P2P技術原理

　　P2P技術屬于覆蓋層網絡（Overlay Network）的范疇，是相對于客戶機/服務器（C/S）模式來說的一種網絡信息交換方式。在C/S模式中，數據的分發(fā)采用專門的服務器，多個客戶端都從此服務器獲取數據。這種模式的優(yōu)點是：數據的一致性容易控制，系統(tǒng)也容易管理。但是此種模式的缺點是：因為服務器的個數只有一個（即便有多個也非常有限），系統(tǒng)容易出現單一失效點；單一服務器面對眾多的客戶端，由于CPU能力、內存大小、網絡帶寬的限制，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絡結構。在P2P網絡中，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。

　　對等網絡的基本結構

　?。?）集中式對等網絡（Napster、QQ）

　　集中式對等網絡基于中央目錄服務器，為網絡中各節(jié)目提供目錄查詢服務，傳輸內容無需再經過中央服務器。這種網絡，結構比較簡單，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，不適合大型網絡。但由于目錄集中管理，對于小型網絡的管理和控制上倒是一種可選擇方案。

　?。?）無結構分布式網絡（Gnutella）

　　無結構分布式網絡與集中式的最顯著區(qū)別在于，它沒有中央服務器，所有結點通過與相鄰節(jié)點間的通信，接入整個網絡。在無結構的網絡中，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的生存時間（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。

　　這種無結構的方式，組織方式比較松散，節(jié)點的加入與離開比較自由，當查詢熱門內容時，很容易就能找到，但如果需求的內容比較冷門，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）結構化分布式網絡（第三代P2P Pastry、Tapestry、Chord、CAN）

　　結構化分布式網絡，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絡中所有的資源整理成一張巨大的表，表內包含資源的關鍵字和所存放結點的地址，然后將這張表分割后分別存儲到網絡中的每一結點中去。當用戶在網絡中搜索相應的資源時，它將能發(fā)現存儲與關鍵詞對應的哈希表內容所存放的結點，在該結點中存儲了包含所需資源的結點地址，然后發(fā)起搜索的結點根據這些地址信息，與對應結點連接并傳輸資源。這是一種技術上比較先進的對等網絡，它具有高度結構化，高可擴展性，結點的加入與離開比較自由。這種方式適合比較大型的網絡。

　　P2P網絡有3種比較流行的組織結構，被應用在不同的P2P應用中。

　?。?）DHT結構

　　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方式，但是具有共同的特征，即都是一個環(huán)行拓撲結構，在這個結構里每個節(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、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。這種結構多用于文件共享和作為底層結構用于流媒體傳輸［2］。

　?。?）樹形結構

　　P2P網絡樹形結構如圖1（b）所示。在這種結構中，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。最初的樹形結構多用于P2P流媒體直播［3-4］。

　?。?）網狀結構

　　網狀結構如圖1（c）所示，又叫無結構。顧名思義，這種結構中，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。網狀結構［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構結合起來組成新的結構，如KaZaA［6］。

　　P2P技術應用

　?。?）分布式科學計算

　　P2P技術可以使得眾多終端的CPU資源聯合起來，服務于一個共同的計算。這種計算一般是計算量巨大、數據極多、耗時很長的科學計算。在每次計算過程中，任務（包括邏輯與數據等）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。

　?。?）文件共享

　　BitTorrent是一種無結構的網絡協議。除了BitTorrent之外，還有不少著名的無結構化的P2P文件共享協議，典型的有Gnutella［8］和KaZaA［6］。

　　（3）流媒體直播

　?。?）流媒體點播

　?。?）IP層語音通信

　　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，為通信雙方創(chuàng)建中轉連接，并轉發(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據部分的哈希值，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的參數中；索引服務器根據請求的哈希值查找內部的數據字典，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據的協議，我們稱為BitTorrent對等協議。BitTorrent軟件的工作原理如圖 4所示。BitTorrent協議也處在不斷變化中，可以通過數據報協議（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協議改進后的協議，同時兼容eDonkey協議。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據片段。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部數據庫內。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，一部分是對現有Internet下載資源的搜索和整合，將現有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多資源多線程的數據傳輸。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。

　　每個用戶在網上下載的文件都會在迅雷的服務器中進行數據記錄，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據庫中搜索曾經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。