基于云计算的校园物联网中P2P覆盖网络拓扑的优化

吴健 尹婷

1. 克拉玛依职业技术学院信息中心 新疆 克拉玛依 834000；

2. 新疆第二医学院生物工程系 新疆 克拉玛依 834000

引言

物联网起源于传媒领域，是信息科技产业的第三次革命。物联网是指通过信息传感设备[1]，按约定的协议，将任何物体与网络相连接，物体通过信息传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。

物联网是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，它可以使能够被独立寻址的普通物理对象和互联网相连接。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。简言之物联网即物物相连的互联网[2]。物联网可分为三层网络结构[3]：感知层、网络层和应用层。

感知层：负责信息采集和物物之间的信息传输，信息采集的技术包括传感器、条码和二维码、RFID射频技术、音视频等多媒体信息，信息传输包括远近距离数据传输技术、自组织组网技术、协同信息处理技术、信息采集中间件技术等传感器网络。感知层是实现物联网全面感知的核心能力，是物联网中包括关键技术[4]、标准化方面、产业化方面亟待突破的部分，关键在于具备更精确、更全面的感知能力，并解决低功耗、小型化和低成本的问题[5]。

网络层：是利用无线和有线网络对采集的数据进行编码、认证和传输，广泛覆盖的移动通信网络是实现物联网的基础设施，是物联网三层中标准化程度越高、产业化能力越强、越成熟的部分[6]，关键在于为物联网应用特征进行优化和改进，形成协同感知的网络。

应用层：提供丰富的基于物联网的应用[7]，是物联网发展的根本目标，将物联网技术与行业信息化需求相结合，实现广泛智能化应用的解决方案集，关键在于行业融合、信息资源的开发利用、低成本高质量的解决方案、信息安全的保障以及有效的商业模式的开发[8]。物联网架构三个层次所使用的技术包括编码技术、解码技术、安全技术和中间件技术。

物联网必须在云计算的基础上才能发展起来，它从以下几个方面促进了物联网的发展。第一，物联网实现人物，物物之间的互联需要，深层次，高效率，动态的对已有互联网资源进行整合，并进行处理。这一点正是云计算的特点，合理高效地利用资源，只能的融合各个方面。第二，云计算强大的计算能力，分析能力才能将物联网感知层采集到的信号在最短的时间内被有效运用和分析，汇总和处理。云计算和物联网将整个网络和其中的各个节点整合成为新的虚拟的计算中心，多终端多中心的分布运算和并行处理能力使得智能社会成为可能。比如，分布在世界各种环境保护中心将数以千万计的环境检测器的数据进行处理，将结果送到虚拟的总处理中心内，总处理中心将各分点的结果进行实时汇总，并做出事实调度，使得最需要某种资源的地区获取所需。这其中涉及海量的数据需要处理，海量的数据需要传输，只有采取本地存储和处理的方式，才能让负责高端运算的处理中心能够快速完成计算。数据的可靠性和安全性同样需要考虑，并非单一的数据中心能够将安全性提高到另一个等级。所以，云计算加物联网将是未来的趋势，前者对网络进行极大扩展，后者将数据采集伸向社会的各个角落，两者同时推动了智能网络的发展，缺一不可。

随着国内教育水平，教育信息化的不断发展，云计算和物联网概念的接入已经势在必行，以信息网络为依托，将校园环境，校园设备，校园资料纳入物联网中，并进行统筹使用和综合管理，促进教育水平的提高。大学生是一个年轻并且有知识的群体，在接受新事物方面拥有比较大的优势，在校园中推广云计算和物联网对整个社会的发展也能起到促进作用。当前校园中学生手中大多以具备一个终端，而物联网时代的目标是将师生手中的终端化为物联网当中的人的标识，同时将图书，多媒体教室，体育场，实验室，餐厅，宿舍和超市连入物联网为师生的学习和生活提供较大的方便。因此在已有的条件下，将云计算和物联网纳入校园的发展方向，优化校园的网络环境将是目前可行的并且需要做的尝试。P2P网络发展已久，在新的云计算物联网中具有一定的潜力，凭借这种模式的成熟和可扩展性，非常适合在校园物联网中做一些尝试。

1 未来校园云计算物联网中的P2P网络模式

1.1 P2P网络的特点和结构

P2P又叫点对点对等网络，这种网络的特点是无中心，依靠网络上的节点来互相交换信息。于中央网络不同的是对等网络的每个节点兼具服务器的功能。P2P网络拥有非中心化，负载均衡，可自组织等特点。在它的发展过程中，它可分类为集中目录式结构，纯P2P网络结构，混合式结构，发展中的P2P结构等4种。

过去的十年中，P2P网络飞速的发展中解决了应用中诸多的问题，虽然目前受到包括C/S，B/S等新模式的挑战，但它本身所具有的分部化，扁平化以及自组织特性。P2P在目前大多数校园网络中已经在很多地方得到了应用，比如在资源共享，分布计算，即时通信等领域。主要应用包括以下的一些方面：①在分布式计算方面，校园网本身世密度很高的网络单元，大量的计算终端，存储不能得到有效的应用，通过P2P进行整合，就能形成大型的计算以完成大规模的计算需要，创造科研条件；②流媒体服务方面，校园网需要大量视频，音频的教育资源，通过P2P就能实现资源的共享，文件的共享。用户获取资源不再是只在服务器中获取，可以在其他用户终端中共享，提高了传输效率，比较典型的包括BT等下载工具的使用。③最近越来越成熟的即时通信也应用了P2P的相关技术，包括QQ等应用，这点已为大家所熟知。

1.2 P2P在未来校园云计算物联网中的前景

随着互联网飞速的发展，和ICT融合也在不断深化，云计算和物联网的兴起使得P2P在新的形势下面临着新的考验，同时也会有新的发展和创新机会。校园云计算是许多大学正在开展的一项研究，对于P2P网络在其中的应用也需要新的思索。P2P的模式突破了传统的C/S计算模型的限制，带来了全新的对等网络。P2P由于其去中心化的特点，并不依赖于服务器，但是不同的P2P软件之间存在着接口不同的问题，同时P2P的安全问题的解决也显得非常迫切。随着B/S模式的兴起，WEB技术的开放，不在完全依赖客户端软件了，接口不同的问题得到了部分解决。云计算要求大量的服务器组合在一起形成更大的虚拟服务器，这就要求未来的P2P必须要有统一的标准协议，目前有些组织已经在做相关的工作比如P2PSIP等。C/S, B/S使得P2P在未来有必要融合进Web协议，嵌入浏览器中完成信息的交互。P2P自上而下的自组织能力使得云计算的资源整合和动态恢复成为可能，目前已有的DSN核心网节点之间的负载均衡和分布式网络管理是未来的重要方向。DHT作为一种结构化的P2P搜索技术，能够实现分布式的查找，并建立映射关系。P2P网络在应用于校园网络时也会存在一定的问题，比如必须有节点来提供有效的资源，如何建立大家的共享机制将成为一个问题，另外，P2P需要大量的带宽，目前校园中带宽并不足够完成无限制的使用网络资源，这些都将成为P2P的需要解决的问题。

在构建校园物联网方面，我们对校园内可称为“物”的物品进行一些限制，它必须具有信息的发送接收功能，具有数据的采集功能，具有存储以及CPU。因此从学生每天必须接触的实物来看，有可能可以接入的包括：每个学生手中的手机，一卡通，餐厅中早中晚餐，校园的摄像头，自行车，教室的使用，寝室里热水，洗衣机等。依据目前的条件和问题，我们对P2P的结构进行了优化。

2 优化校园P2P网络拓扑

在P2P系统里，所有的节点是通过物理连接进P2P网络中的。P2P是一个抽象的，逻辑的覆盖网络。当一个新的节点需要连接进入该网络中时，一个引导节指令供一个P2P网络中的IP地址列表，然后新的节点就尝试连接其中一个或多个节点，如果成功了就会建立连接。这个新的节点连入了P2P网络，它将会周期性的请求网络连接以获得其他P2P网络中的IP地址，这新地址就被新的节点储存起来。当一个节点需要离开P2P网络或者再次接入，这个新的节点就会去连接那些已经储存IP地址的节点。

如果系统能够检测出连接不成功和慢连接，那么网络拥挤问题就能够被减少，这是该方案解决连接冗余的基本原理。获得所需有的非结构化的体系结构，动态的优化P2P拓扑结构能够提升整个网络的性能。因此，这里需要两个步骤：首先动态的标记出冗余连接，然后获得整个网络的动态拓扑。标记冗余连接需要首先建立一个各节点之间的多路传送树和他们的逻辑邻居，然后在多路传送树上路由信息以标记被一个连接。获取动态拓扑是第二个步骤，这个步骤是使整个P2P网络节点能够优化自己的拓扑去转移不该有的多次连接或者未成功连接。

3 结束语

本文总结了云计算与物联网特性以及目前的发展情况，并针对目前校园网络的情况，对云计算物联网在校园内发展的可行性做了分析，同时分析了P2P在云计算网络中的重要作用，最后给出了对P2P网络拓扑针对校园网络进行优化的简要方案。