通信專業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)考試相容哈希

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　　1.相容哈希（ConsistentHash）
相容哈希算法在1997年由麻省理工學(xué)院提出，設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了解決因特網(wǎng)中的熱點(diǎn)問題,初衷和CARP十分類似。相容哈希修正了CARP使用的簡單哈希算法帶來的問題，使得DHT可以在P2P環(huán)境中真正得到應(yīng)用。
　?、俟Ｋ惴?br />相容哈希提出了在動態(tài)變化的Cache環(huán)境中，哈希算法應(yīng)該滿足的4個(gè)適應(yīng)條件：
1）平衡性（Balance）
平衡性是指哈希的結(jié)果能夠盡可能分布到所有的緩沖中去，這樣可以使得所有的緩沖空間都得到利用。很多哈希算法都能夠滿足這一條件。
2）單調(diào)性（Monotonicity）
單調(diào)性是指如果已經(jīng)有一些內(nèi)容通過哈希分派到了相應(yīng)的緩沖中，又有新的緩沖加人到系統(tǒng)中。哈希的結(jié)果應(yīng)能夠保證原有已分配的內(nèi)容可以被映射到新的緩沖中去，而不會被映射到舊的緩沖集合中的其他緩沖區(qū)。
簡單的哈希算法往往不能滿足單調(diào)性的要求，如最簡單的線性哈希：
在上式中，P表示全部緩沖的大小。不難看出，當(dāng)緩沖大小發(fā)生變化時(shí)（從P1到P2),原來所有的哈希結(jié)果均會發(fā)生變化，從而不滿足單調(diào)性的要求。
哈希結(jié)果的變化意味著當(dāng)緩沖空間發(fā)生變化時(shí)，所有的映射關(guān)系需要在系統(tǒng)內(nèi)全部更新。而在P2P系統(tǒng)內(nèi)，緩沖的變化等價(jià)于Peer加入或退出系統(tǒng)，這一情況在P2P系統(tǒng)中會頻繁發(fā)生，因此會帶來很大的計(jì)算和傳輸負(fù)荷。單調(diào)性就是要求哈希算法能夠避免這一情況的發(fā)生。
3）分散性(Spread）
在分布式環(huán)境中.終端有可能看不到所有的緩沖，而是只能看到其中的一部分。當(dāng)終端希望通過哈希過程將內(nèi)容映射到緩沖上時(shí)，由于不同終端所見的緩沖范圍有可能不同，從而導(dǎo)致哈希的結(jié)果不一致.最終的結(jié)果是相同的內(nèi)容被不同的終端映射到不同的緩沖區(qū)中。這種情況顯然是應(yīng)該避免的，因?yàn)樗鼘?dǎo)致相同內(nèi)容被存儲到不同緩沖中去，降低了系統(tǒng)存儲的效率。分散性的定義就是上述情況發(fā)生的嚴(yán)重程度。好的哈希算法應(yīng)能夠盡量避免不一致的情況發(fā)生，也就是盡攝降低分散性。
4）負(fù)載（Load）
負(fù)載問題實(shí)際上是從另一個(gè)角度看待分散性問題。既然不同的終端可能將相同的內(nèi)容映射到不同的緩沖區(qū)中，那么對于一個(gè)特定的緩沖區(qū)而言,也可能被不同的用戶映射為不同的內(nèi)容。與分散性一樣，這種情況也是應(yīng)當(dāng)避免的，因此，好的哈希算法應(yīng)能夠盡董降低緩沖的負(fù)荷。
從表面上看，相容哈希針對的是分布式緩沖的問題，但是如果將緩沖看做P2P系統(tǒng)中的Peer,將映射的內(nèi)容看作各種共享的資源（數(shù)據(jù)、文件、媒體流等），就會發(fā)現(xiàn)兩者實(shí)際上是在描述同一問題。
②路由算法
在相容哈希算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)（對應(yīng)P2P系統(tǒng)中的Peer)都有隨機(jī)分配的ID。在將內(nèi)容映射到節(jié)點(diǎn)時(shí),使用內(nèi)容的關(guān)鍵字和節(jié)點(diǎn)的ID進(jìn)行一致性哈希運(yùn)算并獲得鍵值。一致性哈希要求鍵值和節(jié)點(diǎn)ID處于同一值域。最簡單的鍵值和ID可以是一維的，比如從0000到9999的整數(shù)集合。
根據(jù)鍵值存儲內(nèi)容時(shí),內(nèi)容將被存儲到具有與其鍵值最接近的1D的節(jié)點(diǎn)上。例如，鍵搶為1001的內(nèi)容，系統(tǒng)中有ID為1000,1010,1100的節(jié)點(diǎn)，該內(nèi)容將被映射到1000節(jié)點(diǎn)。
為了構(gòu)建查詢所需的路由，相容哈希要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲其上行節(jié)點(diǎn)（ID值大于自身的節(jié)點(diǎn)中最小的）和下行節(jié)點(diǎn)（ID值小于自身的節(jié)點(diǎn)中最大的）的位置信息（IP地址>。當(dāng)節(jié)點(diǎn)需要查找內(nèi)容時(shí)，就可以根據(jù)內(nèi)容的鍵值決定向上行或下行節(jié)點(diǎn)發(fā)起査詢請求。收到查詢請求的節(jié)點(diǎn)如果發(fā)現(xiàn)自己有被請求的目標(biāo),可以直接向發(fā)起査詢請求的節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)；如果發(fā)現(xiàn)不屬于自身的范圍，可以轉(zhuǎn)發(fā)請求到自己的上行/下行節(jié)點(diǎn)，為了維護(hù)上述路由信息，在節(jié)點(diǎn)加人/退出系統(tǒng)時(shí)，相鄰的節(jié)點(diǎn)必須及時(shí)更新路由信息。這就要求節(jié)點(diǎn)不僅存儲直接相連的下行節(jié)點(diǎn)位置信息，還要知道一定深度（n跳）的間接下行節(jié)點(diǎn)信息，并且動態(tài)地維護(hù)節(jié)點(diǎn)列表。當(dāng)節(jié)點(diǎn)退出系統(tǒng)時(shí)，它的上行節(jié)點(diǎn)將嘗試直接連接到最近的下行節(jié)點(diǎn)，連接成功后，從新的下行節(jié)點(diǎn)獲得下行節(jié)點(diǎn)列表并更新自身的節(jié)點(diǎn)列表。同樣的，當(dāng)新的節(jié)點(diǎn)加人到系統(tǒng)中時(shí)，首先根據(jù)自身的ID找到下行節(jié)點(diǎn)并獲得下行節(jié)點(diǎn)列表,然后要求上行節(jié)點(diǎn)修改其下行節(jié)點(diǎn)列表,這樣就恢復(fù)了路由關(guān)系。
③優(yōu)缺點(diǎn)分析
相容哈?；窘鉀Q了在P2P環(huán)境中最為關(guān)鍵的問題--如何在動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲蟹植即鎯吐酚?。每個(gè)節(jié)點(diǎn)僅需維護(hù)少量相鄰節(jié)點(diǎn)的信息，并且在節(jié)點(diǎn)加人/退出系統(tǒng)時(shí)，僅有相關(guān)的少量節(jié)點(diǎn)參與到拓?fù)涞木S護(hù)中。所有這一切使得相容哈希成為第一個(gè)實(shí)用的DHT算法。
但是相容哈希的路由算法尚有不足之處。在查詢過程中，查詢消息要經(jīng)過O(N)步(O(N)表示與N成正比關(guān)系，N代表系統(tǒng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)）才能到達(dá)被查詢的節(jié)點(diǎn)。不難想象，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模非常大時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量可能超過百萬，這樣的查詢效率顯然難以滿足使用的需要。換個(gè)角度來看，即使用戶能夠忍受漫長的時(shí)延，查詢過程中產(chǎn)生的大量消息也會給網(wǎng)絡(luò)帶來不必要的負(fù)荷。

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