純Ｐ２Ｐ在私網中的應用

摘要：隨著網絡的迅速發展，P2P技術逐漸顯現它的優勢。網絡規模的膨脹，產生了很多規模龐大的私網，私網內部需要很方便的信息交換的方法。文章提出在私網中應用純P2P技術來交換信息和傳送文件，并針對以往純P2P無法實現管理的問題提出了具體的解決方案。該方案可自動搜索在線用戶，具有很快的收斂速度，用戶不需要知道對方的IP地址即可與對方交流。

關鍵詞：P2P；純P2P網絡；廣播；收斂算法

引言

P2P是peer-to-peer的縮寫，peer在英語里有“(地位、能力等)同等者”、“同事”和“伙伴”等意義。因此，P2P可以理解為“伙伴對伙伴”的意思，或稱為對等聯網。目前人們認為它在加強網絡上人的交流、文件交換、分布計算等方面大有前途。

簡單地說，P2P直接將人們聯系起來，讓人們通過互聯網直接交互。P2P使得人們可以直接連接到其他用戶的計算機上，互相交換文件，而不必像過去那樣需要連接到服務器。P2P另一個重要特點是改變目前互聯網以大網站為中心的狀態、重返“非中心化”，并把權力交還給用戶。但是正如B2C、B2B是將現實世界中很平常的東西移植到互聯網上一樣，P2P并不是什么新東西，在現實生活中我們每天都按照P2P模式面對面地或者通過電話交流和溝通。

1、P2P技術體系結構與分類

P2P技術有三種結構模式的體系結構，即以Napster為代表的集中目錄式結構、以Gnutella為代表的純P2P網絡結構和混合式P2P網絡結構。從P2P技術的分代來說，到目前為止P2P技術可分為四代：第一代P2P為中央控制網絡體系結構，第二代P2P為分散分布網絡體系結構，第三代P2P為混合網絡體系結構，第四代P2P為目前發展中P2P技術。

集中目錄式結構由中央服務器管理P2P各節點，P2P節點向中央目錄服務器注冊關于自身的信息(名稱、地址、資源和元數據)，但所有內容存貯在各個節點中而并非服務器上，查詢節點根據目錄服務器中信息的查詢以及網絡流量和延遲等信息來選擇與定位其它對等點并直接建立連接，而不必經過中央目錄服務器。集中目錄式結構的優點是提高了網絡的可管理性，使得對共享資源的查找和更新非常方便；缺點是網絡的穩定性不理想，服務器失效則該服務器下的對等節點全部失效。

純P2P網絡結構也被稱作廣播式的P2P模型：它沒有集中的中央目錄服務器，每個用戶隨機接入網絡，并與自己相鄰的一組鄰居節點通過端到端連接構成一個邏輯覆蓋的網絡。對等節點之間的內容查詢和內容共享都是直接通過相鄰節點廣播接力傳遞，同時每個節點還會記錄搜索軌跡，以防止搜索環路的產生。純P2P網絡結構解決了網絡結構中心化的問題，擴展性和容錯性較好。由于沒有一個對等節點知道整個網絡的結構，網絡中的搜索算法以泛洪的方式進行，控制信息的泛濫消耗了大量帶寬并很快造成網絡擁塞甚至網絡的不穩定，從而導致整個網絡的可用性較差；另外這類系統更容易受到垃圾信息，甚至是病毒的惡意攻擊。

混合式網絡結構綜合了純P2P去中心化和集中式P2P快速查找的優勢。節點按能力不同(計算能力、內存大小、連接帶寬、網絡滯留時間等)區分為普通節點和搜索節點兩類。搜索節點與其臨近的若干普通節點之間構成一個自治簇，簇內采用基于集中目錄式的P2P模式，而整個P2P網絡中各個不同的簇之間再通過純P2P的模式與搜索節點相連。在各個搜索節點之間可以再次選取性能最優的節點，或者另外引入一新的性能最優的節點作為索引節點來保存整個網絡中可以利用的搜索節點信息，并且負責維護整個網絡的結構。由于普通節點的文件搜索先在本地所屬的簇內進行，只有查詢結果不充分的時候，再通過搜索節點之間進行有限的泛洪，這樣就極為有效地消除了純P2P結構中使用泛洪算法帶來的網絡擁塞、搜索遲緩等問題。同時，由于每個簇中的搜索節點監控著所有普通節點的行為，這就能確保一些惡意的攻擊行為在網絡局部得到控制，在一定程度上改善了整個網絡的負載平衡狀況。

應該說第四代P2P并沒有形成真正的代，而是在原有技術的基礎上作了改進，提出和應用了一些新技術措施。典型的有：動態接口選擇、雙向下載和智能結點彈性重疊網絡等。

2、在私網內構造純P2P網絡

2.1設計目的

隨著互聯網的迅速發展和網絡規模的迅速擴大，采用IPv4協議的IP地址已經相當匱乏，為了節約有限的IP地址資源，同時節約網絡成本和提高企業內部網絡的安全性，越來越多的企業組建了自己的私網。實踐證明：企業內部各主機之間交換信息要比內部與外部交換信息多得多。這就迫切需要一種能夠方便地在內網中交換信息的解決方案。

Client/Server是一種解決方案，但存在缺陷：構建服務器需要較大的成本，而現實中，組建私網的企業往往不愿意把資金消耗在這方面；通過局域網的共享等技術可以實現資源的交換，但其操作者需要具有一定的網絡知識，而且往往需要事先確定對方的IP地址，使用起來很不方便。

結合第二代P2P技術(純P2P模式)特點，本文提出的在私網內構建純P2P傳輸系統的方案，克服了第二代P2P技術無法實現管理的缺點，實現了不需要構建服務器，也不需要知道對方的IP地址，只需要一個能識別用戶名字就可以與對方通信，并且可以查看整個網絡提供的資源的功能。

2.2算法設計

為了縮小廣播數據傳輸的范圍，提高網絡的運行效率，網絡往往被劃分為不同的虛擬局域網。一般情況下一個網段為一個廣播域，可以通過子網掩碼來確定。因此，本算法搜索在線用戶也分為兩個過程：在本網段內搜索和在本網段外搜索。

(1)在本網段內搜索。用戶輸入自己的姓名后，按“回車”鍵或按“加入”按鈕即可完成登錄，程序在本網段內廣播自己的信息(該信息中只包含“用戶名”，是個很小的數據包)，本網段內的在線用戶收到該IP數據包后，提取出源IP地址和用戶名(端口號事先已經約定為固定值)，作為一條記錄加入其在線用戶列表，同時回送自己的用戶名。如果收到廣播數據包的在線用戶的在線用戶列表內有別的網段內的用戶，則再次發送“HAVEOTHERS”消息數據包。剛上線的用戶收到本網段內在線用戶回送的用戶名消息后，同樣提取出源IP地址和用戶名，作為一條記錄加入其在線用戶列表。其時，他可能收到不止一個“HAVEOTHERS”消息數據包，則選擇第一個數據包，提取出其中的源IP地址保存，并回送“REQUESTEDLIST”消息數據包，收到“REQUESTEDLIST”消息數據包的用戶，回送別的網段內在線用戶記錄(用戶名和IP地址)。剛上線的用戶收到回送回來的別的網段的用戶信息后，將其加入在線用戶列表，并且利用收到的別的網段的在線用戶的IP地址向其發送自己已經上線的消息。為了能接收自己上線消息還沒到達的網段內有新用戶上線的消息，等到上線消息全部發送結束后，再次發送自己用戶列表中在線的用戶數，對方收到后，與自己列表內的在線用戶數進行比較，如果小于自己的，則把別的網段的用戶信息發送給請求發起者，請求發起者收到后，把與自己列表中相同的記錄丟棄，不同的加入，同時向新加入的記錄發送自己已經上線的消息。如此往復，直到兩端在線用戶列表中的個數相等為止。到此，整個私網中在線用戶的搜索也已經完畢(不用再進入下一過程)。

剛上線的用戶可能不止收到一個“HAVEOTHERS”消息數據包，但也可能收不到“HAVEOTHERS”消息數據包，因為別的網段中還沒有用戶上線或者他是本網段中第一個上線的。如果別的網段中還沒有用戶上線，那么，整個私網中在線用戶的搜索也已就完畢(不用再進入下一過程)。如果他是本網段中第一個上線的，那么，就要進入第二個過程。

(2)此時，他要搜索別的網段在線用戶的情況。為此，他逐一向別的網段的每一個地址發送探測在線用戶的消息數據包，一旦有別的網段的在線用戶收到該上線的消息數據包后，立刻回應“IAMHERE”消息包，并把這個剛上線的用戶的信息加入自己的在線用戶列表，剛上線的用戶只要一收到“IAMHERE”消息包，就立刻停止發送自己已經上線的消息包，同時從“IAMHERE”消息包中提取源IP地址，并向對方發送“REQUESTEDLIST”消息數據包，對方收到這個數據包后，就把自己的在線用戶列表回送，剛上線的用戶把收到的在線用戶信息加入自己的在線用戶列表。并逐一向列表中的成員發送自己已經上線的消息。如果剛上線收到對方回送的用戶列表之前，有新上線的用戶探測到該節點，則收到該用戶列表數據包后，再轉發給剛剛探測到該節點的新的上線用戶。

同樣，剛上線的用戶可能始終收不到“IAMHERE”消息包，那么可以確定他是整個私網中第一個上線的人。

3、私網內管理的解決方案

已有的P2P應用程序，雖然可以實現網絡節點間的信息交換，但它們都依賴于服務器。只要服務器出了故障，則服務器管理下的所有P2P應用軟件將無法工作。例如，目前國內流行的QQ聊天工具，它采用分層的服務器管理模式，如果某一個地區的服務器出現故障，則整個地區的QQ程序將不能工作。為此，本文提出如下的解決方案，既可以實現管理功能，也可以避免上述情況的發生。

服務器出故障導致網絡癱瘓的根本原因就是服務器的作用太大。因此，可以把網絡服務器只作為參與聊天并起到監督作用的參與者節點。為實現私網內的管理功能，每個用戶在登錄時要輸入關于自己的一項信息(根據應用的場合不同自己定義)和密碼(要保證兩者結合可以惟一確定這個用戶)，并把這兩項信息連同用戶名和本機IP地址一同作為上線消息數據包一起發送，當這個數據包到達服務器節點時，服務器提取這兩項信息與數據庫中確定的用戶信息進行比較，如果完全相同，則像別的節點處理這個數據包一樣進行處理。如果不同，則向這個剛上線的節點發送一條要求其退出的消息數據包。剛上線的節點接收到這個數據包后，自動退出。通過這種方法，就可以很好地對全網的用戶進行管理，同時即使服務器出現故障，別的用戶也只是感覺網絡中有一個節點注銷了，感覺不出是服務器的問題，而且可以與網絡中的其他節點保持正常的通信。盡管這里也有一個小的安全隱患，如果一個非法用戶，正好在服務器出現故障的時候登錄系統，顯然他是可以成功的，但這種幾率是微乎其微的，只要服務器恢復正常，可以馬上把這個非法的用戶刪除。

此外，該服務器還可以通過與公網上的服務器通信，借助公網上的服務器穿透NAT或NAPT，實現與另一個私網內服務器的通信。

4、結束語

本文提出的在私網內構建純P2P網絡的算法，以及對服務器降級處理的辦法，能夠實現私網內部節點間的信息交換。算法可自動搜索在線用戶，具有很快的收斂速度。對服務器降級處理解決了私網內節點的管理問題。