典型场景下的群首委任研究

蔡玮 何凤军 王宇

摘要：针对网络拓扑动态变化下的群首选举问题，研究分群以及群首委托典型场景下的群首选举算法，设计管理者-群首/群首-群成员之间进行群首自主选择、管理者委任群首、群首自动卸任与注销，以及群首职能拍卖与委托过程期间的步骤流程与交互协议，研究基于多属性的节点综合评判值，采用单轮多属性拍卖方式进行群首的委任，以及在动态分群中的群首委任/卸任流程，实现群管理的快速性和稳定性。

关键词：群首委任；职能委托；单轮多属性拍卖；分群场景

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）02-53-3

0引言

在特殊应用环境下，节点移动性较强，导致网络拓扑动态变化，因而分群结构频繁变动，對网络运行性能和管理效率产生极大影响。由于群首在执行群成员维护、任务分配、数据采集等管理功能的同时，还需要执行基于群的路由转发、移动性管理、资源分配和信道接入等功能，负载较重，容易形成网络瓶颈，因此群首的选取、委任将直接影响高动态网络的性能。

在分层网络中，为减少大规模分群开销，网络管理分群沿用网络层的通信分群。但是由于网络拓扑变化迅速，当通信分群重构后，管理群的群首以及群成员也相应发生改变。管理者为了网络管理和作战任务分配的需要，必须实时维护各个群首及其群成员列表。

1群首委任算法

1.1算法消息格式

当群首生成和群首变更而引起群结构发生变化时，网络管理者需要实时维护和更新群结构，确认群首的管理功能及范围。另外，考虑到网络中的节点具有随机移动性，网络拓扑也会随之变化，导致群成员与群首之间的联通关系可能会频繁变化。需要研究当群首位置发生变动或由于自身电量等问题而无法承担管理职能时，该群首需将管理职能委托给具有充足的能量资源、位置稳定的群成员，从而维护管理分群的稳定[1-3]。

在群结构中，节点有未分群、群首和群成员3种状态。在网络拓扑初始化时节点处于未分群状态，管理分群或拓扑分群后，节点的状态由未分群成为群首或群成员，此后进入拓扑或群维护状态。在群维护中[4-5]，如果群首或群成员离群，则节点的状态会发生改变，在未分群、群首和群成员之间切换。

算法中使用的消息格式定义如下：

①群首转任请求消息：

该消息由群首生成，用于向管理者申请群首卸任，并委托给其他群成员。

②群首转任响应消息：

该消息由管理者生成，用于向群首通知自行进行群首委托或者指定群首ID，默认自行委托则标识为0。

1.2基于拍卖方式的群首维护算法

群首在群成员中选择一个最优的群成员作为群首的继任者。原群首将职能委托处理结果上报给管理员，并向继任者转移群首职能内容（更新群成员列表、采集群内任务执行结果等）后，标志着本次多属性拍卖结束。

采用拍卖方式进行群首职能的委托，主要出于下述考虑：①以拍卖方式进行，群首可以获取实时的群成员的资源信息状况，以便选择出能够胜任群首职能的最优的继任者，实时性较强；②相比较于直接选择某个委任者而言，拍卖方式为群成员提供了公平的竞争机会，最大程度考虑了负载平衡问题；③对群首即将转任而进行的拍卖方式，只需耗费一轮竞拍交互的网络流量，避免了大规模重新分群所导致的群重构代价，明显加快群结构维护的反应效率。

以一个包含若干节点的动态变化网络为例，其网络初始拓扑如图1所示，节点1和节点2为2个群的群首。图2为节点1和节点2失效进行拍卖后，委任群首为节点6和节点7。

1.3分群场景下的群首委任算法

在分群场景中，群首委任机制如下：

步骤1：在分布式的群首选举之前，管理者指定有指挥权的节点作为群首。管理者广播群首委任请求消息，相应节点接收到该消息后，判断自身是否有指挥权。如果有指挥权的话，则该节点成为群首并向管理者发送群首委任确认消息。

步骤2：管理者指定指挥权高的节点成为群首并邀请群成员加入后，对于剩下的未分群节点，如果其值是周围邻居节点的最小值，则该节点宣布自己成为群首并邀请群成员加入。分群完成后，新群首向管理者发送新群首注册消息，向管理者报告群首及该群成员的信息。管理者收到该消息后，返回新群首注册响应消息[8-9]。

群首委托场景中，群首委任机制的详细步骤如下：

①通信群首由于电量限制等原因需要进行群首职能转任，向管理者发起群首转任请求消息。

②管理者确认该申请合法，回复群首转任响应消息：由群首自行委托转任或者直接在该群中指定某个群成员。

③群首向群成员拍卖广播/定向发送群首委托邀请信息。

④群成员回复群首委托响应信息。

⑤委任后的群首向群成员发送群首委托确认消息，该消息除了包含确认群首职能转换功能，还包含群首相关信息（如该群群成员信息列表，当前群任务执行进度和分派信息等）等，执行职能和任务管理权限的全权转移。

⑥原群首向管理者发起群首注销申请。至此，该群首作为群首的职能转接结束，自身转移到离群/群成员状态。

⑦群成员收到⑤中的消息后，转自身状态为群首，作为新群首向网络管理者发起新群首注册信息。此后将执行群首职能，继续完成群内的任务执行和管理。

群首维护算法流程如图3所示。重新分群后的拓扑图群首委任如图4所示。

2算法核心解析

在分层网络中，由于群首担任群成员管理与维护、群内/群间信息的路由转发、接收上层管理者的指挥指令并分配给群成员、将群成员任务执行结果上报等重要功能，因此群首的选择、委任和卸任，以及群首功能的委托也影响了分层群结构的变化。本文所提出的群首委任机制针对分群以及群首委托等不同的网络场景，设计管理者-群首/群首-群成员之间进行群首自主选择、管理者委任群首、群首自动卸任与注销以及群首职能拍卖与委托过程间的步骤流程与交互协议。通过有效的群首委任机制，动态、实时维护分级的网络管理架构，加强网络管理与维护的灵活性。

由于群首处理能力变化、电量限制、安全能力限制及隶属关系变化等原因将群首职能委托给合适的群成员。群首以英式拍卖的方式向群成员拍卖该群首职能，避免了大规模重新分群所导致的群重构代价，明显提高群结构维护的反应效率。

3结束语

动态网络的频繁变动给运维管理带来了管理困难，体现在拓扑结构的动态变化，因此如何在拓扑动态变化的情况下（包括节点被摧毁、节点移动等导致的拓扑变化）掌控全局拓扑是首要解决的问题；其次，对于群首而言，它是本群的管理中心，管理层级和地位仅次于管理中心，担负着本群的所有管理工作，由于群首负载较重，因此电量不足、移动性等原因导致群首变动的同时，也影响了分层群结构的变化。本文提出了分群和群首委任典型场景下的基于单轮多属性拍卖的群首拍卖、群首委任和卸任算法流程，从而维护整个分级网络结构的稳定和完整，增强了动态网络的可靠性和抗毁性。

参考文献

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