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P2P自組織性帶來的挑戰(zhàn)

何寶宏 田慧蓉 2007/11/07

  摘要 對P2P網(wǎng)絡的工作原理和典型應用進行了介紹,分析了P2P在商業(yè)應用和業(yè)務監(jiān)管帶來的挑戰(zhàn),提出了可管控P2P的思路,指出了需要研究的內(nèi)容。

1、引言

  一般人們把具有“自動配置、自動發(fā)現(xiàn)、自動形成和多跳路由”的網(wǎng)絡組織方式稱為自組織網(wǎng)絡。關于自組織網(wǎng)絡,人們討論最多的是無線方式的自組織網(wǎng)絡,而本文將探討的是互聯(lián)網(wǎng)上的P2P應用的自組織特性,以及這種特性帶來的挑戰(zhàn)。

  最近幾年,隨著文件共享P2P軟件的大規(guī)模應用,對等計算(Peer-to-Peer,簡稱P2P)迅速成為業(yè)界的熱門話題。無論是普通用戶,軟件開發(fā)商,各種內(nèi)容提供商,業(yè)務和應用運營商,網(wǎng)絡運營商,還是政府主管部門都非常關注P2P。而P2P也已經(jīng)對整個互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務模式和監(jiān)管機制產(chǎn)生了重要的影響。

  目前,在學術界、工業(yè)界對于P2P沒有一個統(tǒng)一的定義,都分別從不同的應用角度描述出P2P的應用特點。P2P的共同點就是它打破了傳統(tǒng)的Client/Server(C/S)模式,在網(wǎng)絡中的每個結點的地位都是對等的。每個結點既充當服務器,為其他結點提供服務,同時也享用其他結點提供的服務。

2、P2P工作原理

  P2P網(wǎng)絡工作的三個基本步驟包括:找到網(wǎng)絡入口,進入網(wǎng)絡;找到需要進行交互的對等端,與對等端進行交互。其基本原理與P2P網(wǎng)絡拓撲結構有著密切的關系。

2.1 無結構化P2P網(wǎng)絡

(1)集中式

  以Napster為代表,其本質上并非純粹的P2P系統(tǒng)。Napster通過一個中央索引服務器保存用戶所共享的音樂文件索引和存放位置的信息。當用戶需要某個音樂文件時,首先與中央索引服務器建立連接并進行相關檢索,得到服務器返回的文件所有者信息后,與所有者建立連接進行文件傳輸。集中式的P2P網(wǎng)絡維護簡單、檢索效率高。但由于整個系統(tǒng)依賴于中心索引服務器,存在單點失效問題。同時,該類系統(tǒng)的可擴展性較差,無法動態(tài)適應網(wǎng)絡規(guī)模的變化,隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大,對中央索引服務器進行維護和更新的成本也將急劇增加,因而集中式拓撲結構不適合于大型網(wǎng)絡應用。

(2)全分布式

  以Gnutella為代表,網(wǎng)絡中的節(jié)點隨機建立連接,具有完全對等的功能和地位。節(jié)點使用有限范圍內(nèi)的“洪泛(Flooding)”機制發(fā)送請求,其他節(jié)點收到查詢請求后,給出包含與請求相匹配的內(nèi)容信息和地址信息的響應,從而使源節(jié)點能與其建立連接進行文件下載。盡管Gnutella系統(tǒng)的這種基于“洪泛”的查詢技術支持語義查詢,能有效定位復制率很高的內(nèi)容,能夠適應動態(tài)變化的P2P網(wǎng)絡環(huán)境,但這種查詢機制無法定位網(wǎng)絡中稀缺的內(nèi)容,隨著查詢數(shù)目和網(wǎng)絡規(guī)模的增加,每個節(jié)點的負荷也快速增加,使得網(wǎng)絡不具有可擴展性。

(3)層次化

  層次化的拓撲充分考慮了節(jié)點能力的異構性,選擇處理、存儲、帶寬等性能較高的節(jié)點作為超級節(jié)點,其他節(jié)點作為普通節(jié)點。每個超級節(jié)點管轄一定的普通節(jié)點,存儲所轄范圍內(nèi)普通節(jié)點的文件索引。查詢請求只在超級節(jié)點之間轉發(fā),超級節(jié)點負責將這些請求轉發(fā)給適當?shù)娜~節(jié)點。混合式拓撲實際上是一個分層拓撲結構,超級節(jié)點之間構成一個高速的查詢請求轉發(fā)層,不僅減小了查詢時延,又極為有效地減少了洪泛的查詢請求流量。層次化拓撲的典型應用系統(tǒng)包括KaZaa,F(xiàn)asttrack以及Gnutella0.6。實際應用證明,層次化P2P網(wǎng)絡充分利用了節(jié)點能力的異構性,既有Client-Server模式有效定位資源的特點,又能極為有效地消除純P2P結構中使用泛洪算法帶來的網(wǎng)絡擁塞等不利影響,同時超級節(jié)點的引入能夠在一定程度上起到負載均衡的作用,因而得到了廣泛的應用。

2.2 結構化P2P網(wǎng)絡

  以Chord,CAN為典型代表,結構化P2P網(wǎng)絡通過分布式Hash表(Distributed Hash Table,DHT)指定節(jié)點和內(nèi)容的標志符。內(nèi)容被存儲到與之有特定關系的節(jié)點上。同時,每個節(jié)點需維護一個路由表,包括鄰居節(jié)點的IP地址和標志符。查詢請求以逐漸逼近的方式在P2P網(wǎng)絡上轉發(fā),即轉發(fā)到離目標標志符距離更近的節(jié)點。查詢請求提供了高效的P2P路由機制,一般情況下,P2P網(wǎng)絡中的內(nèi)容在O(logN)步內(nèi)定位,其中N為P2P網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)目。盡管基于DHT的結構化拓撲能有效定位網(wǎng)絡中的內(nèi)容,但在節(jié)點狀態(tài)變化頻繁的P2P網(wǎng)絡中,難以有效維護這種結構化的拓撲。此外,結構化拓撲采用的精確匹配的查詢機制無法支持語義查詢,限制了請求者對內(nèi)容的選擇性。

3、P2P典型應用

  盡管P2P還是一個新鮮事物,但國內(nèi)外已經(jīng)有很多公司開始踏上了P2P之路,出現(xiàn)了多種:P2P應用方式。

3.1 信息共享與管理

  典型的如文件共享、深度搜索、分布式存儲等。BT是一種典型的文件共享應用,它通過將大型文件分片的方式實現(xiàn)高效的文件分發(fā)。在BT中,參與下載的節(jié)點一邊下載它所沒有的文件片段,同時為其他節(jié)點上傳它所擁有的完整文件片段,直到得到完整的文件。這種文件分片下載的機制突破了原有文件共享應用,只有獲得完整文件后才能作為服務者提供文件的局限性。使得下載同一文件的節(jié)點越多,下載完整文件所需要的時間越多。這種文件共享方式使得服務器可以同時處理大量的文件下載請求,而自身無須占用大量帶寬,把文件共享的性能瓶頸成功地從服務器轉移到了網(wǎng)絡。

3.2 通信服務

  Skype是基于P2P技術開發(fā)的網(wǎng)絡電話業(yè)務,已經(jīng)引起了傳統(tǒng)電信運營商不小的恐慌,它提供的網(wǎng)絡電話業(yè)務以非常好的語音質量和低廉的價格吸引了全球上億的用戶,搶走了電信運營商大量的VoIP市場。另外,P2P SIP是一種P2P和SIP技術二者的結合,目的是希望利用P2P技術的優(yōu)勢來改造原來基于SIP的呼叫控制實現(xiàn)架構。P2P與SIP的結合目前有兩種方式,一是擴展P2P協(xié)議來代替SIP的用戶注冊和查找過程,二是用SIP協(xié)議的消息傳遞實現(xiàn)P2P算法。

3.3 P2P流媒體

  從流媒體的角度看,P2P實際上是一種應用層組播技術。終端系統(tǒng)不僅可以作為客戶端消費流媒體信息,而且還可以利用其緩沖到本地的流媒體為其它客戶端提供服務,使得流媒體的下載不需要經(jīng)過原始的流媒體服務器,分散了服務器端的處理能力和帶寬使用壓力,避免資源瓶頸的出現(xiàn)。同時,由于采用P2P技術實現(xiàn)容錯,P2P流媒體可以提高媒體流傳輸?shù)目煽啃裕纳品⻊招阅堋D壳埃琍2P流媒體技術不僅可以用于廣播服務,也已經(jīng)發(fā)展到點播服務。

3.4 P2P游戲

  在線游戲是當前網(wǎng)絡發(fā)展的熱潮。使用P2P技術建立分布式小組服務模型來組織在線用戶,可以充分利用終端系統(tǒng)的存儲資源和計算資源來維護玩家的游戲狀態(tài),獲得比C/S模式更好的響應性能。P2P在線游戲克服了C/S模式的單點性能瓶頸以及用戶數(shù)與運營成本成正比增長的問題,把運營成本從游戲運營商部分轉移到了端用戶。

4、P2P在商業(yè)方面帶來的挑戰(zhàn)

  P2P在商業(yè)方面帶來的挑戰(zhàn)是全方位的,涉及內(nèi)容提供商、應用/業(yè)務提供商和網(wǎng)絡提供商等多個環(huán)節(jié)。

  (1)對內(nèi)容提供商而言,基于P2P技術的下載使得盜版猖獗。BT,eDonkey等下載工具的廣泛應用,可以使人們非常方便地在網(wǎng)絡上交換高質量的非正版產(chǎn)品,直接沖擊了內(nèi)容提供商的利益。內(nèi)容提供商的圖書、音樂、影像制品的銷量,早就已經(jīng)隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及,呈現(xiàn)逐年下降的趨勢,而P2P下載業(yè)務的興起無異于給他們又一重擊,甚至連非法的盜版光盤市場也因P2P下載而日益蕭條。P2P的自組織特性,使得無法確定究竟是誰在盜版,找到盜版者變得異常困難。

  (2)目前基于P2P的應用和業(yè)務的絕大多數(shù)是免費的,沒有足夠的利潤空間和合理的利潤分配模式來支持P2P應用和業(yè)務的開發(fā)商和服務提供商持續(xù)而良性的發(fā)展。這和互聯(lián)網(wǎng)上其它很多業(yè)務和應用,面臨沒有合理的商業(yè)模式的窘境是一樣的,幾乎只能依靠廣告和風險投資生存。P2P的自組織特性,模糊了服務者和被服務者的關系,誰該付費、誰該收費,這個現(xiàn)實中不可能發(fā)生的問題就成了P2P業(yè)務的一個新問題。

  (3)P2P對承載網(wǎng)提出了更高的要求,用戶時時在線、上下行帶寬對稱、帶寬需求增加使得網(wǎng)絡流量模型發(fā)生了變化,引起了網(wǎng)絡運營商的極大恐慌。P2P類應用的流量已經(jīng)占據(jù)了40%~70%的網(wǎng)絡帶寬,嚴重影響了互聯(lián)網(wǎng)其他所有業(yè)務和應用的服務質量。更可怕的是無論網(wǎng)絡運營商如何擴容,成倍增加的帶寬往往會在短短的兩周左右被占滿。帶寬似乎永遠不夠,任何的網(wǎng)絡擴容都失去了意義,嚴重的打擊了網(wǎng)絡運營商升級改造的積極性。另外,還有一些P2P應用對于現(xiàn)有運營商的業(yè)務造成沖擊,如Skype電話對傳統(tǒng)語音電話市場的蠶食,使得運營商的利潤下滑,這些帶來了網(wǎng)絡運營商的更大的抱怨。

5、P2P對監(jiān)管帶來的挑戰(zhàn)

  各國政府監(jiān)管的主要目的都是以保護消費者利益、維護公平的市場競爭、維護國家安全和社會穩(wěn)定為主要目標。隨著P2P應用的增多和用戶群的擴大,P2P應用對消費者的利益和信息安全等都開始產(chǎn)生了重要的影響。

5.1 模糊了被監(jiān)管對象

  電信業(yè)務的被監(jiān)管對象通常都是電信服務的提供者,因為他們通常處于強勢地位,主要監(jiān)管服務的資費、安全性和質量等。而P2P去中心化和自組織的思想,徹底模糊了信息服務提供者和消費者的功能角色,使得每個P2P的參與者同時擔當了信息服務提供者和信息消費者的角色。如果按照現(xiàn)行的電信業(yè)務分類和相關的監(jiān)管規(guī)定,每個P2P用戶都參與了信息服務的提供,因此需要受到監(jiān)管,而且這些P2P用戶都涉嫌“非法”提供信息服務業(yè)務(盡管是免費的)。反之也可以這樣解釋,每個P2P用戶提供的服務都是不完整的,不是傳統(tǒng)意義上信息服務提供者,大家都不“違法”。這在監(jiān)管方面就造成了一個很尷尬的局面,即要不大家都違法,要不大家都不違法。

5.2 業(yè)務形態(tài)的確定

  全球的電信業(yè)監(jiān)管者通常根據(jù)業(yè)務的重要程度,對電信業(yè)務實施分類管理。傳統(tǒng)的分類方式基本上是以話音為中心,按照實現(xiàn)技術劃分(如VoIP和傳統(tǒng)TDM話音,移動或固定話音等)。雖然P2P技術還在發(fā)展變化中,但已經(jīng)模糊了話音業(yè)務的典型技術特征,也模糊了不同業(yè)務(如及時通信和話音)之間的典型技術特征,給業(yè)務分類帶來巨大的挑戰(zhàn)。另外,目前的P2P業(yè)務(如Skype VoIP),自組織性使其沒有任何服務質量和安全方面的承諾的,直接挑戰(zhàn)了具體需要監(jiān)管的目標。

5.3 基于P2P技術的通信工具使合法監(jiān)聽難以實施

  傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡都具備合法監(jiān)聽的手段。為保障國家安全,通信網(wǎng)絡在保障個人通信自由和通信秘密的前提下,還需要設立合法監(jiān)聽的監(jiān)聽點。基于P2P技術的即時通信工具在業(yè)務層沒有一個集中的點來建立呼叫或者安排路由,是自組織的,因此不能基于業(yè)務控制設置合法監(jiān)聽點。當然,也可以在P2P流量流經(jīng)的設備監(jiān)測,但數(shù)據(jù)量將非常龐大,一般很難進行實時的海量數(shù)據(jù)分析。

5.4 P2P使得垃圾信息和有害信息更容易傳播

  目前典型的垃圾信息是電子郵件和短信都是基于客戶/服務器模式實現(xiàn)的,應對的有效手段就是將大量發(fā)送垃圾郵件的服務器列入黑名單,通過舉報后封堵發(fā)送短信的終端或在短信網(wǎng)關實施合法的過濾。對于自組織的P2P應用,上述手段都難以實施,因為P2P是端到端通信,自組織的,沒有服務器和終端的概念。P2P應用將分布在世界范圍內(nèi)的網(wǎng)絡用戶直接聯(lián)系了起來,使得垃圾信息和有害信息的傳播更加迅速。目前,P2P類的DDoS攻擊已經(jīng)出現(xiàn)。

6、可管控的P2P

  如果P2P網(wǎng)絡是可管理可控制的,則政府可以對其實施監(jiān)控,保證國家安全。如果P2P網(wǎng)絡是可管理可控制的,則可以成為一個可盈利的綜合信息服務平臺,基于此平臺內(nèi)容提供商可以發(fā)布自己的內(nèi)容和產(chǎn)品、用戶可以通過這一新的“門戶”快捷方便地獲得自己所需要的信息,從而支持良性產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的構建。因此,目前P2P網(wǎng)絡的可管可控正逐漸受到業(yè)界的關注,研究重點可能集中在如下幾個方面:

  (1)研究如何通過合理的網(wǎng)絡結構和必要的管理方式來實現(xiàn)P2P網(wǎng)絡的可管可控,并在此基礎上實現(xiàn)用戶和內(nèi)容的可管可控。

  (2)面對互聯(lián)網(wǎng)上P2P業(yè)務的監(jiān)控需求,通過分析各種典型的P2P應用及其協(xié)議流程(如Gnulleta協(xié)議,Skype和BT的相關協(xié)議等)來研究P2P流量模式的識別與監(jiān)控方式。

  P2P應用在不斷的開推陳出新,個人開發(fā)P2P應用的能力也在不斷提高,因此要實現(xiàn)對P2P業(yè)務的監(jiān)控,必須了解P2P流量的核心特征,建立有效的P2P流量模型,來應對不斷發(fā)展變化的P2P業(yè)務。從目前來看,實現(xiàn)對P2P業(yè)務的監(jiān)控,是促使P2P應用和互聯(lián)網(wǎng)其他應用和諧共存的可行途徑。

  (3)研究P2P網(wǎng)絡平臺的標準化問題,即為各種P2P應用建立統(tǒng)一的技術平臺,并對這一平臺的相關技術進行規(guī)范,標準化是未來規(guī)模應用的基礎。

  (4)確定哪些應用場景適合采用P2P技術、如何把P2P技術融合到現(xiàn)有業(yè)務的實現(xiàn)方式中來。

  P2P技術作為一種創(chuàng)新,也必須經(jīng)過創(chuàng)新孕育、創(chuàng)新萌芽、創(chuàng)新整合、創(chuàng)新應用的必要環(huán)節(jié),目前P2P技術正處于創(chuàng)新整合期,在這一時期P2P技術在影響現(xiàn)有技術體制、管理體系和市場環(huán)境的同時,也勢必在適應這些外部環(huán)境的同時進行自身調整,通過與外部環(huán)境的碰撞與融合來尋找自己的定位,從而提高技術的先進性、成熟度、適用性。可以預言,P2P技術在未來相當長一段時期內(nèi)將是互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)持續(xù)發(fā)展的推動力和活力源泉。尤其是經(jīng)過了整合期以后的P2P技術,將在互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)中大規(guī)模應用,從而對未來網(wǎng)絡結構、業(yè)務實現(xiàn)方式、商業(yè)盈利模式、用戶使用習慣、網(wǎng)絡監(jiān)管理念、社會信息交流方式產(chǎn)生巨大影響,我們也將迎來嶄新的后P2P時代。

泰爾網(wǎng)



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