典型場景下的群首委任研究

蔡瑋 何鳳軍 王宇

摘要：針對網絡拓撲動態變化下的群首選舉問題，研究分群以及群首委托典型場景下的群首選舉算法，設計管理者-群首/群首-群成員之間進行群首自主選擇、管理者委任群首、群首自動卸任與注銷，以及群首職能拍賣與委托過程期間的步驟流程與交互協議，研究基于多屬性的節點綜合評判值，采用單輪多屬性拍賣方式進行群首的委任，以及在動態分群中的群首委任/卸任流程，實現群管理的快速性和穩定性。

關鍵詞：群首委任；職能委托；單輪多屬性拍賣；分群場景

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）02-53-3

0引言

在特殊應用環境下，節點移動性較強，導致網絡拓撲動態變化，因而分群結構頻繁變動，對網絡運行性能和管理效率產生極大影響。由于群首在執行群成員維護、任務分配、數據采集等管理功能的同時，還需要執行基于群的路由轉發、移動性管理、資源分配和信道接入等功能，負載較重，容易形成網絡瓶頸，因此群首的選取、委任將直接影響高動態網絡的性能。

在分層網絡中，為減少大規模分群開銷，網絡管理分群沿用網絡層的通信分群。但是由于網絡拓撲變化迅速，當通信分群重構后，管理群的群首以及群成員也相應發生改變。管理者為了網絡管理和作戰任務分配的需要，必須實時維護各個群首及其群成員列表。

1群首委任算法

1.1算法消息格式

當群首生成和群首變更而引起群結構發生變化時，網絡管理者需要實時維護和更新群結構，確認群首的管理功能及范圍。另外，考慮到網絡中的節點具有隨機移動性，網絡拓撲也會隨之變化，導致群成員與群首之間的聯通關系可能會頻繁變化。需要研究當群首位置發生變動或由于自身電量等問題而無法承擔管理職能時，該群首需將管理職能委托給具有充足的能量資源、位置穩定的群成員，從而維護管理分群的穩定[1-3]。

在群結構中，節點有未分群、群首和群成員3種狀態。在網絡拓撲初始化時節點處于未分群狀態，管理分群或拓撲分群后，節點的狀態由未分群成為群首或群成員，此后進入拓撲或群維護狀態。在群維護中[4-5]，如果群首或群成員離群，則節點的狀態會發生改變，在未分群、群首和群成員之間切換。

算法中使用的消息格式定義如下：

①群首轉任請求消息：

該消息由群首生成，用于向管理者申請群首卸任，并委托給其他群成員。

②群首轉任響應消息：

該消息由管理者生成，用于向群首通知自行進行群首委托或者指定群首ID，默認自行委托則標識為0。

1.2基于拍賣方式的群首維護算法

群首在群成員中選擇一個最優的群成員作為群首的繼任者。原群首將職能委托處理結果上報給管理員，并向繼任者轉移群首職能內容（更新群成員列表、采集群內任務執行結果等）后，標志著本次多屬性拍賣結束。

采用拍賣方式進行群首職能的委托，主要出于下述考慮：①以拍賣方式進行，群首可以獲取實時的群成員的資源信息狀況，以便選擇出能夠勝任群首職能的最優的繼任者，實時性較強；②相比較于直接選擇某個委任者而言，拍賣方式為群成員提供了公平的競爭機會，最大程度考慮了負載平衡問題；③對群首即將轉任而進行的拍賣方式，只需耗費一輪競拍交互的網絡流量，避免了大規模重新分群所導致的群重構代價，明顯加快群結構維護的反應效率。

以一個包含若干節點的動態變化網絡為例，其網絡初始拓撲如圖1所示，節點1和節點2為2個群的群首。圖2為節點1和節點2失效進行拍賣后，委任群首為節點6和節點7。

1.3分群場景下的群首委任算法

在分群場景中，群首委任機制如下：

步驟1：在分布式的群首選舉之前，管理者指定有指揮權的節點作為群首。管理者廣播群首委任請求消息，相應節點接收到該消息后，判斷自身是否有指揮權。如果有指揮權的話，則該節點成為群首并向管理者發送群首委任確認消息。

步驟2：管理者指定指揮權高的節點成為群首并邀請群成員加入后，對于剩下的未分群節點，如果其值是周圍鄰居節點的最小值，則該節點宣布自己成為群首并邀請群成員加入。分群完成后，新群首向管理者發送新群首注冊消息，向管理者報告群首及該群成員的信息。管理者收到該消息后，返回新群首注冊響應消息[8-9]。

群首委托場景中，群首委任機制的詳細步驟如下：

①通信群首由于電量限制等原因需要進行群首職能轉任，向管理者發起群首轉任請求消息。

②管理者確認該申請合法，回復群首轉任響應消息：由群首自行委托轉任或者直接在該群中指定某個群成員。

③群首向群成員拍賣廣播/定向發送群首委托邀請信息。

④群成員回復群首委托響應信息。

⑤委任后的群首向群成員發送群首委托確認消息，該消息除了包含確認群首職能轉換功能，還包含群首相關信息（如該群群成員信息列表，當前群任務執行進度和分派信息等）等，執行職能和任務管理權限的全權轉移。

⑥原群首向管理者發起群首注銷申請。至此，該群首作為群首的職能轉接結束，自身轉移到離群/群成員狀態。

⑦群成員收到⑤中的消息后，轉自身狀態為群首，作為新群首向網絡管理者發起新群首注冊信息。此后將執行群首職能，繼續完成群內的任務執行和管理。

群首維護算法流程如圖3所示。重新分群后的拓撲圖群首委任如圖4所示。

2算法核心解析

在分層網絡中，由于群首擔任群成員管理與維護、群內/群間信息的路由轉發、接收上層管理者的指揮指令并分配給群成員、將群成員任務執行結果上報等重要功能，因此群首的選擇、委任和卸任，以及群首功能的委托也影響了分層群結構的變化。本文所提出的群首委任機制針對分群以及群首委托等不同的網絡場景，設計管理者-群首/群首-群成員之間進行群首自主選擇、管理者委任群首、群首自動卸任與注銷以及群首職能拍賣與委托過程間的步驟流程與交互協議。通過有效的群首委任機制，動態、實時維護分級的網絡管理架構，加強網絡管理與維護的靈活性。

由于群首處理能力變化、電量限制、安全能力限制及隸屬關系變化等原因將群首職能委托給合適的群成員。群首以英式拍賣的方式向群成員拍賣該群首職能，避免了大規模重新分群所導致的群重構代價，明顯提高群結構維護的反應效率。

3結束語

動態網絡的頻繁變動給運維管理帶來了管理困難，體現在拓撲結構的動態變化，因此如何在拓撲動態變化的情況下（包括節點被摧毀、節點移動等導致的拓撲變化）掌控全局拓撲是首要解決的問題；其次，對于群首而言，它是本群的管理中心，管理層級和地位僅次于管理中心，擔負著本群的所有管理工作，由于群首負載較重，因此電量不足、移動性等原因導致群首變動的同時，也影響了分層群結構的變化。本文提出了分群和群首委任典型場景下的基于單輪多屬性拍賣的群首拍賣、群首委任和卸任算法流程，從而維護整個分級網絡結構的穩定和完整，增強了動態網絡的可靠性和抗毀性。

參考文獻

[1]薛明.基于SNMP局域網流量監測系統的應用研究[D].鄭州：鄭州大學，2006.

[2]李濤，張亞群，劉岱平.面向服務的校園網流量監控系統設計與實現[J].現代計算機（專業版），2009（1）：154-156.

[3]宋進紅，沈云琴.使用CactiEZ輕松構建校園網絡流量監控系統[J].河南城建學院學報，2009，18（4）：57-59.

[4]段宗濤，林莎.基于SNMP的網絡流量監控系統的設計與實現[J].微型機與應用，2001（11）：25-27.

[5]董加敏，王斌.基于SNMP協議的高校網絡流量監控管理系統的研究[J].廣州大學學報（自然科學版），2009，8（1）：53-57.

[6]張彤，吳世榮.基于SNMP計算機網絡流量監控系統研究[J].計算機技術與發展，2011，21（1）：88-91.

[7]徐鶴，王汝傳.一種P2P流量監控系統的設計及實現[J].計算機技術與發展，2009，19（10）：6-10.

[8]趙英，黃九梅，董小國，等.網絡流量監控系統的設計與實現[J].計算機應用，2004（S1）：32-33.

[9]張衛東，王偉，韓維桓.網絡流量測量與監控系統的設計與實現[J].計算機工程與應用，2005（32）：160-163.