內(nèi)的DIA網(wǎng)絡(luò)中,存在許多類型的服務(wù)器,因此以自治域為單位將這些服務(wù)器有選擇的征用起來作為DIA代理節(jié)點(diǎn),征用節(jié)點(diǎn)作為DIA代理的費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于部署DIA代理的代價,只有當(dāng)征用的代理節(jié)點(diǎn)無法支撐自治域內(nèi)的DIA時,才部署一定的DIA代理節(jié)點(diǎn),即DIA代理節(jié)點(diǎn)的征用和部署問題DPRP。然后,對DPRP問題進(jìn)行了形式化描述和建模,研究了求解DPRP問題的改進(jìn)粒子群算法DPRP_IPSO,該算法能夠在滿足網(wǎng)絡(luò)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(wù)域內(nèi)的DIA應(yīng)用,針對DIA服務(wù)域?qū)拥臉?gòu)造問題進(jìn)行研究;為了構(gòu)造拓?fù)淦ヅ涞腄IA服務(wù)域?qū)泳W(wǎng)絡(luò),采用了GNP網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)系統(tǒng)、Hilbert空間填充曲線、Skip Lists等技術(shù),并對DIA服務(wù)域?qū)拥臉?gòu)造問題進(jìn)行建模,研究了求解DIA服務(wù)域?qū)拥臉?gòu)造問題的差分進(jìn)化算法DE_DSCP。第四,針對DIA核心代理節(jié)點(diǎn)選取問題DKPS進(jìn)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(diǎn)的選取滿足最大網(wǎng)絡(luò)帶寬、最小網(wǎng)絡(luò)延時。最后,為了高效地支撐服務(wù)域間的DIA應(yīng)用,針對DIA核心層的構(gòu)造問題,提出基于改進(jìn)超立方體Hypercube對DIA核心層進(jìn)行構(gòu)造,并對該問題進(jìn)行建模,達(dá)到DIA核心層網(wǎng)絡(luò)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(biāo)。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(luò)體系結(jié)構(gòu)模型ODIA,結(jié)合DIA路由問題的特點(diǎn)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(jìn)行了研究。首先,針對DIA服務(wù)域內(nèi)的路由問題,由于DIA路由的多對多、實(shí)時性等特點(diǎn),為每一個需要發(fā)送數(shù)據(jù)的DIA節(jié)點(diǎn)都以它為根構(gòu)造一棵數(shù)據(jù)分發(fā)樹,費(fèi)用開銷太大,而所有需要發(fā)送數(shù)據(jù)的DIA節(jié)點(diǎn)都基于單棵共享樹進(jìn)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)�；诙喙蚕順溲芯苛薉IA服務(wù)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(diǎn)加入和退出算法。其次,針對可擴(kuò)展的DIA應(yīng)用,為了高效地支撐DIA服務(wù)域間的分布式交互應(yīng)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(wù)域內(nèi)選出核心代理節(jié)點(diǎn)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(wù)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(wù)域間的動態(tài)路由問題DHMR,研究了DHMR的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上的事件如何排序,如何判斷某個事件當(dāng)前是否可以提交處理是非常關(guān)鍵的。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸時延的異構(gòu),不同DIA節(jié)點(diǎn)接收到事件的順序是不一樣的,一個DIA節(jié)點(diǎn)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(dāng)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(diǎn)和性質(zhì),在基于Overlay Network的DIA網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(wù)域內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)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(wù)域內(nèi)交互性控制方法ICM_SE。對于DIA服務(wù)域間的交互性問題,由于節(jié)點(diǎn)地理上分布的廣泛性,節(jié)點(diǎn)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(wù)域間的各節(jié)點(diǎn)的時鐘步進(jìn)速率幾乎沒有差異。因此,針對DIA服務(wù)域間的交互性問題,為了能夠把發(fā)生在其他DIA服務(wù)域內(nèi)的事件時間戳轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的本地DIA服務(wù)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(jìn)而提出DIA服務(wù)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(kuò)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(luò)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(yīng)時間內(nèi)到達(dá)接收節(jié)點(diǎn)的問題,研究了DIA交互性控制的修復(fù)機(jī)制。第五,研究了基于覆蓋網(wǎng)的DIA機(jī)制。在基于覆蓋網(wǎng)的DIA網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,研究了基于覆蓋網(wǎng)的DIA機(jī)制,主要包括DIA會話和節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制中的DIA會話的注冊機(jī)制、DIA節(jié)點(diǎn)的加入機(jī)制、DIA節(jié)點(diǎn)的退出機(jī)制,以及基于周期采樣和事件序列號的DIA服務(wù)域內(nèi)交互性機(jī)制和基于時鐘關(guān)系矩陣的DIA服務(wù)域間交互性機(jī)制。同時,利用形式化工具Petri網(wǎng)對基于覆蓋網(wǎng)的DIA機(jī)制進(jìn)行了形式化描述,基于Petri網(wǎng)可達(dá)圖對DIA機(jī)制的模型進(jìn)行了正確性和完備性驗證。最后,分析了論文中存在的不足�；诂F(xiàn)有的工作,針對需要進(jìn)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(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP393.02

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1572926