P2P技术和运用

1. P2P技术

1.1 P2P技术优势

• 可靠性好
• 扩展性好
• 性价比高

2. P2P网络结构

2.1 组建P2P网络要解决的3个基本问题:

• 如何存储共享的信息资源
• 如何让其他对等节点找到信息资源
• 如何保证对等网络系统的可扩展性与性能

2.2 P2P网络类型:

• 集中式P2P网络(centralized P2P network )
• 分布式P2P网络(distributed P2P network )
  • 非结构化P2P网络(unstructured P2P network)
  • 结构化P2P网络(structure P2P network)
• 混合式P2P网络(hybrid P2P network)

2.3 集中式P2P网络

2.3.1 集中式P2P网络的特点

节点只向中心目录服务器查询资源的位置, 而获取资源是向其他节点进行的.

• P2P网络中所有的节点都与中心目录服务器建立连接关系, 形成星形拓扑结构.

• 所有节点的资源索引信息保存在中心目录服务器的资源索引表中, 使得中心目录服务器拥有全网的资源索引信息.

• 资源索引信息包括 <文件名, 关键字, 节点, IP地址, 端口号>

2.3.2 集中式P2P优缺点

2.3.2.1 优点

• 快速完整的查找
• 中央管理/认证授权
• 易于引导接入网络

2.3.2.2 缺点

• 单点故障, 容易形成瓶颈, 易于被攻击
• 中央服务器控制所有对等方

2.4 分布式非结构化P2P网络 – Gnutella

非结构化P2P也叫纯P2P网络(Pure P2P)

在Gnutella中, 当一个节点需要查询某一个共享文件时, 将进行内容路由, 将请求消息通过随机形成的网络拓扑结构用洪泛法发送出去, 使得全网节点都能够收到与查询索引消息.

2.4.1 洪泛算法:

• 当一个节点接收到一个请求后, 向所有的邻居转发该请求
• 每个消息包含一个最大TTL和一个hop counter
• 转发节点在转发消息时, 会短暂缓存
• 消息缓存用于防止消息循环

2.4.2 Gnutella:

五种报文类型:

1. Ping
2. Pong
3. Query
4. QueryHit
5. Push

2.4.3 Pure P2P特点:

• 去中心化
  • 没有中央控制管理
  • 可以移去任何节点而不影响系统功能
• 非结构化
  • 覆盖网络随机生成, 没有任何结构
  • 不可靠的查询(不保证有查询结果)
  • 系统面临的安全性问题较多

2.5 结构化P2P网络

网络节点拓扑相对稳定

逻辑地址通过hash函数获得

通过分布式散列表DHT路由

解决方案: Chord, CAN, Pastry, Tapestry （P2P四大算法）

分布式结构化P2P网络由多个小的节点集群(swarm)组成, 每个集群都有一个跟踪器(tracker). 分布式结构化P2P网络中的关键问题是如何找到存放所需文件的节点. 解决办法是建立索引表, 这张索引表具有的特征是分布式的, 能够根据节点与共享资源的变化动态更新.

要满足要求, 索引表在设计中要解决3个基本问题:

• 每个节点只需要保留少量的有关的其他节点的信息
• 每个节点能够很快地查找索引表中的表项信息
• 每个节点允许多个节点并发访问索引表的表项信息

2.5.1 DHT的基本概念

2.5.1.1 DHT的特点

1. 节点标识符:

节点标识符用来标识节点. 节点标识符空间可以是由范围在 0 ~ ($2^{16}$-1)的整数值组成, 也即0 ~ 65535

2. 节点标志符与关键字

可以通过对一个节点的名字(一般以IP地址作为节点名字)进行散列, 来计算获取唯一的节点标识符. 如$p=Hash(IP)$

可以通过对一个共享文件内容进行散列计算来获取唯一的关键字, 如 $k=Hash(v)$

3. 关键字映射

散列表可以将$k$映射成整数, 通常可以在更小的值的集合上获得离散分布.

系统中每一个节点存储一张散列表, 负责保存某一个范围的关键字, 在对$<key,value>$ 进行查询之后, 系统将返回一个保存具有关键字的对象的节点标识符, 如IP地址.

2.5.1.2 DHT应用举例 – Chord协议

1. 机制:

• 每个共享资源都产生一个key

• 对节点IP地址做hash

• 为了启动新的P2P用户群, 一个节点需要用一对新的 $(key,value)$插入到指针表

• 任何一个节点都不需要知道网络中其他全部节点的信息

• 在一个包含N个节点的网络中，每个节点只需要维护到达$O(lo{g}_{2}N)$个节点的路由信息

• 当新的节点加入或离开时，节点仅更新路由信息

2. Chord协议的具体实现方式：

• 使用SHA-1生成一个长度为160b的关键字key值空间
• 关键字值从小到大顺序排列，首尾项链，在逻辑上形成闭合的Chord环。
• 每个value（散列运算后的节点）都将被映射到Chord环上。

Chord环结构如图所示：

• Chord环上每个节点称为标识符(如N1 ~ N56等)
• 节点标识符都含有一个映射到该value的key(如K10映射到N14)
• 节点周期性的检查直接前驱节点、直接后继节点的状态，以保证指针表的正确性

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节点和关键字都被映射到同一个整数空间，并且在对$2^m$取模后顺序排列在环上. 对于一个标识符为k的key而言, 其由标识符不小于k的node来维护.

Chord算法在搜索时:

• 每个节点维护一个Finger表, 该表长度为m(Chord中为160), 该表第i项存放节点n的哈希值大于 $(n+2^{i-1})\%2^m$ 的第一个后继节点
• 也就是说, 搜索节点的过程是按2等比步长变化的

给定一个key, 按照以下过程查找对应资源位于哪个Node:

• 查看$Hash(key)\%2^m$是否位于节点n和其直接后继节点n’之间, 如果是则: 直接后继节点n’为所找节点
• 在n的Finger表中, 找到与$Hash(key)\%2^m$距离最近, 且其哈希值小于$Hash(key)\%2^m$的节点, 将请求转发给该节点
• 重复上面过程, 直到找到key所在的节点

No	ith successor	Successor
1	N1+$2^0$	N18
2	N1+$2^1$	N18
3	N1+$2^2$	N18
4	N1+$2^3$	N18
5	N1+$2^4$	N18
6	N1+$2^5$	N45
7	N1+$2^6$	N1
8	N1+$2^7$	N1