（计算机系统结构专业论文）开放网络环境中的激励机制研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术和通信技术的不断发展，网络环境已经从早期相对静念的、 面向特定组织和用户群体的封闭网络，转变为可公共访问的、面向大量动态用户 的开放网络。在国内外，作为开放网络的典型代表，网格和对等网络成为分布式 系统方向最活跃的研究领域之一。 开放网络具有开放、动态、异质、实体对等自治、资源共享自愿等特性，网 络的理性用户更多地表现出自兴趣和自主性，其根本目的就是最大化自身利益， 而并不考虑网络的整体效用。每个节点都希望尽可能多地使用其他节点的资源， 而尽可能少地贡献自己的资源，或者即使贡献自己的资源，也不保证资源的可靠 性，网络中存在大量的不合作现象和欺诈行为。随着网络系统规模越来越大，资 源的公平共享问题正在变得棘手，开放网络中的激励机制已经成为分布式系统研 究领域的一个重要课题。 本论文围绕开放网络中节点自主行为造成的不可靠的服务可用性和搭便车 问题进行了研究，以期有效合理的激励理性自私的节点诚实共享自有资源，有效 利用好网络己拥有的资源，提高网络综合能力。 本文首先分析了开放网络的特点，对开放网络的典型代表g r i d 和p 2 p 进行 了概述和比较，并深入讨论了其中存在的问题，引出本文的研究内容。随后在第 二章，介绍了开放网络中存在的公平共享问题，由公平性维护扩展到信誉度维护， 并总结了目前存在的信誉度评价方法及信任模型；本章还分析了把市场机制应用 到开放网络资源管理中的优势以及市场激励中需要考虑的关键问题。 其次，针对信息不对称问题，将信誉机制引入网格市场的资源交易中，提出 了基于信誉感知的资源交易机制。给资源提供者赋予一定的信誉值，以反映资源 的可靠性，资源使用者可以根据信誉值判断是否交易。基于信誉感知的集合竟价 机制和基于信誉感知的连续双向拍卖机制均能使资源使用者由于不可靠的服务 可用性造成的损失明显减少，有效解决了信息不对称问题，两种机制各有优势。 然后，为了调整自私节点的行为，提出了基于信誉的市场激励模型。假设不 同的服务水平可以兑换成不同的价格，服务使用者可以根据信誉系统的推荐购买 服务，最小化自己的购买风险；服务提供者模型化为具有学习能力的a g e n t ，通 过学习逐渐适应本地市场，获得优化的服务质量调整决策，最终系统将达到一个 平衡。该模型能够同时保证服务双方的利益，因而能够激励节点积极地贡献和使 用资源。 再次，提出了p 2 p 文件共享系统中基于惩罚的信誉模型。针对现有信誉模型 存在的不足，从经济理论受到启发，将惩罚的概念引入到信誉机制的研究中，对 摘要 节点的不协作行为进行惩罚，建立一种基于惩罚的信誉模型。该模型能够有效抑 制节点不协作行为的发生，达到激励节点协作的目的。 最后，论文第六章提出了p 2 p 流媒体系统中积分检测相结合的激励机制。节 点通过自身或子节点共享数据流获得贡献积分，贡献积分越高，节点获得数据流 的优先权就越高；为了贡献积分最大化，节点有选择地对它的子节点进行检测来 促进子节点数据的共享。使用该机制能解决长期历史积分问题，提高合作者比例， 并维护了较高的系统性能。 本文从网络动念性、节点异构性和资源的不可信性等丌放网络应用呈现出的 问题出发，紧紧围绕节点不可靠的服务可用性和f r e e r i d i n g 搭便车问题进行了 深入研究，提出了网格环境中基于信誉的资源交易机制和市场激励模型，并提出 了p 2 p 文件共享系统中基于惩罚的信誉模型和p 2 p 流媒体系统中积分检测相结合 的激励机制，为解决开放网络资源共享难题展示了全新的视角和美好的前景。 关键词：开放网络，激励机制，博弈论，信誉机制，市场机制，资源交易，自私 节点，搭便车，检测，公平性 a b s t r a c t 一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，n e t w o r k e n v i r o n m e n th a sc h a n g e df r o mac l o s en e t w o r k ，w h i c hi sc o m p a r a t i v e l ys t a t i ca n d f a c e dw i t hs p e c i a lo r g a n i z a t i o n so ru s e rg r o u p s ，t oa no p e no n et h a tc a nb ep u b l i c l y a c c e s s e da n df a c e dw i t hm a n yd y n a m i cu s e r s a st h er e p r e s e n t a t l v e so fo p e nn e t 、v o r k s ， g r i da n dp 2 ph a v eb e c o m eo n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c hf i e l d sa 1 1o v e rm e w o r l d o p e nn e t w o r ki so p e n ，d y n 锄i c ，h e t e r o g e n e o u s ，a u t o n o m i c ，e q u a la n dv o l u n t a r ) ， f o rr e s o u r c es h a r i n g t 量l e r e f o r e ，t h er a t i o n a lp e e r si nt h en e t w o r ka r es e l f - i n t e r e s ta n d t r vt om a x i m i z et h e i ro 、nb e n e f i tw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ew h o l eu t i l i t yo fn e t w o r k e v e 珂p e e rh o p e st ou s eo t h e r s r e s o u r c e sa sm a n ya sp o s s i b l e ，b u tc o n t r i b u t e t h e i r o w nr e s o u r c e sa sf e wa sp o s s i b l e ，w h i c hl e a d st on o n - c o l l a b o r a t i v ea n dd i s h o n e s t b e h a v i o r si nt h en e t w o r k a st h en e t w o r ke n l a r g e s ，f a i rs h a r i n go f t h er e s o u r c e st u m s t ob em o r ei n t r a c t a b l e t h u s ，i n c e n t i v em e c h a n i s mb e c o m e sa ni m p o i r t a n tl s s u eo t d i s t r i b u t e ds y s t e mr e s e a r c ha r e ai ns u c ha no p e nn e t w o r k t h i sd i s s e n a t i o nd i s c u s s e su n r e l i a b l es e r v i c eu s a b i l i t ya n df r e e r i d i n gp r o b l e m s i no p e nn e t w o r l ( sr e s u l t i n gf r o mp e e r s s e l f i s h n e s s i tf o c u s e so nt h er e s e a r c h e st h a t c a ns t i m u l a t er a t i o n a la j l ds e l f i s hn o d e st os h a r er e s o u r c e sh o n e s t l y ，s o t h a tt h e n e t w o r k si m e g r a t e da b i l i t yc a nb ei m p r o v e d f i r s t l v t h ed i s s e n a t i o ns u m m a r i z e s 也ec h a r a c t e r so fo p e nn e t w o r k s ，d e s c r i b e s a n dc o m p a r e sg r i da j l dp 2 p 、v h i c ha r em er 印r e s e m a t i v e so fo p e nn e t w o r k s ，a n d p r e s e n t st h ee x i s t i n gp r o b l e m s t oe l i c i tt h er e s e a r c hc o n t e n to fm ed i s s e r r c a t i o n s u b s e q u e n t l y ，c h a p t e r2i n t r o ( 1 u c e st h ef a i rs h a r i n gp r o b l e mi no p e nn e t w o r k sa n d s u m m a r i z e sr e d u t a t i o ne v a l u a t i o nm e t h o d sa n dt m s tm o d e l s t h i sc h a p t e ra l s o a f l a l y z e st h e a d v a n t a g e s o fu s i n gm a r k e tm e c h a n i s m st om a n a g eo p e nn e t w o r k r e s o u r c e s ，a 1 1 db r i n gf o n v a r d t h ek e yo fm a r k e ti n c e n t i v e s e c o n d l y ，a i m i n ga tt h es e v e r ei n f 0 订n a t i o na s y m m e t r ) rp r o b l e m ，t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e sr 印u t a t i o n t o 鲥d - b a s e d m a r k e tr e s o u r c et r a d e sa n dp r o p o s e s r e d u t a t i o n _ a w a r et r a n s a c t i o nm e c h a n i s m s ar e p u t a t i o nv a l u ei su s e dt or e f l e c tt h e r e l i a b i l i t yo far e s o u r c e ；t h eu s e r sd e c i d ew h e t h e rt ou s et h er e s o u r c el nt e r m so tt h e v a l u e t h er e p u t a t i o n a w 2 u r e a g g r e g a t e m a r k e tm e c h a n i s ma n dd o u b l ea u c t i o n m e c h a n i s mc a nb o mr e d u c et h el o s so ft h eu s e r sr e s u l t i n gf r o mu n r e l i a b l es e r v i c e u s a b i l i t va n dr e s o l v et h ei n f o r i i l a t i o na s y m m e t r yp r o b l e m t h e yc a nb e 印p l i e di n d i 矗e r e n ts i t u a t i o n s 1 i i a b s t r a c t t h e n ，i no r d e rt or e g u l a t et h eb e h a v i o r so fs e l f l s hn o d e s ，t h ed i s s e r t a t i o n p r o p o s e sar e p u t a t i o n - b a s e dm a r k e ti n c e n t i v em o d e l d i f f 色r e n ts e r v i c el e v e l sc a nb e t r a d e df o rd i a 、e r e n tp r i c e s s e r v i c ec o n s u m e r sb u ys e n ，i c e a c c o r d i n g t ot h es y s t e m s r e c o m m e n d a t i o nd e r i v e df r o mr e p u t a t i o nm e c h a n i s m s e r v i c ep r o v i d e r sa f em o d e l e d a sl e a m i n ga g e n t s t h e yl e a mf r o mt h ee n v i r o n m e n ta j l da r r i v ea to p t i m a ld y n a m i c s e r v i c el e v e lp o l i c i e st h a to p t i m i z et h e i rb e n e 丘ti nt h el o n g1 1 l n t h ep r o p o s e dm o d e l c a ns i m u l t a n e o u s l yg u a r a n t e et h ei n t e r e s t so fb o t ht h ep r o v i d e r sa n dc o n s u m e r s ，t h u s ， i tc a ns t i m u l a t et h es e l 6 s hn o d e sa c t i v e l yc o n t r i b u t ea n dc o n s u m er e s o u r c e s a r e n v a r d s ，t h ed i s s e r r t a t i o np r o p o s e sar e p u t a t i o nm o d e li np 2 pf i l e s h a r i n g s y s t e mb a s e do np u n i s h m e n t a i m i n ga tt h ed i s a d v a n t a g e so ft h er e c e n tr e p u t a t i o n m o d e l s ，e n l i g h t e n e db ye c o n o m i ct h e o r y ，t h ed i s s e n a t i o ni m r o d u c e st h ec o n c e p to f p u n i s h m e n tt ot h er e s e a r c ho nr e p u t a t i o nm e c h a n i s ma n dg i v e sap u n i s e n t - b a s e d r e p u t a t i o nm o d e l t h em o d e lc a nr e s t r i c tn o n c o l l a b o r a t i v eb e h a v i o re m c i e n t l ya j l d s t i m u l a t es h a r i n g f i n a l l y ， t h ed i s s e r t a t i o n p r o p o s e s as c o r ea n dm o n i t o r i n gb a s e di n c e n t i v e m e c h a n i s mi np 2 pm e d i as t r e 锄i n gs y s t e m e a c hp e e ro b t a i n sac o n t r i b u t i o ns c o r ei n t w ow a y s ：u p l o a d i n gd a t at oo t h e r sb yi t s e l fa n db yi t sc h i l dp e e r s t h ep e e r sw i t h h i g h e rs c o r e sh a v eb e t t e rc h a n c e st od o 、v n l o a dd a t a t bm a 妇m i z et h es c o r e ，ap e e rc a n c h o o s et om o n i t o ri t sc h i l dp e e r st os t i m u l a t es h a r i n g t h ep r o p o s e di n c e n t i v e m e c h a n i s mc a ns o l v et h el o n g - t e 咖h i s t o r ) ，s c o r ep r o b l e m ，i n c r e a s et h ec o o p e r a t i v e p r o p o r t i o na 1 1 dm a i n t a i nh i g h e rs y s t e mp e r f o m a j l c e f r o mt h ep r e s e n tp r o b l e m si no p e nn e t w o r k st l l a tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fn e t 、v o r k d y n a m i c i 饥h e t e r o g e n e i t yb e t w e e np e e r sa n du n r e l i a b l er e s o u r c e s ，t h i sd i s s e r t a t i o n d e e p l ys t u d i e st h eu n r e l i a b l es e r v i c eu s a b i l i t ya n df r e e - r i d i n gp r o b l e m s ，p r o p o s e s r e p u t a t i o n - b a s e dr e s o u r c et r a n s a c t i o nm e c h a n i s m sa n dam a r k e ti n c e n t i v em o d e l ， p r o v i d e sar e p u t a t i o nm o d e lb a s e do np u n i s l l r n e n ti np 2 pf l l e s h a r i n gs y s t e ma n da s c o r ea n dm o n i t o r i n gb a s e di n c e n t i v em e c h a n i s mi np 2 pm e d i as t r e a m i n gs y s t e m i t g i v e st h eb r a n dn e wv i e wa n df i n ep e r s p e c t i v ef o rs o l v i n gt h ep r o b i e mo fo p e n n e t w o r kr e s o u r c es h a r i n gi s s u e s k e yw o r d s ：o p e nn e t w o r k ，i n c e n t i v em e c h a n i s m ，g a m et h e r o y ，r e p u t a t i o n m e c h a n i s m ，m a r k e tm e c h a n i s m ，r e s o u r c et r a d i n g ，s e l f i s hn o d e s ，f r e e r i d i n g ， m o n i t o r i n g ，f a i m e s s i v 图表口录 图表目录 图1 1c s 模式与p 2 p 模式比较5 图1 2 文件共享系统的发展历史7 图1 3 单源的p 2 p 流媒体传输9 图1 4 多源的p 2 p 流媒体传输1 0 图1 5 论文组织结构1 6 图2 1 集中式信誉系统的一般结构2 5 图2 2 分布式信誉系统的一般结构2 6 图3 1 三类节点之间的通信3 5 图3 2 信誉感知的集合竞价机制伪码算法3 9 图3 。3 双向拍卖机制实现流程4 0 图3 4 信誉感知的连续双向拍卖机制伪码算法4 1 图3 5 买方和卖方的出价策略4 3 图3 6 集合竞价价格一成交量比较图4 3 图3 7 连续双向拍卖失败率比较图4 4 图3 8 连续双向拍卖机制成交次数比较图4 4 图4 1 增强学习的一般框架5 0 图4 2q 学习算法5 1 图4 3 不诚实提供者比例5 0 时使用者的损失5 4 图4 4 不诚实提供者比例3 0 时使用者的损失5 5 图4 5p r 和p r a i 的折扣收益比较5 5 图4 6q 值的收敛5 6 图5 1t 。，阶段节点的平均收益随u n 节点规模的变化图6 4 图5 2t 。阶段节点的平均收益随u n 节点规模的变化图6 4 图5 3 全局收益的演化曲线6 5 图6 1 子节点的选择示意图7 1 图6 2 节点的检测示意图7 2 图6 3 两种情况下节点数量的变化比较图7 5 图6 4 系统性能比较图7 6 图6 5 不同网络规模下的通信开销图7 7 图6 6 平均延时比较图7 7 图表 二| 录 表1 1p 2 p 与网格各项性能比较1 l 表1 2g n u t e l l a 中搭便车现象测量结果1 3 表3 1 历史信息表3 6 表3 2 信誉值表3 7 表3 3 计算参数表3 7 表3 4 集合竞价的价格和成交量3 8 表3 5 系统模拟参数设置4 2 表3 6 任务方与资源方信誉值分配设置表4 2 表4 1 不同类型提供者的边际成本5 3 表4 2 全知函数的边际价格，5 3 表4 3 指定提供者在指定状态下选择各动作的概率5 6 表5 1 收益函数表5 9 表5 2 节点i 的策略及其阶段收益6 1 i x 中国科学技术人学! 学位论文原创性声明 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：蜱签字同期：趔艺f 圣 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 、厂 诅公开口保密( 年) 作者签名： 签字日期： 缈7 支j 2 聊签名：趁槛 签字同期：奎翌笙兰竺! 第l 章绪论 第l 章绪论 1 1 论文研究背景 1 1 1 开放网络的概念和特征 在过去的几年中，随着计算机网络和通信技术的飞速发展，以i n t e m e t 为典 型代表的开放网络得到飞速发展与普及，网络迅速融入了人们的社会生活中。具 体表现在网络中用户与机构数量迅速扩大，目前接入互联网的个人计算机数量已 经上亿，并且其所承载的业务及应用不断扩展，导致网络应用模式、资源共享方 式、运行方式以及安全管理发生了根本性的变化。网络环境也从早期相对静态的、 面向特定组织和用户群体的封闭网络，转变为可公共访问的、面向大量动态用户 的开放网络。g r i d 和p 2 p 是开放网络最典型的代表。 开放网络具备以下几个特征： ( 1 ) 地理上广域分布：开放网络环境中已无地理位置上的限制和约束，目前 i n t e m e t 是开放网络的典型代表，亦是目前构建开放网络最重要的基础平台。 ( 2 ) 开放性：在开放网络环境中整个网络不再是静态的、面向特定组织和用 户群体的封闭网络，而是可公共访问的、面向大量动态用户的开放网络。 ( 3 ) 节点资源共享是自愿的。 ( 4 ) 动态性和自组织性：由于节点可以自主地决定自身的行为与状态，可以 随时加入某一网络，随时提供新的资源共享服务，亦可以随时终止资源共享服务， 甚至可以随时退出该网络，因此开放网络具有高度动态性和自组织性的特点。 ( 5 ) 节点之间对等自治：一般而言，开放网络中的节点间关系是对等的，一 个节点既可能是网络服务的提供者，亦可能是网络服务的使用者，无中心权威节 点，参与者间的依赖度下降。在开放网络环境中，为提高系统的可扩展性和解决 单点失败问题，除少数系统具有中心认证服务器外，绝大多数的开放系统都无控 制中心，也无可信的第三方c a ( c e n i f i c a t i o n a u t l l o r 耐) 。 ( 6 ) 安全信息的不完全性与不确定性：以陌生参与者为主体的事务模式导致 在多数情形下不可能获得完整的安全相关信息，而网络的开放性和节点的动态 性、自组织性则导致许多影响系统安全的因素变得不确定。 1 1 2 开放网络的应用领域 在需求的推动下，开放网络在数据存储、电子商务、流媒体分发、文件共享、 科学计算与协作、数据搜索等多个领域得到了广泛的应用和研究，从而开辟了互 第l 章绪论 联网应用的新时代。 ( 1 ) 分布式网络存储系统： 分布式文件系统是广泛使用的分布式文件存储技术，典型的分布式文件系统 包括n f s 、a f s 、c o d a 等。随着网络规模的扩大，面向i n t e m e t 的广域网络存储 系统日益受到重视。典型的系统包括o c e a n s t o r e ( k u b i a t o w i c ze ta 1 2 0 0 3 ) 、p a s t ( r o w s t r o ne ta 1 2 0 0 1 ) 和c f s ( f r a n ke ta 1 2 0 0 1 ) 等。这些项目的目标都是提 供面向全球规模的文件存储服务。 ( 2 ) 电子商务( e c o m m e r c e ) 电子商务通常是指在全球各地广泛的商业贸易活动中，在因特网开放的网络 环境下，基于浏览器服务器应用方式，买卖双方不谋面地进行各种商贸活动， 实现消费者的网上购物、商户之间的网上交易和在线电子支付以及各种商务活 动、交易活动、金融活动和相关的综合服务活动的一种新型的商业运营模式。实 例有e b a y 、o n s a l e 和淘宝网等。 ( 3 ) 流媒体分发 基于p 2 p 技术的流媒体分发( p 2 ps t r e a m i n g ) 具备低延时以及可扩展性的特 点，它的实施部署不需要改变i n t e m e t 网络层协议，正日益显示出其旺盛的生命 力和巨大的市场前景。实例有香港科技大学的c 0 0 l s t r e 锄i n g ( z h a j l ge ta 1 2 0 0 5 ) ， 以及由企业开发的p p l i v e 等软件，他们都有着不断增长的用户群。 ( 4 ) 文件共享 按照传统的文件共享模式，每个需要共享文件的计算机必须先把文件上载到 集中的服务器上，而需要获取文件的计算机必须到服务器上下载所需的文件，这 样才能实现个人计算机之间的文件共享。传统的方式不仅浪费了大量的服务器资 源，而且存在单点失效的问题。利用p 2 p 系统进行数据文件共享，可以让个人计 算机用户之间不通过中心服务器而直接共享各种文件，用户直接到共享文件的计 算机上去下载文件，这样不仅节约了资源，还提高了鲁棒性。 第一个p 2 p 文件共享系统是1 9 9 9 年f a n n 开发的n a p s t e r ( n a p s t e r ，19 9 9 ) ， 它在发布不久便拥有了几百万用户，取得了极大成功。此后，e d o n k e y 、k a z 诅 ( l i a l l ge ta 1 2 0 0 7 ) 、b i t t o r r e n t 等p 2 p 文件共享系统不断涌现。用户数量的持续 增长和应用的迫切需求使得文件共享成为当前p 2 p 系统中最主流的应用。 ( 5 ) 普适计算 普适计算技术( p e r 、，a s i v ec o m p u t i n g ) 研究的是如何充分利用网络中的计算 单元来共同完成大规模的计算任务。由于单一计算单元计算能力有限，因此采用 并行技术、分布式技术将多个计算单元联合起来共同完成大规模计算任务。同时， 网络中计算机的使用效率极低，人们期望能够充分利用网络中的闲散计算能力来 2 第l 审绪论 完成大规模的计算任务。 网格和p 2 p 系统可以联接上百万台或更大规模的个人计算机，有效地利用处 于网络边缘的空闲计算资源进行协同计算，完成超级计算机的工作。研究i m e m e t 结构和拓扑的d i m e s 项目是普适计算研究的典型代表。其他项目还包括1 9 9 9 年开始的s e t i h o m e 项目，2 0 0 0 年斯坦福大学开发的f o l d i n g h o m e 项目，2 0 0 3 年0 1 s o n 实验室主持的研究艾滋病的项目f i 曲t a i d s h o m e 以及i n t e l 公司的研制 的p 2 p 分布式中间件n e t b a t c h 。 ( 6 ) 协同工作 协同工作是指多个用户之间利用网络中的协同计算平台互相协同来共同完 成计算任务。计算机辅助协同工作c s c w 是协同工作的典型研究方向之一。传 统的c s c w 技术存在单点故障和性能瓶颈问题。由于不依赖于中央服务器，基 于p 2 p 的协同工作技术有更好的鲁棒性和可扩展性。g r o o v e 是基于i n t e m e t 的 p 2 p 协同应用软件的典型代表，其用户可以直接进行非常有效的实时协同工作。 p 2 p 和c s c w 的结合是研究和开发的热点。 1 1 3 网格和对等网络 g r i d 网格系统和p 2 p 对等网络系统是开放网络的两个典型代表，也是开放 网络中研究的主要对象。 1 1 3 1 网格 网格的定义到目前为止仍没有一个明确统一的表述。对网格和网格计算理论 做出巨大贡献的i a nf o s t e r ( 2 0 0 4 ) 认为网格是“在缺乏中央控制、全局信息和 严格信任关系的情况下能够协同使用地理分布的资源”。网格的出现是由于人们 需要解决一些超大规模应用问题，而这些超大规模应用所需的计算能力已不可能 在单一的高性能计算机或单一的计算机机群上获得，这就需要将地理上分布、系 统异构、性能各异的各种高性能计算机、计算机机群、大型服务器、贵重科研设 备、大型通信设备、可视化系统等，通过高速互连网络连接并集成起来，形成对 用户相对透明的、虚拟的、高性能的计算环境，即网格系统，以此来协同解决大 型应用的计算问题。 将地理上分布、系统异构、性能各异的高性能计算机、计算机机群、大型服 务器、贵重科研设备、大型通信设备、可视化设备等，通过高速互连网络连接并 集成起来，形成一个广域范围的无缝集成和协同计算环境，这个计算环境称为网 格计算系统( g r i dc o m p m i n gs y s t e m ) ，一般称为网格。 一般而言，网格计算系统具有以下几个方面的特征： ( 1 ) 可扩展性：随着各类型计算机和设备不断加入，整个系统的规模随之迅 第l 章绪论 速扩大。 ( 2 ) 系统多层次的异构性：构成网格计算系统的计算资源有不同的类型，即 使是高性能计算机也有多种类型，不同类型的高性能计算机在体系结构、操作系 统、应用软件等多个层次上具有不同的结构。 ( 3 ) 动态性和不可预测性：网格系统中随着时间的推移会不断地有新的资源 加入网格计算系统，与此同时，原有的资源也会由于出现故障导致不可用。传统 的高性能计算系统中，计算资源是独占的，因此系统的行为是可以预测的；在网 格计算系统中，由于资源的共享造成系统行为和系统性能经常发生变化。 ( 4 ) 多管理域：构成网格计算系统的资源通常属于不同的机构或组织并且使 用不同的安全机制，资源的拥有者对该资源具有最高级别的管理权限，这些资源 同时也接受网格计算系统的统一管理，多个机构或组织共同参与解决多管理域的 问题。 目前的网格研究项目可简单地分成有代表性的两类。 第一类网格研究项目以g l o b u s 项目为代表。这类项目提供基础的软件，集 成分散的异构资源，形成单一的计算环境。g l o b u s 项目的核心是g l o b u s 软件， 它是构筑网格计算系统的中间件，提供认证授权、资源管理、任务调度、信息查 询、用户管理、文件传输等基本的网格计算功能。g l o b u s 软件是模块化的，允 许用户按自己的需要进行定制。目前的g l o b u s 软件可以认为是网格计算技术的 典型代表和事实上的规范。 第二类网格研究项目是基于j a v a 的网格项目。这类项目利用j a v a 解决平台 性、安全性、易用性等问题。j a v a 语言和相关技术成功地解决了困扰网格计算的 几个关键问题，如异构性和安全性，另一个重要的优势是j a v a 程序的最小执行 环境可以在w 曲浏览器中执行而不需要另外安装软件。尽管j a v a 平台还存在效 率低等问题，但它无疑将大大影响网格计算模式的发展，使实现全球分布式计算 已不再是一个梦想。 1 1 3 2 对等网络( p 2 p ) 对等网络p 2 p 可简单地定义为网络中的计算机( 称为对等机) 通过直接交换 共享计算机资源和服务的网络。网络中所有的节点是对等的，具有相同的责任与 能力并协同完成任务，对等机兼有客户机和服务器的功能。对等机之间通过直接 互连实现信息、处理器、存储甚至高速缓存等资源的全面共享，无需依赖集中式 服务器的支持，消除了信息资源孤岛和客户机服务器模型中的服务瓶颈问题。 对等网络系统具有自组织、容错性好、可扩展性强等特性，这使其特别适合于广 域网范围的各种应用，尤其是文件共享。除文件共享外，有研究人员提出利用对 等网络来构建大规模、高容错性的存储系统、进行内容发布、替代现有的w 曲 4 第l 章绪论 服务，甚至通过底层的覆盖网络将包括互联网在内的各种异构网络形式结合在一 起，演化出可扩展且异构互连的复杂网络体系。 客观地说，这种计算模式并不是什么新技术，自从上个世纪7 0 年代网络产 生以来就存在了，只不过当时的网络带宽和传播速度限制了这种计算模式的发 展。9 0 年代末，随着高速互联网的普及、个人计算机计算能力和存储能力的提 升，p 2 p 技术重新登上历史舞台并且带来了一场技术上的革命。许多基于p 2 p 技 术的应用应运而生，给人们的生活带来了极大的便利。 p 2 p 打破了传统的c l i e n t s e r v e r ( c s ) 模式。图1 1 比较了c s 模式与p 2 p 模式的架构。 c e n t s e r v e r c | e n t ( a ) c s 系统结构图 c l - e n t c i i e n t ( b ) p 2 p 系统结构图 图1 ic s 模式与p 2 p 模式比较 第l 章绪论 可以看出，在c s 系统中各计算机之间的关系是不对称的，相对于客户机， 服务器具有更重要的作用，是整个系统的关键所在，整个系统的安全性、稳定性、 性能等基本由服务器决定。由于c s 系统的不对称性，服务器的负荷非常重，在 客户机数量不断增加和性能不断提高的今天，服务器面临的压力更大，服务器性 能、可靠性、可扩展性等频频告急，而客户机强大的功能却只能闲置。p 2 p 系统 与c s 系统以少数服务器为中心的架构不同，它将网络中各计算机都看成是平等 的实体，每个节点的地位都是对等的，每个节点既充当服务器为其他节点提供服 务，同时也享用其他节点提供的服务。这样，在p 2 p 系统中就出现了众多的服务 器，不但克服了不对称c s 系统带来的资源闲置和浪费，解决了系统性能问题， 而且还克服了c s 系统存在的服务器单点失效、可扩展性差等缺点，具有强大的 优越性和巨大的发展潜力。 与传统的分布式系统相比，p 2 p 技术具有无可比拟的优势和广阔的应用前 景。i n t e m e t 上各种p 2 p 应用软件层出不穷，用户数量急剧增加，p 2 p 计算技术 正不断应用到军事领域、商业领域、政府信息、通讯等领域。我们归纳出p 2 p 的几大技术特点，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 非中心化( d e c e n t r a i i z a t i o n ) ：网络中的资源和服务分散在所有节点上， 信息的传输和服务的实现都直接在节点之间进行，可以无需中间环节和 服务器的介入，避免了可能的瓶颈。p 2 p 非中心化的基本特点，带来了 其在可扩展性、健壮性等方面的优势。 ( 2 ) 可扩展性：在p 2 p 网络中，随着用户的加入，不仅服务的需求增加了， 系统整体的资源和服务能力也在同步地扩充，始终能较容易地满足用户 的需要。整个体系是全分布的，不存在瓶颈。理论上其可扩展性几乎可 以认为是无限的。 ( 3 ) 健壮性：p 2 p 架构天生具有耐攻击、高容错的优点。由于服务是分散在 各个节点之间进行的，部分节点或网络遭到破坏对其他部分的影响很小。 而且p 2 p 网络一般在部分节点失效时能够自动调整整体拓扑，保持其他 节点的连通性。事实上p 2 p 网络通常都是以自组织的方式建立起来的， 并允许节点自由地加入和离开。p 2 p 网络还能够根据网络带宽、节点数、 负载等变化不断地做自适应式的调整。 ( 4 ) 高性能价格比：性能优势是p 2 p 被广泛关注的一个重要原因。随着硬 件技术的发展，个人计算机的计算和存储能力以及网络带宽等性能依照 摩尔定理高速增长。而在目前的互联网上，这些普通用户拥有的节点只 是以客户机的方式连接到网络中，仅仅作为信息和服务的消费者，游离 于互联网的边缘。对于这些边际节点的能力来说，存在极大的浪费。采 6 第1 章绪论 用p 2 p 架构可以有效地利用互联网中散布的大量普通节点，将计算任务 或存储资料分布到所有节点上，利用其中闲置的计算能力或存储空问， 达到高性能计算和海量存储的目的。通过利用网络中的大量空闲资源， 可以用更低的成本提供更高的计算和存储能力。 ( 5 ) 隐私保护匿名性( a n o n y m i t y ) ：随着互联网的普及和计算存储能力飞 速增长，收集隐私信息正在变得越来越容易，隐私的保护作为网络安全 性的一个方面越来越被大家所关注。目前的i n t e m e t 通用协议不支持隐 藏通信端地址的功能，攻击者可以监控用户的流量特征，获得i p 地址， 甚至可以使用一些跟踪软件直接从i p 地址追踪到个人用户。在p 2 p 网络 中，由于信息的传输分散在各节点之间进行而无需经过某个集中环节， 用户的隐私信息被窃听和泄漏的可能性大大缩小。此外，目前解决 1 1 1 t e m e t 隐私问题主要采用中继转发的技术方法，从而将通信的参与者隐 藏在众