P2P网络及关键技术研究.docx
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P2P网络及关键技术研究
P2P网络及关键技术研究
王璞
摘要：
介绍了P2P网络的技术发展，详细分析了4种典型的P2P网络结构，论述了P2P网络发展的关键技术，对P2P网络的特性以及存在的问题进行了探讨，为P2P网络更深层次的应用奠定基础。
关键词：
P2P网络网络模型协议洪泛
ResearchandAnalysisofKeyTechnologyofP2PNetworks
WangPu
Abstract：
ByintroducingthetechnologydevelopmentofP2Pnetwork,fourtypicalP2Parchitecturesareanalyzedindetailinthispaper,keytechnologyinthedevelopmentofP2Pnetworkisdiscussed,andkeyfeaturesandthedifficultproblemsexistedofP2Ptechnologyarediscussed,layingthefoundatinsforthefurtherapplicationofP2Pnetwork.
Keyword：
P2PNetworkNetworkModelProtocolFlooding
目录
第一章绪论1
第二章p2p网络概述2
2.1P2P概述3
2.2P2P网络模型3
2.2.1集中式P2P网络4
2.2.2全分布式非结构化P2P网络5
2.2.3全分布式结构化P2P网络6
2.2.4混合式P2P网络7
2.3P2P实现的功能8
2.3.1对等计算8
2.3.2协同工作9
2.3.2搜索引擎9
2.3.2文件交换9
第三章P2P网络关键技术的分析10
3.1资源搜索10
3.1.1集中索引算法10
3.1.2洪泛消息算法10
3.1.3文件路由算法10
3.2多源传输11
3.3P2P网络路由12
3.4P2P网络监控技术13
第四章P2P技术的应用和发展15
4.1实时通讯15
4.2协同工作16
4.3内容分发17
4.4分布式计算20
第五章P2P技术面临的问题22
5.1侵犯版权问题22
5.2缺乏管理机制22
5.3吞噬网络带宽问题23
5.4P2P网络的安全问题23
5.4.1安全漏洞23
5.4.2信用问题24
5.4.3数字版权问题24
第六章总结与展望25
致谢27
参考文献28
第一章绪论
如今网络已经成为人们生活中不可或缺的一部分了，Internet、局域网，甚至手机通信的GPRS，生活中处处有着网络的存在。
网络的蓬勃发展，使许多新的技术和应用成为可能，而P2P正是目前日益广泛使用的网络应用技术。
由于它在强化交流、文件传播、分布计算等方面所表现出的巨大优势，是目前公认具有广泛应用前途的未来“杀手级”应用。
P2P技术，也称为对等网络（Peer-to-Peer）技术，这是一种网络结构的思想。
它与目前网络中占据主导地位的客户端/服务器（Client/Server）结构（WWW所采用的结构方式）的一个本质区别是，整个网络结构中不存在中心节点（或中心服务器）。
在P2P结构中，每一个节点（Peer）大都同时具有信息消费者、信息提供者和信息通讯等三方面的功能。
在P2P网络中每一个节点所拥有的权利和义务都是对等的。
P2P技术是对传统C/S模式的一种颠覆，它解决了服务器等中心资源的“瓶颈”，在某种意义上提升了资源的利用率。
现在P2P网络主要有四种模型：
集中式P2P网络、全分布式非结构化P2P网络、全分布式结构化P2P网络、混合式P2P网络。
而P2P在网络上主要有四种关键技术：
资源搜索、多源传输、P2P网络路由和P2P网络监控技术。
P2P技术在最近几年获得了高速的发展，也出现了较多应用，但截至目前，P2P中仍有很多的关键技术问题并没有得到解决，其中最典型的就是带宽吞噬、网络可扩展性差和路由效率低下等问题。
这导致P2P至少在目前的技术水平而言只能是一种小范围不可靠的应用或是满足特定任务需求的专门应用。
并且，作为一种潜在的商业应用，如何在P2P网络中有效地保护知识产权以及如何设计盈利模式将会面临更为严格的考验。
未来的网络将呈现大规模分布式、全球性计算和全球性存储的特征，从长远的趋势来看，对于访问和传输服务的需求必将远远大于对于计算功能的需要。
尽管P2P技术现在还不成熟，但是迄今为止，至少在理论上P2P仍是最有吸引力的个人通信技术。
尤其是P2P与网格技术的结合将是分布式计算技术最有吸引力的发展趋势，虽然现在还没有成熟的方案，但随着分布式系统经典问题的解决以及优化的资源动态分配和资源恢复技术的成熟，P2P与网格技术必将结合起来以影响整个计算机网络的概念和人们的信息获取模式。
本文介绍了P2P网络的技术发展，详细分析了4种典型的P2P网络结构，论述了P2P网络发展的关键技术，对P2P网络的特性以及存在的问题进行了探讨。
第二章P2P网络概述
2.1P2P概述
P2P是peer一To一peer的缩写，peer在英语里有“（地位、能力等）同等者”、“同事”和“伙伴”等意义。
P2P也可理解为“伙伴对伙伴”的意思，或“对等联网”。
简单的说，P2P让人们通过互联网直接交互。
这样，P2P就使人可以直接连接到其他用户的计算机、交换文件，而不是像过去那样连接到服务器去浏览与下载；它改变互联网现在的以大网站、服务器为中心的状态、重返“非中心化”，并把权力交还给用户。
传统的网络应用模式基本是“客户端一服务器”（C/S）方式和“浏览器-服务器”方式一统天下。
服务的提供者（发布者）通过网络服务器向大众提供（发布）资源，用户通过客户端（硬件或软件）按照规定的协议向服务器索取所需的内容。
在这一方式下，一切服务都是以服务器为核心，以它的正常运转为前提。
P2P技术从根本上颠覆了传统模式。
新的模式模糊了服务提供者与使用者的界限，甚至不再有传统意义上的服务器，服务提供者的作用大为减弱。
每一个参与的使用者同时也成为了提供者。
在一个P2P的应用网络中，发布者的作用有些类似于启动的“按钮”和极端情况下的应急备份，先加入的使用者很快就会成为服务的提供者，为后来的使用者提供服务。
2.2P2P网络模型
P2P网络是一种具有较高扩展性的分布式系统结构，其对等概念是指网络中的物理节点在逻辑上具有相同的地位，而并非处理能力的对等。
以NaPster软件为代表的P2P技术其实质在于将互联网的集中管理模式引向分散管理模式，将服务从中央单一节点引向网络的边缘，从而充分利用互联网中众多终端节点所蕴涵的处理能力和潜在资源。
相对于传统的集中式客户/服务器（C/S）模型，P2P弱化了服务器的概念，系统中的各个节点不再区分服务器和客户端的角色关系，每个节点既可请求服务，也可提供服务，节点之间可以直接交换资源和服务而不必通过服务器。
P2P系统最大的特点就是用户之间直接共享资源，其核心技术就是分布式对象的定位机制，这也是提高网络可扩展性、解决网络带宽被吞噬的关键所在。
迄今为止，P2P网络已经历了三代不同网络模型，各种模型各有优缺点，有的还存在着本身难以克服的缺陷，因此在目前P2P技术还远未成熟的阶段，各种网络结构依然能够共存，甚至呈现相互借鉴的形式。
2.2.1集中式P2P网络
集中目录式P2P结构是最早的P2P应用模式，因其仍具有中心化的特点也被称为非纯粹的P2P结构，Napster是这种模型的典型代表，如图2.1所示。
集中目录式模型，是由一个中心服务器来负责记录共享信息以及反馈对这些信息的查询，每一个对等实体要对它所需共享的信息以及进行的通信负责。
当某节点希望搜索一个不知道位置的资源时，该节点向目录服务器发送请求，目录服务器在数据库中查询到匹配的资源后将其定位信息返回该节点，然后在两个节点之间执行交互。
与传统的客户/服务器模式不同，这种模式中客户所需要的资料并非存储在服务器上，而是存贮在P2P网络内的各个节点中，当查询节点收到节点地址信息列表后，会根据网络流量和延迟等信息选择合适的节点建立直接连接，其文件传递并不经过中央目录服务器，而是直接在节点之间通过TCP协议进行。
此外服务器与对等实体以及对等实体之间都互有交互能力。
图2.1是集中目录式P2P模型
集中目录式P2P首先实现了文件查询与文件传输的分离，有效地节约了中央服务器的带宽消耗，减少了系统的文件传输延时。
但中央目录服务器却成为脆弱的瓶颈，如果该服务器失效，整个系统都会瘫痪。
而且，不同等级的用户连接速度也会使系统性能大大降低。
在Napster之后的P2P系统，都在这一点上进行重点改进，系统基本上都采用无中心结构，准确性和可扩展性都得到极大提高。
2.2.2全分布式非结构化P2P网络
分布式P2P网络采用随机图的组织方式，利用TTL（Time-to-Live），洪泛（Flooding），随机漫步或有选择转发等方式搜索网络资源。
当节点度数服从幂率（power-law）规律时，该方式能够较快发现目标结点，而且面对网络的动态变化体现了较好的容错能力。
代表性网络是Gnutella，如图2.2所示。
在分布式P2P模式下，所有节点都参与服务，控制流和数据流都在对等节点之间交互，解决了中心化的问题，避免服务器瓶颈，部分节点出问题也不会影响整个网络的运行，搜索结果更新
比较及时，时效性高；但是，采用flooding方式传播搜索请求，造成网络额外开销比较大，随着P2P网络规模的逐渐扩大，网络开销成指数级上升。
因此准确性和可扩展性是非结构化网络面临的两个重要问题。
图2.2Gnutella分布式P2P网络模型
2.2.3全分布式结构化P2P网络
结构化P2P模式是一种采用纯分布式的消息传递机制和根据关键字（KEY）的定位服务，从根本上改变了P2P网络无结构的状态。
其中主流的方法就是采用分布式哈希表（DistributedHashTable,DHT）技术，是目前扩展性最好的P2P路由方式之一。
DHT首先为网络中的每一个节点分配虚拟地址（VID），同时用一个关键字（KEY）表示其可提供的共享内容。
通过一个特定的哈希函数（一般使用的是安全哈希函数，如SHA-1等）将文件名（KEY）与节点信息（VID）运算为一个哈希值H（KEY,VID），当网络上其它节点进行资源定位的时候，可以容易地根据H（Key）值获得文档的精确存储位置。
由于DHT各节点并不需要维护整个网络的信息，只在节点中存储其临近的后继节点信息，因此较少的路由信息可有效地实现到目标节点，同时又取消了洪泛算法，该模型有效地减少了节点信息的发送数量，增强了P2P网络的扩展性。
同时，出于冗余度及延时的考虑，大部分DHT总是在节点的虚拟标识与关键字最接近的K个节点上备份冗余信息，避免了单一节点失效的问题。
基于DHT的路由方式是P2P系统研究的主流之一。
所涉及的系统一般都假定节点的能力相当，这对于较小规模的系统非常有效，但这种假设并不适合大规模的Internet部署。
目前，成功应用也比较少见。
2.2.4混合式P2P网络
混合式P2P网络结合了集中式结构和分布式拓扑的优点，网络中存在着中间服务器，文件目录是分布的。
在分布式模式的基础上引入了超级节点（SuperNode）概念，将用户节点按能力（处理、存储、带宽等方面性能）分为搜索节点和普通节点两类，搜索节点与其临近的若干普通节点之间构成一个自治的簇（Cluster），簇内采用基于集中目录式的P2P模式，而整个P2P网络中存在着众多这样的簇，各个不同的簇之间再通过分布式P2P模式
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