一種基于QoS的移動(dòng)分布式文件共享系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

周欣欣 張龍 高志蕊 趙政 閆育銘

摘? ?要：移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具有動(dòng)態(tài)性高、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)資源受限等特點(diǎn)，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下構(gòu)建分布式文件系統(tǒng)難以保證其服務(wù)質(zhì)量。文章提出了一種基于QoS的移動(dòng)分布式文件共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型框架，詳細(xì)論述了各部分的功能及相互關(guān)系。該模型采用分層結(jié)構(gòu)，具有靈活性高、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：服務(wù)質(zhì)量;分布式文件系統(tǒng);移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多具有不同服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）需求的應(yīng)用在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上得以實(shí)施，各種應(yīng)用對(duì)服務(wù)質(zhì)量的需求從單一化逐步轉(zhuǎn)化為多元化。新需求、新業(yè)務(wù)的增加，使得用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的個(gè)性化要求也在不斷提高。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的QoS保證機(jī)制要求能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)、移動(dòng)終端的情況動(dòng)態(tài)地、自適應(yīng)地做出相應(yīng)調(diào)整，以滿足不同應(yīng)用、不同用戶的QoS需求。因此，為了充分保證未來不斷增長的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和個(gè)性化需求，必須要提高移動(dòng)環(huán)境下的QoS保證能力[1-3]。

1? ? 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建分布式文件共享系統(tǒng)的QoS要求

由于在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)具有高動(dòng)態(tài)性、異構(gòu)性以及自治性強(qiáng)的特點(diǎn)，沒有QoS保證的網(wǎng)絡(luò)會(huì)使分布式文件共享系統(tǒng)難以進(jìn)行部署和實(shí)施。移動(dòng)環(huán)境中重點(diǎn)關(guān)注的QoS指標(biāo)主要有性能、可靠性、可用性、費(fèi)用、帶寬等[4-6]。

（1）性能：指網(wǎng)絡(luò)完成一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求的快慢程度，可以通過吞吐量、響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)來衡量。響應(yīng)時(shí)間是指用戶從提交服務(wù)請(qǐng)求到獲得服務(wù)所用的時(shí)間，包括服務(wù)時(shí)間和通信時(shí)間。吞吐量是指在單位時(shí)間內(nèi)可以處理的服務(wù)請(qǐng)求數(shù)量，常用請(qǐng)求數(shù)凡以秒來衡量。

（2）可靠性：指網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)合理的時(shí)間范圍內(nèi)完成用戶請(qǐng)求的能力，可靠性通常和一定周期內(nèi)服務(wù)失敗的次數(shù)有關(guān)系，通常用周期性統(tǒng)計(jì)服務(wù)的成功比例來衡量。

（3）可用性：指一個(gè)周期內(nèi)服務(wù)返回響應(yīng)次數(shù)與請(qǐng)求服務(wù)總次數(shù)的比值、用戶發(fā)起請(qǐng)求時(shí)服務(wù)是否能夠立即可用的程度。引起服務(wù)不可用的因素很多，例如排隊(duì)、擁塞以及系統(tǒng)維護(hù)等。可用性與可靠性的區(qū)別在于可用性僅統(tǒng)計(jì)服務(wù)是否返回結(jié)果，而不關(guān)注服務(wù)是否成功。

（4）費(fèi)用：指服務(wù)請(qǐng)求者獲得服務(wù)需要支出的費(fèi)用，雖然費(fèi)用并非傳統(tǒng)QoS范疇，但對(duì)于用戶來講費(fèi)用依然是敏感因素，因此，也將其作為QoS因素一起討論。

（5）帶寬：指服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸所占用的頻帶范圍，也是需要重點(diǎn)考慮的QoS指標(biāo)之一，通常從節(jié)點(diǎn)之間可接受的服務(wù)連接帶寬和節(jié)點(diǎn)提供給服務(wù)的最大帶寬兩個(gè)方面來考慮。

除了以上幾種QoS指標(biāo)之外，還必須考慮系統(tǒng)的控制開銷、可擴(kuò)展性、健壯性以及容錯(cuò)性等。

2? ? 基于QoS移動(dòng)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型

移動(dòng)分布式文件共享系統(tǒng)最本質(zhì)的功能是共享網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)提供的資源與服務(wù)，除應(yīng)具有對(duì)等、易部署等特性外，還必須滿足如多媒體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求、新型服務(wù)提供的服務(wù)質(zhì)量等問題。因此，在充分考慮目前以及將來可能出現(xiàn)的應(yīng)用及服務(wù)前提下，本文結(jié)合Overlay Network的先進(jìn)思想，采用分層思想，提出了一種基于QoS的新型移動(dòng)分布式文件共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

該模型自下而上共分為3層，依次是基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)層、對(duì)等覆蓋層、用戶應(yīng)用層。該體系結(jié)構(gòu)模型的功能細(xì)化如圖2所示，各層次的主要功能如下：

（1）基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)層，包含移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的各類移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和物理鏈路，節(jié)點(diǎn)之間以無線的方式相互連接，提供基本的物理層傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。它向?qū)Φ雀采w層提供必要的通信節(jié)點(diǎn)、通信協(xié)議和物理連接支持，是對(duì)等覆蓋層構(gòu)造的基礎(chǔ)。

（2）對(duì)等覆蓋層，構(gòu)建在物理網(wǎng)絡(luò)層之上的虛擬層，是整個(gè)體系結(jié)構(gòu)的核心。對(duì)等覆蓋層主要任務(wù)是建立并生成虛擬覆蓋網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，維護(hù)對(duì)等節(jié)點(diǎn)間的虛擬邏輯連接，處理對(duì)等移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)加入或離開以及提供具有QoS質(zhì)量保證的移動(dòng)分布式文件共享服務(wù)，如資源和服務(wù)的描述與發(fā)布、資源查找和定位、訪問控制、負(fù)載平衡、安全機(jī)制等。能夠屏蔽網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和資源的異構(gòu)性、移動(dòng)性等，為用戶應(yīng)用層提供具有良好QoS保證的各類移動(dòng)服務(wù)。

（3）用戶應(yīng)用層，即用戶和應(yīng)用程序接口層，基于下層提供的服務(wù)集，為用戶提供多樣化的移動(dòng)應(yīng)用服務(wù)。

本文提出的基于QoS的移動(dòng)分布式網(wǎng)絡(luò)共享系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）提出一個(gè)更為開放的移動(dòng)分布式網(wǎng)絡(luò)共享系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，采用了分層思想，既保證了各層之間的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的開放性，又大大簡(jiǎn)化應(yīng)用開發(fā)過程，提高了構(gòu)建移動(dòng)分布式文件共享系統(tǒng)的靈活性。此外，分層結(jié)構(gòu)還有利于指導(dǎo)研究人員從不同的層次對(duì)移動(dòng)分布式文件共享系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，明確所研究的關(guān)鍵技術(shù)在整個(gè)系統(tǒng)中所處的層次和地位。

（2）充分考慮到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的本質(zhì)特性，將服務(wù)質(zhì)量作為全網(wǎng)最優(yōu)約束參數(shù)，通過對(duì)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)的配置與約束實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)效率的優(yōu)化，使該體系結(jié)構(gòu)具有更好的通用性、靈活性。

（3）可擴(kuò)展性，指建立分層覆蓋的體系結(jié)構(gòu)，一方面，通過拓?fù)涓兄奶摂M聚集域較好地屏蔽了節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性所帶來的負(fù)面影響;另一方面，通過選取性能高的穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)作為超級(jí)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了具有較高穩(wěn)定性的核心服務(wù)層，避免了網(wǎng)絡(luò)頻繁動(dòng)態(tài)變化而產(chǎn)生的開銷過高與網(wǎng)絡(luò)性能下降。與平面體系結(jié)構(gòu)相比，避免了系統(tǒng)性能瓶頸，有利于提升網(wǎng)絡(luò)工作效率，提高網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性。

（4）易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)性，由于整個(gè)系統(tǒng)已被分解為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，使得實(shí)現(xiàn)和維護(hù)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)變得易于處理，并且可以在已有條件的基礎(chǔ)上構(gòu)造新的子系統(tǒng)，進(jìn)而完成整個(gè)大系統(tǒng)的構(gòu)造。

3? ? 結(jié)語

本文針對(duì)分布式文件共享系統(tǒng)特點(diǎn)，采用Overlay Network的先進(jìn)思想，提出一種基于QoS的移動(dòng)分布式文件共享系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型。該體系結(jié)構(gòu)具有較高的靈活性，易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)，能夠適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用發(fā)展需要，滿足多樣化的服務(wù)模型和復(fù)雜的應(yīng)用需求，為快速、靈活地部署和定制各種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供一個(gè)統(tǒng)一、開放、可擴(kuò)展、可管理、有QoS保證的服務(wù)平臺(tái)。

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