基于生態(tài)突現(xiàn)計算的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于生態(tài)突現(xiàn)計算的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建近年來，網(wǎng)絡(luò)智能技術(shù)成為人們研究的重點。Internet是一個龐大的結(jié)構(gòu)松散的巨型網(wǎng)絡(luò)。未來Internet要求:1)新的應(yīng)用程序和用戶界面使Internet對用戶越來越“透明”;2)移動式計算正成為一個越來越受關(guān)注的發(fā)展領(lǐng)域;3)服務(wù)商必須能夠根據(jù)用戶不同的應(yīng)用需求提供不同的價格方案;4)Internet的演變過程將通過一種什么樣的機制來控制;5)Internet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的安全等。其關(guān)鍵需求有自擴(kuò)充性、對異構(gòu)和動態(tài)條件的自適應(yīng)性、安全性、自救性及服務(wù)和應(yīng)用的簡單易操作性等。這些需求使我們有必要進(jìn)一步地優(yōu)化Internet網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),并設(shè)計其應(yīng)用。從社會生態(tài)學(xué)角度講,Internet網(wǎng)絡(luò)的超速發(fā)展,將會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各種因素之間以及網(wǎng)絡(luò)與其它相關(guān)社會環(huán)境之間出現(xiàn)一系列問題。所有影響網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的其它社會系統(tǒng)構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境,當(dāng)我們用聯(lián)系發(fā)展的眼光分析網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)生態(tài)環(huán)境之間相互作用、相互影響時,便形成了網(wǎng)絡(luò)生態(tài)。網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)。也就是說,如果將Internet網(wǎng)絡(luò)看成一個巨大的生態(tài)網(wǎng)絡(luò),我們就可以借用生態(tài)學(xué)的研究方法,建立生態(tài)網(wǎng)絡(luò)計算模型,從而在此基礎(chǔ)上采用巨量并行、廣域存儲、智能處理等方式來處理網(wǎng)絡(luò)計算。本文即是基于以上背景,研究生態(tài)系統(tǒng)的一些重要特征,尤其是突現(xiàn)特征。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計一種新穎的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其仿真平臺,該平臺可用于仿真復(fù)雜的大規(guī)模的Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與應(yīng)用。2生態(tài)系統(tǒng)的概念及與類型任何一個生態(tài)系統(tǒng)都是由生物系統(tǒng)和環(huán)境系統(tǒng)共同組成的。生物系統(tǒng)又包括有生產(chǎn)者、消費者和分解者(還原者)。組成生態(tài)系統(tǒng)的成分,通過能流、物流和信息流,彼此聯(lián)系起來,形成一個功能體系生態(tài)系統(tǒng)。在生態(tài)系統(tǒng)中有一些關(guān)鍵概念和許多特性可用于Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與應(yīng)用:(1)突現(xiàn)行為和特征;生態(tài)系統(tǒng)是由許多個體組成,每個個體遵循一組簡單的行為規(guī)則(如遷移、再生、變異和死亡等),而一群個體則展示復(fù)雜的突現(xiàn)行為(如適應(yīng)性、進(jìn)化、安全性和自救性等),其整體行為超過了各個部分的總和。也就是說,在生態(tài)系統(tǒng)中,局部相互作用能突現(xiàn)全局行為。我們將出現(xiàn)這些突現(xiàn)的計算稱之為突現(xiàn)計算。突現(xiàn)計算有三個重要方面:自組織、聚集現(xiàn)象和協(xié)作行為。自組織意味著從一個初始的隨機系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生突現(xiàn)。聚集現(xiàn)象是指系統(tǒng)中有多個主體,它們之間相互作用,但強調(diào)的是全局模式。協(xié)作行為是指系統(tǒng)的整體行為超過了其各個部分的總和。生態(tài)系統(tǒng)是安全的、可生存的,即使一定比例的個體被入侵者、事故或疾病損傷,它們?nèi)匀荒芷鹱饔?這些都是突現(xiàn)行為的結(jié)果。以上機理可用于網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、自救、防御和安全等方面;(2)生態(tài)系統(tǒng)中,由食性關(guān)系所建立的各種生物之間的營養(yǎng)關(guān)系,形成一系列獵物與捕食者的鎖鏈,稱“食物鏈”。生態(tài)系統(tǒng)中的食物鏈?zhǔn)呛軓?fù)雜的,其復(fù)雜程度因生態(tài)系統(tǒng)的不同類型而異。一個生態(tài)系統(tǒng)實際上就是分布于空間中的開放的能量系統(tǒng),而食物網(wǎng)是這一系統(tǒng)以物種為分析單位的最常用的模型。食物網(wǎng)形象地說明了自然生態(tài)系統(tǒng)中各物種之間的關(guān)系。食物網(wǎng)還直觀地表明,生態(tài)系統(tǒng)中生物物種的多樣性對于系統(tǒng)的穩(wěn)定極其重要。食物鏈越短,食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)越簡單,則該系統(tǒng)的抗干擾能力越差。在網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)中也同樣存在著食物網(wǎng)的關(guān)系,網(wǎng)絡(luò)中的不同成分可看作生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的生物種群,它們之間的關(guān)系也是一種交叉供養(yǎng)的食物網(wǎng)關(guān)系;(3)生態(tài)系統(tǒng)具有自組織和信息傳遞的功能。在生態(tài)系統(tǒng)中,生物個體具有與它們的服務(wù)和應(yīng)用相關(guān)的功能,遵循一組簡單的行為規(guī)則,且通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變異和自然選擇機理進(jìn)化到期望的行為,能自治地適應(yīng)異構(gòu)和動態(tài)變化的環(huán)境條件,在局部范圍內(nèi)進(jìn)行自治作用可獲得自擴(kuò)充性,沒有中心控制。未來網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用同樣可借鑒生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的這些能力來適應(yīng)異構(gòu)和動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)條件、獲得自擴(kuò)充性;(4)生態(tài)系統(tǒng)“內(nèi)部有序”狀態(tài)的維持與演化必須依靠外界能量的輸入。能量流動是生態(tài)系統(tǒng)的動因。能量流是社會生態(tài)系統(tǒng)的生命之流。食物是提供人類身體所需要的能量和新陳代謝所需營養(yǎng)的物質(zhì),是外界輸入社會生態(tài)系統(tǒng)的能量流中的一部分。這使我們可以以能量為主線,來分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);(5)種群的遺傳與進(jìn)化。群落可以認(rèn)為是眾多環(huán)境變量和功能變量的集合。組成群落的各個物種,在群落中的作用是不同的。優(yōu)勢種在群落的超空間中占有較大的生態(tài)位超體積,占據(jù)了較大的空間范圍,利用較多的資源,具有較高的生產(chǎn)力,或者貯存的能量即生物量較大,或者數(shù)量較多。群落組成結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)有物種多樣性和群落穩(wěn)定性。群落內(nèi)組成物種愈豐富,則多樣性越大。群落穩(wěn)定性指群落在一段時間過程中維持物種相互結(jié)合及各物種數(shù)量關(guān)系的能力,以及在受到擾動的情況下恢復(fù)原來平衡狀態(tài)的能力。生態(tài)系統(tǒng)的平衡、穩(wěn)定直接反映在群落組成結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上。影響種群遺傳平衡的因素很多,如基因突變,自然選擇,遺傳漂移和遷移等。而同一種生物生長在不同條件下的不同群落可能出現(xiàn)不同的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特性,這些特性變異往往具有適應(yīng)的性質(zhì)。生態(tài)系統(tǒng)的多樣性遺傳機理和適應(yīng)性等可被用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的服務(wù),并可用于網(wǎng)絡(luò)生態(tài)監(jiān)控。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中還有與Internet網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的其它特性,在此不一一贅述。3生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建模型從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的機理看,生態(tài)系統(tǒng)可以被集成在一個統(tǒng)一的框架下,且可以被認(rèn)為是一種移動Agent自治系統(tǒng),它具有可移動性、自適應(yīng)性和協(xié)作性等。故可采用移動Agent技術(shù)來建立生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),動態(tài)地學(xué)習(xí)和適應(yīng)它的環(huán)境,以用于移動網(wǎng)絡(luò)和無處不在的計算方面。以下我們根據(jù)生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計一種新穎的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并討論它的總體框架和各個組成部分的設(shè)計與實現(xiàn),從而為復(fù)雜、大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用提供一種仿真平臺。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的整體框架包括:生態(tài)網(wǎng)絡(luò)軟件平臺、各種重要組成構(gòu)件(如通有主體、資源主體和超級主體等)和生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真器等。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示,每個節(jié)點上的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)軟件平臺提供給各種主體的運行環(huán)境和支撐設(shè)施。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的運行環(huán)境為Windows2000和Java虛擬機。(1)基于移動Agent系統(tǒng)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)軟件平臺。移動Agent系統(tǒng)是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),它由多個在網(wǎng)絡(luò)中移動Agent宿主上運行的自治移動Agent組成。移動Agent具有動態(tài)性和分布計算等特點,能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,尋找目的主機,還可以同其它同源Agent或服務(wù)資源進(jìn)行交互,任務(wù)完成后再將結(jié)果由自身傳遞回源結(jié)點。移動Agent有較強的自主性,很容易適應(yīng)運行環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化,可保護(hù)重要的應(yīng)用在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下免遭破壞,并可以在網(wǎng)絡(luò)通訊正常后恢復(fù)其應(yīng)用的狀態(tài)。我們可在移動Agent系統(tǒng)上添加以上介紹的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)機理,如防御、遺傳、復(fù)制、死亡等,來建立一個更加完善的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型。也就是說,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可作為一種自治分布的多Agent系統(tǒng)?；谝苿覣gent技術(shù)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的仿真平臺,能支持移動對象的遷移、通訊和查表服務(wù)等。它包括:Agent執(zhí)行平臺;Agent編程模型;Inter-agent通訊;Agent監(jiān)控;各種Agent;分布組多點;支持和管理測試;Agent行為建模和目錄服務(wù)等。(2)各種重要組成元件。這些重要元件包括通有主體、資源主體和超級主體等。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,移動Agent系統(tǒng)主要是通過通有主體來執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用的。通有主體由屬性、本體和行為等部分組成。屬性部分包含該主體本身的信息(如ID號、所屬的超級主體、本體包含的內(nèi)容或任務(wù)、需要的系統(tǒng)資源、當(dāng)前位置等)。本體部分包含要處理的任務(wù)和實現(xiàn)的功能。行為部分包含控制自主行動的行為,主要有:1)資源購買行為;2)遷移行為;3)復(fù)制/再生行為;4)死亡行為;5)關(guān)系行為;6)保護(hù)行為;7)通訊行為等。通有主體的任務(wù)有:1)如何在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中活動;2)如何感知生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的狀態(tài);3)如何與其它同類主體通訊;4)如何添加屬性和規(guī)則,使通有主體實體化,用于某類網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用;5)如何移動的規(guī)則代碼等。在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,服務(wù)和應(yīng)用是由超級主體來實現(xiàn)的。超級主體是由多個主體的行為和相互作用而形成的,它不依賴于任何特定的主體,也不需要有確定數(shù)目的主體。超級主體的行為和特性產(chǎn)生需要的服務(wù)和應(yīng)用。主體與生物個體類似,具有與它們的服務(wù)和應(yīng)用相關(guān)的功能,遵循一組簡單的行為規(guī)則。多個主體相互作用則展示復(fù)雜的突現(xiàn)行為,以形成超級主體。在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不是固定的,而是不斷變化的,它根據(jù)動態(tài)變化的條件來自組織形成。資源主體,管理和分配資源到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的其它主體。主體在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上運行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)平臺軟件,付代價給資源主體以允許在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上使用資源。并且,也付代價用于遷移和再生,因為這些行動需要額外的節(jié)點資源。(3)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)仿真器。在該仿真器里,我們可以構(gòu)造各種靜/動態(tài)網(wǎng)絡(luò),并通過參數(shù)設(shè)置,來仿真大規(guī)模的復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。且可用實驗來評價在仿真環(huán)境中不同的生物概念和機理?？梢蕴剿魃鷳B(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本行為、主體行為和突現(xiàn)行為之間的映射關(guān)系及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型等。通過對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建模,可以顯示在仿真環(huán)境中生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生所期望的突現(xiàn)行為,尤其是群體的動態(tài)特性、自適應(yīng)、自擴(kuò)充性和進(jìn)化機理等創(chuàng)發(fā)性機制。通過這種方式來構(gòu)建Internet網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用非常簡單,因為它僅需要設(shè)計主體層次上的相對簡單的行為。而其它的要求,如適應(yīng)性、安全性和自救能力是多個主體共同作用的突現(xiàn)行為。4生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成我們采用Windows2000運行環(huán)境和Java語言編程環(huán)境實現(xiàn)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)平臺軟件、通有主體及仿真器等。由于Java的網(wǎng)絡(luò)通訊模塊支持Sockets、URL通訊和分布式對象協(xié)議(RMI),可以很容易實現(xiàn)分布主體間的通訊;標(biāo)準(zhǔn)Java虛擬機、對象序列化機制、基于Server的軟件結(jié)構(gòu)等特點使移動Agent技術(shù)在Java中易于實現(xiàn)。在具體設(shè)計時,采用面向Agent和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計技術(shù)。在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)軟件仿真平臺中,我們開發(fā)了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同軟件包,如仿真器、圖形用戶界面、節(jié)點、主體等。在虛擬測試網(wǎng)絡(luò)上運行了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)平臺軟件顯示生態(tài)網(wǎng)絡(luò)各個組成部分的基本操作。該生態(tài)網(wǎng)絡(luò)軟件平臺主要包含以下功能:(1)生命周期循環(huán)服務(wù):用于管理主體的生命周期循環(huán),并提供初始化、激活/撤消激活、復(fù)制、變異、重組、交叉、銷毀等操作;(2)能量管理服務(wù):跟蹤本地主體的能量水平,檢查一個主體是否有足夠的能量用于遷移、復(fù)制和重組,銷毀能量水平變?yōu)?的主體,阻止一個主體改變其它主體的能量水平等;(3)資源管理與分配:將每一個物理/邏輯資源分配給一個主體。物理資源有CPU時間和內(nèi)存空間等;邏輯資源有線程和傳輸連接等;(4)社會網(wǎng)絡(luò)服務(wù):允許一個主體在遠(yuǎn)程宿主上發(fā)現(xiàn)其它的主體,且可以建立多個主體之間的關(guān)系,并使用主體之間的關(guān)系建立網(wǎng)絡(luò)來完成所需的服務(wù)和應(yīng)用。每個主體可以有0或多個關(guān)系;(5)目錄服務(wù):允許一個主體在同一個局部的宿主上尋找其它的主體。它類似于局域網(wǎng)的管理;(6)關(guān)系管理服務(wù):在主體之間建立、監(jiān)察、更新和消除關(guān)系。關(guān)系用于發(fā)現(xiàn)其它主體,建立一組共同協(xié)作并提供服務(wù)的主體,從多個主體的聚集來構(gòu)造應(yīng)用。當(dāng)某一服務(wù)完成后,關(guān)系就消除了;(7)主體通訊服務(wù):使社會網(wǎng)絡(luò)中的主體能夠通訊。它是遷移主體到一個新的位置的proxy;(8)資源感知服務(wù):在局部生態(tài)網(wǎng)絡(luò)平臺上可得到的資源的類型、數(shù)量和代價。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在n次運行后得到某一節(jié)點的鄰元,然后感知在鄰元平臺上可得到的資源的類型、數(shù)量和代價等。這些資源可分配給相關(guān)主體來完成某一服務(wù)和應(yīng)用;(9)容器:提供最底層的操作以維持生態(tài)網(wǎng)絡(luò)平臺上主體的登記(注冊)/撤消登記、激活/撤消激活、資源管理、參考管理、請求/事件解析等。(10)遷移:服務(wù)請求(食物)可以通過inter-agent通訊信息結(jié)合到移動Agent系統(tǒng)。服務(wù)主體,會被食物吸引并向之遷移。然而,移動Agent宿主會基于遷移一個Agent時的帶寬和計算代價來收取一定的費用。也會由于頻繁地遷移獲得懲罰,使得移動Agent在遷移代價和遷移得到的利益之間尋求平衡;(11)生物操作:借用生態(tài)系統(tǒng)中影響種群遺傳平衡的因素,如基因突變,自然選擇,遺傳漂移和遷移等,模擬生態(tài)系統(tǒng)的多樣性遺傳機理和適應(yīng)性,從而用于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)。如,生態(tài)系統(tǒng)中,為了適應(yīng)變化的環(huán)境,組織不斷地復(fù)制,并阻止某一類型的攻擊,我們將這種可變性機理用于設(shè)計移動Agent系統(tǒng)來阻止對服務(wù)主體的攻擊。在以上生態(tài)網(wǎng)絡(luò)軟件平臺上,我們通過構(gòu)造仿真器,研究了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的突現(xiàn)行為。具體實現(xiàn)時,首先獨立地設(shè)計每個單個元件(主體),包括它的屬性、行為等,并分配一定的資源給這些主體。然后將這些元件看作一個組,采用目錄服務(wù)進(jìn)行管理。接著再采用同樣的方法生成其它的一些組。在此基礎(chǔ)上,針對提出的某一服務(wù)或應(yīng)用,每個組通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)平臺來構(gòu)造局部網(wǎng)絡(luò),包括關(guān)系管理、資源管理、能量管理、主體通訊等,再通過局部網(wǎng)絡(luò)借用社會網(wǎng)絡(luò)和生物操作(復(fù)制、變異、重組、交叉)來構(gòu)造全局網(wǎng)絡(luò),并發(fā)現(xiàn)超級主體,這個超級主體就是用于完成提出的