一种基于无线网络的改进自稳定领导者选举算法_帖军
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第 34 卷第 1 期 2015 年 3 月
中南民族大学学报（ 自然科学版） Journal of South-Central University for Nationalities（ Nat． Sci． Edition）
Vol． 34 No． 1 Mar． 2015
一种基于无线网络的改进自稳定领导者选举算法
设定值 0． 01 ～ 0． 3
1 ～ 10 1 ～ 10 1 ～ 10 1 ～ 50 0． 1 0． 01 0． 1 0． 01
统计仿真结果得到 MH 访问出错率和选举算法 执行时间，如图 2 和图 3 所示．
Βιβλιοθήκη Baidu
分布 贝努里 正态
泊松 指数 泊松 指数
含义
MH 与 MSS 断接概率 MH 断接时间 服务器数量 服务器管辖范围内 MSS 数量 MSS 管辖范围内 MH 数量 服务端对数据项的读操作概率 服务端对数据项的写操作概率 MH 对数据项的读操作概率 MH 对数据项的写操作概率
109
图 1 无线网络体系结构 Fig． 1 Wireless network system structure
（ 1） 整个系统中 MSS 的数量为 Ｒ；
（ 2） 每个 MSS 管辖区 MH 的数量为 S；
（ 3） 每个 MH 之间相互独立，对 MH 本地数据的
更新由 MSS 中的代理 MHA 完成，与其他移动主机
MH 断接的这段时间被 Server 修改过至少一次． P［Y = 0］= e － ut，其中 Y = 0 表示 Server 没有更新
DataItem，Y = 1 表示 Server 更新了 DataItem． P［Z≥1］= 1 － e － ut，其中 Z 表示 DataItem 被更
新的次数． P［Z≥1，X = 0］= （ 1 － e － ut ） p， P［X = 0，State = Q，Z≥1］= p2 γe － pγt （ 1 － e － ut ） ．
无关；
（ 4） Server 对 CDB （ 中 心 数 据 库） 中 任 意 一 个
DataItem 的写操作服从系数为 1 / u 的指数分布；
（ 5） MH 对 EMDB（ 嵌入式移动数据库） 中任意一
个 DataItem 的读操作服从系数为 γ 的泊松分布；
（ 6） MH 处于频繁断接状态，假设 MH 处于断接
首先对模型环境做如下假设：
收稿日期 2014-11-20 作者简介 帖 军（ 1976-） ，男，副教授，博士，研究方向： 移动数据库，物联网应用，E-mail： Tiejun@ mail． scuec． edu． cn 基金项目 国家民委科研基金资助项目（ CMZY13010）
第1 期
帖 军，等： 一种基于无线网络的改进自稳定领导者选举算法
状态的概率为 p．
根据以上假设，我们可以估算相关概率：
P［X = 0］= pt，其中 X = 0 表示 MH 处于断接状
态，X = 1 表示 MH 处于连接状态． P［X = 0，State = Q］= pγe － pγt ，其中 State = Q 表示
查询，State = U 表示更新操作．
MH 访 问 出 错 事 件： MH 要 访 问 的 DataItem 在
An Improved Self-Stabilizing Leader Election Algorithm Based on Wireless Network
Tie Jun，Liu Jiang，Wang Xiaohua
（ College of Computer Science，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China） Abstract This paper analyses IISLE algorithm，and finds out that IISLE algorithm time complexity is O（ n） ． According to the high disconnection probability of wireless network environment，this paper improves IISLE algorithms，and gives an improved self-stabilizing leader election algorithm based on wireless network （ ISLEABWN） ． Combined with the mobile host disconnection probability model，ISLEABWN algorithm modifies the tree expanding mechanism． The emulation experiment results show that the improved algorithm has good performance in wireless network environment． Keywords self-stabilizing leader election algorithm； wireless network； probability model
1 改进自稳定领导者选举算法
利用 IISLE 算法的思想，本文提出一种适用于无
线网 络 的 改 进 自 稳 定 领 导 者 选 举 算 法 （ ISLEABWN） ． 新的算法改进了树标识的扩展过程，能 够适应无线网络环境下的自稳定领导者选举． 1． 1 无线网络体系结构
本算法采用的无线网络体系结构（ 如图 1） 在移 动支持基站（ MSS） 上对移动主机增加了代理支持． 为 MSSi 覆盖范围内的所有移动主机的集合｛ MH1 ，MH2 ， MH3 ，…，MHj，…｝ 设置了代理｛ MHA1 ，MHA2 ，MHA3 ， …，MHAj，…｝ ． 这样可以统一管理节点间的数据通 信，每个 MHA 都与无线网络中的一个 MH 相对应． MHAi 负责 MHi 处于断接状态时与 MSS 交互的一切 任务，主要包括缓存 MSS 发给 MHi 的数据信息，缓存 MH 发给 MSS 的数据信息以及 MH 之间的数据通信． 当 MH 处于断接状态时，MHAi 代替 MHi 与 MSS 之间 的一切交互任务，这样就实现了 MH 与固定网络之间 高质量的数据通信［8，9］． 1． 2 移动主机断接概率模型
长． 但是，我们还是可以看到 ISLEABWN 算法的性能
要略优于 IISLE 算法．
3 总结
本文给出了一种基于无线网络的改进自稳定领 导者选举算法，该算法结合了 IISLE 算法的优点，针 对无线网络环境改进了算法树标识扩展过程． 通过模 拟仿真实验，与 AG 算法、IISLE 算法的性能进行了对 比，实验结果显示： 在无线网络环境下，ISLEABWN 算 法的选举时间要短于 AG 算法和 IISLE 算法．
110
中南民族大学学报（ 自然科学版）
第 34 卷
表 1 基本参数设置 Tab． 1 Basic parameters settings
参数 ＲateDisconnect TimeDisconnect
NumServer NumMSS NumMobile DataＲOpS DataWOpS DataＲOpM DataWOpM
1： l = max｛ j | （ sidj，heightj） ，j∈Nbrs_Set（ i） ｝
2： if fi = null and sidl ＞ sidi
3： while sidl ＞ sidi
4：
EXSPAND-SIDi
5： if （ sidl ，heightl ） ≥（ sidi ，heighti ）
IISLE 算法的树扩展机制，将 MH 断接率概率模型应
用到 IISLE 算法当中，将访问出错率低的 MH 选举
出来．
IISLE 算法主要分为 3 个部分： 读取邻节点信息
ＲEAD_Neighborij、环路消除 ＲEMOVE-CYCLEi 和生成 树合并．
本文 给 出 的 改 进 的 算 法 主 要 是 针 对 ＲEAD _
关系≥进行了修改，当两个节点所属树的标识符相等
时，我们选取访问出错率低的节点作为父节点，另外
一个节点作为子节点．
每个节点 Nodei 上运行的算法用到的变量说明 如下：
（ 1） sidi 表示 Nodei 所属的树的标识； （ 2） heighti 表示 Nodei 到根节点的距离； （ 3） fi 表示 Nodei 的父节点； （ 4） Nbrs_Set（ i） 表示 Nodei 的邻接节点集合． 算法 NEW-ＲEMOVE-CYCLEi 过程描述如下． Procedure NEW-ＲEMOVE-CYCLEi INPUT： sidi，heighti，fi，Nbrs_Set（ i） OUTPUT： NULL
6： sidi = sidl
7： heighti = heightl + 1
8： fi = l
9： else
10： heighti = 0 11： fi = null
2 模拟仿真
选举时间是衡量选举算法性能的重要指标，随着 节点数目的增加，选举时间也会增加． 为了能合理地 分析 ISLEABWN 算法的性能优劣，采用 AG 算法和 IISLE 算法作为 ISLEABWN 算法的对比算法． 通过使 用 Sim C++ 仿真软件包，基于表 1 给出的仿真实验参 数进行仿真实验． 仿真实验环境： Windows7 32 位操作 系统，Intel Core i5-2400 CPU @ 3． 10GHz，4GB 内存．
帖 军，刘 江，王晓华
（ 中南民族大学 计算机科学学院，武汉 430074） 摘 要 对 IISLE 算法进行了分析，IISLE 算法的时间复杂度为 O（ n） ，针对无线网络环境的高断接概率，改进了 IISLE 算法，提出了一种适用于无线网络的改进自稳定领导者选举算法（ ISLEABWN） ． 该算法结合移动主机断接概率模型， 修改了 IISLE 算法的树扩展机制． 仿真实验结果发现： 改进的算法在无线网络环境下具有良好的性能． 关键词 自稳定领导者选举算法； 无线网络； 概率模型 中图分类号 TP312 文献标识码 A 文章编号 1672-4321（ 2015） 01-0108-03
则节点的访问出错率：
∫ δ
=
∞ 0
p2 γe
（ － pγt
1
－
e
－ ut ）
dt
=
γ（
pu pγ +
u）
．
1． 3 算法描述
本文基于 IISLE 算法思想，对 IISLE 算法进行了
改进，给出了适用于无线网络的改进自稳定领导者选
举算法． 利用代理 MHA 代替 MH 与 MSS 之间的通
信，解决 MH 频繁断接时的通信问题． 同时，修改了
Neighborij 过 程 和 ＲEMOVE-CYCLEi 过 程 的 改 进． ＲEAD_Neighborij 是在新的无线网络体系结构下完成， 使用本地代理来实现节点间的可靠通信． ＲEMOVE-
CYCLEi 过程使用新的树标识扩展过程来完成． 改进的自稳定算法，对环路消除部分进行了改
进，主要对（ SID_SET，HEIGHT_SET） 上定义的偏序
随着分布式系统发展的需要，自稳定性成为分布 式系统的设计目标［1-4］． 目前，研究人员对自稳定选举 算法做了诸多研究，并发表了许多相关的选举算法． 文献［5］介绍的 AG 算法能在 O（ n2 ） 的时间复杂度下 解决领导者选举问题． 文献［6］介绍的 DIM 算法能在 O（ 节点最大度* 树的深度* logn） 的时间复杂度下解 决领导者选举问题． 文献［7］介绍的 IISLE 算法利用 DIM 算法的基本思想，对 AG 算法进行了改进． IISLE 算法不用考虑网络大小，同时改进了 DIM 算法的树 标识的扩展过程，将树标识扩展过程的时间复杂度降 至 O（ 1） ，该算法的时间复杂度为 O（ n） （ n 为网络直 径） ． 但是，该算法在无线网络环境下没有较好的性 能． 本文对现有的自稳定选举算法进行了分析，给出 了一种适用于无线网络的改进自稳定选举算法．
中南民族大学学报（ 自然科学版） Journal of South-Central University for Nationalities（ Nat． Sci． Edition）
Vol． 34 No． 1 Mar． 2015
一种基于无线网络的改进自稳定领导者选举算法
设定值 0． 01 ～ 0． 3
1 ～ 10 1 ～ 10 1 ～ 10 1 ～ 50 0． 1 0． 01 0． 1 0． 01
统计仿真结果得到 MH 访问出错率和选举算法 执行时间，如图 2 和图 3 所示．
Βιβλιοθήκη Baidu
分布 贝努里 正态
泊松 指数 泊松 指数
含义
MH 与 MSS 断接概率 MH 断接时间 服务器数量 服务器管辖范围内 MSS 数量 MSS 管辖范围内 MH 数量 服务端对数据项的读操作概率 服务端对数据项的写操作概率 MH 对数据项的读操作概率 MH 对数据项的写操作概率
109
图 1 无线网络体系结构 Fig． 1 Wireless network system structure
（ 1） 整个系统中 MSS 的数量为 Ｒ；
（ 2） 每个 MSS 管辖区 MH 的数量为 S；
（ 3） 每个 MH 之间相互独立，对 MH 本地数据的
更新由 MSS 中的代理 MHA 完成，与其他移动主机
MH 断接的这段时间被 Server 修改过至少一次． P［Y = 0］= e － ut，其中 Y = 0 表示 Server 没有更新
DataItem，Y = 1 表示 Server 更新了 DataItem． P［Z≥1］= 1 － e － ut，其中 Z 表示 DataItem 被更
新的次数． P［Z≥1，X = 0］= （ 1 － e － ut ） p， P［X = 0，State = Q，Z≥1］= p2 γe － pγt （ 1 － e － ut ） ．
无关；
（ 4） Server 对 CDB （ 中 心 数 据 库） 中 任 意 一 个
DataItem 的写操作服从系数为 1 / u 的指数分布；
（ 5） MH 对 EMDB（ 嵌入式移动数据库） 中任意一
个 DataItem 的读操作服从系数为 γ 的泊松分布；
（ 6） MH 处于频繁断接状态，假设 MH 处于断接
首先对模型环境做如下假设：
收稿日期 2014-11-20 作者简介 帖 军（ 1976-） ，男，副教授，博士，研究方向： 移动数据库，物联网应用，E-mail： Tiejun@ mail． scuec． edu． cn 基金项目 国家民委科研基金资助项目（ CMZY13010）
第1 期
帖 军，等： 一种基于无线网络的改进自稳定领导者选举算法
状态的概率为 p．
根据以上假设，我们可以估算相关概率：
P［X = 0］= pt，其中 X = 0 表示 MH 处于断接状
态，X = 1 表示 MH 处于连接状态． P［X = 0，State = Q］= pγe － pγt ，其中 State = Q 表示
查询，State = U 表示更新操作．
MH 访 问 出 错 事 件： MH 要 访 问 的 DataItem 在
An Improved Self-Stabilizing Leader Election Algorithm Based on Wireless Network
Tie Jun，Liu Jiang，Wang Xiaohua
（ College of Computer Science，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China） Abstract This paper analyses IISLE algorithm，and finds out that IISLE algorithm time complexity is O（ n） ． According to the high disconnection probability of wireless network environment，this paper improves IISLE algorithms，and gives an improved self-stabilizing leader election algorithm based on wireless network （ ISLEABWN） ． Combined with the mobile host disconnection probability model，ISLEABWN algorithm modifies the tree expanding mechanism． The emulation experiment results show that the improved algorithm has good performance in wireless network environment． Keywords self-stabilizing leader election algorithm； wireless network； probability model
1 改进自稳定领导者选举算法
利用 IISLE 算法的思想，本文提出一种适用于无
线网 络 的 改 进 自 稳 定 领 导 者 选 举 算 法 （ ISLEABWN） ． 新的算法改进了树标识的扩展过程，能 够适应无线网络环境下的自稳定领导者选举． 1． 1 无线网络体系结构
本算法采用的无线网络体系结构（ 如图 1） 在移 动支持基站（ MSS） 上对移动主机增加了代理支持． 为 MSSi 覆盖范围内的所有移动主机的集合｛ MH1 ，MH2 ， MH3 ，…，MHj，…｝ 设置了代理｛ MHA1 ，MHA2 ，MHA3 ， …，MHAj，…｝ ． 这样可以统一管理节点间的数据通 信，每个 MHA 都与无线网络中的一个 MH 相对应． MHAi 负责 MHi 处于断接状态时与 MSS 交互的一切 任务，主要包括缓存 MSS 发给 MHi 的数据信息，缓存 MH 发给 MSS 的数据信息以及 MH 之间的数据通信． 当 MH 处于断接状态时，MHAi 代替 MHi 与 MSS 之间 的一切交互任务，这样就实现了 MH 与固定网络之间 高质量的数据通信［8，9］． 1． 2 移动主机断接概率模型
长． 但是，我们还是可以看到 ISLEABWN 算法的性能
要略优于 IISLE 算法．
3 总结
本文给出了一种基于无线网络的改进自稳定领 导者选举算法，该算法结合了 IISLE 算法的优点，针 对无线网络环境改进了算法树标识扩展过程． 通过模 拟仿真实验，与 AG 算法、IISLE 算法的性能进行了对 比，实验结果显示： 在无线网络环境下，ISLEABWN 算 法的选举时间要短于 AG 算法和 IISLE 算法．
110
中南民族大学学报（ 自然科学版）
第 34 卷
表 1 基本参数设置 Tab． 1 Basic parameters settings
参数 ＲateDisconnect TimeDisconnect
NumServer NumMSS NumMobile DataＲOpS DataWOpS DataＲOpM DataWOpM
1： l = max｛ j | （ sidj，heightj） ，j∈Nbrs_Set（ i） ｝
2： if fi = null and sidl ＞ sidi
3： while sidl ＞ sidi
4：
EXSPAND-SIDi
5： if （ sidl ，heightl ） ≥（ sidi ，heighti ）
IISLE 算法的树扩展机制，将 MH 断接率概率模型应
用到 IISLE 算法当中，将访问出错率低的 MH 选举
出来．
IISLE 算法主要分为 3 个部分： 读取邻节点信息
ＲEAD_Neighborij、环路消除 ＲEMOVE-CYCLEi 和生成 树合并．
本文 给 出 的 改 进 的 算 法 主 要 是 针 对 ＲEAD _
关系≥进行了修改，当两个节点所属树的标识符相等
时，我们选取访问出错率低的节点作为父节点，另外
一个节点作为子节点．
每个节点 Nodei 上运行的算法用到的变量说明 如下：
（ 1） sidi 表示 Nodei 所属的树的标识； （ 2） heighti 表示 Nodei 到根节点的距离； （ 3） fi 表示 Nodei 的父节点； （ 4） Nbrs_Set（ i） 表示 Nodei 的邻接节点集合． 算法 NEW-ＲEMOVE-CYCLEi 过程描述如下． Procedure NEW-ＲEMOVE-CYCLEi INPUT： sidi，heighti，fi，Nbrs_Set（ i） OUTPUT： NULL
6： sidi = sidl
7： heighti = heightl + 1
8： fi = l
9： else
10： heighti = 0 11： fi = null
2 模拟仿真
选举时间是衡量选举算法性能的重要指标，随着 节点数目的增加，选举时间也会增加． 为了能合理地 分析 ISLEABWN 算法的性能优劣，采用 AG 算法和 IISLE 算法作为 ISLEABWN 算法的对比算法． 通过使 用 Sim C++ 仿真软件包，基于表 1 给出的仿真实验参 数进行仿真实验． 仿真实验环境： Windows7 32 位操作 系统，Intel Core i5-2400 CPU @ 3． 10GHz，4GB 内存．
帖 军，刘 江，王晓华
（ 中南民族大学 计算机科学学院，武汉 430074） 摘 要 对 IISLE 算法进行了分析，IISLE 算法的时间复杂度为 O（ n） ，针对无线网络环境的高断接概率，改进了 IISLE 算法，提出了一种适用于无线网络的改进自稳定领导者选举算法（ ISLEABWN） ． 该算法结合移动主机断接概率模型， 修改了 IISLE 算法的树扩展机制． 仿真实验结果发现： 改进的算法在无线网络环境下具有良好的性能． 关键词 自稳定领导者选举算法； 无线网络； 概率模型 中图分类号 TP312 文献标识码 A 文章编号 1672-4321（ 2015） 01-0108-03
则节点的访问出错率：
∫ δ
=
∞ 0
p2 γe
（ － pγt
1
－
e
－ ut ）
dt
=
γ（
pu pγ +
u）
．
1． 3 算法描述
本文基于 IISLE 算法思想，对 IISLE 算法进行了
改进，给出了适用于无线网络的改进自稳定领导者选
举算法． 利用代理 MHA 代替 MH 与 MSS 之间的通
信，解决 MH 频繁断接时的通信问题． 同时，修改了
Neighborij 过 程 和 ＲEMOVE-CYCLEi 过 程 的 改 进． ＲEAD_Neighborij 是在新的无线网络体系结构下完成， 使用本地代理来实现节点间的可靠通信． ＲEMOVE-
CYCLEi 过程使用新的树标识扩展过程来完成． 改进的自稳定算法，对环路消除部分进行了改
进，主要对（ SID_SET，HEIGHT_SET） 上定义的偏序
随着分布式系统发展的需要，自稳定性成为分布 式系统的设计目标［1-4］． 目前，研究人员对自稳定选举 算法做了诸多研究，并发表了许多相关的选举算法． 文献［5］介绍的 AG 算法能在 O（ n2 ） 的时间复杂度下 解决领导者选举问题． 文献［6］介绍的 DIM 算法能在 O（ 节点最大度* 树的深度* logn） 的时间复杂度下解 决领导者选举问题． 文献［7］介绍的 IISLE 算法利用 DIM 算法的基本思想，对 AG 算法进行了改进． IISLE 算法不用考虑网络大小，同时改进了 DIM 算法的树 标识的扩展过程，将树标识扩展过程的时间复杂度降 至 O（ 1） ，该算法的时间复杂度为 O（ n） （ n 为网络直 径） ． 但是，该算法在无线网络环境下没有较好的性 能． 本文对现有的自稳定选举算法进行了分析，给出 了一种适用于无线网络的改进自稳定选举算法．