基于云計算的校園物聯(lián)網(wǎng)中P2P覆蓋網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)化

吳健 尹婷

1. 克拉瑪依職業(yè)技術學院信息中心 新疆 克拉瑪依 834000；

2. 新疆第二醫(yī)學院生物工程系 新疆 克拉瑪依 834000

引言

物聯(lián)網(wǎng)起源于傳媒領域，是信息科技產(chǎn)業(yè)的第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)是指通過信息傳感設備[1]，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡相連接，物體通過信息傳播媒介進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。

物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，它可以使能夠被獨立尋址的普通物理對象和互聯(lián)網(wǎng)相連接。它具有普通對象設備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務智能化3個重要特征。簡言之物聯(lián)網(wǎng)即物物相連的互聯(lián)網(wǎng)[2]。物聯(lián)網(wǎng)可分為三層網(wǎng)絡結構[3]：感知層、網(wǎng)絡層和應用層。

感知層：負責信息采集和物物之間的信息傳輸，信息采集的技術包括傳感器、條碼和二維碼、RFID射頻技術、音視頻等多媒體信息，信息傳輸包括遠近距離數(shù)據(jù)傳輸技術、自組織組網(wǎng)技術、協(xié)同信息處理技術、信息采集中間件技術等傳感器網(wǎng)絡。感知層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力，是物聯(lián)網(wǎng)中包括關鍵技術[4]、標準化方面、產(chǎn)業(yè)化方面亟待突破的部分，關鍵在于具備更精確、更全面的感知能力，并解決低功耗、小型化和低成本的問題[5]。

網(wǎng)絡層：是利用無線和有線網(wǎng)絡對采集的數(shù)據(jù)進行編碼、認證和傳輸，廣泛覆蓋的移動通信網(wǎng)絡是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎設施，是物聯(lián)網(wǎng)三層中標準化程度越高、產(chǎn)業(yè)化能力越強、越成熟的部分[6]，關鍵在于為物聯(lián)網(wǎng)應用特征進行優(yōu)化和改進，形成協(xié)同感知的網(wǎng)絡。

應用層：提供豐富的基于物聯(lián)網(wǎng)的應用[7]，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的根本目標，將物聯(lián)網(wǎng)技術與行業(yè)信息化需求相結合，實現(xiàn)廣泛智能化應用的解決方案集，關鍵在于行業(yè)融合、信息資源的開發(fā)利用、低成本高質量的解決方案、信息安全的保障以及有效的商業(yè)模式的開發(fā)[8]。物聯(lián)網(wǎng)架構三個層次所使用的技術包括編碼技術、解碼技術、安全技術和中間件技術。

物聯(lián)網(wǎng)必須在云計算的基礎上才能發(fā)展起來，它從以下幾個方面促進了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。第一，物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)人物，物物之間的互聯(lián)需要，深層次，高效率，動態(tài)的對已有互聯(lián)網(wǎng)資源進行整合，并進行處理。這一點正是云計算的特點，合理高效地利用資源，只能的融合各個方面。第二，云計算強大的計算能力，分析能力才能將物聯(lián)網(wǎng)感知層采集到的信號在最短的時間內(nèi)被有效運用和分析，匯總和處理。云計算和物聯(lián)網(wǎng)將整個網(wǎng)絡和其中的各個節(jié)點整合成為新的虛擬的計算中心，多終端多中心的分布運算和并行處理能力使得智能社會成為可能。比如，分布在世界各種環(huán)境保護中心將數(shù)以千萬計的環(huán)境檢測器的數(shù)據(jù)進行處理，將結果送到虛擬的總處理中心內(nèi)，總處理中心將各分點的結果進行實時匯總，并做出事實調(diào)度，使得最需要某種資源的地區(qū)獲取所需。這其中涉及海量的數(shù)據(jù)需要處理，海量的數(shù)據(jù)需要傳輸，只有采取本地存儲和處理的方式，才能讓負責高端運算的處理中心能夠快速完成計算。數(shù)據(jù)的可靠性和安全性同樣需要考慮，并非單一的數(shù)據(jù)中心能夠將安全性提高到另一個等級。所以，云計算加物聯(lián)網(wǎng)將是未來的趨勢，前者對網(wǎng)絡進行極大擴展，后者將數(shù)據(jù)采集伸向社會的各個角落，兩者同時推動了智能網(wǎng)絡的發(fā)展，缺一不可。

隨著國內(nèi)教育水平，教育信息化的不斷發(fā)展，云計算和物聯(lián)網(wǎng)概念的接入已經(jīng)勢在必行，以信息網(wǎng)絡為依托，將校園環(huán)境，校園設備，校園資料納入物聯(lián)網(wǎng)中，并進行統(tǒng)籌使用和綜合管理，促進教育水平的提高。大學生是一個年輕并且有知識的群體，在接受新事物方面擁有比較大的優(yōu)勢，在校園中推廣云計算和物聯(lián)網(wǎng)對整個社會的發(fā)展也能起到促進作用。當前校園中學生手中大多以具備一個終端，而物聯(lián)網(wǎng)時代的目標是將師生手中的終端化為物聯(lián)網(wǎng)當中的人的標識，同時將圖書，多媒體教室，體育場，實驗室，餐廳，宿舍和超市連入物聯(lián)網(wǎng)為師生的學習和生活提供較大的方便。因此在已有的條件下，將云計算和物聯(lián)網(wǎng)納入校園的發(fā)展方向，優(yōu)化校園的網(wǎng)絡環(huán)境將是目前可行的并且需要做的嘗試。P2P網(wǎng)絡發(fā)展已久，在新的云計算物聯(lián)網(wǎng)中具有一定的潛力，憑借這種模式的成熟和可擴展性，非常適合在校園物聯(lián)網(wǎng)中做一些嘗試。

1 未來校園云計算物聯(lián)網(wǎng)中的P2P網(wǎng)絡模式

1.1 P2P網(wǎng)絡的特點和結構

P2P又叫點對點對等網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡的特點是無中心，依靠網(wǎng)絡上的節(jié)點來互相交換信息。于中央網(wǎng)絡不同的是對等網(wǎng)絡的每個節(jié)點兼具服務器的功能。P2P網(wǎng)絡擁有非中心化，負載均衡，可自組織等特點。在它的發(fā)展過程中，它可分類為集中目錄式結構，純P2P網(wǎng)絡結構，混合式結構，發(fā)展中的P2P結構等4種。

過去的十年中，P2P網(wǎng)絡飛速的發(fā)展中解決了應用中諸多的問題，雖然目前受到包括C/S，B/S等新模式的挑戰(zhàn)，但它本身所具有的分部化，扁平化以及自組織特性。P2P在目前大多數(shù)校園網(wǎng)絡中已經(jīng)在很多地方得到了應用，比如在資源共享，分布計算，即時通信等領域。主要應用包括以下的一些方面：①在分布式計算方面，校園網(wǎng)本身世密度很高的網(wǎng)絡單元，大量的計算終端，存儲不能得到有效的應用，通過P2P進行整合，就能形成大型的計算以完成大規(guī)模的計算需要，創(chuàng)造科研條件；②流媒體服務方面，校園網(wǎng)需要大量視頻，音頻的教育資源，通過P2P就能實現(xiàn)資源的共享，文件的共享。用戶獲取資源不再是只在服務器中獲取，可以在其他用戶終端中共享，提高了傳輸效率，比較典型的包括BT等下載工具的使用。③最近越來越成熟的即時通信也應用了P2P的相關技術，包括QQ等應用，這點已為大家所熟知。

1.2 P2P在未來校園云計算物聯(lián)網(wǎng)中的前景

隨著互聯(lián)網(wǎng)飛速的發(fā)展，和ICT融合也在不斷深化，云計算和物聯(lián)網(wǎng)的興起使得P2P在新的形勢下面臨著新的考驗，同時也會有新的發(fā)展和創(chuàng)新機會。校園云計算是許多大學正在開展的一項研究，對于P2P網(wǎng)絡在其中的應用也需要新的思索。P2P的模式突破了傳統(tǒng)的C/S計算模型的限制，帶來了全新的對等網(wǎng)絡。P2P由于其去中心化的特點，并不依賴于服務器，但是不同的P2P軟件之間存在著接口不同的問題，同時P2P的安全問題的解決也顯得非常迫切。隨著B/S模式的興起，WEB技術的開放，不在完全依賴客戶端軟件了，接口不同的問題得到了部分解決。云計算要求大量的服務器組合在一起形成更大的虛擬服務器，這就要求未來的P2P必須要有統(tǒng)一的標準協(xié)議，目前有些組織已經(jīng)在做相關的工作比如P2PSIP等。C/S, B/S使得P2P在未來有必要融合進Web協(xié)議，嵌入瀏覽器中完成信息的交互。P2P自上而下的自組織能力使得云計算的資源整合和動態(tài)恢復成為可能，目前已有的DSN核心網(wǎng)節(jié)點之間的負載均衡和分布式網(wǎng)絡管理是未來的重要方向。DHT作為一種結構化的P2P搜索技術，能夠實現(xiàn)分布式的查找，并建立映射關系。P2P網(wǎng)絡在應用于校園網(wǎng)絡時也會存在一定的問題，比如必須有節(jié)點來提供有效的資源，如何建立大家的共享機制將成為一個問題，另外，P2P需要大量的帶寬，目前校園中帶寬并不足夠完成無限制的使用網(wǎng)絡資源，這些都將成為P2P的需要解決的問題。

在構建校園物聯(lián)網(wǎng)方面，我們對校園內(nèi)可稱為“物”的物品進行一些限制，它必須具有信息的發(fā)送接收功能，具有數(shù)據(jù)的采集功能，具有存儲以及CPU。因此從學生每天必須接觸的實物來看，有可能可以接入的包括：每個學生手中的手機，一卡通，餐廳中早中晚餐，校園的攝像頭，自行車，教室的使用，寢室里熱水，洗衣機等。依據(jù)目前的條件和問題，我們對P2P的結構進行了優(yōu)化。

2 優(yōu)化校園P2P網(wǎng)絡拓撲

在P2P系統(tǒng)里，所有的節(jié)點是通過物理連接進P2P網(wǎng)絡中的。P2P是一個抽象的，邏輯的覆蓋網(wǎng)絡。當一個新的節(jié)點需要連接進入該網(wǎng)絡中時，一個引導節(jié)指令供一個P2P網(wǎng)絡中的IP地址列表，然后新的節(jié)點就嘗試連接其中一個或多個節(jié)點，如果成功了就會建立連接。這個新的節(jié)點連入了P2P網(wǎng)絡，它將會周期性的請求網(wǎng)絡連接以獲得其他P2P網(wǎng)絡中的IP地址，這新地址就被新的節(jié)點儲存起來。當一個節(jié)點需要離開P2P網(wǎng)絡或者再次接入，這個新的節(jié)點就會去連接那些已經(jīng)儲存IP地址的節(jié)點。

如果系統(tǒng)能夠檢測出連接不成功和慢連接，那么網(wǎng)絡擁擠問題就能夠被減少，這是該方案解決連接冗余的基本原理。獲得所需有的非結構化的體系結構，動態(tài)的優(yōu)化P2P拓撲結構能夠提升整個網(wǎng)絡的性能。因此，這里需要兩個步驟：首先動態(tài)的標記出冗余連接，然后獲得整個網(wǎng)絡的動態(tài)拓撲。標記冗余連接需要首先建立一個各節(jié)點之間的多路傳送樹和他們的邏輯鄰居，然后在多路傳送樹上路由信息以標記被一個連接。獲取動態(tài)拓撲是第二個步驟，這個步驟是使整個P2P網(wǎng)絡節(jié)點能夠優(yōu)化自己的拓撲去轉移不該有的多次連接或者未成功連接。

3 結束語

本文總結了云計算與物聯(lián)網(wǎng)特性以及目前的發(fā)展情況，并針對目前校園網(wǎng)絡的情況，對云計算物聯(lián)網(wǎng)在校園內(nèi)發(fā)展的可行性做了分析，同時分析了P2P在云計算網(wǎng)絡中的重要作用，最后給出了對P2P網(wǎng)絡拓撲針對校園網(wǎng)絡進行優(yōu)化的簡要方案。