完美作業(yè)版P2P技術原理及其應用

1、名： 級： 號：P2P技術原理及其應用姓班學 聯(lián)系電話：P2P技術原理及其應用弱化或完全取消了服務器的作摘要 】P2P 主要指計算機之間以對等方式形成的網絡連接，用。本文從P2P的基本概念入手，分析了 P2P技術目前的發(fā)展現(xiàn)狀，并列舉了現(xiàn)今P2P的主要應用。關鍵字 】 P2P 原理 技術特點 應用1 P2P 技術的基本概念1.1 什么是 P2PP2P是peer to peer的縮寫，中文譯名為點對點技術，又稱之為對等互聯(lián)網絡技術。在P2P網絡中各個節(jié)點被稱為 peer （對等體）。P2P是一種網絡模型，在這種網絡中所有的節(jié) 點是對等的 （稱為對等點 ），各節(jié)點無主從之分，具有相同的責任與能力并

2、協(xié)同完成任務。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 賴集中式服務器或資源就可完成。1.2 P2P的發(fā)展歷史最初的 P2P 應用大約產生于 20 年前， 并且其中的許多至今仍然被使用。 盡管這些早期應用的核心就是 P2P,但由于大多數(shù)的使用者并未感覺或接觸到，因此通常并不認為它們是P2P 技術。P2P并非一種全新的技術。 雖然P2P這個術語是現(xiàn)在才發(fā)明的，但P2P本身的基本技術的存在時間卻至少和USENET、FidoNet 這兩種非常成功的分布式對等網絡技術一樣長， 甚至更長些。關鍵在于，在最初的 P2P 應用出現(xiàn)時，許多使用該技術的人們甚至不

3、會使用 計算機。USENET 產生于 1979 年，是一種分布式系統(tǒng)， 能夠為各個地方提供新聞組。 USENET 最早的雛形由是兩名研究生Tom Truscott 和 Jim Ellis 實現(xiàn)的。當時并沒有任何類似于互聯(lián)網 上“隨選” 信息的概念，文件只能通過電話線批量傳送，且常常選在長途費用比較低的夜間進行。因此，當時的USENET 若采用集中式的控制管理方法將效率低下，自然而然地就提 出了一種分散、分布式的管理方法。早期P2P應用另一個杰出的代表則是FidoNet。它和USENET類似，也是一個分散、分布的信息交換系統(tǒng)。 Tom Jennings 于 1984 年創(chuàng)建了 FidoNet 系

4、統(tǒng)，來讓不同 BBS 系統(tǒng)中的用戶們互相交換信息。這種符合人們需要的技術，迅速成長起來，并一直沿用到今天。P2P技術再次引起學術界及商界的重視，主要有以下兩大因素的影響： 一是用戶的需求。隨著因特網的逐漸普及并深入到人們的日常生活，人們需要更直接、 更廣泛的信息交流以實現(xiàn)更多的資源和服務共享；二是技術發(fā)展。首先是網絡技術的發(fā)展，網絡技術一方面促進Internet 在全世界的普及, 使越來越多的用戶可以實現(xiàn)與 Internet 的連接,一方面又使 Internet接入速度和骨干網的帶寬得以大幅度提高, 為各種網絡應用的發(fā)展創(chuàng)造了條件。 其次是軟硬件技術（特別是芯片技術）的發(fā)展，它們使得個人PC在

5、計算能力和存儲能力上有了極大提高，計算機性能的提高使各種網絡終端具備了一定的網絡服務能力，為P2P的應用創(chuàng)造了條件。最后是集中式網絡模式所造成的帶寬瓶頸以及網絡穩(wěn)定性等方面的問題，這些都迫使人們開始尋求一些新的網絡應用模式。其次的是，Napster,我們一定要記住這個名字，就是它讓P2P回到了人們的視野之中，讓P2P回到了舞臺的中央。Napster是一個美國大學生編寫的音樂共享軟件, 開創(chuàng)性地在互聯(lián)網上推出了音樂交換服務。利用它,用戶可以搜索、載彼此計算機里存儲的 MP3 文件。由于這種方式免費而且方便,所以在短短的時間內NapsterNapsterP2P技術早期的計算機使用的是眾多用戶共享大

6、型計算機,后來個人計算機得以發(fā)展,使得應用就產生了巨大的影響力。但免費下載歌曲觸犯了版權法,所以也是在短短的時間內 就被告上了法庭。如今，P2P文件共享產生的流量是今天因特網最大的單項流量, 也早已融入到我們的網絡生活中。1.3 P2P的基本原理（瀏覽器 ）-服務器方式, 用戶使用網站上集中的服務器,進一步將逐步發(fā)展為走向分布式,集中的服務器變成分布的, 即每一個用戶終端一個結點。結點既是客戶機又是服務器，這就是P2P對等模式從集中走向了分布模式。在互聯(lián)網上也存在著類似的情況,起先采用客戶機連接模式。在P2P模式中，每一個結點可以存儲內容,也擁有計算力。 通過在互聯(lián)網上對等連接這些結點, 用戶

7、可以共享內容和計算力。 以共享下載文件為例, 在下載同一個文件的眾多用戶中,每一個用戶終端只需要下載文件的一個片段,然后互相交換, 最終每個用戶都得到完整P2P不能對互聯(lián)P2P重疊網。的文件,即實現(xiàn)了共享內容。網格就是一個共享計算力的例子。實現(xiàn)P2P的第一步是在互聯(lián)網上進行檢索，找到擁有所需內容和計算力的結點的地址, 第二步是通過互聯(lián)網實現(xiàn)對等連接。為了充分發(fā)揮互聯(lián)網無所不在的優(yōu)勢, 網協(xié)議進行任何修改,因而解決的方法是在基礎的互聯(lián)網上架設一個2 P2P的技術特點2.1 P2P的結構體系2.1.1混合式P2P體系“混合式”在這里指的是 C/S與P2P的混合，它反映了網絡工作模式從 C/S到P2

8、P的過渡。分布式的思想在混合式 P2P網絡中有著深層次的滲透?；旌鲜絇2P體系的典型代表是:P2P的網絡的先驅 Napster及采用了分片優(yōu)化的BitTorrent。工作機制為：用戶從服務器獲得服務提供者的地址等相關信息，然后直接和服務提供者建立連接進行交互?；旌鲜絇2P網絡都采用混合式體系結構，即星形拓撲結構，服務器仍然是整個網絡的核心。如下圖1 Napster工作原理圖:圖 1 P:Deer; S:server :0: querv;R:rssDonse; D： file download?以服務器為核心的混合式 P2P網絡，其容錯性只在于服務器的故障概率，如果使用多臺 服務器組成機群，并且

9、提供冗余、替代機制使得一臺服務器發(fā)生故障時它的任務可以被其它 服務器所分擔，那么這樣的系統(tǒng)容錯性將會非常高。然而，增加、升級服務器的支出通常非常昂貴，因此這種增加混合式P2P網絡容錯的方法不實用?；旌鲜?P2P網絡的自組織、自適應基本上依靠服務器的監(jiān)控，用戶之間的協(xié)作建立在服務器監(jiān)控之上， 因此只要服務器正常工作，網絡和結點信息就能得到有效地維護?；旌鲜絇2P網絡可以提供匿名性， 學術界也提出了不少實際可行的以服務器為核心的匿名方案,但出于簡單、高效的考慮，目前的混合式P2P網絡基本不提供匿名性。Napster是第一代P2P網絡的代表，但它留下了許多缺陷。在其基礎上，后來的混合式P2P網絡都采

10、用了一些增強機制來提高網絡的效率，如BitTorrent這些都提咼了BitTorrent開始逐步采用提供文件分片機制，限定用戶在下載的同時必須上傳以杜絕自私結點的存在, 網絡工作效率，當然也增加了網絡復雜性。另一方面，在安全上些簡單、有效的機制以防止常見的網絡攻擊。2.1.2無結構P2P體系無結構的P2P完全實現(xiàn)了 “去中心化”而走向了“邊緣化”?！盁o結構P2P網絡”的“無 結構”是指覆蓋網沒有固定、嚴格的拓撲結構，而是一個隨機生成、松散組織的普通圖，理論上這張圖可以是任何形狀的。類似于今天的In ternet，雖然無結構 P2P網絡的拓撲結構不嚴格遵守某種形狀，但總是符合一定的規(guī)律一一小世界

11、模型（結點集群現(xiàn)象明顯）或者幕律模型（是指網絡中擁有連接數(shù)L的結點占網絡結點總數(shù)的份額正比于L的負a次幕，a是如下圖2為Gnutella工作原理個取決于網絡本身的常數(shù)因子）。后來的無結構P2P網絡都發(fā)展成了基于超結點的雙層拓撲 結構，而超結點之間的連接方式往往也是符合上面兩個規(guī)律。圖:圖2 P :Deer； Qlauerv; R:response； D： file download因此無結構P2P網絡也是高容幕律模型的一大特點就是對于隨機結點失效的高容錯性,因此只需錯的。無結構P2P網絡的自適應所要做的工作主要是檢測自己的鄰居是否還在線, 要簡單的PING消息探測就可以維持結點狀態(tài)的更新，因此

12、它具有較強自適應能力。如果采用單純的洪泛法，網絡難擴展；如果采用更好的方法去改造洪泛法，網絡的可擴展性會變高。比如采用超結點路由的KaZaA其網絡結點數(shù)經常在 300萬左右，一樣工作得很好。但是這種結構的P2P技術路由效率不高， 可擴展性不高，數(shù)據(jù)無法準確定位。 它在這三方面都無法 和結構化P2P網絡相比。2.1.3結構化P2P體系結構化P2P網絡是P2P領域的熱點，其中比較經典的有Chord、CFS、CAN、Tapestry、Ocea nStore、P astry、P AST Kademlia、Skip Net 等，它們分屬于環(huán)形P2P 網絡、多維空間 P2P網絡、超立方體 P2P網絡和混合

13、式結構 P2P網絡。結構化 P2P網絡的最大特點在于它們都有一個嚴格的覆蓋網拓撲結構，其主要拓撲結構有：1)帶弦環(huán)； 2)多維空間； 3)超立方體；4)蝴蝶形；5)de Bruijin圖；6)CCC7)其他形狀(如跳表)。所有結構化P2P網絡都使用散列表(DHT)來將結點、數(shù)據(jù)對象映射到覆蓋網中。為了使這種映射唯一、均勻、隨機，分布式散列表都是用安全的一致散列函數(shù)。由非結構化P2P的容錯性與安全性可知,結構化P2P網絡的容錯及安全性都較差。2.2 P2P技術的特點P2P以其獨特的技術特點，成為當今文件共享的理想平臺。P2P的技術特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：(1)分散化：網絡中的資源和服務分散在

14、所有節(jié)點上，通過各個節(jié)點間的合作，直接在節(jié)點之間完成內容的傳輸和服務的實現(xiàn)，避免了中心存儲和內容交換可能存在的瓶頸。(2)可擴展性：在P2P網絡中，節(jié)點在獲取資源的同時也為其它節(jié)點提供服務。(3)健壯性：P2P有很強的自適應性，天生具有耐攻擊、高容錯的優(yōu)點。(4)高性能 /價格比：隨著硬件技術的發(fā)展，個人計算機的計算和存儲能力以及網絡帶寬等性能依照摩爾定理高速增長。采用 P2P 架構可以有效地利用互聯(lián)網中散布的大量普通結點，將內容交換、計算任務或存儲資料分布到所有結點上。2.3 P2P技術的流量特性前文中我們提到，P2P文件共享產生的流量是今天因特網最大的單項流量,面我們就來分析P2P技術的流

15、量特性。P2P流量特征具有上下行流量對稱的特性，這使得直接面向用戶的接入網絡需要相應提高所能承載上行流量的能力。P2P相對隨機的端口號，使得企業(yè)難以對內部的網絡實行有效地監(jiān)測和管理，加大了日常維護的難度。對于ISP， P2P 應用的影響不僅增加了網絡升級的難度，同時也將降低了網絡的總體性能以及P2P本身的服務質量。用戶可以選擇高帶寬接入以正常使用各種 P2P應用，企業(yè)用戶可以通過謹慎的企業(yè)內部安全規(guī)范的制訂來保證網絡的正常使用，而ISP成為P2P應用產生流量的最終承擔者，設備升級速度加大，維護費用升高。有效識別和管理網絡中的P2P流量成為ISP最為關心的問題。P2P的流量呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)流量不同的

16、特性，P2P應用所產生的流量具有分布非均衡的特性、上下行流量的對稱特性、流量的隱蔽性、數(shù)據(jù)集中性等。P2P 中服務提供者的價1)非均衡特性： 在網絡中， 大部分節(jié)點的數(shù)據(jù)流量都是從為數(shù)很少的一些節(jié)點獲取。文獻 16對該流量分布的非均衡性做了比較詳細的研究。文章認為，值不應該只以高的鏈路帶寬來刻畫，還應考慮節(jié)點的可用時間。在實驗結果中，系統(tǒng)只有20%的主機擁有93%以上的實際在線時間。不到20%的P2P節(jié)點擁有80%以上的P2P網絡在線時間。而正是這些少數(shù)的長時間在線主機貢獻了網絡中的主要流量。文獻17中的研究結果表明，研究者可通過僅僅監(jiān)測網絡中1%的節(jié)點來達到了解整個 P2P網絡中80%以上流

17、量的目的。2）對稱性：在文獻 16中對上下行流量的對稱特性進行了詳細的研究，通過對P2P上下行流量比較得出結論， 具有高帶寬的用戶通常會以更長的時間為其他的節(jié)點提供下載服務，上下行對稱流量已經成為P2P網絡流量區(qū)別于其他流量的主要特征。3）隱蔽特性：它們通常使用隨機端口或用戶自定義端口，無法通過簡單的端口識別P2P流量，目前常用的方法是通過特征碼檢測的方式識別P2P流量。P2P應用的特征碼處在不斷變化之中，加深了P2P流量的這種隱蔽特性。此外，對P2P節(jié)點之間傳輸文件的研究中發(fā)現(xiàn)， 80%以上的 P2P 流量都是在不斷地重復傳播幾個用戶樂于獲取的熱點文件，這種熱點文件的存在影響了P2P網絡中的

18、傳輸效率，針對P2P網絡傳輸數(shù)據(jù)的高集中性，研究者提出了一系列包括文件緩存在內的解決方案。4）集中性：這個特性已經成為網絡服務提供商控制P2P域間流量以及提高 P2P服務質量的基本理論依據(jù)。2.4實現(xiàn)P2P標準化應用JXTA平臺JXTA是為了構建P2P網絡而制訂的一組協(xié)議，是處理構建P2P網絡所碰到的問題的解。這些協(xié)議解決了 P2P應用的基決方法。JXTA致力于為P2P應用提供一個 P2P平臺基礎。其中包括一系列獨立于語言，平臺和網絡技術之外的協(xié)議（假設并不知道網絡的下層實現(xiàn)）本需求。協(xié)議的設計目標是簡單并且低成本，引用JXTA目標聲明的話就是“每一個設備都有一個數(shù)字心跳” ( every d

19、evice with a digital heartbeat )。JXTA將會成為P2P應用的地層開發(fā)平臺。現(xiàn)在的JXTA還處在初級階段，未來它會逐漸成熟提供一個強壯的，可靠的框架給P2P計算。由于Java是構建異構環(huán)境下應用的首選所以它也是建立 P2P應用的自然選擇。目前JXTA的核心協(xié)議有：Peer Discovery P rotocol（ PDP）對等點發(fā)現(xiàn)協(xié)議； Peer Resolver Protocol(PRP) 對等點解析協(xié)議； Peer Information Protocol(PIP)對等點信息協(xié)議；Peer Membership Protocol( PMP)對等點成員協(xié)議；

20、Pipe Binding Protocol(PBP)管道綁定協(xié)議； Endpoint Routing Protocol （ERP） 終點路由協(xié)議等。3 P2P 技術的應用現(xiàn)狀由于能夠極大緩解傳統(tǒng)架構中服務器端的壓力過大、單一失效點等問題， 又能充分利用終端的豐富資源， 所以 P2P 技術被廣泛應用于計算機網絡的各個應用領域，如分布式科學計算、文件共享、流媒體直播與點播、語音通信及在線游戲支撐平臺等方面。1）分布式科學計算許多計算機的CPU資源并不是時刻保持峰值運轉的，甚至很多時候計算機處于“空閑”狀態(tài)，比如使用者暫時離開等情況。而P2P技術可以使得眾多終端的 CPU資源聯(lián)合起來,服務于一個共同

21、的計算。 這種計算一般是計算量巨大、數(shù)據(jù)極多、 耗時很長的科學計算。在每次計算過程中，任務 （包括邏輯與數(shù)據(jù)等 ）被劃分成多個片，被分配到參與科學計算的P2P節(jié)點機器上。在不影響原有計算機使用的前提下，人們利用分散的CPU資源完成計算任務,并將結果返回給一個或多個服務器，將眾多結果進行整合，以得到最終結果。2）文件分享當下中國最流行的文件下載方式恐怕要算是“BT' 了?！?BT'是BitTorrent的簡稱，是一種依賴P2P方式將文件在大量互聯(lián)網用戶之間進行共享與傳輸?shù)膮f(xié)議,對應的客戶端軟件有 BitTorrent 、 BitComet 和 BitSpirit 等。由于其實現(xiàn)簡

22、單、使用方便，在中國用戶之間被廣泛使用。 BitTorrent 中的節(jié)點在共享一個文件時，首先將文件分片并將文件和分片信息保存在一個流（Torrent）類型文件中，這種節(jié)點被形象地稱作“種子”節(jié)點。其他用戶在下載該文件時根據(jù) Torrent 文件的信息，將文件的部分分片下載下來，然后在其他下載該文件的節(jié)點之間共享自己已經下載的分片， 互通有無， 從而實現(xiàn)文件的快速分發(fā)。 由于每個節(jié)點在下載文件的同時也在為其他用戶上傳該文件的分片，所以整體來看， 不會隨著用戶數(shù)的增加而降低下載速度，反而下載的人越多，速度越快。AnySee 軟件為例來介紹3）流媒體直播我們以華中科技大學集群與網格計算湖北省重點實

23、驗室研發(fā)的AnySee的第一個版本基于基于P2P技術的流媒體直播。他們是是中國最早研究P2P流媒體直播的小組之一，期望能夠使得用戶在網上任何時候任何地點都能觀看多媒體直播節(jié)目。樹狀結構：節(jié)目源是一個多播樹的根節(jié)點，之后的節(jié)點被調度為其“兒子”或子樹。每個節(jié) 點向其父節(jié)點索要數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)提供給多個子節(jié)點。 這樣的結構可以使得節(jié)點快速加入到網絡中，并且可以根據(jù)IP鄰近原則構建起一棵IP多播樹，使得節(jié)點加入位置都是和自己IP鄰近的節(jié)點，從而優(yōu)化服務質量。之后AnySee推出第二個版本，結合了原有的樹狀結構和流行的網狀結構，使得“控制數(shù)據(jù)走樹， 媒體數(shù)據(jù)走網” ，既能幫助節(jié)點快速定位到加入點， 又

24、能實現(xiàn)一定程度的負載均衡， 并緩解了原有純樹狀結構中底層節(jié)點和頂層節(jié)點之間播放時差較大的問題。最近的AnySee版本已經取消了樹的結構，演化成了優(yōu)化的網狀結構（如圖2所示 ），即每個節(jié)點維護一定數(shù)量的鄰居成員，并從中選出最合適的“伙伴”節(jié)點與之交換數(shù)據(jù)。 伙伴的數(shù)量既有上限又有下限， 在不滿足下限時， 節(jié)點會不斷尋找新的合適節(jié)點加入伙伴列表； 在達到下限時， 節(jié)點停止主動尋找伙伴的過程， 但可以接受其他節(jié)點將其加入伙伴列表的請求；在達到上限時，節(jié)點不再和新的節(jié)點建立伙伴關系。4）流媒體點播由于觀看直播節(jié)目時用戶不能選擇觀看指定片段，所以在人們熱烈研究 P2P流媒體直播時，已有人開始將目光轉向

25、P2P 流媒體點播服務。目前成功推出P2P 流媒體點播的機構還不多，典型的有 GridCast系統(tǒng)、PPStream點播系統(tǒng)。GridCast也是一款由華中科技大學集群與網格計算湖北省重點實驗室于 2005 年 12 月份成功研發(fā)并投入使用的對等視頻點播系統(tǒng)，具有支持多人共享點播片段、跟蹤（Tracker）服務器用戶引導、環(huán)狀結構內容組織等特點。由于一個點播頻道的人數(shù)往往不會太多，所以在用戶進行視頻錄放（VCR操作時（即前后拖動播放點、暫停/繼續(xù)播放等操作 ），能否快速將用戶定位到觀看該點節(jié)目的其他用戶處就成了P2P點播技術的關鍵。 為了實現(xiàn)快速定位， GridCast 中采取了一種同心圓環(huán)的

26、媒體內容組織結構。在每一個節(jié)目頻道里， 媒體內容按指數(shù)遞增的區(qū)間進行劃分， 例如一個一個半小時的電影節(jié)目，可劃分成0, 5、（5, 15、（15, 35、（35, 75和（75, END=90幾段，其單位為分鐘。每個節(jié)點記錄幾個正在觀看各個段之間內容的節(jié)點。這樣，在和AnySee 類似的網狀結構中，可以定期交換這種分段記錄， 從而， 在某個用戶拖動觀看點時， 可以快速定位到相應段的記錄節(jié)點處，并從這些節(jié)點當時所觀看的區(qū)間內得到大量備用記錄以請求該區(qū)間媒體數(shù)據(jù)。此外，GridCast 還根據(jù)用戶習慣對數(shù)據(jù)調度策略進行優(yōu)化。5） IP 層語音通信IP層語音通信（VoIP）是一種全新的網絡電話通信業(yè)

27、務，它和傳統(tǒng)的PSTN電話業(yè)務相比有著擴展性好、部署方便、價格低廉等明顯的優(yōu)點。在全球范圍內的VoIP 應用中，由于通信各方可能處于不同的網絡狀況下， 所以采取少數(shù)幾個服務器來進行話音包中轉不僅存在壓力過大的問題， 還可能無法為指定通信雙方提供滿意的通話質量保證。所以采取P2P技術動態(tài)自適應地根據(jù)通信雙方網絡進行鏈路控制與消息轉發(fā)是可行的解決方案。目前風靡全球的Skype即是一款典型的 P2P VoIP軟件。Skype由于能夠提供清晰的語音質量和免費的服務,使用起來又方便快捷， 所以吸引了全球數(shù)千萬的用戶， 每天在線用戶達 500 萬人， 并且注冊用戶數(shù)每天增加15萬?；旧?，Skype采取類似KaZaA的拓撲結構，在網絡中選取一些超級節(jié)點。 在通信雙方直連效果不好時， 一些合適的超級節(jié)點則擔當起其中轉節(jié)點的角色，通信雙方創(chuàng)建中轉連接，并轉發(fā)相應的語音通信包。(6)網絡游戲平臺而網絡對戰(zhàn)游戲也必須局限在大型