基于P2P技術(shù)下的信息檢索研究new

1、基于P2P技術(shù)下的信息檢索研究基于P2P技術(shù)下的信息檢索研究摘要：21世紀(jì)是信息化的世紀(jì)。社會信息化程度越高,人們對信息的依賴性就越大。信息是一切思想、事實的富有想象力的表征,它們以各種形式進行記錄和傳播。信息檢索是涵蓋了文獻檢索、情報檢索和知識檢索的新興技術(shù)。也正是在新科技環(huán)境下，P2P技術(shù)發(fā)展勢頭強勁，在給萬千網(wǎng)民帶來便利的同時，正促使互連網(wǎng)的運營方式發(fā)生靜悄悄的演變，形成新的格局。P2P信息檢索將會是通往未來格局的關(guān)鍵技術(shù)。正如以Google為首的Web信息搜索引擎對人們沖浪方式帶來深刻變化一樣，P2P信息檢索也將會給未來的互聯(lián)網(wǎng)帶來一場革命。本文從基于P2P搜索的發(fā)展動機和原理入手，概

2、述了當(dāng)前主流的P2P搜索的研究熱點和未來幾年的發(fā)展趨勢，以及我們圍繞P2P信息檢索所作的研究工作。關(guān)鍵詞：對等網(wǎng)絡(luò)P2P;信息檢索;向量空間模型; 潛在語義索引1、P2P技術(shù)概述對等網(wǎng)絡(luò)(peer to peer，P2P)技術(shù)并不是一種新興的技術(shù)，20世紀(jì)70年代中期，源于局域網(wǎng)的文件共享，P2P技術(shù)就開始流行起來了。目前大家所關(guān)注的P2P技術(shù)，是原有技術(shù)的新應(yīng)用模式。下面對P2P技術(shù)進行簡單的介紹。1.1 P2P定義P2P是Peer-to-Peer（對等網(wǎng)絡(luò)，對等計算）的簡稱，中文譯名為對等互聯(lián)或者點對點技術(shù)。在P2P網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點被稱為peer（對等體）。P2P是一種網(wǎng)絡(luò)模型，在這種網(wǎng)絡(luò)中

3、所有的節(jié)點是對等的(稱為對等點)，各節(jié)點無主從之分，各節(jié)點具有相同的責(zé)任與能力并協(xié)同完成任務(wù)。對等點之間通過直接互連共享信息資源、處理器資源、存儲資源甚至高速緩存資源等，無需依賴集中式服務(wù)器或資源就可完成。業(yè)界對于P2P的定義有多種，典型的是Intel公司和IBM公司對P2P的定義。Intel將P2P定義為“通過系統(tǒng)間的直接交換達成計算機資源與信息共享系統(tǒng)”，這些資源與服務(wù)包括信息交換、處理器時鐘、緩存和磁盤空間等。IBM將P2P定義為：“P2P系統(tǒng)由若干互聯(lián)協(xié)作的計算機構(gòu)成，且至少具有如下特性：系統(tǒng)儲存于邊緣化（非中央式服務(wù)器）設(shè)備的主動協(xié)作，每個成員直接從其他成員而不是從服務(wù)器的參與中受益

4、；系統(tǒng)中的成員同時扮演服務(wù)器與客戶端的角色；系統(tǒng)應(yīng)用的用戶能夠意識到彼此的存在，構(gòu)成一個虛擬的或?qū)嶋H的群體”?？傊琍2P技術(shù)就是在不同用戶之間，不通過中繼設(shè)備直接交換數(shù)據(jù)和服務(wù)的技術(shù)。P2P網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點既可以作為服務(wù)器為其它節(jié)點提供數(shù)據(jù)和服務(wù)，又可以作為客戶機享用其它節(jié)點提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)。隨著P2P的飛速發(fā)展，因特網(wǎng)的存儲模式將由目前的“內(nèi)容位于中心”模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?nèi)容位于邊緣”模式。1.2 P2P技術(shù)特點P2P以其獨特的技術(shù)特點，成為當(dāng)今文件共享的理想平臺。P2P的技術(shù)特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(l)分散化:網(wǎng)絡(luò)中的資源和服務(wù)分散在所有節(jié)點上，通過各個節(jié)點間的合作，直接在節(jié)點之間完成內(nèi)容

5、的傳輸和服務(wù)的實現(xiàn)，避免了中心存儲和內(nèi)容交換可能存在的瓶頸。(2)可擴展性:在P2P網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點在獲取資源的同時也為其它節(jié)點提供服務(wù)。(3)健壯性:P2P有很強的自適應(yīng)性，天生具有耐攻擊、高容錯的優(yōu)點。(4)高性能/價格比:隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，個人計算機的計算和存儲能力以及網(wǎng)絡(luò)帶寬等性能依照摩爾定理高速增長。采用P2P架構(gòu)可以有效地利用互聯(lián)網(wǎng)中散布的大量普通結(jié)點，將內(nèi)容交換、計算任務(wù)或存儲資料分布到所有結(jié)點上。2、信息檢索概述2.1、信息檢索的含義對于信息檢索，主要存在時間性通訊、信息處理和文獻查找三種角度的認識：莫爾斯在1950年發(fā)表了把信息檢索看作是時間性的通訊一文，不僅首次提出了信息檢索

6、這個概念，并認為“信息檢索是一種時間性的通訊形式”。換言之，通過信息檢索得到了一些文獻，從而使得著者與讀者（信息檢索的用戶）之間建立起了一種通訊。按照這種通訊角度的認識，莫爾斯強調(diào)了在通訊雙方中，信息發(fā)送者必須盡可能發(fā)送一切信息，是時間性通訊的被動一方；而信息接受者是主動活躍的一方，正是接受者才決定什么時候接受以及接受什么信息。因此，信息檢索的問題就在于，如何把一個可能的用戶指向所儲存的信息。這種認識突出了用戶需求的重要性，對于如何做好信息檢索服務(wù)工作，至今依然具有很強的理論和實踐意義。從信息處理的角度來看，信息檢索的基本問題，是如何處理信息和信息的結(jié)構(gòu)。這種認識偏重于信息管理。認為信息不僅限

7、于文獻的范圍，圖像、聲音、數(shù)據(jù)等也都能反映信息，并把信息檢索視為計算機科學(xué)與技術(shù)的一個分支。把信息檢索看作是一種信息處理的認識，強調(diào)了如何構(gòu)造以及利用什么形式來構(gòu)造信息結(jié)構(gòu)的問題。在當(dāng)今因特網(wǎng)迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息浩如煙海的情況下，這種認識對于信息檢索工具的設(shè)計和組建，具有指導(dǎo)意義。從文獻查找角度來看，信息檢索，簡言之，就是查找出含有用戶所需信息的文獻的過程。在信息檢索領(lǐng)域，這是一種傳統(tǒng)的主流觀點，支持者眾多。例如，英國著名學(xué)者維克利（BCVickery）認為，“信息檢索是從匯集的文獻中選出特定用戶在特定時間所需信息的操作過程”；美國著名情報學(xué)家蘭卡斯特（FWLancaster）認為，“信息檢索是

8、查找某一文獻庫的過程，以便找那些某一主題的文獻”。關(guān)于這種認識，蘭卡斯特的經(jīng)典表述是“信息檢索系統(tǒng)并不檢索信息”。因為信息是無形的，必須依附于文獻而存在。雖然信息檢索的最終結(jié)果是滿足用戶的信息需求，但檢索的直接對象還是文獻，當(dāng)用戶閱讀文獻并理解其內(nèi)容時，用戶的信息需求才被滿足。2. 2、信息檢索的基本原理信息檢索的原理是“相符性比較”和“匹配運算”。即首先必須對廣泛、大量、分散、無序的信息進行搜集、記錄、組織、存儲,以建成各種檢索系統(tǒng)(如手工檢索工具、計算機檢索的數(shù)據(jù)庫與搜索引擎) 。用戶根據(jù)檢索課題的需要,將需求轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)所能識別的檢索式,再與檢索系統(tǒng)中表征信息資源特征的標(biāo)識進行逐一的相符性

9、匹配與比較,兩者完全一致或部分一致時即為命中信息1 。其中存儲是為了檢索,而檢索又必須先進行存儲?！跋喾员容^”即指由信息特征構(gòu)成的信息標(biāo)識與由檢索提問構(gòu)成的檢索式所進行的相關(guān)性比較。完全一致的信息即為相同信息,而在某種程度上和檢索要求相匹配的信息為相關(guān)信息。2.3、信息檢索模型信息檢索模型是判斷文本是否與查詢相關(guān)和對相關(guān)文本進行排序的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)相關(guān)度判別方法的不同，發(fā)展出了不同的信息檢索模型，傳統(tǒng)的信息檢索模型大體可以分為三類：布爾檢索模型、向量空間模型、概率模型。2.3.1布爾檢索模型布爾（Boolean）模型是最典型的一種集合模型，是信息檢索系統(tǒng)提供的基本功能，在傳統(tǒng)的信息檢索中有著

10、廣泛的應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)布爾邏輯模型是二元邏輯。在布爾模型中，首先要針對文本定義一系列的二元特征變量，這些特征變量一般是從文本中提取出來的文本索引關(guān)鍵詞，有時也包括一些更為復(fù)雜的特征變量，如數(shù)據(jù)、短語、私人簽名和手工加入的描述詞等。其次，使用這些特征變量的集合來表示文本Di=（di1，di2，din），其中，n是特征項的個數(shù)；dik為True或False，如果特征項k在文本Di內(nèi)容中出現(xiàn)，就賦予True值，反之置為False。在布爾模型中，用戶可以根據(jù)檢索關(guān)鍵詞在文本中的布爾邏輯關(guān)系，用“”（AND）、“”（OR）、“”（NOT）等邏輯運算符將多個關(guān)鍵詞連接成為一個邏輯表達式來遞交查詢。匹配函數(shù)由布爾

11、邏輯的基本法則確定，通過對文本表達式與用戶查詢表達式的邏輯比較進行檢索，所檢索出的文本或者與查詢相關(guān)，或者與查詢無關(guān)3。2.3.2向量空間模型向量空間模型（Vector Space Model，VSM）克服了使用布爾模型中二元權(quán)值的缺點，采用非二元權(quán)值來表示特征項在文本和用戶查詢中的權(quán)重，提出了允許部分匹配的模型結(jié)構(gòu)。文本之間或者文本用戶查詢之間的（內(nèi)容）相關(guān)程度（Degree of Relevance）通常用它們之間的相似度來度量。當(dāng)文本和查詢均被表示為向量空間模型時，可以借助于向量之間的某種距離來表示二者之間的相似度，常用向量之間的內(nèi)積進行計算，相似度越大，說明兩個文本或文本和用戶查詢之間

12、相關(guān)度越大。因此，可以根據(jù)相似度進行排序4。62.3.3概率模型概率模型（Probabilistic Model）是為了解決檢索中存在的一些不確定性而發(fā)展起來的，以數(shù)學(xué)理論中的概率論為原理的一種檢索模型。在此模型中，文本和用戶查詢的表示與布爾模型相同。同時，根據(jù)用戶反饋，將文本分成相關(guān)的和無關(guān)的兩類，然后根據(jù)每個特征變量（詞）在相關(guān)文本集合和無關(guān)文本集合的分布情況來計算它們的相關(guān)概率，并將它表示成幾率。概率模型的優(yōu)勢在于有很多形式，采用嚴格的數(shù)學(xué)理論為依據(jù)，能夠按照相關(guān)度概率來對檢索結(jié)果進行排序。它的檢索效率要明顯優(yōu)于布爾模型5。2.4信息檢索技術(shù)廣義地講，信息檢索包含信息儲存和信息查找兩個過

13、程。信息儲存是對文獻進行收集、標(biāo)引及著錄，并加以有序化編排，編制信息檢索工具的過程；信息查找是從大量的信息中查找出用戶所需的特定信息的過程。實施檢索的主要方法就是利用各種檢索工具。狹義地講，信息檢索僅僅是指信息查找，即從信息集合中找出所需信息的過程。2.4.1信息檢索技術(shù)的發(fā)展（1）手工信息檢索手工信息檢索發(fā)展于19世紀(jì)末。專業(yè)化的信息檢索產(chǎn)生于參考咨詢工作。1876年召開的美國圖書館協(xié)會第一屆大會上提出了正規(guī)的參考咨詢工作概念。這個階段的信息檢索手段是書本式和卡片式，包括檢索型和資料型的工具書等。至今這些檢索工具雖然有的還在發(fā)揮作用，如書本式檢索工具，但隨著電子資源的普及，其作用已逐漸削弱6

14、。（2）機械信息檢索機械信息檢索的發(fā)展期是20世紀(jì)4050年代，生命周期很短暫，是手工檢索向計算機信息檢索的過渡階段。這一階段的主要檢索手段包括穿孔卡片和縮微制品檢索。（3）計算機信息檢索計算機信息檢索起源于20世紀(jì)50年代初。1954年美國海軍兵器中心圖書館利用IBM701機開發(fā)計算機信息檢索系統(tǒng)，它標(biāo)志著計算機信息檢索階段的開始。計算機信息檢索可分為四個發(fā)展階段：脫機檢索、聯(lián)機檢索、光盤檢索、網(wǎng)絡(luò)檢索。網(wǎng)絡(luò)信息檢索是由網(wǎng)絡(luò)站點、網(wǎng)頁瀏覽器和搜索引擎以及網(wǎng)絡(luò)支撐組成的檢索系統(tǒng)，其中的核心部分不是眾多站點，而是網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和具有收集、檢索功能的搜索引擎。網(wǎng)絡(luò)信息檢索開始于20世紀(jì)90年代初。19

15、91年思維機等公司、明尼蘇達大學(xué)、歐洲高能粒子協(xié)會分別推出了因特網(wǎng)上的檢索工具WAIS、GOPHER和WWW。目前，網(wǎng)絡(luò)瀏覽器WWW因其集文本、圖像、聲音等多媒體信息于一體的巨大優(yōu)點，已占信息服務(wù)的主導(dǎo)地位，基于Web的搜索引擎已成為最重要的信息檢索工具。著名的、且經(jīng)典的有Yahoo等搜索引擎，Google是目前世界上最大的搜索引擎。2.4.2信息檢索方法根據(jù)David Lewis和Karen Spark Jones的觀點，目前的知識管理結(jié)構(gòu)中，信息檢索可以分為以下三個領(lǐng)域7：數(shù)據(jù)檢索（Data retrieval）、全文檢索（Text retrieval）和知識檢索（Knowledge re

16、trieval）。（1）數(shù)據(jù)檢索主要針對結(jié)構(gòu)化信息系統(tǒng)，查詢要求和數(shù)據(jù)都遵循一定的格式，具有一定的結(jié)構(gòu)，往往對應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計者建立的一系列屬性的值。數(shù)據(jù)檢索允許對特定的字段檢索，例如：檢索技術(shù)=“本體”。比較有代表性的是各種商業(yè)數(shù)據(jù)庫8。數(shù)據(jù)檢索依賴于編碼的質(zhì)量，檢索花費大，檢出的信息相對準(zhǔn)確，但容易漏檢相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)檢索的性能取決于所使用的字段標(biāo)識方法和用戶對這種方法的理解，具有很大的局限性。數(shù)據(jù)檢索支持語義匹配的能力也較差9當(dāng)然這里數(shù)據(jù)所指的范圍比傳統(tǒng)分類法中的要廣，它既包括文字信息、數(shù)值信息，也包括事實檢索的對象10。（2）全文檢索全文檢索把用戶的查詢請求以關(guān)鍵詞的形式與全文中的每一個

17、詞進行比較，而不考慮查詢請求與文檔語義上的匹配。這種檢索方式主要基于詞頻分析技術(shù)。比較有代表性的是Google和百度。這種方式因為只是針對文本的匹配，檢出信息量大、毋需人工干預(yù)，缺點是返回信息過多，有很多無關(guān)信息，用戶面對一大堆8結(jié)果往往無所適從，必須從結(jié)果中進行篩選。（3）知識檢索知識檢索是指在知識組織的基礎(chǔ)上，從知識庫中檢索出知識的過程，是一種基于知識組織體系，能夠?qū)崿F(xiàn)知識關(guān)聯(lián)和概念語義檢索的智能化的檢索方式。知識檢索具有兩個顯著特征，一是基于某種具有語義模型的知識組織體系，知識組織體系是實現(xiàn)知識檢索的前提與基礎(chǔ)，知識檢索則是基于知識組織體系的結(jié)果；二是對資源對象進行基于元數(shù)據(jù)的語義標(biāo)注，

18、元數(shù)據(jù)是知識組織系統(tǒng)的語義基礎(chǔ)，只有經(jīng)過元數(shù)據(jù)描述與標(biāo)注的資源才具有長期利用的價值。以知識組織體系為基礎(chǔ)，并以此對資源進行語義標(biāo)注，才能實現(xiàn)知識檢索11。知識檢索模型集成各類知識對象和信息對象，融合各種智能與非智能理論、方法與技術(shù)，實現(xiàn)知識檢索，例如基于知識結(jié)構(gòu)的檢索、基于知識內(nèi)容的檢索、基于專家啟發(fā)式的知識檢索、基于知識導(dǎo)航的智能瀏覽檢索和分布式多維檢索12。知識檢索的呈現(xiàn)結(jié)果應(yīng)該是以可視化形式展現(xiàn)知識層次的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，便于用戶循著知識網(wǎng)絡(luò)方便地獲取知識。3、 P2P信息搜索技術(shù)P2P以其獨特的技術(shù)特點成為近幾年來的研究熱點，研究界提出的P2P信息檢索的理念，把P2P與信息檢索相集成，充分發(fā)掘

19、各自的優(yōu)點并相互克服對方的不足，依據(jù)P2P技術(shù)開發(fā)出的強大搜索工具可以彌補傳統(tǒng)搜索引擎無力深度搜索的不足。3.1 P2P信息檢索的特點P2P信息檢索通過分布式存儲和處理能力為大范圍的Web文件搜索提供可能，目前基于傳統(tǒng)的搜索技術(shù)最出色的全文搜索Google只能搜索到20%-30%的網(wǎng)絡(luò)資源，而一個設(shè)計良好的P2P搜索將遠超過這一數(shù)字。另外，傳統(tǒng)式的搜索引擎對于數(shù)據(jù)的更新緩慢不能滿足用戶實時性要求。受網(wǎng)絡(luò)爬蟲采集信息能力的限制，傳統(tǒng)的搜索引擎很難進行深度采集深層次的網(wǎng)頁信息。P2P系統(tǒng)具有自組織性、對稱性、可擴展性以及分布控制等優(yōu)良特性,隨著Gagster , Gnutella 和Free ne

20、t 等P2P 系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,該系統(tǒng)被認為是未來分布式計算的關(guān)鍵技術(shù),可以應(yīng)用于數(shù)據(jù)共享、CPU 周期共享、及時信息傳輸以及協(xié)同工作組件等方面,同時在搜索引擎、數(shù)據(jù)流管理、語義網(wǎng)、協(xié)作信息過濾等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.。對P2P的研究主要集中在搜索、存儲、安全和應(yīng)用4 個方面,而搜索是P2P 技術(shù)的核心,目的在于以一種有效的手段快速地響應(yīng)用戶的資源搜索請求,同時盡量減少網(wǎng)絡(luò)的流量,以保證系統(tǒng)的可擴展性和容錯性。3.2 P2P 檢索的主要方法P2P 搜索大致可以分成3 種類型: 非結(jié)構(gòu)化P2P 網(wǎng)絡(luò)的搜索技術(shù)、結(jié)構(gòu)化的P2P 網(wǎng)絡(luò)的搜索技術(shù)以及針對這2 種類型的改進技術(shù). 目前出現(xiàn)的P2P 系統(tǒng)

21、具備足夠的語義,能夠處理復(fù)雜查詢,可以稱為新一代的P2P 檢索技術(shù).3.3 P2P 檢索關(guān)鍵技術(shù)P2P 查詢的關(guān)鍵技術(shù)包含比較廣泛,核心技術(shù)包括索引構(gòu)造技術(shù)、路由策略及查詢優(yōu)化等,下面將分別對它們進行介紹.3.3. 1 索引構(gòu)造技術(shù)索引構(gòu)造技術(shù)直接影響P2P 系統(tǒng)的路由策略以及系統(tǒng)的查詢效率,因此,構(gòu)造具有豐富語義和高效的索引對于P2P 系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的. 一般索引構(gòu)造技術(shù)分成基于模式的索引和實例索引. 模式索引為PDMS 所特有,考慮了語義異構(gòu)問題. 文獻16 中描述的基于RDF 的P2P 體系結(jié)構(gòu)Edutel2la 就是一個基于模式的P2P 網(wǎng)絡(luò),它包含了使用RDF 描述的模式索引. 實例

22、索引包括: 通過散列將原始數(shù)據(jù)標(biāo)識符映射到ID 集合,再將ID 集合映射到負責(zé)該ID 的peer ,可以具有多種拓撲形態(tài)的散列索引; 把數(shù)據(jù)庫中B + 樹思想在P2P 環(huán)境下進行擴展產(chǎn)生的樹形索引(例如P2Tree20 和P2Ring21 ) . 實例索引有多種分布方法:本地分布、集中式分布和分布式分布. 本地索引中各peer 只維持對自己的數(shù)據(jù)的引用,而不管其他節(jié)點上的數(shù)據(jù)的信息;集中式索引需單個服務(wù)器上保存許多peer 上數(shù)據(jù)的引用,索引是集中的,但數(shù)據(jù)是分布的;分布式索引指向目標(biāo)的指針存放在多個peer上,可有效分散查詢負載和索引的存儲負載,具有更強的健壯性和可擴展性, 大多數(shù)DHT 索

23、引,P2Tree和P2Ring都是分布式索引.3.3. 2 查詢優(yōu)化由于P2P 網(wǎng)絡(luò)動態(tài)的特性,不能假定具備數(shù)據(jù)分布的全局視圖,也不能在這些網(wǎng)絡(luò)中采用靜態(tài)的拓撲和查詢計劃,使得提交的查詢不太可能在整個查詢處理過程中都保持原來的性質(zhì). 為此,對查詢進行優(yōu)化變得非常重要. 這樣可以加快查詢執(zhí)行的效率,同時減少網(wǎng)絡(luò)流量. Piazza 認為冗余是造成查詢的執(zhí)行時間和響應(yīng)時間較長的原因,從而提出了修剪冗余子表達式、預(yù)計算語義路徑等優(yōu)化措施. PIER 采用由應(yīng)用程序設(shè)計者自己進行優(yōu)化的方法. 文獻 12 中提出了一種基于直方圖的分層top2k 查詢算法. 該算法體現(xiàn)了查詢優(yōu)化的思想:首先,采用層次化的

24、方法實現(xiàn)分布式的top2k 查詢,將結(jié)果的合并和排序分散到P2P 網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點上,充分利用了網(wǎng)絡(luò)中的資源; 其次,根據(jù)節(jié)點返回的結(jié)果為節(jié)點構(gòu)建直方圖,利用直方圖估計節(jié)點可能的分數(shù)上限對節(jié)點進行選擇,以提高查詢效率.4 結(jié)束語本文中對P2P 檢索技術(shù)進行較全面的分析、討論,主要包括各個時期的P2P 搜索算法,同時也包括與P2P 搜索技術(shù)有關(guān)的體系結(jié)構(gòu)、路由策略、索引構(gòu)造方法等問題. P2P 中高可擴展性的構(gòu)造和維護方法、P2P 網(wǎng)絡(luò)語義異構(gòu)中的模式繼承(schema inheritance) 以及語義傳播( semantic gossip2ing) 等問題將是進一步研究的對象.參考文獻:1

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