【计网 P2P】计算机网络 P2P（Peer to Peer）详解：中科大郑烇老师笔记 （七）

• ‍♂️ 作者：海码007
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• 标题：【计网 P2P】计算机网络 P2P（Peer to Peer）详解：中科大郑烇老师笔记 （七）
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• 最后：文章作者技术和水平有限，如果文中出现错误，希望大家能指正

0 引言

之前介绍的都是 C/S 模式，但是 C/S 模式存在很多缺点，客户端都需要通过服务器获取服务。

1 C/S 模式 VS P2P模式

C/S模式（Client/Server模式）和P2P模式（Peer-to-Peer模式）是两种常见的计算机网络架构。它们在设计和功能上存在一些区别，下面是它们的优缺点和区别：

1. C/S模式（Client/Server模式）

优点：

• 中心化管理：C/S模式中，服务器负责管理和控制整个系统，可以集中管理和维护资源，提高网络的安全性和可靠性。
• 高性能：服务器可以专注于处理数据和请求，分担了客户端的负担，可以提供更高的性能和响应速度。
• 数据一致性：服务器拥有数据的权威性，可以确保数据的一致性和完整性。

缺点：

• 单点故障：C/S模式中，服务器是中心节点，如果服务器发生故障或宕机，整个系统将无法正常工作。
• 扩展性限制：C/S模式下，服务器承担大部分的计算和存储任务，当用户数量增加或数据规模扩大时，服务器的负载可能会过大，限制了系统的可扩展性。
• 高成本：C/S模式需要专门的服务器来支持，这增加了系统的成本和复杂性。

2. P2P模式（Peer-to-Peer模式）

优点：

• 去中心化：P2P模式中，每台计算机都可以充当客户端和服务器，节点之间平等地共享资源和服务，不存在单点故障。
• 高度可扩展：P2P模式下，系统的性能和存储容量可以随着节点的增加而线性扩展，更适合大规模分布式环境。
• 灵活性：P2P模式不依赖于中心服务器，节点之间可以直接通信和交换数据，提高了网络的灵活性和自主性。

缺点：

• 安全性风险：P2P模式下，节点之间直接通信，可能存在安全风险和数据泄露的风险，需要采取额外的安全措施来保护系统和数据。
• 网络负载：P2P模式中，每个节点都要承担一部分计算和存储任务，当节点数量庞大时，可能导致网络负载过大，影响系统性能。
• 数据一致性：P2P模式下，节点之间的数据一致性较难保证，需要采取一致性协议和机制来解决数据同步和冲突问题。

综上所述，C/S模式适用于需要集中管理和控制的系统，强调安全性和数据一致性；而P2P模式适用于去中心化、可扩展性要求较高的系统，强调灵活性和可扩展性。选择哪种模式取决于具体的应用需求和系统规模。

使用一张思维导图总结一下：

3. 在文件分发应用中，C/S 和 P2P 的比较

首先思考一个问题：从一台服务器分发文件（大小为F）到N个peer需要多少时间？
Peer节点上下载能力（upload、download）是有限的资源

1） 使用C/S模式分析该问题：客户端都是通过服务器获取文件，所以客户端的上载能力不是影响因素，主要取决于服务器的上载能力Us。

• 服务器必须顺序传输（上载）N个文件拷贝（速度是：NF/Us）
• 每个客户端必须下载一个文件拷贝。（下载速度是：F/dmin）
  

当客户端比较少的时候，客户端的下载能力是瓶颈；
但是客户端数量很多时，服务器的上载能力是瓶颈；

2） 使用P2P模式分析该问题：

首先看一个例子，清楚P2P是如何运作的

如下图所示：随着用户（Peer）数量的增加，请求节点数量增加，同时提供服务的节点数量也在增加，所以文件分发的时间不会增长的很快。C/S模式几乎是线性增长。

2 P2P 概述

2.1 纯P2P架构

2.2 非结构化P2P和结构化（DHT）P2P

2.2.1 非结构化P2P

非结构化P2P是指没有明确定义的网络拓扑结构的P2P系统。在非结构化P2P中，节点之间的连接是随机建立的，节点可以自由地加入和离开网络。这种模式下，节点通常通过广播或查询路由表来查找其他节点，并在节点之间直接进行通信和资源共享。非结构化P2P适用于小规模的P2P网络，例如点对点文件共享或实时通信应用。

以下是一些非结构化的P2P网络的例子：

1. Gnutella：Gnutella是一个著名的非结构化P2P协议，它允许节点直接连接和通信，节点之间通过洪泛式传播查询消息来进行资源搜索。
2. FastTrack：FastTrack是用于文件共享的非结构化P2P协议，被用于诸如KaZaA和Morpheus等应用程序中。它通过广播查询消息和使用缓存来实现文件搜索和资源发现。
3. BitTorrent：BitTorrent是一种混合的P2P协议，它既具有非结构化的特点，又包含了一些结构化的元素。BitTorrent网络中的节点通过Tracker服务器进行资源发现，并通过分片和对等交换来实现高效的文件传输。
4. eDonkey网络：eDonkey网络也是一个非结构化的P2P网络，用于文件共享。它使用了一种称为"Kademlia"的分布式哈希表（DHT）来管理节点和文件的索引信息。

2.2.1 结构化P2P

• 结构化P2P使用分布式哈希表（Distributed Hash Table，DHT）来管理节点之间的连接和资源分配。DHT是一种分布式存储系统，将键值对映射到网络中的节点上，并提供高效的查找和存储功能。
• 在结构化P2P中，节点按照一定的规则组织成结构化的网络拓扑，例如环形或树形结构。这种模式下，节点可以根据键的哈希值来定位存储该键值对的节点，并通过路由表进行高效的查找。结构化P2P适用于大规模的P2P网络，例如分布式存储系统或区块链技术。

以下是一些结构化的P2P网络的例子：

1. Chord：Chord是一种常用的结构化P2P协议，它使用一致性哈希算法来管理节点和文件的分布。Chord网络中的节点按照哈希值的顺序排列成一个环，节点可以通过查找后继节点的方式进行路由和资源发现。
2. CAN：CAN（Content-Addressable Network）是一种基于网格结构的结构化P2P网络，将网络空间划分为多个维度，每个节点负责管理一个或多个区域。CAN网络使用坐标系统来定位和路由文件。
3. Kademlia：Kademlia是一种用于分布式哈希表（DHT）的结构化P2P协议，它通过XOR距离度量来管理节点和数据的分布。Kademlia网络中的节点通过路由表来维护对其他节点的引用，实现高效的路由和资源查找。
4. Pastry：Pastry是一种用于构建大规模结构化P2P网络的协议，它使用类似于Chord的一致性哈希算法来定位和路由节点。Pastry网络中的节点通过路由表来管理对其他节点的引用。

2.3 P2P需要解决的问题及解决方案

• P2P面临的两大问题：
  • 如何定位所需资源
  • 如何处理对等方的加入与离开
• 可能的解决方案：
  • 集中式目录
  • 完全分布式
  • 混合体

2.3.1 集中式目录

有一个集中式目录服务器，每个节点上线时，需要在集中式目录服务器注册，告诉它自己上线了（下线也是同理）。所以集中式目录服务器就知道了每个节点的上线信息以及资源信息。

集中式目录存在的问题：

• 单点故障：目录服务器故障，就全部瘫痪
• 性能瓶颈
• 侵犯版权

2.3.2 完全分布式

• Gnutella 是一种完全分布式的非结构化 P2P 协议。它是在 2000 年左右开发的，旨在实现点对点文件共享。Gnutella 网络中的节点相互连接，没有中心服务器或中心节点。每个节点都可以作为文件的资源提供者和请求者。
• 在 Gnutella 中，节点通过广播消息来发现其他节点，并建立直接连接以进行文件搜索和下载。当一个节点搜索某个文件时，它会向相邻节点发送查询消息，然后逐级传播到整个网络。当某个节点拥有所需文件时，它可以响应查询消息并将文件直接发送给请求者。
• Gnutella 的非结构化特性使得它适用于小规模的 P2P 文件共享。节点可以自由地加入和离开网络，网络拓扑结构没有严格的规定。这种灵活性使得 Gnutella 在一定程度上能够应对节点的动态变化和网络的不稳定性。
  需要注意的是，Gnutella 是一种早期的 P2P 协议，由于其非结构化的特点，它可能在大规模网络环境下面临一些挑战，如搜索效率和扩展性。随着时间的推移，结构化的 P2P 系统如 BitTorrent 和基于 DHT 的协议逐渐取代了 Gnutella，在大规模网络中更为常见。

Gnutella的协议

2.3.3 混合体

组长与组长之间通过完全分布式P2P传输，组长和组员通过集中式目录P2P传输。所以混合体就很好理解了，就是上面两种方法的结合模式。