P2P技术原理及应用(2)

在Gnutella网络中存在以下问题：

冗余消息多，对带宽的消耗存在一定的浪费。Gnutella网络协议采用泛洪式(Flooding)消息传播机制，这种消息传播机制产生了呈指数级增长的冗余消息。据统计，P2P软件白天占Internet上运行带宽的40%～70%，晚上有时能达到80%。

搜索效率低，可扩展性差。Gnutella网络的搜索协议将所有资源与节点统一对待，没有考虑节点的性能差异，也没有利用查询成功的历史经验，使得搜索效率低下。

KaZaA协议中节点大体上也是无结构连接的。但是在KaZaA协议中存在一种“超级节点”。这种“超级节点”其实是来源于各个普通的客户端节点，但它们一般具有计算能力强、接入带宽大、在线时间稳定等特点。在KaZaA协议中，超级节点承担着部分服务器的任务，如管理部分普通节点，负责搜索消息的转发等。每一个节点上线后会寻找一个超级节点挂靠，并和原先挂靠在该超级节点下的其他普通节点随机相连，组成一个小的无结构网络。普通节点的共享文件索引汇报给所挂靠的超级节点。因而，KaZaA网络大体上可以看作是两层的无结构网络，上层是超级节点组成的无结构网络；下层是普通节点组成的多个无结构网络，按所挂靠的超级节点分成多个簇。当普通节点发起文件搜索请求时，将请求消息发给所挂靠的超级节点，超级节点从自己存储的共享文件索引信息中查找区域内符合条件的文件，同时将搜索请求转发给若干个其他超级节点，由它们返回其区域内搜索结果。如果需要，这个转发过程可以执行多步以获得更大范围内的搜索结果。这样的混合式结构对异构的终端节点“分而治之”，可以充分利用一些能力较强的终端节点来担任“小”服务器的角色，可谓是“人尽其才，物尽其用”。

除了这些无结构的P2P文件共享协议之外，几乎所有的DHT网络都可以并已经用来实现文件共享的应用，如Chord、Pastry、KAD、CAN等应用。

(3)流媒体直播

曾经人们以为P2P做文件共享最合适，但现在大家发现P2P模式是如此适合于流媒体直播，以至于研究热点在很短的时间内迅速转移到P2P的流媒体上来。中国最早的P2P流媒体直播软件应该算香港科技大学计算机系研究的Coolstreaming[5]、华中科技大学集群与网格计算湖北省实验室研究的AnySee[9]以及清华大学的Gridmedia等系统。

Coolstreaming是一款基于网状无结构网络拓扑的流媒体直播软件，中文名叫做“酷流”。在Coolstreaming中，每个节点通过登录服务器(BS)进入网络，并得到一些邻居列表。每个节点和邻居之间共享媒体数据。Coolstreaming中节点共享媒体数据是基于一种称作“数据驱动”的机制。首先，对于节点缓冲区内所拥有的数据，使用一种“缓冲映射表”(Buffer Map)来进行标记：对于每一秒的媒体内容，如果节点已经从节目源或邻居处获取，则标记该秒数据为“1”，否则标记为“0”。这样，一个80秒长度的缓冲区就对应一个80位长度的缓冲映射表。其次，节点之间以“心跳”(Heartbeat)方式定期交换各自的缓冲映射表，通过比对得到自己没有而邻居拥有的数据位，然后根据数据调度算法，选择合适的邻居，请求得到相应的数据。Coolstreaming采取全网状结构组织网络中的节点，每个节点连接20个左右的邻居，在定期交换缓冲映射表的同时，还要交换自己的邻居列表。这样，在一个邻居离开时，可以从它最近提供的邻居列表中选择一个连接数没有达到上限的邻居作为“替补”邻居进行连接。最早期的Coolstreaming是采取随机选取邻居的策略，即从BS上随机返回一些当前在线的节点列表，然后随机从中选择一些节点进行连接，在选择“替补”邻居时也是随机的。这样做同时又可以达到一定程度的负载平衡效果，因为每个节点连接的邻居数基本是均匀的。但是这样做的缺点也是明显的，两个距离很远、连接很差的节点也可能被调度成为邻居，大大影响的系统的服务质量。

华中科技大学集群与网格计算湖北省重点实验室是中国最早研究P2P流媒体直播的小组之一，它所研发的AnySee软件期望能够使得用户在网上任何时候任何地点都能观看多媒体直播节目。

AnySee的第一个版本基于树状结构：节目源是一个多播树的根节点，之后的节点被调度为其“儿子”或子树。每个节点向其父节点索要数据，并将数据提供给多个子节点。这样的结构可以使得节点快速加入到网络中，并且可以根据IP邻近原则构建起一棵IP多播树，使得节点加入位置都是和自己IP邻近的节点，从而优化服务质量。之后AnySee推出第二个版本，结合了原有的树状结构和流行的网状结构，使得“控制数据走树，媒体数据走网”，既能帮助节点快速定位到加入点，又能实现一定程度的负载均衡，并缓解了原有纯树状结构中底层节点和顶层节点之间播放时差较大的问题。最近的AnySee版本已经取消了树的结构，演化成了优化的网状结构(如图2所示)，即每个节点维护一定数量的邻居成员，并从中选出最合适的“伙伴”节点与之交换数据。伙伴的数量既有上限又有下限，在不满足下限时，节点会不断寻找新的合适节点加入伙伴列表；在达到下限时，节点停止主动寻找伙伴的过程，但可以接受其他节点将其加入伙伴列表的请求；在达到上限时，节点不再和新的节点建立伙伴关系。

除了学术界对P2P流媒体直播的研究外，中国还涌现了很多成功的P2P流媒体直播商业产品，如PPLive、PPStream、沸点和TVAnts等，其中以PPLive最为有名。PPLive目前拥有数百个频道，在2006年“超级女声”决赛期间，频道观看人数达到十万人，可以说是把P2P发挥到了极限。此外，国外也有不少对P2P流媒体直播的研究，如SplitStream[10]等。

(4)流媒体点播

由于观看直播节目时用户不能选择观看指定片段，所以在人们热烈研究P2P流媒体直播时，已有人开始将目光转向P2P流媒体点播服务。目前成功推出P2P流媒体点播的机构还不多，典型的有GridCast[11]系统、PPStream点播系统。GridCast也是一款由华中科技大学集群与网格计算湖北省重点实验室于2005年12月份成功研发并投入使用的对等视频点播系统，具有支持多人共享点播片段、跟踪(Tracker)服务器用户引导、环状结构内容组织等特点。由于一个点播频道的人数往往不会太多，所以在用户进行视频录放(VCR)操作时(即前后拖动播放点、暂停/继续播放等操作)，能否快速将用户定位到观看该点节目的其他用户处就成了P2P点播技术的关键。为了实现快速定位，GridCast中采取了一种同心圆环的媒体内容组织结构。在每一个节目频道里，媒体内容按指数递增的区间进行划分，例如一个一个半小时的电影节目，可划分成[0, 5]、(5, 15]、(15, 35]、(35, 75]和(75, END=90]几段，其单位为分钟。每个节点记录几个正在观看各个段之间内容的节点。这样，在和AnySee类似的网状结构中，可以定期交换这种分段记录，从而，在某个用户拖动观看点时，可以快速定位到相应段的记录节点处，并从这些节点当时所观看的区间内得到大量备用记录以请求该区间媒体数据。此外，GridCast还根据用户习惯对数据调度策略进行优化。

(5)IP层语音通信

IP层语音通信(VoIP)是一种全新的网络电话通信业务，它和传统的PSTN电话业务相比有着扩展性好、部署方便、价格低廉等明显的优点。在全球范围内的VoIP应用中，由于通信各方可能处于不同的网络状况下，所以采取少数几个服务器来进行话音包中转不仅存在压力过大的问题，还可能无法为指定通信双方提供满意的通话质量保证。所以采取P2P技术动态自适应地根据通信双方网络进行链路控制与消息转发是可行的解决方案。

目前风靡全球的Skype[12]即是一款典型的P2P VoIP软件。Skype由于能够提供清晰的语音质量和免费的服务，使用起来又方便快捷，所以吸引了全球数千万的用户，每天在线用户达500万人，并且注册用户数每天增加15万。基本上，Skype采取类似KaZaA的拓扑结构，在网络中选取一些超级节点。在通信双方直连效果不好时，一些合适的超级节点则担当起其中转节点的角色，为通信双方创建中转连接，并转发相应的语音通信包。

(6)网络游戏平台

大型网络在线游戏和网络对战游戏是不少“网虫”的至爱。但由于服务器能力有限，大型网络在线游戏往往需要限制场景人数或者不断增加服务器，而网络对战游戏也必须局限在局域网内进行或者依赖独立的服务器端程序及机器实现Internet上的电子竞技。目前，已有研究人员将P2P技术引入网络游戏和网络游戏支撑平台中。

目前较为成功的P2P游戏平台是华中科技大学集群与网格计算湖北省重点实验室推出的PKTown[13]系统。PKTown系统是一个支持多种网络对战游戏的P2P平台。P2P网络对战游戏平台的难点在于将严格延时约束的节点聚集在一起，这由对战游戏本身要求所决定：延时是影响对战游戏用户体验的关键因素。在众多在线用户中，如何将新加入用户调度到周围都是延时邻近的环境中去呢？PKTown也是采取GridCast中出现过的指数增长的同心圆环方式，很好地解决了这个问题。

PKTown不需要改变游戏本身的代码，而是将用户和Internet邻居组建成一个虚拟局域网，将游戏发出的通信包截获后负载上虚拟局域网的地址，转发出去，游戏进程接收到之后认为是来自同一局域网的游戏包，则可以正常进行游戏。目前PKTown支持魔兽争霸、星际争霸和反恐精英几款游戏，已经在高校范围内进行公测，并成功举办华中科技大学第三届Race War游戏大赛，用户反应良好。

3 结束语

自P2P技术从1999年出现之后，现在已经发展繁荣起来。前文中提到的很多技术都已经趋近成熟，如拓扑构建和内容分发等相关技术。由于P2P架构灵活，适用面广阔，所以将P2P应用到新领域的现象层出不穷，P2P的软件产品也如雨后春笋一般爆炸性增长。

通过本文的描述可以看出，P2P蹬基本原理是容易实现的，人们的研究方向也由基础架构的构建和维护及优化算法等桎梏中摆脱出来，开始深入到P2P技术的根本性问题中去。最新的研究成果表明，不少研究人员已经开始将重心转入到覆盖层网络的节点延时聚集研究、覆盖网之间(Inter-Overlay)优化研究、P2P支撑平台研究以及P2P安全方面的研究等方面。相信随着对P2P技术研究的不断深入，人们能够对P2P计算有一个更深入的认识并解决目前P2P领域中大部分科学问题。可以预见，P2P所带来的技术创新和应用创新还将继续。

4 参考文献

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作者简介：

金海，华中科技大学特聘教授、博士生导师，华中科技大学计算机学院院长。长期从事计算系统虚拟化、网格计算、对等计算、集群计算等相关领域的研究。获国家发明专利14项。已发表学术论文300余篇，被SCI、EI索引收录160余篇次。廖小飞，博士，华中科技大学副教授。从事对等计算、流媒体服务等领域的研究。已发表论文30余篇，其中被SCI、EI等索引引用10余篇次。