P2P技術原理

P2P技術屬于覆蓋層網(wǎng)絡(Overlay Network)的范疇，是相對于客戶機/服務器(C/S)模式來說的一種網(wǎng)絡信息交換方式。在C/S模式中，數(shù)據(jù)的分發(fā)采用專門的服務器，多個客戶端都從此服務器獲取數(shù)據(jù)。這種模式的優(yōu)點是：數(shù)據(jù)的一致性容易控制，系統(tǒng)也容易管理。但是此種模式的缺點是：因為服務器的個數(shù)只有一個(即便有多個也非常有限)，系統(tǒng)容易出現(xiàn)單一失效點;單一服務器面對眾多的客戶端，由于CPU能力、內(nèi)存大小、網(wǎng)絡帶寬的限制，可同時服務的客戶端非常有限，可擴展性差。P2P技術正是為了解決這些問題而提出來的一種對等網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在P2P網(wǎng)絡中，每個節(jié)點既可以從其他節(jié)點得到服務，也可以向其他節(jié)點提供服務。這樣，龐大的終端資源被利用起來，一舉解決了C/S模式中的兩個弊端。

對等網(wǎng)絡的基本結(jié)構(gòu)

(1)集中式對等網(wǎng)絡(Napster、QQ)

集中式對等網(wǎng)絡基于中央目錄服務器，為網(wǎng)絡中各節(jié)目提供目錄查詢服務，傳輸內(nèi)容無需再經(jīng)過中央服務器。這種網(wǎng)絡，結(jié)構(gòu)比較簡單，中央服務器的負擔大大降低。但由于仍存在中央節(jié)點，容易形成傳輸瓶頸，擴展性也比較差，不適合大型網(wǎng)絡。但由于目錄集中管理，對于小型網(wǎng)絡的管理和控制上倒是一種可選擇方案。

(2)無結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡(Gnutella)

無結(jié)構(gòu)分布式網(wǎng)絡與集中式的最顯著區(qū)別在于，它沒有中央服務器，所有結(jié)點通過與相鄰節(jié)點間的通信，接入整個網(wǎng)絡。在無結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中，節(jié)點采用一種查詢包的機制來搜索需要的資源。具體的方式為，某節(jié)點將包含查詢內(nèi)容的查詢包發(fā)送到與之相鄰的節(jié)點，該查詢包以擴散的方式在網(wǎng)絡中蔓延，由于這樣的方式如果不加節(jié)制，會造成消息泛濫，因此一般會設置一個適當?shù)纳鏁r間(TTL)，在查詢的過程中遞減，當TTL值為0時，將不再繼續(xù)發(fā)送。

這種無結(jié)構(gòu)的方式，組織方式比較松散，節(jié)點的加入與離開比較自由，當查詢熱門內(nèi)容時，很容易就能找到，但如果需求的內(nèi)容比較冷門，較小的TTL不容易找到，而較大的TTL值又容易引起較大的查詢流量，尤其當網(wǎng)絡范圍擴展到一定規(guī)模時，即使限制的TTL值較小，仍然會引起流量的劇增。但當網(wǎng)絡中存在一些擁有豐富資源的所謂的類服務器節(jié)點時，可顯著提高查詢的效率。

(3)結(jié)構(gòu)化分布式網(wǎng)絡(第三代P2P Pastry、Tapestry、Chord、CAN)

結(jié)構(gòu)化分布式網(wǎng)絡，是近幾年基于分布式哈希表(Distributed Hash Table)技術的研究成果。它的基本思想是將網(wǎng)絡中所有的資源整理成一張巨大的表，表內(nèi)包含資源的關鍵字和所存放結(jié)點的地址，然后將這張表分割后分別存儲到網(wǎng)絡中的每一結(jié)點中去。當用戶在網(wǎng)絡中搜索相應的資源時，它將能發(fā)現(xiàn)存儲與關鍵詞對應的哈希表內(nèi)容所存放的結(jié)點，在該結(jié)點中存儲了包含所需資源的結(jié)點地址，然后發(fā)起搜索的結(jié)點根據(jù)這些地址信息，與對應結(jié)點連接并傳輸資源。這是一種技術上比較先進的對等網(wǎng)絡，它具有高度結(jié)構(gòu)化，高可擴展性，結(jié)點的加入與離開比較自由。這種方式適合比較大型的網(wǎng)絡。

P2P網(wǎng)絡有3種比較流行的組織結(jié)構(gòu)，被應用在不同的P2P應用中。

(1)DHT結(jié)構(gòu)

分布式哈希表(DHT)[1]是一種功能強大的工具，它的提出引起了學術界一股研究DHT的熱潮。雖然DHT具有各種各樣的實現(xiàn)方式，但是具有共同的特征，即都是一個環(huán)行拓撲結(jié)構(gòu)，在這個結(jié)構(gòu)里每個節(jié)點具有一個唯一的節(jié)點標識(ID)，節(jié)點ID是一個128位的哈希值。每個節(jié)點都在路由表里保存了其他前驅(qū)、后繼節(jié)點的ID。如圖1(a)所示。通過這些路由信息，可以方便地找到其他節(jié)點。這種結(jié)構(gòu)多用于文件共享和作為底層結(jié)構(gòu)用于流媒體傳輸[2]。

(2)樹形結(jié)構(gòu)

P2P網(wǎng)絡樹形結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。在這種結(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點都被組織在一棵樹中，樹根只有子節(jié)點，樹葉只有父節(jié)點，其他節(jié)點既有子節(jié)點也有父節(jié)點。信息的流向沿著樹枝流動。最初的樹形結(jié)構(gòu)多用于P2P流媒體直播[3-4]。

(3)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示，又叫無結(jié)構(gòu)。顧名思義，這種結(jié)構(gòu)中，所有的節(jié)點無規(guī)則地連在一起，沒有穩(wěn)定的關系，沒有父子關系。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[5]為P2P提供了最大的容忍性、動態(tài)適應性，在流媒體直播和點播應用中取得了極大的成功。當網(wǎng)絡變得很大時，常常會引入超級節(jié)點的概念，超級節(jié)點可以和任何一種以上結(jié)構(gòu)結(jié)合起來組成新的結(jié)構(gòu)，如KaZaA[6]。

P2P技術應用

(1)分布式科學計算

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(jié)果返回給一個或多個服務器，將眾多結(jié)果進行整合，以得到最終結(jié)果。

(2)文件共享

BitTorrent是一種無結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡協(xié)議。除了BitTorrent之外，還有不少著名的無結(jié)構(gòu)化的P2P文件共享協(xié)議，典型的有Gnutella[8]和KaZaA[6]。

(3)流媒體直播

(4)流媒體點播

(5)IP層語音通信

Skype采取類似KaZaA的拓撲結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)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(zhuǎn)節(jié)點的角色，為通信雙方創(chuàng)建中轉(zhuǎn)連接，并轉(zhuǎn)發(fā)相應的語音通信包。

典型P2P應用的機制分析

3.1BitTorrent

BitTorrent軟件用戶首先從Web服務器上獲得下載文件的種子文件，種子文件中包含下載文件名及數(shù)據(jù)部分的哈希值，還包含一個或者多個的索引(Tracker)服務器地址。它的工作過程如下：客戶端向索引服務器發(fā)一個超文本傳輸協(xié)議(HTTP)的GET請求，并把它自己的私有信息和下載文件的哈希值放在GET的參數(shù)中;索引服務器根據(jù)請求的哈希值查找內(nèi)部的數(shù)據(jù)字典，隨機地返回正在下載該文件的一組節(jié)點，客戶端連接這些節(jié)點，下載需要的文件片段。因此可以將索引服務器的文件下載過程簡單地分成兩個部分：與索引服務器通信的HTTP，與其他客戶端通信并傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議，我們稱為BitTorrent對等協(xié)議。BitTorrent軟件的工作原理如圖 4所示。BitTorrent協(xié)議也處在不斷變化中，可以通過數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)和DHT的方法獲得可用的傳輸節(jié)點信息，而不是僅僅通過原有的 HTTP，這種方法使得BitTorrent應用更加靈活，提高BitTorrent用戶的下載體驗。

3.2eMule

eMule軟件基于eDonkey協(xié)議改進后的協(xié)議，同時兼容eDonkey協(xié)議。每個eMule客戶端都預先設置好了一個服務器列表和一個本地共享文件列表，客戶端通過TCP連接到eMule服務器進行登錄，得到想要的文件的信息以及可用的客戶端的信息。一個客戶端可以從多個其他的EMule客戶端下載同一個文件，并從不同的客戶端取得不同的數(shù)據(jù)片段。eMule同時擴展了eDonkey的能力，允許客戶端之間互相交換關于服務器、其他客戶端和文件的信息。eMule服務器不保存任何文件，它只是文件位置信息的中心索引。eMule客戶端一啟動就會自動使用傳輸控制協(xié)議 (TCP)連接到eMule服務器上。服務器給客戶端提供一個客戶端標識(ID)，它僅在客戶端服務器連接的生命周期內(nèi)有效。連接建立后，客戶端把其共享的文件列表發(fā)送給服務器。服務器將這個列表保存在內(nèi)部數(shù)據(jù)庫內(nèi)。eMule客戶端也會發(fā)送請求下載列表。連接建立以后，eMule服務器給客戶端返回一個列表，包括哪些客戶端可以提供請求文件的下載。然后，客戶端再和它們主動建立連接下載文件。圖5所示為eMule的工作原理。

eMule基本原理與BitTorrent類似，客戶端通過索引服務器獲得文件下載信息。eMule同時允許客戶端之間傳遞服務器信息，BitTorrent只能通過索引服務器或者DHT獲得。eMule共享的是整個文件目錄，而BitTorrent只共享下載任務，這使得 BitTorrent更適合分發(fā)熱門文件，eMule傾向于一般熱門文件的下載。

3.3迅雷

迅雷是一款新型的基于多資源多線程技術的下載軟件，迅雷擁有比目前用戶常用的下載軟件快7～10倍的下載速度。迅雷的技術主要分成兩個部分，一部分是對現(xiàn)有Internet下載資源的搜索和整合，將現(xiàn)有Internet上的下載資源進行校驗，將相同校驗值的統(tǒng)一資源定位(URL)信息進行聚合。當用戶點擊某個下載連接時，迅雷服務器按照一定的策略返回該URL信息所在聚合的子集，并將該用戶的信息返回給迅雷服務器。另一部分是迅雷客戶端通過多資源多線程下載所需要的文件，提高下載速率。迅雷高速穩(wěn)定下載的根本原因在于同時整合多個穩(wěn)定服務器的資源實現(xiàn)多資源多線程的數(shù)據(jù)傳輸。多資源多線程技術使得迅雷在不降低用戶體驗的前提下，對服務器資源進行均衡，有效降低了服務器負載。

每個用戶在網(wǎng)上下載的文件都會在迅雷的服務器中進行數(shù)據(jù)記錄，如有其他用戶再下載同樣的文件，迅雷的服務器會在它的數(shù)據(jù)庫中搜索曾經(jīng)下載過這些文件的用戶，服務器再連接這些用戶，通過用戶已下載文件中的記錄進行判斷，如用戶下載文件中仍存在此文件(文件如改名或改變保存位置則無效)，用戶將在不知不覺中扮演下載中間服務角色，上傳文件。

3.4PPLive

PPLive軟件的工作機制和BitTorrent十分類似，PPLive將視頻文件分成大小相等的片段，第三方提供播放的視頻源，用戶啟礬PPLive 以后，從PPLive服務器獲得頻道的列表，用戶點擊感興趣的頻道，然后從其他節(jié)點獲得數(shù)據(jù)文件，使用流媒體實時傳輸協(xié)議(RTP)和實時傳輸控制協(xié)議 (RTCP)進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制。將數(shù)據(jù)下載到本地主機后，開放本地端口作為視頻服務器，PPLive的客戶端播放器連接此端口，任何同一個局域網(wǎng)內(nèi)的用戶都可以通過連接這個地址收看到點播的節(jié)目。圖6所示為PPLive的工作原理示意圖。

3.5Skype

Skype是網(wǎng)絡語音溝通工具。它可以提供免費高清晰的語音對話，也可以用來撥打國內(nèi)國際長途，還具備即時通訊所需的其他功能，比如文件傳輸、文字聊天等。Skype是在KaZaA的基礎上開發(fā)的，就像KaZaA一樣，Skype本身也是基于覆蓋層的P2P網(wǎng)絡，在它里面有兩種類型的節(jié)點：普通節(jié)點和超級節(jié)點。普通節(jié)點是能傳輸語音和消息的一個功能實體;超級節(jié)點則類似于普通節(jié)點的網(wǎng)絡網(wǎng)關，所有的普通節(jié)點必須與超級節(jié)點連接，并向Skype的登陸服務器注冊它自己來加入Skype網(wǎng)絡。Skype的登陸服務器上存有用戶名和密碼，并且授權特定的用戶加入Skype網(wǎng)絡，圖7所示為Skype的體系結(jié)構(gòu) [18]。

Skype的另一個突出特點就是能夠穿越地址轉(zhuǎn)換設備和防火墻。Skype能夠在最小傳輸帶寬32 kb/s的網(wǎng)絡上提供高質(zhì)量的語音。Skype是使用P2P語音服務的代表。由于其具有超清晰語音質(zhì)量、極強的穿透防火墻能力、免費多方通話以及高保密性等優(yōu)點，成為互聯(lián)網(wǎng)上使用最多的P2P應用之一。

P2P運營模式

目前主要P2P業(yè)務的運營模式主要有以下幾種：

(1)Skype模式

Skype是互聯(lián)網(wǎng)上最流行的P2P VoIP系統(tǒng)。目前Skype采取的模式是基本服務免費(如網(wǎng)內(nèi)話音通話)，而增值服務收費，收費的服務包括：

SkypeOut：通過Skype軟件呼叫固網(wǎng)或移動網(wǎng)電話。

SkypeIn：為用戶提供一個真實的電話號碼，用戶可在世界上任何地方通過該號碼接聽電話。

SkypeZone服務：全球18000個無線局域網(wǎng)(WLAN)熱點，使用電腦或WLAN電話接入。

增值應用服務：語音郵箱、Skype話機、鈴聲/圖片下載等。

(2)廣告模式

這是P2P服務采用的最為廣泛的贏利模式，也是互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的主要贏利模式。從早期的Napster，到最近比較流行的P2P流媒體業(yè)務，如PPlive、UUsee等，都主要采用這種模式，至少是以這種模式為主。

由于P2P應用系統(tǒng)對于服務端的資源需求較少，整個P2P運營系統(tǒng)的成本較低，因此，這種模式在相當一段時間內(nèi)是主流的贏利模式。

(3)Popular Power和Data Synapse模式

Popular Power[1]公司大量收集處于工作間隙的PC的閑置計算能力，通過集群技術產(chǎn)生超級計算能力，供高強度計算工作和大型研究項目使用。在Popular Power的模式中，用戶被要求在他們的PC上安裝一個特制的屏幕保護程序。當屏保運行時，Popular Power就會向這些用戶的PC分配工作負載。用戶每月將收到一定數(shù)額的報酬作為對他們的閑置計算資源的使用費。我們可以把Popular Power模式稱為“商販模式”——通過販賣個人計算機的閑置資源來獲取利潤。

DataSynapse公司贏利的方法是“網(wǎng)格計算”，它把成千上萬臺計算機連接起來，利用它們的閑散資源組成一個虛擬的超級計算機。表面上看，DataSynapse模式和Popular Power模式并沒有什么不同——都是在販賣空閑的計算機資源。但是DataSynapse將“網(wǎng)格計算”構(gòu)建在合作企業(yè)之間的內(nèi)部網(wǎng) (Intranet)上，而不是互聯(lián)網(wǎng)(Internet)上。這樣，一方面，可以解決互聯(lián)網(wǎng)的帶寬狹窄、安全性較差的問題;另一方面把目標用戶定位在企業(yè)用戶中，有較大的贏利把握。

(4)Lightshare模式

Lightshare的贏利方法是在P2P網(wǎng)絡上開展電子商務。用戶可以在P2P網(wǎng)絡上購買或出售商品。用戶可以搜尋待售商品信息或者列出自己欲售商品的信息。待售的商品保留在出售者的計算機里，但中心服務器上動態(tài)地保存該商品的相關信息，以供其他用戶查詢。在Lightshare開展的服務中，初期的交易商品只包括數(shù)字文件，但是以后將逐漸擴展到其他領域。這種贏利模式目前存在著管理、計費、安全等方面的困難。

現(xiàn)有P2P技術主要涉及的領域和發(fā)展方向

(1)提供文件和其它內(nèi)容共享的P2P網(wǎng)絡，例如Napster、Gnotella、Freenet、CAN、eDonkey、eMule、BitTorrent等。

(2)基于P2P方式的協(xié)同處理與服務共享平臺，例如JXTA、Magi、Groove、.NETMy Service等。

(3)即時通訊交流，包括ICQ、OICQ、Yahoo Messenger等。

(4)安全的P2P通訊與信息共享，利用P2P無中心的特性可以為隱私保護和匿名通訊提供新的技術手段。例如CliqueNet、Crowds、Onion RouTIng等。

(5)語音與流媒體：由于P2P技術的使用，大量的用戶同時訪問流媒體服務器，也不會造成服務器因負載過重而癱瘓。例如Skype、Coolstream、AnyChat等。

(6)網(wǎng)格計算，挖掘P2P分布計算能力。使用P2P技術以集中那些聯(lián)接在網(wǎng)絡上的電腦的空閑的CPU時間片斷、內(nèi)存空間、硬盤空間來替代“超級計算機”。例如SETI@home、Avaki、Popular Power、distributed.net等。網(wǎng)格計算的宗旨是：將遍布全球的數(shù)以萬計的計算節(jié)點通過高速Internet連接并組織成一個巨系統(tǒng)，使其能夠透明、高效地完成復雜計算任務。

(7)IBM、微軟、Ariba也在合作開展一個名為UDDI的項目以將B2B電子商務標準化

(8)Eazel正在建立下一代的Linux桌面。

(9)Jabber已經(jīng)開發(fā)了一種基于XML、開放的即時訊息標準，Jabber被認為是建立了未來使用P2P數(shù)據(jù)交換的標準。

(10)Lotus Notes的開發(fā)者創(chuàng)建的Groove試圖“幫助人們以全新的方式溝通”。

(11)英特爾也在推廣它的P2P技術以幫助更有效地使用芯片的計算能力。

(三)　P2P資源定位方式

P2P網(wǎng)絡中進行資源定位是首先要解決問題。一般采用三種方式：

(1)集中方式索引

每一個節(jié)點將自身能夠提供共享的內(nèi)容注冊到一個或幾個集中式的目錄服務器中。查找資源時首先通過服務器定位，然后兩個節(jié)點之間再直接通訊。例如早期的Napster。這類網(wǎng)絡實現(xiàn)簡單，但往往需要大的目錄服務器的支持，并且系統(tǒng)的健壯性不好。

(2)廣播方式

沒有任何索引信息，內(nèi)容提交與內(nèi)容查找都通過相鄰接節(jié)點直接廣播傳遞。例如Gnutella。一般情況下，采取這種方式的P2P網(wǎng)絡對參與節(jié)點的帶寬要求比較高。

(3)動態(tài)哈希表的方式

上述兩種定位方式可以依據(jù)不同的P2P應用環(huán)境進行選擇，但是人們普遍看好DHT(Distributed Hash Table，分散式雜湊表)方式?；贒HT的P2P網(wǎng)絡在一定程度上可以直接實現(xiàn)內(nèi)容的定位。一個矛盾的問題是：如果一個節(jié)點提供共享的內(nèi)容表示越復雜，則哈希函數(shù)越不好選擇;相應的，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)就越復雜。而如果內(nèi)容表示簡單，則又達不到真正實現(xiàn)依據(jù)內(nèi)容定位的能力。目前大多數(shù)DHT方式的P2P網(wǎng)絡對節(jié)點所提供共享內(nèi)容的表示都很簡單，一般僅僅為文件名。