一种基于QoS的移动分布式文件共享系统体系结构模型设计

周欣欣 张龙 高志蕊 赵政 闫育铭

摘   要：移动网络环境具有动态性高、节点和网络资源受限等特点，在移动网络下构建分布式文件系统难以保证其服务质量。文章提出了一种基于QoS的移动分布式文件共享系统网络体系结构模型框架，详细论述了各部分的功能及相互关系。该模型采用分层结构，具有灵活性高、可扩展性好等特点。

关键词：服务质量;分布式文件系统;移动网络

近年来，随着网络技术的飞速发展，越来越多具有不同服务质量（Quality of Service，QoS）需求的应用在移动网络上得以实施，各种应用对服务质量的需求从单一化逐步转化为多元化。新需求、新业务的增加，使得用户对网络服务的个性化要求也在不断提高。移动网络的QoS保证机制要求能够根据网络实时状态、移动终端的情况动态地、自适应地做出相应调整，以满足不同应用、不同用户的QoS需求。因此，为了充分保证未来不断增长的网络应用和个性化需求，必须要提高移动环境下的QoS保证能力[1-3]。

1    移动网络中构建分布式文件共享系统的QoS要求

由于在移动网络环境中，节点具有高动态性、异构性以及自治性强的特点，没有QoS保证的网络会使分布式文件共享系统难以进行部署和实施。移动环境中重点关注的QoS指标主要有性能、可靠性、可用性、费用、带宽等[4-6]。

（1）性能：指网络完成一个服务请求的快慢程度，可以通过吞吐量、响应时间等参数来衡量。响应时间是指用户从提交服务请求到获得服务所用的时间，包括服务时间和通信时间。吞吐量是指在单位时间内可以处理的服务请求数量，常用请求数凡以秒来衡量。

（2）可靠性：指网络在一个合理的时间范围内完成用户请求的能力，可靠性通常和一定周期内服务失败的次数有关系，通常用周期性统计服务的成功比例来衡量。

（3）可用性：指一个周期内服务返回响应次数与请求服务总次数的比值、用户发起请求时服务是否能够立即可用的程度。引起服务不可用的因素很多，例如排队、拥塞以及系统维护等。可用性与可靠性的区别在于可用性仅统计服务是否返回结果，而不关注服务是否成功。

（4）费用：指服务请求者获得服务需要支出的费用，虽然费用并非传统QoS范畴，但对于用户来讲费用依然是敏感因素，因此，也将其作为QoS因素一起讨论。

（5）带宽：指服务在网络中传输所占用的频带范围，也是需要重点考虑的QoS指标之一，通常从节点之间可接受的服务连接带宽和节点提供给服务的最大带宽两个方面来考虑。

除了以上几种QoS指标之外，还必须考虑系统的控制开销、可扩展性、健壮性以及容错性等。

2    基于QoS移动对等网络体系结构模型

移动分布式文件共享系统最本质的功能是共享网络中其他节点提供的资源与服务，除应具有对等、易部署等特性外，还必须满足如多媒体数据的实时性要求、新型服务提供的服务质量等问题。因此，在充分考虑目前以及将来可能出现的应用及服务前提下，本文结合Overlay Network的先进思想，采用分层思想，提出了一种基于QoS的新型移动分布式文件共享系统网络体系结构模型，如图1所示。

该模型自下而上共分为3层，依次是基础物理网络层、对等覆盖层、用户应用层。该体系结构模型的功能细化如图2所示，各层次的主要功能如下：

（1）基础物理网络层，包含移动网络中的各类移动节点和物理链路，节点之间以无线的方式相互连接，提供基本的物理层传输、网络通信等功能。它向对等覆盖层提供必要的通信节点、通信协议和物理连接支持，是对等覆盖层构造的基础。

（2）对等覆盖层，构建在物理网络层之上的虚拟层，是整个体系结构的核心。对等覆盖层主要任务是建立并生成虚拟覆盖网的拓扑结构，维护对等节点间的虚拟逻辑连接，处理对等移动节点的动态加入或离开以及提供具有QoS质量保证的移动分布式文件共享服务，如资源和服务的描述与发布、资源查找和定位、访问控制、负载平衡、安全机制等。能够屏蔽网络节点和资源的异构性、移动性等，为用户应用层提供具有良好QoS保证的各类移动服务。

（3）用户应用层，即用户和应用程序接口层，基于下层提供的服务集，为用户提供多样化的移动应用服务。

本文提出的基于QoS的移动分布式网络共享系统体系结构模型的优势主要有以下几点：

（1）提出一个更为开放的移动分布式网络共享系统体系结构模型，采用了分层思想，既保证了各层之间的独立性，实现整个系统的开放性，又大大简化应用开发过程，提高了构建移动分布式文件共享系统的灵活性。此外，分层结构还有利于指导研究人员从不同的层次对移动分布式文件共享系统的关键技术进行研究，明确所研究的关键技术在整个系统中所处的层次和地位。

（2）充分考虑到移动网络应用的本质特性，将服务质量作为全网最优约束参数，通过对服务质量参数的配置与约束实现全网效率的优化，使该体系结构具有更好的通用性、灵活性。

（3）可扩展性，指建立分层覆盖的体系结构，一方面，通过拓扑感知的虚拟聚集域较好地屏蔽了節点移动性所带来的负面影响;另一方面，通过选取性能高的稳定节点作为超级节点，构建了具有较高稳定性的核心服务层，避免了网络频繁动态变化而产生的开销过高与网络性能下降。与平面体系结构相比，避免了系统性能瓶颈，有利于提升网络工作效率，提高网络可扩展性。

（4）易于实现和维护性，由于整个系统已被分解为若干个相对独立的子系统，使得实现和维护一个复杂系统变得易于处理，并且可以在已有条件的基础上构造新的子系统，进而完成整个大系统的构造。

3    结语

本文针对分布式文件共享系统特点，采用Overlay Network的先进思想，提出一种基于QoS的移动分布式文件共享系统网络体系结构模型。该体系结构具有较高的灵活性，易于实现和维护，能够适应未来网络应用发展需要，满足多样化的服务模型和复杂的应用需求，为快速、灵活地部署和定制各种移动网络服务提供一个统一、开放、可扩展、可管理、有QoS保证的服务平台。

[参考文献]

[1]李崇杰.分布式文件系统缓存技术研究[D].南京：南京大学，2019.

[2]余杰.基于云计算的移动电子商务系统模型构建研究[D].武汉：湖北工业大学，2016.

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[6]李致远，王汝传.移动P2P网络安全拓扑构造协议[J].通信学报，2010（10）：146-157.