P2P網(wǎng)絡若干關鍵技術研究現(xiàn)狀與展望

蘇鳴翰

(香港科技大學 電子與計算機工程系，香港)

P2P網(wǎng)絡若干關鍵技術研究現(xiàn)狀與展望

蘇鳴翰

(香港科技大學 電子與計算機工程系，香港)

P2P技術在過去的十幾年間迅猛發(fā)展，智能移動設備的普及以及人們對在移動環(huán)境中實現(xiàn)文件共享需求的不斷增加，使移動P2P(MP2P)網(wǎng)絡成為研究的重點.但由于MP2P網(wǎng)絡的一些特性，很難在現(xiàn)有網(wǎng)絡中實現(xiàn)基于MP2P網(wǎng)絡的應用.本文在閱讀大量文獻的基礎上，介紹了P2P網(wǎng)絡的基本概念，分析了MP2P網(wǎng)絡目前存在的一些問題，提出了相應的解決方法，使讀者可以了解P2P這項技術的基本原理、研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向.

移動P2P；拓撲構造；技術難點；發(fā)展方向

1 P2P技術產(chǎn)生背景

在P2P技術出現(xiàn)之前，客戶機/服務器(C/S)結構已被廣泛使用了很長時間，并發(fā)展為一個成熟的網(wǎng)絡模型.但是，C/S結構的缺點也十分明顯.在C/S系統(tǒng)中，由于服務器擔負了巨大的數(shù)據(jù)處理傳輸任務，很容易產(chǎn)生過載進而破壞整個網(wǎng)絡.另外，更新C/S系統(tǒng)的成本巨大，升級速度非常緩慢.為了應對這些問題，人們提出了P2P(對等)網(wǎng)絡.

Intel將P2P 定義為“通過系統(tǒng)間的直接交換所達成的計算機資源與信息的共享”[1].在P2P網(wǎng)絡中用戶和服務器之間沒有明顯的區(qū)別，用戶可以共享自己的硬件資源(包括處理能力、存儲能力、鏈路容量等)，所有的用戶既是資源的請求者也是提供者.與C/S模式相比，P2P模式的優(yōu)勢在于：

(1)當新用戶加入P2P網(wǎng)絡時，這個用戶即共享了其現(xiàn)有資源.通過用戶之間的這種分享，系統(tǒng)容量可以大大提高.

(2)P2P系統(tǒng)的健壯性要遠遠高于C/S系統(tǒng).在P2P系統(tǒng)中，如果一個節(jié)點發(fā)生故障，其他節(jié)點仍舊可以正常工作，對整個系統(tǒng)不會有顯著影響.

(3)在P2P網(wǎng)絡中，用戶之間相互獨立，數(shù)據(jù)之間的傳輸無需經(jīng)過中央節(jié)點，這使得在用戶間建立連接更加方便和廉價.

(4)P2P系統(tǒng)可以為用戶提供更高的傳輸速度.由于數(shù)據(jù)在各個節(jié)點之間傳送，用戶數(shù)量的增長會帶來傳輸速度的提高.

2 P2P網(wǎng)絡原理及分類

一般來說，P2P網(wǎng)絡可以分為3類：集中式P2P網(wǎng)絡、分布式P2P網(wǎng)絡和混合式P2P網(wǎng)絡.在集中式P2P網(wǎng)絡中，目錄服務器取代了C/S結構中的中央服務器，它并不保存任何文件，而是保存了文件的索引目錄.在分布式P2P網(wǎng)絡中，目錄服務器也不復存在，所有節(jié)點同時作為服務器和客戶端，每個用戶具有相同的地位和作用.如今，混合式P2P已經(jīng)成為最流行的P2P結構.它結合了集中式和分布式P2P網(wǎng)絡的優(yōu)勢，將高性能節(jié)點作為“超級節(jié)點”，作為一個小型服務器來儲存周圍節(jié)點的信息.在網(wǎng)絡上廣泛使用的P2P應用程序，如Skype和KaZaA，都屬于混合式P2P系統(tǒng).

此外，智能移動設備的普及讓人們將目光投向MP2P的研究之中，本文將在后面詳細介紹MP2P的相關研究狀況.

2.1 集中式P2P網(wǎng)絡

集中式P2P網(wǎng)絡是C/S模式到P2P模式的一個過渡.整個網(wǎng)絡包括目錄服務器和用戶節(jié)點，其中目錄服務器儲存資源檢索信息.圖1為集中式P2P的基本結構.

如果用戶想要獲得文件，他將首先向目錄服務器發(fā)出請求，從目錄服務器獲得所需文件地址，然后根據(jù)地址訪問目標文件的節(jié)點.在這種結構中，所有數(shù)據(jù)都在節(jié)點之間傳送，網(wǎng)絡的部署非常便捷.

2.2 分布式P2P網(wǎng)絡

2.2.1 非結構化P2P網(wǎng)絡 非結構化P2P網(wǎng)絡在覆蓋網(wǎng)絡上采用隨機組織結構，這種結構沒有目錄服務器，節(jié)點之間隨機連接.非結構化P2P網(wǎng)絡如圖2所示.

由于沒有目錄服務器，在非結構化P2P網(wǎng)絡發(fā)展的初期，采用的是基于隨機圖的Flooding搜索算法：當用戶需要下載文件時，他首先以文件名或關鍵字生成查詢信息，并把這個信息發(fā)送給與它相連的所有計算機.如果相鄰計算機擁有這個文件，則將其IP地址發(fā)給用戶，如果沒有所需文件，則將查詢信息轉發(fā)到與之相連的其它計算機，直到找到所需文件為止.為了控制搜索消息不至于一直傳遞下去，一般通過TTL (Time To Live)來控制查詢的深度.但隨著網(wǎng)絡節(jié)點的增多，這種泛洪算法容易導致數(shù)據(jù)流量大幅增加，從而造成網(wǎng)絡的崩潰.所以，研究人員在Flooding算法的基礎上做出了許多改進，產(chǎn)生了諸如Random Work、Dynamic Query[2]等優(yōu)化方法.

非結構化P2P采用完全隨機的組織結構，各個節(jié)點隨機排列，這使得對網(wǎng)絡的建立和優(yōu)化變得非常簡單.此外，由于網(wǎng)絡中的節(jié)點是完全相同的，節(jié)點頻繁進入、退出網(wǎng)絡時對網(wǎng)絡的影響較小.

然而，這種結構的缺點也非常明顯.由于沒有目錄服務器提供明確的文件來源，當用戶想要獲得文件時，必須不斷地搜索相鄰計算機，這會帶來對網(wǎng)絡資源的巨大消耗.更重要的是，當文件資源稀少并且離需求用戶較遠時，這種泛洪搜索便不能保證用戶能夠獲得所需文件.

2.2.2 結構化P2P網(wǎng)絡 結構化P2P網(wǎng)絡中最常見的拓撲實現(xiàn)是分布式哈希表(DHT).DHT定義了一個關鍵字空間，通過哈希函數(shù)把關鍵字映射為128位或160位的散列值，分塊儲存在不同節(jié)點上.在搜索時，用戶根據(jù)這些散列值就可以找到資源存放的節(jié)點.由于重疊網(wǎng)絡采用了確定性拓撲結構，DHT能夠精確地發(fā)現(xiàn)資源，保證即使在資源稀缺的情況下，用戶也可以搜索到所需文件.應用這種結構經(jīng)典的案例有Tapestry，Pastry，Chord和CAN等.

DHT的維護機制較為復雜，特別是當節(jié)點頻繁進入、退出時造成的網(wǎng)絡波動(Churn)會極大增加系統(tǒng)的維護代價.另外，DHT僅支持精確關鍵詞匹配查詢，無法支持內容/語義等復雜查詢[3].DHT中資源的分配如圖3所示.

2.3 混合式P2P網(wǎng)絡

混合式P2P網(wǎng)絡可以看作P2P和C/S網(wǎng)絡的組合.它將性能較高(處理、存儲、帶寬)的節(jié)點作為超級節(jié)點(SuperNode)，超級節(jié)點上存儲了周圍其它節(jié)點的信息.當用戶搜索資源時，查詢請求僅在超級節(jié)點之間轉發(fā)，超級節(jié)點再將查詢請求轉發(fā)給適當?shù)娜~節(jié)點.混合式P2P結合了集中式P2P和分布式P2P的優(yōu)點，取消了中央服務器，使系統(tǒng)的擴展性增強，同時設立超級節(jié)點，使搜索效率大大提高.圖4為混合式P2P結構.

在實際應用中，每種拓撲結構都有其優(yōu)缺點，表1分別從幾個方面比較了這幾種結構的性能.

表1 各類拓撲結構比較

3 MP2P技術

3.1 MP2P系統(tǒng)基本結構

MP2P網(wǎng)絡是基于應用的覆蓋層網(wǎng)絡，主要通過移動設備之間的通信來完成資源信息共享與協(xié)同計算服務.很長時間以來，由于移動設備的計算能力和存儲能力受到限制，很難在移動設備上實現(xiàn)P2P服務.然而當進入3G時代，隨著傳輸速率和移動設備計算、儲存能力的大幅提高，在移動設備上應用P2P技術已經(jīng)成為可能.

MP2P系統(tǒng)與傳統(tǒng)的P2P系統(tǒng)類似，結構也分為集中式、分布式和混合式.本文以集中式網(wǎng)絡為代表進行說明，它的結構主要由4個部分組成：(1)中央目錄服務器；(2)緩存目錄服務器；(3)爬取服務器；(4)狀態(tài)服務器.

MP2P用戶獲取信息的過程也與傳統(tǒng)P2P用戶非常相像.首先，用戶的移動設備需要在網(wǎng)絡中進行注冊，向中央目錄服務器提供設備的信息(電話號碼，設備類型，共享文件列表等).中央目錄服務器將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中供其他用戶搜索.如果某一用戶想要下載文件，他會向中央目錄服務器發(fā)送查詢請求，服務器在搜索數(shù)據(jù)庫之后，將目標文件的地址發(fā)送給查詢用戶.為了加快搜索速度、提高搜索效率，在MP2P系統(tǒng)中除了中央目錄服務器外，緩存目錄服務器也扮演了重要的角色.緩存目錄服務器中存放了用戶頻繁訪問的一些文件，當有用戶想要下載這些文件時，緩存目錄服務器可以直接提供給他們文件的地址，由于緩存目錄服務器儲存內容少，它可以極大改善用戶訪問“熱門”文件的速度.除此之外，緩存目錄服務器也會定期更新其中的文件列表，加入近期的“熱門”文件并淘汰已經(jīng)“過時”的文件，來維持用戶的搜索效率.爬取服務器的存在減輕了網(wǎng)絡流量的負擔，它可以看作是某個網(wǎng)絡中所有節(jié)點的代表，代替它們去搜索中央目錄服務器中沒有記錄的資源.狀態(tài)服務器主要負責對網(wǎng)絡實時的管理.例如，它能夠收集移動設備的在線/離線狀態(tài)、資源塊的占用情況、可用帶寬等一系列信息，并將這些信息及時反饋，從而更好地調控網(wǎng)絡.如今，研究人員正致力于更加快速有效地在移動環(huán)境中共享文件，并將這種技術應用于網(wǎng)絡游戲、路況信息共享等實時應用程序中.MP2P系統(tǒng)結構如圖5所示.

3.2 MP2P系統(tǒng)的限制

與傳統(tǒng)P2P系統(tǒng)相比，MP2P系統(tǒng)具有以下特點：

3.2.1 網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)性 動態(tài)性是MP2P系統(tǒng)最大的特點，移動設備由于位置變化和開關機不斷地加入或者離開網(wǎng)絡，使網(wǎng)絡拓撲結構不斷發(fā)生變化，造成覆蓋層和物理層無法匹配，降低數(shù)據(jù)傳輸效率.

3.2.2 移動設備處理能力有限 由于移動性和便攜性的要求，移動設備的體積和性能一直存在著矛盾.與PC相比，移動設備的儲存和數(shù)據(jù)處理能力依舊很弱，一些低性能的設備需要通過中間節(jié)點才可以接入網(wǎng)絡.

3.2.3 移動網(wǎng)絡的不穩(wěn)定性 相對于互聯(lián)網(wǎng)而言，MP2P使用的無線信道穩(wěn)定性不足，易在傳輸時受到外界的干擾，也會因為信號的衰落和鏈路堵塞等問題造成數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定，導致MP2P網(wǎng)絡的可用性受到威脅.

3.2.4 網(wǎng)絡層編址和標識機制不統(tǒng)一 P2P系統(tǒng)的網(wǎng)絡層采用固定不變的唯一IP地址作為節(jié)點標識，底層網(wǎng)絡的一致使得網(wǎng)絡具有很好的擴展性.而移動網(wǎng)絡環(huán)境的異構性使得其網(wǎng)絡層所采用的編址及通信方式有很大不同，要在其上建立統(tǒng)一面向應用的MP2P網(wǎng)絡，就必須屏蔽網(wǎng)絡層中不同網(wǎng)絡設備標識的差別[4].

3.3 MP2P系統(tǒng)的改進

針對應用MP2P技術遇到的各種問題，研究人員進行了多方面的理論研究和嘗試性的應用開發(fā).在網(wǎng)絡拓撲結構方面，中南大學提出了基于信息交互的三維覆蓋網(wǎng)絡拓撲結構(3D-OBinfoEx)，該結構把節(jié)點按照距離遠近形成自治域，保障了底層物理網(wǎng)絡和覆蓋網(wǎng)絡拓撲匹配，并具有較好的擴展性、容錯性和穩(wěn)定性，適應MP2P網(wǎng)絡的應用環(huán)境[5].在對MP2P資源搜索的研究上，主要集中在兩個方面：一是提出新型的MP2P資源查找策略，包括基于二分搜索樹Peer-Tree算法和基于改進蟻群算法的查找策略等[6]；二是在傳統(tǒng)P2P資源搜索策略上加以改進，使之適用于MP2P網(wǎng)絡，包括基于泛洪式信息廣播方法和基于DHT的結構化算法.這些算法的提出提高了MP2P系統(tǒng)中的資源搜索效率，減小了流量過大給網(wǎng)絡造成的負擔.

4 總結與展望

P2P系統(tǒng)擴展性好、魯棒性強，已經(jīng)發(fā)展成為互聯(lián)網(wǎng)上人們共享文件的主要途徑[7～9].而隨著無線網(wǎng)絡的發(fā)展和智能移動設備的普及，傳統(tǒng)的P2P技術正逐漸向MP2P技術進行過渡.雖然關于MP2P技術的很多難題都已突破，但是要在大范圍內使用MP2P網(wǎng)絡，仍有許多方面需要進一步研究：

首先，在對網(wǎng)絡資源搜索的研究中，MP2P網(wǎng)絡都被不同程度地結構化和層次化.目前關于非結構化MP2P網(wǎng)絡的資源搜索算法查詢成功率低、網(wǎng)絡查詢流量大.如何提高非結構化資源搜索算法的效率和成功率仍舊是未來研究的主要方向.

其次，移動設備具有多維異構性，即其在處理、儲存、帶寬提供能力等諸多方面存在差異.如何根據(jù)設備自身的特點和屬性構建高效穩(wěn)定的網(wǎng)絡結構、充分利用網(wǎng)絡和移動設備資源、提高網(wǎng)絡服務質量也是MP2P技術研究的關鍵問題.

最后，如何確保P2P技術，包括MP2P技術在使用過程中的安全性也是研究人員所面臨的巨大挑戰(zhàn).作為分布式網(wǎng)絡模型，P2P網(wǎng)絡很難保證被下載的數(shù)據(jù)的正確性.用戶在使用P2P網(wǎng)絡時，經(jīng)常會下載到“文不對題”的垃圾文件.從網(wǎng)絡攻擊的角度來看，惡意節(jié)點可以輕松地向其他用戶發(fā)送包含木馬的偽造數(shù)據(jù)來盜取用戶資料或者控制用戶電腦.此外，P2P系統(tǒng)的“無政府狀態(tài)”也給一些不良信息提供了土壤，造成網(wǎng)絡上充斥著大量不良信息，給國家安全、網(wǎng)絡資源占用等方面帶來了很大的負面影響.所以，建立針對P2P網(wǎng)絡的安全機制，保護用戶隱私和上網(wǎng)的安全性對P2P技術的發(fā)展也具有重大意義.

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SU Minghan

(DepartmentofElectronicandComputerEngineering,HongkongUniversityofScienceandTechnology,Hongkong,China)

(責任編輯：張冬冬)

Research status and prospects of some key technologies of P2P network

P2P technology has developed rapidly in the past ten years,and as a result of the popularity of mobile devices and increasing demand for sharing files in mobile environment,mobile P2P network (MP2P) has become a hot topic in research area.However,due to some characteristics,it is difficult to achieve MP2P applications in live network.On the basis of consulting a large amount of literature,this essay introduces the basic concepts of P2P network,analyses the existing problems of MP2P and puts forward some associated solutions so that readers are able to understand the principle of P2P technology,its research status and development direction. Key words MP2P;topology construction;technical difficulties;development direction

2015-05-27

蘇鳴翰(1991-)，男，遼寧鞍山人，香港科技大學電子工程系研究生.

TP393

A

1008-2441(2015)06-0057-05