基于P2P網(wǎng)絡(luò)模型的即時(shí)通信軟件的研究與設(shè)計(jì)

郭庭躍， 楊德仕

(1.河南省電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所， 鄭州 450000； 2.中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

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基于P2P網(wǎng)絡(luò)模型的即時(shí)通信軟件的研究與設(shè)計(jì)

郭庭躍1， 楊德仕2

(1.河南省電子產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所， 鄭州 450000； 2.中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

摘要：分析了P2P網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于信息共享存在的問(wèn)題，提出了一種基于傳統(tǒng)分包策略、以數(shù)據(jù)包數(shù)量為節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)傳輸模式，并基于此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于P2P網(wǎng)絡(luò)模型的即時(shí)通信軟件系統(tǒng)。此外，還對(duì)混合型P2P網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)機(jī)制、路由機(jī)制以及文件傳輸機(jī)制進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：P2P; 即時(shí)通信; 網(wǎng)絡(luò)模型

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展影響著人們的生活方式,各種網(wǎng)絡(luò)元素也滲透到人們的日常生活中。在此過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)人際交互成為現(xiàn)代社會(huì)人際交往的一種最新、最時(shí)尚、最便捷、最多元化的方式，即時(shí)通信軟件也成為網(wǎng)民最常用的網(wǎng)絡(luò)工具之一。

目前，網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音傳輸?shù)膽?yīng)用方案一般有兩種：一是采用客戶/服務(wù)器(C/S)模型，另一種就是P2P網(wǎng)絡(luò)模型。傳統(tǒng)的聊天工具通常把所有程序放在服務(wù)器上，用戶通過(guò)客戶機(jī)的瀏覽器程序上網(wǎng)聊天，聊天內(nèi)容是開(kāi)放的，保密性較差。P2P技術(shù)的特征之一就是弱化了服務(wù)器的作用，甚至取消了服務(wù)器，使用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)等訪問(wèn)。P2P模式在數(shù)據(jù)發(fā)布和數(shù)據(jù)封裝等方面表現(xiàn)更為出色，具有可擴(kuò)展性、耐攻擊、高容錯(cuò)、高性價(jià)比、隱私保護(hù)好等特點(diǎn)，其端到端定位、識(shí)別技術(shù)、握手技術(shù)、高效搜索策略等關(guān)鍵技術(shù)廣泛應(yīng)用于信息共享、電子商務(wù)、即時(shí)通信、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)、協(xié)同工作等領(lǐng)域[1-2]。

考慮到目前對(duì)音頻和視頻即時(shí)通信的需求以及傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的服務(wù)器瓶頸問(wèn)題，本文采用P2P技術(shù)進(jìn)行即時(shí)通信軟件的開(kāi)發(fā)研究。采用P2P技術(shù)既可以通過(guò)充分利用網(wǎng)絡(luò)中的帶寬資源和邊緣資源來(lái)提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信效率，又可以克服服務(wù)器性能瓶頸問(wèn)題，同時(shí)，在沒(méi)有服務(wù)器的系統(tǒng)中，使黑客的攻擊目標(biāo)分散，提高了系統(tǒng)的安全性。

1P2P信息共享存在的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方法

P2P是一種不經(jīng)過(guò)中繼設(shè)備交換數(shù)據(jù)的對(duì)等互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它打破了傳統(tǒng)的客戶機(jī)/服務(wù)器模式，但也存在一些問(wèn)題。

1.1通信問(wèn)題

由于系統(tǒng)用戶分散在各個(gè)地方，在所有時(shí)刻通信頻率都非常高。而P2P系統(tǒng)中上傳和下載文件占據(jù)了絕大部分網(wǎng)絡(luò)的帶寬，過(guò)多的上傳和下載操作可能會(huì)影響到各節(jié)點(diǎn)之間的通信。一個(gè)好的解決方法就是延長(zhǎng)一些活躍節(jié)點(diǎn)的連接時(shí)間，在一定時(shí)間內(nèi)減少連接的次數(shù)[3]。

1.2安全問(wèn)題

在P2P系統(tǒng)中，安全問(wèn)題非常重要。由于P2P系統(tǒng)的主要用戶是個(gè)人，因此，用戶要能夠通過(guò)防火墻找到其他用戶。所有沒(méi)有被其他協(xié)議占用的端口都可用，但在防火墻上開(kāi)放任何端口都是不安全的。比較好的解決方法是設(shè)置靜態(tài)端口或私有端口。本文通過(guò)設(shè)置靜態(tài)端口來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

1.3搜索問(wèn)題

搜索算法的好壞直接影響P2P系統(tǒng)的性能。尋找最優(yōu)的搜索算法是目前P2P技術(shù)的難點(diǎn)，也是研究的熱點(diǎn)[4]。為了提高搜索效率，把搜索分成兩步：首先是基于服務(wù)器端的搜索，其次是基于客戶端的搜索。假設(shè)基于服務(wù)器端的平均搜索時(shí)間為M，基于客戶端的平均搜索時(shí)間為N，則一次性搜索的總時(shí)間為M×N，而分步搜索的總時(shí)間為M+N，在M>2，N>2時(shí)，分步搜索的效率比一次性搜索的效率有了很大的提高。

1.4文件的傳輸問(wèn)題

在P2P文件共享系統(tǒng)中，用戶最關(guān)心的是如何傳輸文件，如何提高文件的下載速度。目前普遍的方法是分包傳輸，而分包策略是分包傳輸?shù)年P(guān)鍵。制定一個(gè)合理的分包算法一直是人們研究的熱點(diǎn)，也是本文的研究重點(diǎn)。

傳統(tǒng)的分包策略是將數(shù)據(jù)進(jìn)行等量分割，每一段數(shù)據(jù)用唯一的標(biāo)志進(jìn)行標(biāo)注，然后把數(shù)據(jù)包分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)用戶下載文件時(shí)再把各段數(shù)據(jù)按規(guī)定的順序重新組合起來(lái)。但如何把數(shù)據(jù)包分配給各節(jié)點(diǎn)，一直是個(gè)難題。傳統(tǒng)的解決方法是根據(jù)帶寬來(lái)分配數(shù)據(jù)段。但網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際帶寬通常受網(wǎng)絡(luò)狀況、軟件性能等影響。

本文在傳統(tǒng)分包策略的基礎(chǔ)上引入了節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)的概念，節(jié)點(diǎn)根據(jù)其擁有的文件包的數(shù)量被賦予不同的優(yōu)先級(jí)，文件包分成不同的優(yōu)先級(jí)。用戶開(kāi)始下載文件時(shí)，首先從優(yōu)先級(jí)較高的節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，此節(jié)點(diǎn)剩下的

文件子包被賦予更高的優(yōu)先級(jí)。服務(wù)器定期計(jì)算所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量。這樣，任何節(jié)點(diǎn)都可以盡快地獲取完整的文件，系統(tǒng)中的種子數(shù)量不斷增加，大大提高了下載速度。

2基于P2P網(wǎng)絡(luò)模型的即時(shí)通信軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)共有五大功能模塊，分別是用戶操作模式(包括文件操作模式和流媒體操作模式)、文件共享、流媒體共享、監(jiān)聽(tīng)登錄及服務(wù)器IP設(shè)置。

進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了使各部分都能夠更好地實(shí)現(xiàn)通信功能，針對(duì)各部分采用了不同的開(kāi)發(fā)工具：服務(wù)器采用ASP技術(shù)，客戶端采用C#，數(shù)據(jù)庫(kù)采用 SQL Server 2000,服務(wù)器與客戶端的通訊采用XML。采用XML的好處是它支持目前所有的編程語(yǔ)言。

3基于P2P網(wǎng)絡(luò)模型的即時(shí)通信軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)由五大模塊組成，分別是用戶登錄、用戶列表維護(hù)、監(jiān)聽(tīng)端、瀏覽器端和服務(wù)器端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.1用戶登錄

用戶登錄時(shí)，先獲得一個(gè)監(jiān)聽(tīng)端遠(yuǎn)程的IP地址來(lái)調(diào)用登錄界面，再確認(rèn)用戶的ID、IP地址及遠(yuǎn)程IP是否相符。如果不相符，系統(tǒng)就自動(dòng)為登錄失敗創(chuàng)建一個(gè)XML響應(yīng)；如果登錄成功，系統(tǒng)就創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)連接，把相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2用戶列表維護(hù)

此模塊的功能主要是產(chǎn)生一個(gè)XML文檔，該文檔用來(lái)顯示正在監(jiān)聽(tīng)的用戶。這是整個(gè)目錄服務(wù)器的關(guān)鍵，它需要不停地把更新過(guò)的數(shù)據(jù)庫(kù)用戶信息列表中的用戶姓名和IP地址通過(guò)XML文檔顯示給正在監(jiān)聽(tīng)的用戶。因此，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，登錄和退出越來(lái)越頻繁時(shí)，服務(wù)器難免會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。

3.3客戶監(jiān)聽(tīng)端控件

客戶監(jiān)聽(tīng)端的首要功能就是登錄服務(wù)器。當(dāng)打開(kāi)系統(tǒng)時(shí)，首先要發(fā)布消息證明自己已經(jīng)登錄。登錄以后，監(jiān)聽(tīng)端可以處理來(lái)自客戶端的請(qǐng)求，而且支持多線程。一個(gè)監(jiān)聽(tīng)端在下載文件的同時(shí)，還能處理多個(gè)客戶端的請(qǐng)求，這時(shí)監(jiān)聽(tīng)端具有服務(wù)器的功能，而且具備搜索功能。相對(duì)于基于服務(wù)器的搜索，監(jiān)聽(tīng)端搜索的效率大大提高。基于服務(wù)器端的搜索，首先要搜索目標(biāo)用戶，但在一個(gè)成千上萬(wàn)的P2P系統(tǒng)中，要搜索出目標(biāo)用戶是非常費(fèi)時(shí)的。

監(jiān)聽(tīng)端登錄服務(wù)器時(shí)，要從share.ini(系統(tǒng)自動(dòng)生成，用來(lái)保存所有共享資源的信息)文件讀取所有相關(guān)信息，將其和用戶名及IP地址一起發(fā)送到服務(wù)器，并調(diào)用服務(wù)器登錄模塊。當(dāng)調(diào)用成功時(shí)，服務(wù)器就會(huì)響應(yīng)監(jiān)聽(tīng)端的請(qǐng)求，并對(duì)登錄用戶進(jìn)行認(rèn)證。具體過(guò)程如圖2所示。

圖2　監(jiān)聽(tīng)流程圖

3.4瀏覽器端

瀏覽器端界面是用戶直接與計(jì)算機(jī)對(duì)話的界面。通過(guò)瀏覽器，用戶可以向監(jiān)聽(tīng)端發(fā)送請(qǐng)求，并接收監(jiān)聽(tīng)端的響應(yīng)。瀏覽器端主要是顯示正在監(jiān)聽(tīng)的用戶的名單，并發(fā)送請(qǐng)求；而監(jiān)聽(tīng)端主要是在后臺(tái)處理這些操作，并顯示這些監(jiān)聽(tīng)端處理后的信息。

(1)文件共享。此功能伴隨系統(tǒng)的整個(gè)生命周期。監(jiān)聽(tīng)端可以選擇任意存在于電腦上還沒(méi)有共享的文件，但不允許進(jìn)行兩次共享。

(2)文件搜索。文件操作中有一項(xiàng)功能是搜索。系統(tǒng)首先從服務(wù)器得到用戶列表并顯示在客戶端，然后根據(jù)用戶的搜索條件自動(dòng)去數(shù)據(jù)庫(kù)搜索。文件搜索分基于服務(wù)器端的搜索和基于客戶端的搜索?；诜?wù)器端的搜索主要是搜索擁有自己所需資源的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，而基于客戶端的搜索主要是在確定的節(jié)點(diǎn)上搜索相關(guān)的資源。

(3)文件下載。首先，瀏覽器端和監(jiān)聽(tīng)端對(duì)文件進(jìn)行初試化，一旦從服務(wù)器中找到擁有自己所需資源的用戶，服務(wù)器就讓用戶之間建立連接，直接進(jìn)行通信。用戶端選擇服務(wù)器所提供的資源，首先要確認(rèn)所選擇的文件是否有效。如果文件有效，則文件的名字、大小等信息就從相應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)組中解析出來(lái)并下載，此時(shí)目錄服務(wù)器的工作僅僅是記錄已經(jīng)下載的資源。

(4)文件上傳。上傳請(qǐng)求一旦發(fā)送出去，監(jiān)聽(tīng)端就打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)流跟客戶端進(jìn)行通信。首先，監(jiān)聽(tīng)端把文件寫進(jìn)數(shù)據(jù)流中，同時(shí)，瀏覽器端開(kāi)始從網(wǎng)絡(luò)中讀此數(shù)據(jù)。整個(gè)讀寫過(guò)程一直持續(xù)下去，直到?jīng)]有數(shù)據(jù)可讀，上傳過(guò)程即結(jié)束。上傳文件之前，客戶端也要對(duì)其進(jìn)行初始化。一旦決定要上傳，首先確認(rèn)所選擇的文件夾是否有權(quán)限上傳，有權(quán)限即上傳；否則會(huì)提示出錯(cuò)，上傳過(guò)程即終止。

(5)服務(wù)器端。服務(wù)器端的主要功能是存儲(chǔ)正在監(jiān)聽(tīng)的用戶的IP地址、用戶名信息及共享資源的詳細(xì)信息，但并不提供下載服務(wù)。最終，在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中生成用戶信息列表和共享資源信息列表。在服務(wù)器的基本功能中，最重要的兩大功能是用戶登錄和用戶列表管理。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)P2P技術(shù)應(yīng)用于信息共享存在的問(wèn)題進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于P2P網(wǎng)絡(luò)模型的即時(shí)通信軟件系統(tǒng)，具有用戶操作、文件共享、監(jiān)聽(tīng)登錄、設(shè)置服務(wù)器IP地址和系統(tǒng)關(guān)閉功能等特性。此外,針對(duì)目前很多網(wǎng)絡(luò)用戶只熱衷于享受快速而又豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，卻不愿意與別人一起分享自己的資源這一問(wèn)題，軟件設(shè)計(jì)中把文件的下載和上傳分離，當(dāng)只關(guān)閉下載功能時(shí)，用戶可繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)，繼續(xù)為其他用戶提供資源。

參考文獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯：張同學(xué))

Instant Communication Software Design Based on P2P Network Model

GUO Ting-yue1, YANG De-shi2

(1.Henan Electronic Product Quality Supervision and Testing Institute， Zhengzhou 450000；2.Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007， China)

Abstract:In this paper, the problems of P2P technology for information sharing are analyzed.By introducing a nodes priority transmission mode based on the number of packet,instant communication software based on the P2P network model is designed and developed, which includes user operation, file sharing, listening login, setting the server IP address, system shut down and so on.Moreover, the nodes discover mechanism, route mechanism and file transmission are discussed too.

Key words:P2P; instant communication; network model

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.022

文章編號(hào)：1671-6906(2016)01-0092-04

作者簡(jiǎn)介：郭庭躍(1977-)，男，河南寶豐人，工程師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

收稿日期：2015-12-12