【文章內(nèi)容簡介】 用戶的小型系統(tǒng)。事實上，基于任何特殊硬件和軟件系統(tǒng)之上的應(yīng)用都經(jīng)不起未來的考驗。因此，要構(gòu)建一個P2P網(wǎng)絡(luò)，必須考慮如下問題：● Peer如何找到其他Peer？也就是Peer的發(fā)現(xiàn)機制是什么？● Peer之間如何傳遞信息？Peer的通信協(xié)議是什么？● P2P網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系？是完全推翻？還是可以利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來搭建P2P網(wǎng)絡(luò)？ P2P如何形成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)是P2P系統(tǒng)存在的基石?；ヂ?lián)網(wǎng)是帶有某些靜態(tài)特性的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。例如，連接到互聯(lián)網(wǎng)的任何計算機都被分配一個唯一的IP地址。當(dāng)今占統(tǒng)治地位的IPv4協(xié)議使用32位的IP地址。這種IP地址的表示方法是用點好隔開的十進制數(shù)字。這種地址模型限制了我們最終能使用的IP地址的數(shù)量。需要使用IP地址的計算機和設(shè)備的增長已遠遠超出了IPv4協(xié)議設(shè)計者們的預(yù)想。我們很快就會用完IPv4能提供的所有IP地址了。現(xiàn)在，人們已經(jīng)提出了IPv6協(xié)議。這個協(xié)議不僅大大增加了可用IP地址的數(shù)量，并且還能后向兼容IPv4協(xié)議。IPv6使用128位的IP地址。IPv6的IP地址的表示方法是用冒號隔開的十六進制數(shù)字。例如：FEDC:B978:7654:3210:F93A:8764:54C3:。但是，目前還不知道什么時候IPv6才能得到廣泛使用。因為我們更容易記住名字而不是數(shù)字，所以互聯(lián)網(wǎng)提供了一種使用名字來識別計算機的機制。DNS（Domain Name Service，域名服務(wù)）提供了幫助用戶識別計算機或?qū)⒂嬎銠C名映射為IP地址的方法。因此，我們可使用://。盡管我們使用IP地址和DNS來識別和尋址網(wǎng)絡(luò)上的某臺計算機，但P2P系統(tǒng)依然面臨巨大挑戰(zhàn)。使用IPv4能提供的有限的IP地址導(dǎo)致了尋址計算機的新機制。NAT使我們能將一組保留IP地址分配給某個局域網(wǎng)上的計算機。當(dāng)連接到互聯(lián)網(wǎng)時，這些計算機共享一個“公共”IP地址。因為保留IP地址組是為私有網(wǎng)絡(luò)上的計算機預(yù)留的，所以這些預(yù)留IP地址不會出現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)上（即成為公共IP地址）。因此，這些IP地址可重用。盡管這些機制實現(xiàn)了IP地址的神奇轉(zhuǎn)換，但也使得尋址實際的計算機地址變得更加困難，尤其在動態(tài)環(huán)境中更是如此。使用IPv6的新一代互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計目的就是為了解決這一問題。但遺憾的是，這可能是未來幾年之后才能實現(xiàn)的事。除NAT之外，互聯(lián)網(wǎng)上IP地址的動態(tài)分配也非常普遍。這種分配IP地址的方式本身就為尋址計算機帶來了問題。P2P系統(tǒng)如何識別其標(biāo)志不斷變化的對等節(jié)點？P2P網(wǎng)絡(luò)必須能唯一地標(biāo)志該網(wǎng)絡(luò)上的多有對等節(jié)點和可用資源。因此，P2P系統(tǒng)必須定義自己的獨立與IP地址和DNS的命名規(guī)則。為了使P2P系統(tǒng)上的用戶擁有自己的永久標(biāo)志，P2P系統(tǒng)必須創(chuàng)建虛擬名字空間。不同于DNS等尋址方法中采用的預(yù)定義或預(yù)配制方式，P2P系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的對等節(jié)點通過使用IP地址或DNS作為導(dǎo)航助手來相互尋址，從而形成動態(tài)或虛擬網(wǎng)絡(luò)。形成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)是P2P系統(tǒng)的典型特征。一、尋址P2P系統(tǒng)中的對等節(jié)點和資源關(guān)于在P2P系統(tǒng)中如何尋址節(jié)點和資源的問題，已經(jīng)見諸于大量的出版物并引起了廣泛的討論。時至今日，這個問題的解決已成為成功的P2P系統(tǒng)的重要標(biāo)志。讀者可從兩個層次來思考尋址問題。首先，尋址過程和發(fā)現(xiàn)一個對等節(jié)點相關(guān)。這里所謂的對等節(jié)點是指可能理解節(jié)點間交換的協(xié)議信息的信息處理實體。這個信息處理實體和其他實體使用同一種語言，并且該實體能理解這種語言的語義。對等節(jié)點的尋址目的是需要找到某項服務(wù)或幫助，并克服很多與信息處理相關(guān)的問題。如果對等節(jié)點不理解相互交換的信息，那么它們就無法處理相互交換的大量數(shù)字信息。尋址的第二個層次與用戶發(fā)現(xiàn)自己感興趣的資源相關(guān)。早期的P2P應(yīng)用程序是用于處理文件共享和文件檢索的。與流行的搜索引擎不同，P2P應(yīng)用程度采用了新的技術(shù)來檢索互聯(lián)網(wǎng)上的文件和信息。傳統(tǒng)的信息檢索技術(shù)已經(jīng)無法容納互聯(lián)網(wǎng)上以指數(shù)形式增長的海量信息了。盡管流行的搜索引擎都支持并行計算機制，但發(fā)現(xiàn)可用信息的時間延遲卻在持續(xù)增長。P2P為互聯(lián)網(wǎng)上的信息檢索提供了一種更加實時化的資源尋址方法。但尋址技術(shù)和所需協(xié)議的代價也是非常昂貴的。有人對Gnutella軟件的遭遇做過詳盡的記載。，作為流行的文件共享和搜索程序，Gnutella沒有采用傳統(tǒng)的廣播機制來尋址對等節(jié)點。廣播次數(shù)的增長非常之快——用戶越多，廣播越多；當(dāng)用戶基數(shù)增長太快時，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將因崩潰而停止運行。與此同時，大量的Gnutella請求將阻塞網(wǎng)絡(luò)。Gnutella的成功之處在于它注意了對尋址結(jié)構(gòu)的限制。 一旦網(wǎng)絡(luò)增長超過預(yù)期,Gnutella將很快遭遇”廣播風(fēng)暴”對于成功設(shè)計和實現(xiàn)基于對等節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)，一種有效的尋址機制是至關(guān)重要的。為了提高尋址效率，這種尋址機制必須在不同的運行環(huán)境中保持高效率。不管網(wǎng)絡(luò)規(guī)模多大，這種尋址機制都必須能迅速尋址到對等節(jié)點和相應(yīng)資源。另外，這種尋址機制還必須有足夠的靈活性以防范黑客攻擊和安全入侵，否則這種尋址機制的可行性將受到嚴重質(zhì)疑。當(dāng)把集中化系統(tǒng)的尋址機制用于基于對等節(jié)點的大型網(wǎng)絡(luò)時，這些尋址方法往往無能為力。集中化系統(tǒng)的尋址方法要么缺乏可擴展性，要么會在系統(tǒng)中產(chǎn)生單點錯誤?，F(xiàn)在業(yè)界已經(jīng)開始使用多種采用不同結(jié)構(gòu)和設(shè)計的分散化的尋址方法。這些方法各有千秋，因此特定的方法往往只適合特定的環(huán)境。但在基于對等節(jié)點的大型網(wǎng)絡(luò)中，這些方法都有不足。二、簡單廣播簡單廣播將一次請求發(fā)送到同一網(wǎng)段中的所有節(jié)點上，當(dāng)將簡單廣播作為尋址方法時，簡單廣播能找到大量可能存在的對等節(jié)點或發(fā)現(xiàn)大量資源。這種方法的不足之處在于：當(dāng)用戶基數(shù)線性增長時，廣播請求的數(shù)量將以指數(shù)方式增長。這種方法可能會導(dǎo)致對網(wǎng)絡(luò)帶寬的巨大需求。某些情況下，廣播請求將阻塞網(wǎng)絡(luò)，并引發(fā)超時和數(shù)據(jù)重傳，這將使本已不堪重負的網(wǎng)絡(luò)帶寬更是雪上加霜。同時，網(wǎng)絡(luò)中還存在安全性問題和拒絕提高服務(wù)的可能。一個懷有惡意的對等節(jié)點可能會通過引發(fā)與用戶基數(shù)不成比例的大量廣播請求來阻塞網(wǎng)絡(luò)。這將中斷網(wǎng)絡(luò)運行并降低網(wǎng)絡(luò)效率。因此，簡單廣播只適用于小型網(wǎng)絡(luò)。三、選擇性廣播簡單網(wǎng)絡(luò)的改進版之一是選擇性廣播。選擇性廣播不會將廣播請求發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的所有對等節(jié)點，而是根據(jù)用戶提供的限制性條件，比如節(jié)點提供的服務(wù)數(shù)量、內(nèi)容可用性或信任關(guān)系等，選擇相應(yīng)的節(jié)點發(fā)送廣播請求。但這種廣播方式需要系統(tǒng)保留有關(guān)節(jié)點通信的歷史信息。尋址請求被發(fā)送到選中的節(jié)點。用戶可根據(jù)自己定義的對等節(jié)點間的連接標(biāo)準來估計目標(biāo)點節(jié)點的響應(yīng)時間。例如：用戶可能只將尋址請求發(fā)送到其支持的帶寬請求不低于某個最小值的對等節(jié)點，或?qū)Y源的請求只發(fā)往可能包含該資源的節(jié)點。當(dāng)然，如果用戶需要了解的對等節(jié)點越多，系統(tǒng)的動態(tài)性就越小。如果不通過某種方式降低網(wǎng)絡(luò)中的固定關(guān)系和靜態(tài)關(guān)系，那么P2P的優(yōu)勢很快就會喪失殆盡。選擇性廣播中仍然存在安全性問題。為了使選擇性廣播有效運行，非常重要的一點是使所以的對等節(jié)點都成為知名節(jié)點。四、適應(yīng)性廣播和選擇性廣播一樣，適應(yīng)性廣播的目的也是盡量實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接最大化和帶寬使用最小化。選擇標(biāo)準可通過對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的深入了解得到加強，例如用戶可制定尋址操作中可使用的內(nèi)存和帶寬限制；通過預(yù)定義資源限制水平，用戶可在尋址或資源搜索操作所使用的資源超過這個限制條件時限制該操作的運行，從而達到控制尋址和資源搜索所占資源的增長。這將確保網(wǎng)絡(luò)不會因為故障元件、誤操作的節(jié)點惡意攻擊而消耗大量資源。適應(yīng)性廣播需要使用一些監(jiān)控資源，比如對等點標(biāo)識、消息隊列尺寸、端口使用情況和消息尺寸及消息頻率等。適應(yīng)性廣播能降低某些對網(wǎng)絡(luò)安全的攻擊，但不能完全消除攻擊。五、資源尋址資源尋址和節(jié)點尋址密切相關(guān)。這兩者的不同之處在于節(jié)點擁有信息處理能力（智能化設(shè)備）。對等節(jié)點能通過程序接口參與信息處理的過程。與對等節(jié)點相比，資源的靜態(tài)特征更為顯著，并且資源所需的僅僅是識別該資源的標(biāo)識而已。資源尋址可通過集中或分散化檢索方法實現(xiàn)。在同樣開銷情況下，集中化檢索方法能提供良好的性能。滿足大型對等網(wǎng)絡(luò)硬件和帶寬要求的費用可能會很高。但有一點，在某些情況下，不管使用多少軟硬件。集中化檢索方法都會在可擴展性問題方面遇到困難。分散化檢索方法力圖克服集中化檢索方法在可擴展性方面遇到的問題。為了提高分散化索引系統(tǒng)的性能，存儲在系統(tǒng)上的所有文件和文檔都被分配了一個唯一的ID。這個ID的目的是識別或定位資源。分散化系統(tǒng)能很容易地將資源ID映射為資源。Free Net軟件采用了這種資源檢索方法。這種方法的不足之處在于對資源的檢索必須十分精確；任何資源都必須有唯一的標(biāo)識。分散化索引系統(tǒng)的另一個問題是持久保存緩沖信息。索引能在很短時間內(nèi)失去和資源的同步。因為對等節(jié)點能隨意進入和離開網(wǎng)絡(luò)，而且索引種的資源也變化不定，所以對等網(wǎng)絡(luò)非常不穩(wěn)定。讓所有因素保持同步和有效分布資源所引起的開銷是分散化索引系統(tǒng)在可擴展性方面遇到的主要障礙。因為對等網(wǎng)絡(luò)如此不穩(wěn)定，所以要知道一個節(jié)點何時處于在線狀態(tài)需要開發(fā)高效的以用戶為中心的分布式系統(tǒng)。雖然這種系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的影響程度與具體的應(yīng)用程序相關(guān)，但讀者必須理解這兩者之間的關(guān)系。 節(jié)點自制P2P系統(tǒng)是高度分散化和分布化的系統(tǒng)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)非常了解分布式系統(tǒng)的優(yōu)越性了。當(dāng)你需要升級系統(tǒng)以便為增長的資源需求提供支持時，往往需要采用分布式處理系統(tǒng)。你還可能因為地理原因采用分布式系統(tǒng)，其目的是將資源和程序放到離其訪問節(jié)點更近的地方。采用分布式系統(tǒng)的另一個原因是提供更高的容錯能力和網(wǎng)絡(luò)靈活性以及支持資源共享和增加協(xié)作性。分散化系統(tǒng)提高了節(jié)點的自治能力。在P2P系統(tǒng)中，節(jié)點是高度自治的。對等節(jié)點是獨立的并實行自我管理。前面已經(jīng)提到，在客戶/服務(wù)器模型中，服務(wù)器控制和管理著客戶端與資源，比如數(shù)據(jù)庫、文件、網(wǎng)絡(luò)以及該客戶端和其他客戶端之間的關(guān)系等。對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的操作、管理和監(jiān)控而言，這種模型有著多方面的優(yōu)勢。集中化系統(tǒng)的優(yōu)勢之一在于集中化的監(jiān)控和管理，可以從中心節(jié)點實現(xiàn)對資源的安全性保護，可以通過使用附加功能來彌補網(wǎng)絡(luò)物理拓撲結(jié)構(gòu)上的不足。例如，服務(wù)器可作為敏感技術(shù)資源的網(wǎng)關(guān)。分散化系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的管理更加困難。在分布式系統(tǒng)中，往往不能及時發(fā)現(xiàn)故障元件。更糟的是，部分故障產(chǎn)生后果和副作用是網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序無法處理的。我們可能無法估計由遠程通信產(chǎn)生的響應(yīng)時間和延遲效應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可能時好時壞。過于頻繁的網(wǎng)絡(luò)錯誤和網(wǎng)絡(luò)超時會使對等節(jié)點的通信很不穩(wěn)定。同步化操作將使帶寬資源更為緊張。任何基于分布式系統(tǒng)的解決方案都應(yīng)該減少或完全消除這些因素。P2P系統(tǒng)是建立在這樣的假設(shè)基礎(chǔ)上的；網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)是分布式的且網(wǎng)絡(luò)是不穩(wěn)定的。不同的P2P系統(tǒng)采用不用的方法處理網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性問題。P2P系統(tǒng)中的對等節(jié)點既能提供服務(wù)又能接受服務(wù)。P2P系統(tǒng)中沒有客戶端和服務(wù)器角色的區(qū)別。任何對等節(jié)點都能提供服務(wù)或?qū)ぶ芬粋€能提供該節(jié)點所需的服務(wù)的對等節(jié)點。當(dāng)一個對等節(jié)點請求服務(wù)時，可將其看成客戶端；反之，當(dāng)一個節(jié)點向其他節(jié)點提供服務(wù)時，可將其看成服務(wù)器。對等節(jié)點常常用于需要高度并行化的系統(tǒng)。并行化方法并不是計算機領(lǐng)域內(nèi)的新事物。事實上，現(xiàn)在進行的很多計算都是以并行化的方式實現(xiàn)的。多處理器計算機和操作系統(tǒng)依靠其并行處理能力執(zhí)行任務(wù)。線程控制機制使我們能夠?qū)⑼贿M程分配給不同的任務(wù)。然而，直到今天，并行化方法也沒能成為應(yīng)用程序開發(fā)中的普遍方法。盡管應(yīng)用程序被設(shè)計成多線程的，但一般而言，這些線程都和控制一個進程所需的不同任務(wù)有關(guān)，比如從一個速度很慢的設(shè)備上讀取數(shù)據(jù)或等待網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)。我們并沒有在并行環(huán)境中定義多個應(yīng)用程序來執(zhí)行相同的任務(wù)，比如檢索一個大型數(shù)據(jù)庫或以并行方式過濾大量信息。對很多重復(fù)性任務(wù)，并行機制為我們提供了一種分而治之的解決方案。SETI(Search Extraterrestrial Intelligence，搜索外太空智慧生命)@HOME工程表明，可通過互聯(lián)網(wǎng)將個人計算加連接起來，以便為我們提供超級計算能力。SETI工程檢查來自外太空的電磁信號，希望能夠發(fā)現(xiàn)其他星球上的智慧生命。這個工程需要花費大量計算資源來分析所獲得的數(shù)據(jù)以及完成相關(guān)計算。這個工程的自愿者們從SETI的Web站點上下載了一個屏幕保護程序。這個屏幕保護程序能請求由分解SETI收到的大量電磁信號形成的工作單元。在這個工程啟動的第一周內(nèi)就有 200 000人下載了這個軟件。到 2000年為止，參與這個工程的人數(shù)已經(jīng)達到了2 400 000人。這種網(wǎng)絡(luò)形成的計算能力超過了由IBM制造的，當(dāng)時處理速度最快的超級計算機ASCI White的處理能力。P2P系統(tǒng)的設(shè)計目的正是為了迎合這種分而治之的解決方案的增長趨勢。SETI程是一種典型的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)需要某種程度的集中化或協(xié)作機制。我們可根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)來對網(wǎng)絡(luò)進行分類。這里，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)上的基本排列方式。目前有多種不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)供網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員選擇。分散化拓撲結(jié)構(gòu)往往采用一個集中化部件來提高其性能，這就形成了一種混合模型或稱之為雜交模型。在Napster軟件中，正是集中化的文件索引部件提供了該軟件的文件識別和定位功能。而在SETI中，是由集中化的任務(wù)分發(fā)器來分配工作單元的?，F(xiàn)在很多的P2P技術(shù)都采用一種支持混合模型的基于網(wǎng)絡(luò)的計算模型。關(guān)鍵部位的集中控制節(jié)點提高了以分散化模型占統(tǒng)治地位的系統(tǒng)的性能。為提高P2P系統(tǒng)的關(guān)鍵性能特性，比如尋址和資源管理等，這些混合模型中定義了一些集中化控制點?；旌夏Ｐ瓦€能提高系統(tǒng)的可靠性和容錯能力。為了理解P2P系統(tǒng)的實質(zhì)，讓我們先來回顧一下有關(guān)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的知識。這些知識也有助于讀者明白在設(shè)計P2P系統(tǒng)時，我們有多種不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可供選擇。任何類型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)都不可能適用于所有的 P2P系統(tǒng)。MIT的 Nelson Minar推薦讀者應(yīng)當(dāng)從邏輯角度而不是物理角度來看待網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。換句話說，我們應(yīng)當(dāng)將這些網(wǎng)絡(luò)模型看成是描述信息流向的術(shù)語，而不是將其當(dāng)成網(wǎng)絡(luò)物理連線的術(shù)語。 下面我們將逐一介紹5種常用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)： ◎ 星型結(jié)構(gòu)； ◎ 總線結(jié)構(gòu)； ◎ 環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)； ◎ 層次結(jié)構(gòu)； ◎ 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 一、星型結(jié)構(gòu)星型網(wǎng)絡(luò)將各個設(shè)備和節(jié)點連接到一個中心控制點上。所有的網(wǎng)絡(luò)通信都經(jīng)過這個中心控制點。與其他絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)相比，星型結(jié)構(gòu)更容易定