移動Ｐ２Ｐ計算研究進展

摘要：隨著無線網絡技術和P2P計算的發展以及大量用戶移動性應用的需求，人們在研究無線網絡和P2P計算的眾多問題的同時，也提出了基于無線網絡的移動P2P計算的研究課題，并且在文件共享、路由策略、體系框架、訪問控制等方面取得了豐碩的研究成果。在分析新型的移動P2P計算的基礎上，總結了現有的研究成果，分析了其應用領域和技術方案以及移動P2P計算未來的發展趨勢。

關鍵詞：移動對等計算;移動無線自組網絡;文件共享;路由機制

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)05－0269－04

Peer－to－Peer (P2P)[1]計算模式具有完全的分布式、自組織等特征，在許多領域已經得到了廣泛的應用。隨著網絡基礎設施逐步建立和無線通信技術的成熟，移動計算設備快速發展，計算和待機能力的瓶頸被逐步突破，數據格式也日趨統一。因此，人們便提出了通過便攜機、個人數字助理、移動電話等移動設備方便地完成移動用戶共享、交互、協作的移動性應用需求。P2P計算模式在學術研究和工業開發中已經開始擴展其范圍到移動設備和無線網絡領域[2]。

然而移動應用環境所固有的缺陷和特點，如移動計算設備的能量和資源的相對短缺、通信能力相對較弱、網絡動態多變和網絡連接不可預見性的中斷等，對以前傳統的Internet下的P2P計算提出了挑戰，對移動P2P計算的研究和開發提出了新的需求。本文全面而系統地介紹了基于無線網絡的移動P2P計算的技術、研究工作和發展現狀。

1移動P2P計算

1．1移動P2P計算的概述

移動P2P計算模式是一種動態的、分布式和自組織的計算模式。它描述了一種在無線網絡中自治的移動設備以Peers方式交互、共享協作處理模式，其設備間建立成對的通信連接和同等的Peer關系。因此，移動P2P網絡被構造成多個移動對等設備間為移動用戶應用的P2P網絡，它擴展了P2P應用到無線網絡中，為移動用戶的P2P應用提供了支撐。例如，移動Ad hoc網絡中協作會議、移動患者監控、移動環境中的分布式命令和控制系統、戰場和救災現場的任務協作、移動用戶的資源共享和交互等。



1．2移動P2P計算的特點與挑戰

與傳統Internet下的P2P相比，移動P2P計算具有一些新的限制，如網絡環境的限制、移動設備的限制等；也具有一些特點，如自組織、分布式、高度動態性等。

通過分析以及在文獻[3，4]中的描述，移動P2P計算會遇到如下挑戰：

(1)基礎設施：①沒有網絡或者出現網絡中斷時，Peers節點應該能夠在沒有網絡時保持工作；②

無線網絡的動態性和有限制的帶寬等；③移動設備較短的電池生命、較低的執行和處理能力（如低能力的CPU等）帶來了必須有限制的能源消耗、有限制的數據大小和格式等。

(2)命名和路由。訪問分布式的資源意味著在一個非固定的連接、不能預料的IP地址環境中操作，并且不是所有的移動設備都支持IP網絡；同時可能它的操作是在DNS之外，以及實時的分布式協作需要有能力和時間去識別節點用戶。

面對沒有中心目錄服務器及移動設備有限的傳輸范圍、路由生命周期，網絡拓撲的動態性、節點的移動性、建立健壯的路由策略是必需的。

（3）資源發現和處理。

需要能在一個完全分布式、自組織的動態環境中，移動設備偵察到別的移動設備的存在，以及不能查找到移動設備和不能獲得服務時的提示。

資源處理必須是：①高度可獲性，需要每個節點能夠保存每個共享數據對象的一個本地拷貝，能夠在與別的節點缺乏聯系時仍能夠執行計算；②一致性，保證共享數據的一致性；③實時性，怎么樣實時地響應用戶的需求，及時地完成用戶的任務。

（4）安全。①移動設備本身的問題。訪問控制需要對不同類型和缺乏資源運行常規的安全機制的移動設備進行支持。②網絡環境的問題。對于完全的分布式環境以及在沒有任何管理和控制中心點的情況下，要一個分布式認證協議發揮重要作用是非常困難的。

1．3移動P2P計算的研究概況

國內外大量的研究機構正在從事移動P2P方面的研究，如國內的浙江大學、上海交通大學、香港科技大學以及臺灣國立成功大學等。在國外，如美國UC Berkeley、University of Illinois at Chicago、University of California、Riverside、Purdue University、University of Maryland Baltimore County等；英國University of Cambridge Computer Laboratory等；德國University of Würzburg等；其余還有Institute of the Italian National Research Council、Technical University of Vienna、Distributed Systems Group Austria等。Nokia、IBM、法國的Apeera等公司也投入大量人力和物力來研究這個課題，如在Nokia研究中心，已經測試了在6600型號手機上的P2P網絡。目前的版本可以分享圖片和文本文件，以后的版本在于分享數字音樂等。法國Apeera公司提供技術使手機的開發者能夠為用戶提供手機上共享的移動游戲、圖片、個人文件等。

2006年移動P2P計算專門的國際會議提出了移動P2P計算的多個研究方向，如移動P2P計算的路由協議、安全通信協議、資源交換機制；移動P2P的應用、系統、框架和平臺等。

2基于移動Ad hoc（MANET）網絡的移動P2P計算

2．1基本思路

在移動Ad hoc網絡上建立移動P2P應用已經成為了許多研究者研究的課題[3，4]。P2P計算模式的應用在Internet上可以開發和應用，同時也可以在移動Ad hoc網絡上部署。例如，P2P文件共享應用諸如Gnutella被設計在無服務器的結構中，它同樣潛在地適合無結構的移動Ad hoc網絡環境。但是由于Internet和移動Ad hoc網絡許多基本的不同，對在移動Ad hoc網絡上構建P2P系統帶來了許多挑戰，如帶寬限制、節點移動性、拓撲動態性、框架的缺乏、限制的能量等。文獻[5~7]都提到了在移動Ad hoc網絡上構建P2P系統的方法。其思路如圖1所示。

2．2設計方法和已有系統

支持在移動Ad hoc網絡中構建P2P系統的覆蓋抽象的四個設計方法，如圖2所示。

（1）層次和無結構。無結構的P2P協議是被操作在移動Ad hoc網絡路由協議的頂部。

（2）集成和無結構。在無結構的P2P協議上的操作是被集成到移動Ad hoc網絡路由協議操作中，以支持無結構的P2P API。

（3）層次和有結構。一個有結構P2P協議，如Pastry等能夠運行在移動Ad hoc網絡路由協議的一個應用之上。

（4）集成和結構。結構化的P2P協議被集成到一個移動Ad hoc網絡路由協議中，提供一個分布式哈希表的抽象。

文獻[6]中提出了一個動態P2P源路由算法（DPSR）。它是一種新的移動Ad hoc網絡路由協議；通過集成動態源路由和一個相臨感知的結構化P2P重疊路由協議，實現了一個在移動Ad hoc網絡中的分布的哈希表；能夠通過一個相同的P2P APIs集建立在移動Ad hoc網絡之上。文獻[7]描述了一個框架MIN，能夠作為P2P和Ad hoc網絡應用的一個集成框架。對于P2P協議和移動Ad hoc網絡協議的結合，提出可能的解決方法是：把一個IP地址與在命名空間中的節點ID映射起來，而取代存儲的IP地址的路由表項。

3研究工作分類

通過分析研究及文獻[2~5]所提到的移動P2P計算的研究工作大體分為如下幾個方面：

（1）中間件和框架設計。為了容納設備和技術的不同，平臺獨立的中間件必須被開發，良好的框架必須被設計，以支撐異構的移動設備及不同類型的數據和不同標準的技術。

（2）移動P2P與固定的P2P互通。移動P2P系統與在Internet下相對固定的P2P系統相比，使用的技術和通信協議等都是不一樣的。怎樣把新建立的移動P2P系統與已有的固定P2P系統連接起來，實現相互訪問，是一個需要討論的問題。可借鑒下面的思路，如圖3所示。

（3）路由策略和數據共享、資源發現。有效的路由策略和數據共享、分發、資源發現規則能夠減少延遲和系統的擁塞度，減少網絡中無用和錯誤的信息包，快速地響應移動用戶的需求。用戶可以通過這些策略的幫助，依靠自身的移動設備來訪問周圍可取的數據和服務，或得到自己感興趣的事件通報，或向正確位置傳遞自己的數據包和轉發別的用戶的數據包。

（4）性能度量工具和高性能的設計。分析哪些因素如何影響系統的性能、效率和擴展性，并采用合理的設計來提高響應度和準確度。防止由于系統的規模擴大而帶來系統的崩潰是一個關鍵問題。因此，移動P2P性能的度量工具和方法，以及對于評價一個框架的統一尺度，研究涉及的性能優化顯得越來越重要。

（5）移動P2P計算的安全機制和分布式管理。移動P2P計算的安全機制和分布式管理問題是一個非常棘手的難題。它包括如何建立移動P2P計算的安全性以及怎么樣對移動P2P計算中移動設備等實施分布式管理等。

（6）移動P2P計算的應用開發。移動P2P應用的領域在不斷地擴大，從重要場合的使用（如災難恢復諸如地震、火災）、戰場協作作戰（如數字化單兵等）到普通的、民用的、娛樂場合的使用，如移動用戶的MP3音樂文件等的共享和多用戶的移動游戲等。

4研究熱點現狀

目前的研究熱點包括路由、資源發現、組播、安全、數據分發等，如表1、2所示。

發現DEAPspace[8]是一個集成的發現算法，包括設備和服務的發現。它能夠探測到鄰居設備的存在，分享這些設備的配置和服務信息，并能夠發現設備的問題。MOBI－DIC[9]能夠在許多應用領域，如社會網絡、運輸、移動電子商務、災難恢復等快速地建立匹配和資源發現服務。Konark[10]是一個為Ad hoc和P2P網絡的服務發現與傳遞協議，它使用一個完全的分布式的P2P機制來提供每個設備發布和發現服務的能力

組播文獻[11]描述了一個基于鄰居關系的組播路由協議，文獻[12]使用角色去形成組播組，文獻[13]使用內容作為標準

數據分發SPIN[14]是第一個在Ad hoc中建立數據分發的適應性協議的系統。文獻[15]提出了適應性的基于內容驅動的路由和數據分發算法，能夠支持在移動P2P網絡中的智能路由查詢。該算法通過建立數據的內容概要，適應性地分發它們到最適當的節點

安全在項目CoolTown[16]中，一個認證的框架被設計為移動計算應用的。Shen和Dewan[17]提出了一個協作的訪問控制系統。Kim等人[18]給出了一個移動P2P協作環境的認證框架的例子。Pascal Fenkam 等人[19]提出了一個正在研究中的移動P2P環境中的訪問控制系統

5典型系統

5．1Proem

Proem[3]是一個移動P2P的中間件，它提供了一個實現移動Ad hoc網絡的應用開發和部署的應用環境，為移動Ad hoc網絡和個人域網絡開發與部署相應的P2P應用。

Proem可以簡單地被視為一組通信協議。節點協議的定義和使用保證了在不同的硬件和軟件平臺的Proem系統實現間的互用性。開發者為了支持MP3文件共享和任何別的P2P應用對基本的Proem協議進行擴展，通過定義其特殊的應用協議來實現。

2004年意大利的Marco Mamei[25]提出了一種中間件（Tuples On The Air，TOTA），并在此基礎上建立了基于內容的路由。Purdue University的研究者[26]提出把DHTs(Distributed Hash Tables)使用到移動Ad hoc網絡環境中。浙江大學的彭剛等人[27]采用分組和注冊資源，使新的協議加速了搜索過程。文獻[7] 提出了一種新穎的結構MIN，其利用了P2P和MANET的技術，對于P2P協議和MANET協議的結合，提出可能的解決方法

2005年University of California的研究者[15]提出內容驅動路由和數據分發算法，建立數據的內容概要和分發數據到最適合的節點；基于內容概要，路由機制被建立。University of Cambridge Computer Laboratory的研究人員[28]提出了一種在移動P2P中動態組的通信，并結合了發布和訂閱的語義概念，很好地使用了有效組通信的方式。文獻[29]分析了在按需路由策略中節點負載的不平衡問題，并提出了幾點思考：①通過網絡別的參數去考慮角色數的關系；②負載不平衡引起了分簇的出現；③新的路由算法需要做一個負載平衡

5．27DS

7DS[30]是一個基于Java的為移動及固定設備數據預取和存取的P2P數據分享系統。

7DS允許移動用戶發布其移動設備上的數據項并通過無線局域網去詢問別的用戶數據；也能夠在一個局域網中被視為一個應用，并且同別的7DS參與者通信。它有兩種操作模式：預取和按需式，還能夠按別的數據訪問方法工作。

5．3XMIDDLE

XMIDDLE[31]是一個基于無線局域網的反射中間件，能夠在移動節點間實現P2P的XML文檔的透明共享。

XMIDDLE的數據結構是樹型，其數據能夠被表示在一個層次化的結構中。XMIDDLE應用使用XML Parsers來確認樹型結構符合XML DTD或模式定義的類型。其中，通過在XMIDDLE的子樹間的共享以及層次的引進方便了在不同粒度層次間的移動節點間的協作。

5．4MOBY

MOBY[32]是一個無線P2P網絡。框架使用Jini和Jini技術代理框架來建立。每個Jini域包含了一個允許多播的本地域網絡。MOBY是基于超級節點結構的P2P網絡，網絡被劃分為超級節點的域；超級節點之間使用UDP通信。

在MOBY中的服務分為三類，即普通的Jini服務、節點服務和系統Jini服務。除此之外，MOBY還提供了擴展服務和服務訪問的安全措施。它支持安全和可靠的服務發現。

5．5Mobile Chedar

移動 Chedar[33]是一個移動P2P中間件。這個中間件是Chedar－P2P網絡的擴展。在他們的設計中，提出了網絡被分為兩個部分：①固定的Chedar部分，通信的建立都使用TCP/IP;②移動的Chedar部分，它使用藍牙技術作為傳輸技術，并使用固定Chedar部分的某個節點作為移動Chedar的網關節點，保持與固定Chedar部分的通信。移動的Chedar部分依靠藍牙的發現機制，不需要移動節點的IP地址。

5．6Tuples On The Air(TOTA)

Tuples On The Air[34]是一個支持動態網絡中上下文感知應用的中間件。它通過依靠自保持的分布式元組在網絡上傳播，提供有效的基于內容的動態網絡信息訪問。其主要是依靠空間分布式的元組，在網絡中該中間件基于特殊應用模式傳播這些元組，并適應性地重構由于網絡拓撲改變而帶來的改變。應用組件能夠在本地感覺到這些構造和探索并獲得上下文的信息以及用一個適應性的方法執行一個復雜的協作活動。

5．7Bristle

Bristle[24]是一個基于Hash結構的移動P2P中間件框架，它基于P2P框架Tornado，允許節點的自由移動。

Bristle框架包括兩個部分，即固定層部分和移動層部分。固定部分是任何基于Hash的P2P網絡，它負責解決移動層移動節點的網絡地址。每個移動節點關聯一個LDT，移動節點也能夠主動在固定部分的固定節點幫助下，找到移動節點的丟失的狀態。一個移動節點能夠通過關聯的LDT來迅速發布其更新狀態到對它感興趣的節點。

6結束語

為了用戶能夠在移動環境中訪問、交互和控制節點的信息、資源和服務，無須考慮節點的位置、節點設備的差異和移動性等，對移動P2P計算的研究已成為P2P計算研究領域中的重要課題。由于無線網絡和Internet網絡的特點與限制不同，以前Internet下的P2P框架、技術等需要被改進，以適應無線網絡環境和移動設備的特點。

從現在研究和開發的情況看，未來的研究將集中在移動P2P網絡的節點、資源的迅速發現、定位和中間件、框架設計、消息的路由、安全機制、數據緩存機制、移動P2P應用的開發等方向。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”