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1、对等网络概念原理及应用一、对等网络概述1.1 对等网络的定义集中式管理与控制模式 网络结点在功能上是不平等的，总有一些少数结点在网络中占居中心主导地位，管理其它从属结点可执行的操作，控制它们间的信息交互。其特点是网络管理复杂度小且易于控制，但不足是网络工作效率低、规模扩展性不好且存在单点故障。分布式管理与控制模式 网络结点在功能上是平等的，网络中没有结点比其它结点拥有更大的特权，网络的管理与控制有各个结点间的相互协作来完成的。其特点是网络工作效率高、规模扩展性强，但网络管理复杂度大且不易于控制。虽着因特网规模的不断扩大与应用功能的不断扩展，目前因特网主流应用模式- 客户服务器模式已不能满足用户
2、的实际需求。迫切需要新的应用模式。对等计算思想本质：打破传统的网络集中管理与控制的客户服务器模式，使网络成员享有自由、平等、互联的权力。对等网络（Peer-to-Peer network，P2P ）：分布式系统与计算机网络相结合的产物，是采用对等计算模式工作的计算机网络（应用服务） 。每个节点在行为上是自由的，在功能上是平等的，在关系上是互联的。所有节点分布式地自组织成一个整体网络，能够极大地提高网络效率，充分地利用网络带宽，发挥每个网络节点的潜能。对等计算起源于 1956 年，但由于当时的网络技术条件的限制与网络应用没有充分地发展起来，一直未引起学术、工业与商业界重视，因此，它的发展十分缓慢
3、。网络应用实践表明：任何一种思想、理论与技术的流行通常需要一个杀手级的应用（killer application）,以一种征服性的力量冲击人们的传统思维。对等网络的杀手锏级的应用则出现在 1999 年，第一个应用性对等网络 Napster，一种音乐下载软件，创造了在半年时间内拥有 5000 万用户的网络奇迹，向世人展示了对等网络的优异性能和巨大潜力。继 Napster 之后，又有一系列随着人们耳熟能详的对等网络应用软件，如Gnutella、KaZaA、BitTorrent、eDonkey/eMule 、Skype 等，进入了日常网络应用之中，其流量占据 Internet 总流量的一半以上，已成
4、为改变 Internet 的新一代网络应用技术从对等网络的设计思想出发，兼顾已有的网络体系结构和出现的时间两方面因素，对等网络可分为三代：第一代 混合式对等网络 它是 C/S 与 P2P 两种模式的混合结果；第二代 无结构对等网络 它以分布、松散的结构来组织网络；第三代 结构化对等网络 它以准确、严格的结构来组织网络，并能有效地定位节点和数据。对等网络与已有的 TCP/IP 的关系 对等网络应用与以前讲述的客户/服务器模式、集中式系统与分布式系统等均都是指工作在应用层上的工作方式，而 TCP/IP 体系的下三层通常采用标准与单一的工作方式，为应用层不同的工作方式提供服务的。对等网络的核心机制对
5、等网络是在应用层建立逻辑上的覆盖网络（Overlay Network）,它不考虑下面三层是如何工作的，将注意力集中于覆盖网络的设计与优化上。注意覆盖网络中两个节点间的路径序列与其对应在 IP 网络中路径序列常常是不一致的。（图陈贵海 p.5 图 1.1.4）对等网络的核心机制是由围绕在一个确定覆盖网络结构上采用某种方法能准确与快速地路由消息和定位数据对象的一系列处理过程组成。这些处理过程主要如下：覆盖网拓扑结构、分布式散列表、路由和定位、 查询和搜索、动态结点算法以及容错性。例如 在有结构的覆盖网络上依靠分布式散列函数（ Distributed Hash Table,DHT）能准确与快速地路由
6、消息和定位数据对象。这个核心机制的不足是语义模糊查询的困难和对动态网络环境中错误行为的容忍性下降。1.2 对等网络的发展历程第一阶段（1999-2000）：混合结构的对等网络1999 年 Shawn Fanning 开发了世界第一个应用性 P2P 网络软件 Napster，它是第一代P2P 网络- 混合式 P2P 体系（ Hybrid P2P architecture）中最杰出的代表，向世界传达 P2P思想精髓，展现其巨大的潜力。2000 年 3 月第一个无结构的 P2P 网络 Gnutella 诞生于 NullSoft 公司，揭开无结构对等网络应用的序幕。与前两个系统主要用于交换文件的应用目
7、的不同，一“自由、安全与匿名”著称的无结构网络-Freenet 问世了，其目的是共享 Internet 上的计算机资源。实际上，它是一个不受限制、不受审查得信息发布与获取平台。还有 kaZaA、eDonkey 等系统。2000 年，著名出版人 OReilly 组治疗一次意义重大的 P2P 峰会。2000 年 8 月 Intel 公司宣布成立 P2P 工作组，IBM,HP 等公司纷纷加入其中。 2002 年 Intel 公司发布了基于.NET 基础架构的 P2P Accelerator Kit （P2P 加速工具包）和 P2P 安全 API 软件包，从而使人们能在微软环境下迅速地建立 P2P 安
8、全 Web 应用。IBM 与 HP 利用 P2P 技术共同推出了开放存储系统，使用户可以方便地从用户硬盘向服务器上复制数据。HP 公司还基于 P2P技术的对等网网络打印机。第二阶段（2001-2003）：无结构的对等网络此阶段结构化的 P2P 体系的对等网络出现，其典型结构有：Chord、CAN、TapeStry,CFS、OceanStore、PAST 等。2004 年 Ray Ozzie 创立了 Groove 公司，开发了 Groove Virtual Office(虚拟办公室)，其目标是利用 P2P 技术营造一个 Internet 协同办公平台。2002 年 5 月 Merkur 继承 e
9、Donkey 的主要功能，开发了 eMule 系统，获得了比 eDonkey 系统更好的性能。 2002 年 10 月，新一代混合式 P2P 网络 Bit Torrent(BT)推出，它基于文件的分散式服务器，将共享同一个文件的用户组成一个独立的子网。2003 年，商业上诞生了一颗璀璨的新星-Skype 公司，它是全球第一家基于 P2P 技术的及时通信公司。它采用 P2P 技术为用户提供免费或廉价的语音通话服务，使用端到端的加密技术保证通信的安全可靠。微软公司开发了 windows XP P2P 软件开发包，使用户能在 XP 上编写 P2P 应用程序。第三阶段（2004-2006）：结构化的对
10、等网络2004 年，在 IPDPS 会议上基于 CCC 拓扑的 Cycloid 常数度 P2P 模型被提出，它兼有常数度、超立方体、环形等多种属性，可看成是对此前诸多结构化 P2P 模型的一个总结。从 Cycloid 的提出可以看出，P2P 网络的主要问题、核心机制、整体架构已形成，人们对这些重大问题的看法已达成共识，下一步的工作应该主要放在更具体、更高效、更实用的方面。例如将各种不同 P2P 系统，像 web 应用那样整合起来，甚至将 P2P 与 Web 整合起来。1.3 对等网络特征自由、平等与互联是对等网络的主要特征。自由节点自主决定自己的行为。平等节点无主次之分。互联节点可依据某种关系
11、与其它节点建立逻辑连接，从而构成应用层覆盖网络。对等网络区别于其它系统的本质特征具体体现如下网络拓扑结构严格 该网络在网络应用层构建了一个有严格拓扑结构的覆盖网。该结构对对等网络功能的实现具有基础意义。常见的结构有：星型结构、随机图结构、双层结构、带玄环结构、超立方体结构、多维空间结构、蝴蝶结构及 CCC 结构等。节点和数据对象位置确定 通过基于一致散列函数提供物理网上的节点与数据到覆盖网上的节点与数据映射，并在覆盖网上实现节点与数据对象的某种关联，这对结构化的对等网络来说，它能保证准确定位到节点与数据上。高效路由 任意两个节点间的定位所需的覆盖网络的路由跳数的典型值为TTL（对无结构网络）或
12、 LogN（结构化网络） ，其中 TTL 为跳数限制，N 为覆盖网络中节点的个数。注意：覆盖网与物理网的互联拓扑结构的不一致，实际IP 路由跳数会高于覆盖网路由跳数，但仍可控制在 LogN 的常数倍范围内。负载均衡 由于采用一致散列函数，所有的节点都大致均匀地分布在网络结构上，所有的数据都大致均匀地分布在已存在的节点上。容错与动态自适应 采用冗余和周期性检测等方法，处理覆盖网上节点的增删与这些节点上存放数据的调整，数据对象的增删。行为的自由与匿名性 因采用一致散列函数，它将用户信息与数据对象信息映射到一个表面上看起来没有任何意义数值标识(ID)，这个标识惟一代表了用户和数据，由于安全散列函数的
13、单向性和抗冲突性，不可能从此 ID 破解出它所代表的信息，P2P 网络上用户是匿名的。1.4 对等网络优点网络工作效率高 C/S 模式是基于集中控制的，存在一个网络工作效率的中心节点。P2P 模式采用非集中处理结构，不存在一个网络工作效率的中心节点。它在网络应用层构建了一个有（严格）拓扑结构的覆盖网络。采用一致性散列函数（Consistant hashing）将网络节点和数据对象高效、均匀地映射到覆盖网络中，使得它有很高的路由效率（查找时间约为 logN） 。充分利用网络带宽 C/S 模式是基于集中控制的，网络带宽受服务器性能和客户端的数量限制。P2P 模式中任意对等节点间平等地互联、自主的交
14、换信息中不受其它节点控制，数据传输速率只取决于网络带宽，因此，它能充分利用网络带宽。发挥每个网络节点的潜力 C/S 模式中几乎所有的计算任务都在核心节点服务器上执行。P2P 模式中将网络的核心从服务器转变为每一个网络节点，数据分散地存储在所有的节点上，计算任务由各个结点分布、协同地完成，每个节点都是网络的主体。 高可扩展性 C/S 模式当网络结点总数增加时，服务器负载也会随之线性地增加，其服务性能也会随之降低。P2P 模式中当网络结点总数增加时，随之增加的通信量被更多的节点所分担，每个节点承担的负载并不会增大太多，也不需要增加额外设备且 P2P 网络路由跳数的增量非常少。容错性强 由于网络的动
15、态变化，网络上节点的动态增删与数据对象的动态增删会使网络节点的状态变的陈旧，与实际网络应有的状态不一致，进而影响网络工作效率。采用冗余和周期性检测等方法，处理这种情况。1.5 对等网络的应用文件共享系统名称 功能NapsterBit Torrent GnutellaFast Track/KaZaAeDonkey/eMuleFreenetMaze 多媒体传输系统名称 功能Skype PeerCast AnySeeMercoraPPLive、 TvAnts、CCIPTV、QQ实时通信系统名称 功能QQPoPo MSN MessengerICQJabberGoogle Talk协同工作系统名称 功能
16、Groove分布式数据存取系统名称 功能CFSPASTOceanStoreGranary分布式计算系统名称 功能GPUSETIHomeEntropiaDP2P 搜索引擎系统名称 功能PandangoPASTOceanStoreGranary其它应用系统名称 功能TinyP2PHamachi 迅雷 基于 P2P 技术的多源下载工具，主要作为Web 插件集成到Web 浏览器中。JXTA Sun 公司提供的一个开放、通用互操作的P2P 开发平台Bayeux UC berkely 开发的P2P 多播应用SCRIBE Microsoft Research 开发的通用、可扩展的组通信和事件发布系统，提供应用层多播和任意播SQUIRREL Microsoft Research 开发的分布式协同 Web缓存，似的用户 Web浏览器能共享缓存。二、 P2P 网络的核心工作机制覆盖网拓扑结构 适当拓扑结构有利于 P2
