淺談P2P網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

孟凡淇

摘 要：P2P網(wǎng)絡(luò)被稱(chēng)為對(duì)等網(wǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位是對(duì)等的，既能充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的請(qǐng)求者，又能對(duì)其他計(jì)算機(jī)的請(qǐng)求做出響應(yīng)，提供資源和服務(wù)。P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是利用客戶(hù)端的處理能力，實(shí)現(xiàn)了通信與服務(wù)端的無(wú)關(guān)性。本文主要介紹P2P網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：P2P；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.129

計(jì)算機(jī)連接的方式叫做“網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)”（Topology）。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫侵父鞣N互連設(shè)備用傳輸媒體相連接的物理布局，主要是指計(jì)算機(jī)的分布位置和如何連接它們。在P2P系統(tǒng)中，所使用的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪壿嫿Y(jié)構(gòu)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)的造過(guò)程中需要解決一系列的實(shí)際問(wèn)題。這些問(wèn)題包括如何標(biāo)識(shí)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)以何種方式進(jìn)行組織、節(jié)點(diǎn)如何加入/退出網(wǎng)絡(luò)、如何高效查找節(jié)點(diǎn)和資源、系統(tǒng)容錯(cuò)等。現(xiàn)在已經(jīng)成熟的P2P網(wǎng)絡(luò)主要分為四類(lèi)：集中式拓?fù)洌–entralized Topology）、完全分布式結(jié)構(gòu)化拓?fù)洌―ecentralized Unstructured Topology）、混合式拓?fù)洌―ecentralized Structured Topology）和完全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)洌≒artially Decentralized Topology）。

1 集中式拓?fù)?/p>

集中式內(nèi)容路由是提供路由查詢(xún)最直觀和簡(jiǎn)單的方法。在P2P網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，稱(chēng)為中心節(jié)點(diǎn)，所有其他節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)建立相應(yīng)的連接關(guān)系，并把自身所擁有的資源索引信息都保存到中心節(jié)點(diǎn)上，從而使中心節(jié)點(diǎn)擁有全網(wǎng)的資源索引信息。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行路由查詢(xún)時(shí)，向中心節(jié)點(diǎn)提交查詢(xún)關(guān)鍵字，中心節(jié)點(diǎn)遍歷資源索引表格，就可以很容易查詢(xún)?nèi)W(wǎng)是否擁有請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)感興趣的資源。集中式只是針對(duì)路由查詢(xún)機(jī)制而言，在內(nèi)容傳送上仍然是對(duì)等服務(wù)思想。也就是請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)通過(guò)集中式的路由查詢(xún)機(jī)制定位出能夠提供內(nèi)容服務(wù)的節(jié)點(diǎn)后，與這些節(jié)點(diǎn)分別建立傳輸通道實(shí)現(xiàn)并行傳送，而不是完全從中心服務(wù)器獲得內(nèi)容。中心化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是維護(hù)容易、資源比較的發(fā)現(xiàn)效率較高且實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。但是這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在一些問(wèn)題。集中式結(jié)構(gòu)最明顯的缺點(diǎn)是中心節(jié)點(diǎn)連接其他節(jié)點(diǎn)過(guò)多時(shí)，需要存儲(chǔ)大量的資源索引信息，并且要保持資源索引信息的準(zhǔn)確性和通信及時(shí)性，就必須不斷和其他節(jié)點(diǎn)保持信息的同步。當(dāng)節(jié)點(diǎn)規(guī)模擴(kuò)展時(shí)，中心節(jié)點(diǎn)很容易出現(xiàn)性能瓶頸。代表系統(tǒng)有Napster。

2 全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)?/p>

打破集中式結(jié)構(gòu)的最簡(jiǎn)單辦法是在P2P節(jié)點(diǎn)之間建立隨機(jī)拓?fù)?，也就是在一個(gè)新加入節(jié)點(diǎn)和P2P網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)間隨機(jī)建立連接通道，從而形成一個(gè)隨機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行內(nèi)容路由時(shí)，節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)廣播查詢(xún)請(qǐng)求，每個(gè)節(jié)點(diǎn)收到查詢(xún)消息后搜索資源列表，查看自己是否有資源可以為請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。如果有，則向請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)返回搜索結(jié)果，否則直接忽略請(qǐng)求。這種機(jī)制不需要中心節(jié)點(diǎn)存在，是一種純分布式的機(jī)制，但是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是隨機(jī)的，沒(méi)有典型的結(jié)構(gòu)特征，因此這種機(jī)制稱(chēng)為純分布式路由查詢(xún)技術(shù)。但是，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)目的不斷增多，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，無(wú)結(jié)構(gòu)化的純分布網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)容路由時(shí)，有很多致命的問(wèn)題難以解決。特別是大規(guī)模節(jié)點(diǎn)消息響應(yīng)風(fēng)暴問(wèn)題，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過(guò)大時(shí)，當(dāng)前沒(méi)有一個(gè)完善的機(jī)制可以解決，這也導(dǎo)致其超大規(guī)模應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)。采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最典型的案例有Gnutella。

3 全分布式結(jié)構(gòu)化拓?fù)?/p>

全分布式結(jié)構(gòu)化拓?fù)涞幕舅枷胧菍⑺泄?jié)點(diǎn)按照某種結(jié)構(gòu)（比如形成一種環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)或樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行有序組織，從而在路由消息的傳遞上避免廣播風(fēng)暴，典型的算法有DHT和Chord。分布式散列表（Distributed Hash Table，簡(jiǎn)稱(chēng)DHT）是將一個(gè)關(guān)鍵值（key）的有限集合合理的分散到所有在分布式系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)上，并且能夠?qū)⑿畔⒂行У剞D(zhuǎn)送到唯一擁有查詢(xún)者提供具有關(guān)鍵值的節(jié)點(diǎn)。而Chord的組織結(jié)構(gòu)式環(huán)網(wǎng)絡(luò)，該算法的核心思想是在資源空間和節(jié)點(diǎn)空間之間尋找一種匹配關(guān)系，使得請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)能夠利用有序的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)快速定位到相關(guān)索引所在的節(jié)點(diǎn)。由于P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)較多，且具有不穩(wěn)定性，這就要求DHT算法必須具有增量的維護(hù)能力。在面臨急劇的網(wǎng)絡(luò)膨脹和節(jié)點(diǎn)不穩(wěn)定斷開(kāi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的路由表能夠進(jìn)行增量更新，節(jié)點(diǎn)的加入或離開(kāi)不能讓網(wǎng)絡(luò)的路由表產(chǎn)生急劇的變化，而只需要維護(hù)少量的更新即可。

4 半分布式拓?fù)?/p>

半分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也稱(chēng)作混雜模式（Hybrid Structure），它主要是吸取了全分布式非結(jié)構(gòu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和中心化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，其將主要節(jié)點(diǎn)分為為兩類(lèi)。一類(lèi)是所謂超級(jí)節(jié)點(diǎn)（Super Node，簡(jiǎn)稱(chēng)SN），另一類(lèi)是普通節(jié)點(diǎn)（Ordinary Node，簡(jiǎn)稱(chēng)ON）。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看成是兩級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)是超級(jí)節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)類(lèi)似隨機(jī)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，每個(gè)SN下面由若干個(gè)普通節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)ON與SN建立鄰居關(guān)系，它們之間形成星型結(jié)構(gòu)，但ON與ON之間沒(méi)有直接的鄰居關(guān)系。一個(gè)節(jié)點(diǎn)成功的加入P2P網(wǎng)絡(luò)，是作為SN還是ON，主要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源決定的。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)是普通節(jié)點(diǎn)，加入P2P網(wǎng)絡(luò)以后，會(huì)選擇一個(gè)SN進(jìn)行通信，選中的SN節(jié)點(diǎn)隨后將推送包含多達(dá)SN的列表發(fā)給新加的節(jié)點(diǎn)，加入節(jié)點(diǎn)將會(huì)根據(jù)列表中SN的狀態(tài)決定選擇哪個(gè)具體的SN作為其父節(jié)點(diǎn)。采用這種結(jié)構(gòu)的最典型的案例就是KaZaa。

5 總結(jié)

綜上所述，在P2P網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中弱化了中心服務(wù)器的作用，使網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)擔(dān)任信息的消費(fèi)者和信息的提供者，并且具有同時(shí)信息通信方面的功能，因此，P2P網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展性很強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的方式靈活多樣，部署的成本低，給互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)布和共享帶來(lái)了巨大的空間。

鹽城師范學(xué)院自然科學(xué)基金項(xiàng)目，編號(hào)14YCKL020