Ｐ２Ｐ網絡模型設計及其對教育資源的應用

【摘要】在網絡中搜索各種資源時，通用的搜索引擎很難滿足用戶特定的需求。P2P網絡是一種有效的資源共享和搜索方式。通過分析P2P網絡的基本結構和資源共享特點，提出了一種基于P2P 的資源網絡模型（PBRN）。PBRN是由各資源實體“自組織”形成的分布式、虛擬、動態和松散的純P2P網絡，并實例化的剖析了它在教育信息資源上的應用。

【關鍵詞】P2P網絡；基于P2P的資源網絡；資源實體；實體圖；多播

【中圖分類號】G434【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097 (2008) 01—0100—03

一 引言

隨著互聯網的發展，各種資源遍布整個網絡，比方說各種軟件、電子書籍、視頻，論文集等等。但當使用通用搜索引擎搜索這些需要的資源的時候，會遇到下面的一些問題：首先，使用搜索引擎搜索到的一般都會是幾百到幾十萬的網頁結果，而其中有用的又寥寥無幾；其次，很難編寫一個通用的軟件在搜索到的網頁中查找需要的資源，所以要人工的去篩選，這樣浪費了很大的精力；再次，通用搜索引擎對一般的網站不是實時更新的（比方說百度對其數據庫中的網頁鏈接是半個月更新一次），所以搜索到的很多網頁可能已經過期。針對在網絡中對特定資源的需要，參考P2P網絡的原理，提出了一種基于P2P的資源共享網絡模型，實現網絡中資源的共享和高速搜索。

二 P2P網絡模型

1 P2P網絡的特點

P2P是一種技術，但更多的是一種思想，有著改變整個互聯網基礎的潛能的思想[1]。P2P(Peer to Peer) 是指由物理上分散的主機之間不經過服務器等中繼設備而直接完成數據交換或服務交換的信息控制技術[2]， P2P網絡中的節點稱為對等體。但隨著互聯網的發展，網絡應用大都體現為客戶機/服務器（C/ S）模式或者瀏覽器/服務器（B/ S）模式。服務器可以管理和發布信息，而大量的客戶機則被動的處于網絡的邊緣，只能簡單地調用服務器所提供的服務。近年來隨著Napster、Gnutella 和SETI @home等應用的流行，P2P概念再一次引起研究者的關注。目前，國內外學者對P2P 網絡的研究多集中于信息的檢索、共享機制和信任機制，提出了泛洪式和DHT式等信息檢索模式[3 ]。

2 P2P網絡的組織模型

P2P 有兩種典型的組織方式，混合P2P 模型和純P2P 模型。混合P2P 模型采用“中心文件目錄/分布式文件系統”的結構，由中心服務器負責目錄的注冊、查詢等管理功能，如圖1 所示。

純P2P模型中沒有中心服務器，結構更加松散、自由化，一臺計算機只要與P2P網絡中任一節點相連，遵循P2P 協議并建立相應的路由表就成為P2P網絡中的一員，如圖2 所示。

三 基于P2P的網絡模型設計

1 基本定義

P2P協議的實質在于實現一種平等的網絡關系，將網絡資源的共享由中心向邊緣發展，由集中式向分布式發展，避免資源管理的僵化[4]。P2P的這一特點完全符合互聯網上資源所具有的分散、動態的特點，因此我們可以采用P2P協議來構造一種資源共享型的網絡模型。由于互聯網上資源的發布者是獨立、動態的，并且數量上非常龐大，因此由某個機構提供權威的“資源目錄服務器”來建立混合P2P模型的網絡是不可能的。而由各個資源實體（擁有資源的個人或單位網點，即P2P網絡中的對等體）“自組織”形成分布式、虛擬、動態和松散的純P2P 模型網絡則是可行的。當然，考慮到純P2P模型網絡的動態性，我們會在其中插入一些固定節點，即讓它充當混合P2P模型的網絡中的“資源目錄服務器”來增強整個網絡的穩定性。

根據各種資源動態、分散的特點和純P2P模型網絡的組織形式，基于P2P的資源網絡(P2P - Based Resource Network ，簡稱為PBRN) 的邏輯結構可定義如下：

定義1 資源實體(Resource Entity ，表示為R) 是網絡中的最小單元。資源實體的集合表示為RS。

定義2 資源實體圖(Resource Entity Graph ，表示為RG) 是由RS 集合中所有元素根據其連通性構成的無向圖(undigraph) 。我們也可以把它描述為一個N階矩陣：假若Ri 到Rj之間具有通路，則Route ( Ri ， Rj) 為1 ，否則為0。因為RG是一張無向圖，所以對于圖中的任意兩個資源實體Ri和Rj ，Route (Ri ， Rj )= Route (Rj ， Ri ) [5] 。

定義3 基于P2P的資源網絡( PBRN) 是RG中的一個極大連通子圖。

PBRN具有如下屬性：a. 極大連通子圖中每一個資源實體都有一個鏈式結構的路由表，路由表中存儲著與其相連的所有資源實體。資源實體在路由表中的順序可按照它們接入網絡的先后順序來排列，也可按照倒插的順序來排列。b. PBRN的結構具有動態性和自組織性。一個資源實體可以通過與PBRN中任一資源實體建立聯系而自動加入到PBRN中。c.添加或刪除資源實體會立即改變PBRN的拓撲結構，并可能改變其它資源實體之間的連通性。#61550;

2 PBRN的四層體系結構

在TCP/IP協議的基礎上，我們構造了PBRN的四層體系結構，包括網絡平臺基礎、P2P網絡核心層、資源服務層和應用程序層，如圖3所示。

（1）互聯網TCP/IP協議層（網絡平臺基礎）

TCP/IP是為了保證網絡通訊中數據能安全地到達指定的目的地，國際互聯網所使用的一種協議。TCP/IP是Transmission Control Protocol/Internet Protocol的縮寫，即傳輸控制協議/網際協議；但通常用來指Internet協議族，包括上百個不同層次實現各種功能的協議；TCP和IP是其中兩個非常重要的協議[6]。TCP/IP是迄今為止最成功的網絡體系結構和協議規范，是我們搭建其他網絡結構的基礎。TCP/IP協議是我們PBRN模型的網絡平臺基礎。

（2）P2P 網絡核心層

該層包括四部分：安全機制和標識識別；普通資源實體、超級資源實體和核心資源實體；管道和P2P通訊協議；消息和廣告。

標識是網絡中資源實體的名稱，標識具有唯一性。標識只是邏輯上的，這樣保證了P2P網絡自由、開放的特點。安全機制是我們在設計模型之初所考慮的系統安全問題，保證系統能正常的運行，防止漏洞攻擊。

普通資源實體封裝了資源信息的數據結構、數據內容和處理數據的操作，一個普通資源實體可以獨立存在并與其它資源實體進行異步數據交換；超級資源實體(Super Resource Entity) ，是資源實體的繼承類型，超級資源實體也提供資源共享服務，然而超級資源實體并不真實占有資源，而是負責收集和反饋某一區域內多個資源實體的資源信息，它類似一個小型的目錄服務器，克服純P2P型的PBRN不能集中管理資源目錄而過于分散、機動的弱點；核心資源實體（Core Resource Entity），可以從普通資源實體中選取，也可以是PBRS網絡中專門的服務節點或者是志愿節點，它們在PBRS網絡中提供穩定的服務，是PBRS網絡的中流砥柱。

管道是資源實體之間建立的虛擬的、用于單向異步通信的邏輯通道。在P2P 網絡中可以定義兩種類型的管道：點到點( Point-to-Point ) 和多播( Propa-gate) 。PBRN 系統中采用的是點到點管道，用來在資源實體中進行資源的請求和響應。P2P通訊協議是每個加入到PBRN網絡中的資源實體必須遵守的協議，在此協議的基礎上方可共享資源和通訊。

消息是從一個資源實體通過管道傳到另一個資源實體的數據包。它的構成完全類似我們TCP/IP協議中的IP數據報。每條消息都包含“信封”和“主體”兩個部分， “信封”具有標準的格式，而“主體”可以攜帶任意長度、任意格式的數據。由于PBRN 系統在Internet 環境中應用，因此消息的格式必須簡單、靈活、能適應惡劣的通信環境。PBRN采用XML 作為消息的編碼方式，以適應網絡環境和跨平臺運行的要求。廣告用于向PBRN 發布最新的資源信息。廣告和消息一樣，也是采用XML 作為編碼方式，易于進行內容解析和程序實現。

（3）資源服務層

PBRN的資源服務層提供資源索引與搜索服務，并建立信任機制。在PBRN中，資源實體向與其直接相連的其它資源實體發出資源搜索請求，而這些資源實體會將請求轉發出去，從而使請求可以延伸到網絡的各個角落。

（4）應用程序層

應用程序層建立了資源搜索程序的用戶界面，接收用戶的輸入并顯示搜索的結果。在應用程序層還提供了用于擴展系統的API接口，這樣用戶可以通過擴展API 中所封裝的資源信息標準來實現應用程序的個性化定制，以及用戶所需要的更加友好的操作界面。

四PBRN網絡模型在教育信息資源上的應用

網上的教育信息資源有各種教學軟件、電子書籍、教學實況視頻，論文集等等。一般的教育網點都會開設自己FTP服務器共享教育信息資源，但是共享的時候就受到諸如學科或地域的限制，不能實現廣泛的共享；而當使用通用搜索引擎搜索這些需要的教育信息資源的時候，就會遇到我們文章開始提到的一系列的難題。我們設計的PBRN網絡模型完全適合教育系統，我們可以以PBRN模型作為系統內核，開發應用級別的系統，這樣就可以把教育信息資源拿到PBRN（P2P網絡）上實現廣泛的共享。我們對PBRN在教育信息資源上的應用提出如下的理論框架：

（1）對PBRN內核中的資源服務層和應用程序層做適當的調整，使它更能體現教育信息資源的特點。

（2）在擴展API的基礎上開發基于P2P原理的搜索引擎，搜索引擎要充分體現教育信息資源的篩選性（因為體統共享的是分布式教育信息資源），核心搜索算法可根據系統路由來設計。

（3）在系統中添加IP段審計功能，這樣能保證參與共享與搜索的教育網用戶單一性，進一步保證共享信息資源的唯一性。

五 結束語

本文的創新點是：在P2P原理的基礎上，提出了一種基于P2P 的資源網絡模型(PBRN)—PBRN是由各資源實體“自組織”形成的分布式、虛擬、動態和松散的純P2P網絡，并實例化的剖析了它在教育信息資源上的應用。

我們在該模型提出的伊始，就考慮到它的安全問題，關于安全問題，我們將在以后的文章中專門討論，這也是吸取了互聯網的一些經驗教訓。相信隨著我們對該網絡的成功構建，和應用平臺上一些相關軟件的開發，我們提出的網絡模型會引起越來越多的關注。

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參考文獻

[1]Rowstron A， Druschel P. Pastry: Scalable， distributed object location and routing for large-scale peer-to-peer systems. In: Guerraoui R， ed. Proc. of the IFIP/ACM Int’l Middleware Conf. London: Springer-Verlag， 2001. 329#8722;350.

[2]魏蘇林，樂紅兵.基于P2P模式的新型視頻點播系統[J]，微計算機信息，2005(21):7-10.

[3]胡利平，胡亮，高文.一種實用型智能化元搜索引擎的設計與實現[J]，微計算機信息，2005(21):158-161.

[4]Stoica I， Morris R， Karger D， Kaashoek F， Balakrishnan H. Chord: A scalable peer-to-peer lookup service for Internet applications. In: Cruz R， Varghese G， eds. Proc. of the 2001 Conference on Applications， Technologies， Architectures， and Protocols for Computer Communications (SigComm). New York: ACM Press， 2001. 149#8722;160.

[5]Crespo A， Garcia-Molina H. Routing indices for peer-to-peer systems[M]. Technical report， computer Science Department， Stanford University， CA， USA， November 2001.87-90.

[6]羅偉其，姚國祥，蔣克等編著，國際互聯網Internet技術及其應用[M].廣州:中山大學出版社，1997:23-25.

P2P-based Network Model Design and Its Application on Educational Resources

ZHANG Yan-jun

（Network Education Technology Center in Huawen College of Jinan University ， Guangzhou 510632， China）

Abstract：Sometimes we will search varies of resources in the network， yet it is difficult to satisfy this requirement properly by using general searching-engine. P2P network is an effective method of sharing and searching resources. We have proposed a model of P2P-Based Resource Network (PBRN)， through analyzing the basic architecture and resource sharing property of P2P network. PBRN is a distributed， virtual， dynamic and loose pure P2P network， and it is composed by resource entity freely. And we have analyzed its application on educational information and resources for example.

Keywords： Peer-to-Peer Network; P2P - Based Resource Network; Resource Entity; Entity Graph; Propa-gate