学文网【 摘 要 】 本文从 P2P 技术的基本概念入手， 围绕P2P 的特点和优势、国内外对等网络的现状、研究的意义进行了讨论， 并着重阐述了 P2P 的网络模型，介绍了常见的系统模型，并对它们进行了分析和对比，最后讨论了 P2P 网络中的问题与存在的不足。
【 关键词 】 对等网 （P2P）；网络模型
1 P2P 网络模型及其对比
目前最为流行的三种 P2P 网络结构分别是基于集中式目录结构、基于分布式的对等网络体系和基于混合式的对等网体系结构，它们分别以 Napster、Gnutella 和 Kazaa 为代表。三种模型各有优缺点，有的模型存在着自身无法克服的缺陷，所以目前处于各种结构共存，互相借鉴的形式。
下面将对基于集中式目录结构、基于分布式的对等网络体系的网络模型进行分析及对比。
2 集中目录式网络模型
在集中目录式结构中，有中心服务器，但与客户端-服务器模式不同的是，P2P 网络中的中心服务器只保存共享资源的目录信息，实际的数据保存在提供这些资源的各个对等节点上。当对等节点A 需要共享资源时，向中心服务器发出请求， 中央服务器进行相应的查询和检索后，会返回符合查询要求的对等节点地址信息列表。对等节点A接收到返回信息后，会根据网络当时的流量和延迟等信息进行综合选择，与合适的对等节点建立直接的连接，并开始实行文件传输。数据的交换在对等节点之间直接进行，不用通过中心服务器。
在集中式P2P模型中，由于中心服务器只处理节点的查询检索请求，实际数据存储在节点上并且数据的处理和传输发生在不同节点之间，因此服务器的负担大大减轻，充分利用了节点的存储和计算能力。另外在集中式P2P 模型中，由于有中心服务器为用户提供查询和检索服务，提高了共享资源的查询效率。但要求中心服务器必须能够线上连续工作，处理大量的用户连接，拥有快速的运算处理速度和足够的存储空间来维护、搜索文件列表。一旦中心服务器发生故障，将导致整个P2P 网络崩溃。
事实上，这种结构中的节点并非完全对等，中心服务器要承担比其它节点繁重得多的任务，从这个意义上说，集中式P2P 模型并非一个纯粹的对等系统。而且由于节点随意性很高（节点的进入、退出很频繁随意），中心服务器处于不断的动态更新中，中心服务器还要响应所有用户的查询请求。因此，当网络规模很大时，中心服务器有可能会成为制约整个网络的瓶颈。
解决方法就是使用多台中央服务器平行工作：一方面分散工作任务，防止瓶颈产生，提高系统性能；另一方面可提高查询速度，减少用户的等待时间，提高系统的QoS。Naspter之后的P2P 系统进行了重点改进，系统基本上都采用无中心结构，鲁棒性和可扩展性得到大幅提高。
集中式 P2P 可提供中心服务器目录检索、管理服务和标准的点到点通信，具有高效的检索特点。集中式 P2P 对小型网络而言在管理和控制方面有一定的优势，但对大型网络并不适合。
3 分布式对等网络模型
Napster因为中央服务器的存在引起的版权纠纷导致了它的破产，以Gnutella和eMule为代表的后来者们吸取了Napster失败的教训。与Napster网络不同，它不存在中心目录服务器，或者说把所有节点都变成了服务器，这就是第二代P2P——分布式P2P。
这种网络中没有中心服务器，所有的节点都是对等的，具有相同的能力。为查找某个文件，对等点首先向与之相邻的所有活动节点发送一个查询请求包，相邻节点在接收到查询请求后，检查本地是否有符合查询请求的文件，如果有，则按查询请求包的发送路径返回一个查询响应包。无论本地是否存在符合查询请求的文件内容，其他对等节点都会将该查询包通过广播方式继续在网络中传递，直至查询包中TTL（ Time of Life）属性值递减为0时停止转发。
这种模型与集中目录式不同。由于没有目录服务器，解决了中心点失效的问题。但由于其搜索依靠向相邻节点查询或广播得到，搜索请求有时需要在网络中传播很广的范围才能得到结果，搜索时会占用大量带宽资源，搜索效率低，搜索结果可能要经过长时间等待才能返回。
Gnutella模型是这种模型的主要代表。当用户搜索文件时，在网上进行广度优先或深度优先搜索，当搜索到一定的范围后，将得到的匹配结果返回给用户。由于这种搜索无法遍及整个网络，因此就存在不能搜全的问题。但是这个问题并不严重，因为大部分时间用户搜索的是比较常见的文件，而这些文件在整个网络中往往分布比较多比较广，只要搜索的范围不是很小，总可以搜到。当然，如何在非结构化网络中搜索不常见的文件是P2P 研究中的一个热点，近年来取得了一些进展。
这种搜索机制的优点是简单强健，缺点是不适用于超大规模网络系统，因为每产生一个查询，就会在网络中泛滥而导致大量网络带宽被损耗。实际上，放弃搜索完备性却换来了很高的可扩展性，系统不再有中心节点这个可能的瓶颈，规模可以扩展到上百万甚至上千万节点的规模。并且，由于不存在中心节点，系统的鲁棒性得到了提高。
Gnutella模型是现在应用最广泛的纯P2P非结构化拓扑结构，它解决了网络结构中心化的问题，扩展性和容错性较好，但是Gnutella网络中的搜索算法以泛洪的方式进行，信息的泛滥消耗了大量带宽并很快造成网络拥塞。同时，局部性能较差的节点可能会导致Gnutella网络被分片，从而导致整个网络的可用性较差，另外这类系统容易受到垃圾信息、病毒的攻击。这种无中心、分布式系统的特点是：它不再是简单的点到点通信，而是更高效、更复杂的网络通信。Gnutella 模型引入了强制共享机制，在一定程度上避免了第一代 P2P 网络模型的低效和随意。
4 两种P2P 网络模型的对比
集中目录式P2P模型查询效率高、易于管理并且没有数据一致性的问题，而且只需要对有记录索引信息的中心服务器进行维护，具有一定的安全性和可靠性，但还存在很多不足，主要表现为：
（1）中央服务器的瘫痪容易导致整个网络的崩溃，可靠性和安全性较低；
（2）随着网络规模的扩大，更多中央目录服务器的加入会使维护和更新的费用急剧增加；
（3）中央服务器的存在引起共享资源在版权纠纷；
（4）缺乏有效的强制共享机制，资源可用性差。
与集中式模型相比，分布式模型由于没有中心服务器，节点之间都相互连接，所有节点完全平等，所有节点既是客户机又是服务器，并具有自治功能，节点间可直接自由通信，通过相邻节点可进行路由和资源访问，强调网络的容错性和扩展性，较好地解决了一旦中心点失效导致整个网络崩溃的问题。规模可以扩充到百万乃至千万级。由于不存在易受攻击的关键节点，系统的鲁棒性也得到了提高。但由于其采用的搜索查询机制决定了搜索请求要在网络中传播很大的范围才能得到结果，搜索时会占用大量带宽，搜索效率低，搜索结果要经过很长时间返回。
总之，分布式对等网络模型也存在很多弊端，主要表现在几个方面：
（1）搜索请求要经过整个网络或者至少是一个很大的范围才能得到结果，因此，这种模式占用耗费资源多，需要等待很长时间才可能返回结果；
（2）随着网络规模的扩大，通过扩散方式定位对等节点以及查询信息的方法将会导致网络流量急剧增加，引起网络堵塞，最终使 Gnutella 网络被分片，使得查询访问只能在分片后的网络范围内进行；
（3）对网络上的节点以及对节点提供资源的管理能力较差；
（4）安全性不高，易遭受恶意攻击，如攻击者发送垃圾查询信息，容易造成网络拥塞等。
两种模型各有优缺点，集中式 P2P 有利于对资源的快速检索，但是中心化的模式使整个网络比较脆弱；分布式 P2P增强了抗攻击能力，但缺乏快速搜索能力。
参考文献
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[3] 张联峰，刘乃安，钱秀槟等.综述：对等网（P2P）技术[J].计算机工程与应用.2003.12.
[4] 雷葆华.P2P网络的关键技术与应用.中国电信股份有限公司北京研究院，2005.
作者简介：
蒋成（1982-），男，湖北孝感人，本科学历，湖北工程学院教务处实验师：主要研究方向：计算机网络、信息教学、教学管理。
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