（计算机科学与技术专业论文）基于psp的音视频通讯系统的研究与设计.pdf

独创性声明 yllflflli18ll117tll19ifll7lll15ifll8iflll y18 7 9 7 5 8 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名： 崔柱工 日期：三! ! ! ：三：! 兰 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ： 、日期扣f 、f 易 雀舷卫 邯哀幺 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术、多媒体技术和宽带接入技术的不断发展，传统的文字通 信和简单的语音通信已经不能满足大家的需求，基于语音视频的多媒体通信成 为网络研究的热点，是未来通讯的发展趋势。由于音频视频数据量大，传统的 基于服务器和客户端的设计模式，需要消耗大量的网络带宽，给中心服务器带 来很大的负载压力。新兴的p 2 p 对等网络技术改变了传统的网络状态，允许终 端用户间直接搜索和资源共享，充分利用网络中其它节点的计算能力，减轻了 服务器的负担，充分利用网络带宽，改善了网络传输环境。在网络上实现音视 频实时传输需要相关的技术支持，包括音视频快速捕捉技术、音视频编码技术、 数据压缩技术和网络传输技术等。通过对相关技术的研究，对开发流媒体应用 软件具有重要的意义。 在p 2 p 网络结构中，如何准确地定位节点，实现点对点的通信是非常重要的。 目前有多种协议可以完成对等节点的发现。例如g n u t e l l a 、b i t t o r r e n t 以及p n r p ( 对等名称解析协议) 等。p n r p 协议是由微软公司设计的基于p v 4 和i p v 6 的点 对点协议，主要适用于w i n d o w s 应用程序。p n r p 提供了安全灵活的动态名称注 册和名称解析协议，p n r p 协议与传统的名称解析系统大不相同，它为p 2 p 应用 程序提供了新的可能。 本文利用微软公司开发的p n r p 协议，在p 2 p 对等网络中真正实现端到端的 通信，同时解决了n a t 技术对p 2 p 应用程序带来的障碍，给开发p 2 p 应用软件提 供了新的解决方法。采用d i r e c t s h o w 技术处理音视频通信模块，采用g 7 2 9 、h 2 6 4 压缩标准分别实现音频和视频数据的压缩，利用口组播技术实现组播组中的信息 共享。本文是在v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 8 开发环境下，采用c 撑语言实现了一个基 于局域网对等网络中的语音视频通信、文本消息聊天，文件传输、群发消息等 功能的一个系统原型。 关键词：对等网络，p n r p ，d i r e c t s h o w ，音频，视频 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , m u l t i m e d i at e c h n o l o g ya n d b r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a lt e x tc o m m u n i c a t i o na n ds i m p l ev o i c e c o m m u n i c a t i o nc a n n o th a v es a t i s f i e de v e r y o n e sn e e d s ，m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n b e c o m e sh o tb a s e do nt h ea u d i oa n dv i d e o ，a n db e c o m e st h ed e v e l o p m e n tt r e n do f f u t u r ec o m m u n i c a t i o n s b e c a u s eo fl a r g ea m o u n to fd a t aw h i c ht h ea u d i oa n dv i d e o h a v e ，t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm o d e lb a s e so n $ e t v e ra n dc l i e n tn e e d st oc o n s u m el a r g e a m o u n t so fn e t w o r kb a n d w i d t h , s ot h i sd e s i g nm o d e lg i v eag r e a tl o a dp r e s s u r et 0 c e n t r a ls t , w v e r p 2 pp e e r - t o - p e e rt e c h n o l o g yh a sc h a n g e dt h et r a d i t i o n a ln e t w o r ks t a t e , t e r m i n a lu s e r 8c a nd i r e c t l ys e a r c ha n ds h a r er e s o u r c eb e t w e e nt h e m , m a k ef u l lu s eo f t h ec o m p u t i n gc a p a c i t yi nn e t w o r k sc o m p u t e rn o d e s ，r e d u c et h eb u r d e no fs e r v e r , f u l l y u t i l i z et h en e t w o r kb a n d w i d t ha n di m p r o v et h en e t w o r k st r a n s m i s s i o n e n v i r o n m e n t r e a l i z et h er e a l t i m ea u d i oa n dv i d e ot r a n s m i s s i o ni nt h en e t w o r kn e e d s r e l a t e dt e c h n i c a ls u p p o r t , i n c l u d i n gr a p i dc a p t u r eo fa u d i oa n dv i d e od a t at e c h n o l o g y , c o d et e c h n o l o g y , d a t ac o m p r e s s i o nt e c h n i q u e sa n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y a n ds oo n i t sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f m e d i aa p p l i c a t i o n s o f t w a r e ，t h r o u g ht h es t u d yo fr e l e v a n tt e c h n o l o g y i nt h ep 2 pn e t w o r ks t r u c t u r e ，h o wt ol o c a t en o d ea c c u r a t e l ya n dr e a l i z e p o i n t - t o - p o i n t c o m m u n i c a t i o ni s v e r yi m p o r t a n t n o wm u l t i p l ep r o t o c o l sc a n d i s c o v e r ye q u i v a l e n c en o d e ，s u c h a sg n u t e l l a , b i t t o r r e n ta n dp n r pa n de t e p n r p p r o t o c o l i sd e s i g n e db ym i c r o s o r ，w h i c hb a s e do ni p v 4a n di p v 6p o i n t - t o - p o i n t p r o t o c o l ，i t s s u i t a b l ef o rw i n d o w sa p p l i c a t i o n p n r pp r o v i d e sd y n a m i cn a m e r e g i s t e r e da n da n a l y t i c a lp r o t o c o l ，p n r pi sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a la n a l y t i c a l s y s t e m ，i t sp r o v i d e sn e wp o s s i b l ef o rp 2 pa p p l i c a t i o n t h i sp a p e ru s em i c r o s o f tc o m p a n y sp n r pp r o t o e l ，r e a l i z et h ee n d - t o e n d c o m m u n i c a t i o ni n p e e r - t o - p e e rn e t w o r k , i ts o l v e s t h eo b s t a c l ew h i c hn a t t e c h n o l o g yb r i n g ht 0p 2 pa p p l i c a t i o n s ，a n dp r o v i d e san e ws o l u t i o nf o rd e v e l o p i n g p 2 pa p p l i c a t i o ns o f t w a r e a d o p td i r c c t s h o wt e c h n o l o g yt or e a l i z ea u d i oa n dv i d e o c o m m u n i c a t i o nm o d u m , u s eg 7 2 9 ，h 2 6 4c o m p r e s s i o ns t a n d a r df o rc o m p r e s s i n g 武汉理工大学硕士学位论文 v i d e oa n da u d i od a t a , u s ei pm u l t i c a s tt e c h n o l o g yt os h a r ei n f o r m a t i o nb e t w e e n m u l t i c a s tg r o u p t h i sa r t i c l ei si nv i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 8d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , u s e sc 撑l a n g u a g et or e a l i z eas y s t e mw h i c hb a s e do nl a np e e r - t o - p e e rn e t w o r k ， i n c l u d i n ga u d i oa n dv i d e oc o m m u n i c a t i o n s ，t e x tm e s s a g e s ，f i l et r a n s f e re c t k e y w o r d s ：p 2 p , p n r p ，d i r e c t s h o w , a u d i o ，v i d e o m 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论l 1 1 课题研究背景、目的和意义1 1 1 1 课题研究背景l 1 1 2 课题研究的目的和意义。1 1 2 音视频通讯的应用2 1 3 本文主要研究内容及组织结构3 1 4 本章小节，4 第2 章p 2 p 应用开发技术和p n r p 协议5 2 1p 2 p 技术介绍。5 2 2p 2 p 架构。5 2 2 1p 2 p 的特点5 2 2 2p 2 p 的网络结构6 2 2 3p 2 p 的应用9 2 2 4p 2 p 的实现原理10 2 2 5p 2 p 网络安全问题1 l 2 2 6p 2 p 安全防范策略1 3 2 2 7n a t 对p 2 p 对等网络的影响1 4 2 3p n r p 协议1 4 2 3 1p n r p 协议简介l5 2 3 2 对等名称和p n r p i d 18 2 3 3 群18 2 2 4p e e r t o p e e r 名称空间1 9 2 3 本章小节2 0 第3 章音频视频通信的关键技术2 l 3 1 音视频编解码技术，2 l 3 1 1m p e g 标准概述2 1 i v 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 2g 7 2 9 语音编解码技术。2 3 3 1 3h 2 6 4 视频编解码技术2 3 3 2 网络传输技术。2 4 3 2 1 网络传输的问题2 4 3 2 2 网络传输协议介绍2 4 3 2 2 1t c p u d p 介绍2 5 3 2 2 2r t p r t c p 协议介绍2 5 3 3 基于d i r e c t s h o w 的音视频采集技术2 7 3 3 1d i r e c t s h o w 简介2 7 3 3 2f i l t e r 简介2 7 3 3 3d i r e c t s h o w 应用程序的开发流程：2 9 3 4 本章小节3 0 第4 章p 2 p 的音视频通信系统的设计：3l 4 1 目前局域网通信工具的发展现状3 1 4 2 系统配置3 2 4 3p 2 p 对等网络应用程序开发。3 3 4 4 程序功能介绍3 4 4 5 网络传输协议的选择3 4 4 6 数据压缩方式3 5 4 7 音频视频数据同步3 5 4 8 本章小节3 6 第5 章p 2 p 的音视频通讯关键模块的设计与实现3 7 5 1 客户端的通信连接3 7 5 2 音视频通信模块的实现3 9 5 2 1 语音模块设计4 0 5 2 2 视频模块的设计4 1 5 2 3 音视频文件格式一4 3 5 2 4 音视频文件的回放4 4 5 2 5 音视频数据的传输策略4 6 5 2 5 1 音视频网络传输结构4 6 v 武汉理工大学硕士学位论文 5 2 5 2 采集设备检测4 7 5 2 5 3 音视频传输中的u d p t c p 数据格式4 8 5 2 5 4 网络接收发送过滤器的开发。5 0 5 3 文本信息和文件传输模块5 0 5 3 1 文本信息模块。5 0 5 3 2 文件传输模块5 1 5 4 消息群发功能的实现5 1 5 5 系统运行和测试5 3 5 6 本章小节5 3 第6 章总结与展望5 4 6 1 本文总结_ 5 4 6 2 进一步的研究工作5 4 致谢：。5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 8 v i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的和意义 1 1 1 课题研究背景 目前，各种类型的计算机网络已经普及，大量的计算机和工作站都连接到 互联网上，因此，在现有的网络基础上发展多媒体网络具有巨大的市场和潜力。 流媒体技术是网络音频视频发展到一定阶段的产物，它涉及到流媒体数据的采 集、压缩、存储、传输以及网络通信等多项技术，而流媒体产业中的关键技术 是视频、音频处理技术和网络传输技技术，流媒体的主要应用都与音频视频通 信技术相判1 6 1 。 传统的音频视频通信系统都是基于c s 或者b s 架构的方式，由于多媒体数 据量大，传输时需要占用相当大的网络带宽，当大量用户访问服务器时，会造 成服务器负载过重，造成系统瓶劲，p 2 p 技术解决了这样的问题。p 2 p 技术是当 前互联网上比较热门的技术。p 2 p 对等网络技术是一种用于不同计算机用户之 间，不经过中心服务器就可以直接交换数据和服务的技术。将p 2 p 技术应用到网 络多媒体上，用户可以根据他们的网络状态和设备能力，与一个或多个用户建 立连接，分享数据。在多人的多媒体实时通信中，p 2 p 技术也会对网络状况和音 视频质量带来很大的改进。 1 1 2 课题研究的目的和意义 目前音视频技术发展迅速，基于音视频通讯的仍然具有较大的市场潜力， 在此基础上研究音频视频通信技术，基实现一个基于音视频通信的即时通讯软 件。目前p 2 p 的音视频通信技术也有所发展，在实际的通信中，仍然需要服务器， 利用服务器存储节点信息，同时还要解决网络中地址的转换问题( n a t 穿越问 题) 。p n r p 协议的出现为开发p 2 p 应用程序提供了新的解决途径，可以实现一个 不依靠中心服务器即可直接通信或者共享信息。p n r p 应用于p 2 p 应用程序中， 解决了传统c s 模式的限制，绕过中心服务器，降低了组建网络的费用，节约了 成本。 武汉理工大学硕士学位论文 本文利用p n r p 协议实现局域网内部的音视频通信，对于局域网用户如办公 室、学校、实验室等等，通过运行p 2 p 音视频通信工具，不需要设置服务器，就 可以实现局域网的语音聊天、视频通信、文本信息和文件共享的功能，通过组 播技术实现内部群发消息功能。 1 2 音视频通讯的应用 随着音频视频处理技术和音视频传输技术的发展，音视频通信应用于各种 领域。音频视频通信广泛应用与对媒体新闻发布、网络广告、电子商务、视频 点播、远程教育、远程医疗、实时视频会议等互联网信息服务的方方面面，它 的应用将为网络信息交流带来革命行的变化，对人们的工作和生活将产生深远 的影响。 ( 1 ) 视频会议系统 视频会议系统( v i d e oc 伽薪_ 髓c es y s t e m ) 是一种能把文本、图像、声音等多 媒体信息从一个地方传送到另一个地方的通信系统【l 】。它支持不同地域的人们进 行远距离的实时的信息交流，它由多媒体通信技术和音视频压缩技术来实现的。 视频会议系统通过传送参与者之间的音视频信息，通过直接的信息交流，真实 地营造多人共享的空间【2 1 。这种应用提高了人们的工作效率，降低远距离的会议 费用，目前视频会议系统主要应用于政府部门、电子商务等领域。 ( 2 ) 远程教育系统 远程教育系统一般采用音视频传输以及数据协同等网络传输技术，模拟真 实课堂环境，通过网络给学生提供有效的教学环境。这种教学方式突破了传统 教学模式的局限性，为学生提供了时间分散、资源共享、交互式的学习创新方 式，远程教育系统是对传统教学模式的一次变革【3 1 1 4 1 。远程教育系统可以完成在 线同步音视频课堂、在线讨论、课程资源共享等功能，主要应用于远程教育培 训，与传统面授培训相结合，有效地降低了培训成本。 ( 3 ) 视频点播系统 v o d 即视频点播技术，也称为交互式电视点播系统。视频点播是一种先进 的音视频通信技术，它结合网络传输技术和流媒体技术，是一项全新的信息服 务。通过节目表的自主控制，选择相应的节目，通过客户端播放器的控制，实 现媒体数据的回放。例如在学校内开发视频点播系统，可以实现校园教学资源 的共享，通过选择不同科目的视频教材，实现课堂在线或者自主学习，提供一 2 武汉理工大学硕士学位论文 个好的学习平台。目前市场较为流行的视频点播系统主要有p p s 、p p l i v e 等。 ( 4 ) 视频聊天系统 随着互联网技术的发展和网络的普及，人们对网络通讯也有了进一步的要 求，进而改变了传统网络通讯的方式，使交流不再只是局限于普通语言文字、 简单的语音交流。随着多媒体技术的不断成熟，利用音视频通信技术可以实现 不同地域的人们进行语音视频通信，从而拉近了人与人之间的距离。目前主要 的视频聊天软件主要有 n e t m e e t i n g 、m s nm e s s a g e 、腾讯q q 、新浪u c 2 0 0 9 等。 ( 5 ) p t v 近年来随着三网融合技术的不断成熟，将电信网、计算机网和有线网络通 过技术改造，能够提供语音、视频、图像等综合多媒体的通信业务。p t v ，也 叫交互式网络电视，口t v 利用流媒体技术通过网络传输数字电视信号给用户， 它可以提供互联网的服务，将电视服务、互联网浏览、电子邮件，以及多种在 线信息的咨询、娱乐、教育及商务功能结合在一起。m t v 将有效地将电视、电 信和计算机三个领域结合在一起，具有广阔的发展前景。 1 3 本文主要研究内容及组织结构 本文研究的是基于p 2 p 技术的音视频传输，实现对等网络中的点对点的直接 通信，本文采用w i n d o w s 系统的点对点服务，利用p n r p 名称解析协议完成对等 网络中节点的发现功能。在v i s u a ls t u d i o n e t 开发平台上，利用d i r e c t s h o w 技术进 行音视频捕捉，实现音视频同步、播放与传输，并用g 7 2 9 、h 2 6 4 压缩标准分别 实现音频和视频的压缩。本文利用c 撑语言将d i m c t s h o w 技术中应用的一些操作封 装的d i r e c t x c a p t u r e d l l 中，这样降低了应用程序的开发难度。 本文实现了一个能在局域网内进行语音聊天和视频通信，并实现了文本信 息聊天、文件共享、群发消息等功能的一个即时通信系统，能够运行在客户端 的应用程序。 本论文共分为六章。 第一章主要介绍课题研究的背景、目的与意义，目前音频视频通讯的主要 应用领域，本课题完成的主要工作做一些简单的介绍和论文的组织结构。 第二章主要介绍p 2 p 应用开发技术简介和p n r p 协议。介绍了p 2 p 技术的主要 应用，p 2 p 的特点及p 2 p 对等网络的模式，还讨论了p 2 p 网络面临的主要问题，并 对这些问题提出了一些解决策略。p n r p 协议为对等网络应用的开发提供了新的 3 武汉理工大学硕士学位论文 技术支持，介绍了p n r p 协议及其名称解析的过程。 第三章主要介绍- j p 2 p 音频视频通信的关键技术，音视频压缩技术、传输协 议及d i r o z t s h o w 技术。 第四章主要介绍了本文设计了一个基于p 2 p 的音频视通讯系统，介绍系统的 结构和系统主要实现的功能与目标、通信过程中使用的通信协议、音视频同步 方案等。 第五章为本文的主要实现部分，详细介绍了各个主要模块的设计与实现， 并介绍了音视频传输协议使用的数据包格式，实现了音视频的采集、显示、保 存，并设计了一个能在客户端播放音视频的媒体播放器，介绍音视频传输的设 计方案与实现，最后介绍了其他模块实现过程。 第五章为本文的总结与展望部分。 最后为参考文献，致谢，发表论文情况等 1 4 本章小节 本章首先介绍了论文的研究背景及意义，指出p 2 p 音视频传输当前的研究热 点，介绍了音视频的主要应用领域及新的服务。最后介绍了论文主要完成的工 作和论文的结构。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章p 2 p 应用开发技术和p n r p 协议 近年来，p 2 p 作为互联网通信应用中一项新兴技术发展迅速。基 于p 2 p 方式 实现的应用软件，已经广泛应用与资源下载、互动游戏、流媒体播放、分布式 计算等多个领域，并在越来越多的领域展现了巨大的应用潜力。 2 1p 2 p 技术介绍 p 2 p 的英文全称为p e e r - t o p e e r ，p e e r 的意思有 同事”和”伙伴”等意义。在计 算机应用中，p e e r , t 相当于网络中的计算机节点，所以p 2 p 也称为对等网络1 7 j 。目 前p 2 p 技术在文件下载、分布式计算、视频点播系统等方面大有前途。 简单的说，p 2 p 直接将客户端联系起来，让客户端通过互联网直接交互。p 2 p 对等网络中的计算机能够之间共享和交互，使基于网络的交互变得简单，同时 消弱了中, c , 4 l a 务器的作用。p 2 p 客户端浏览或下载的数据不是来自于服务器，而 是来自于对等网络中的客户端。p 2 p 改变了互联网以大网站为中心的状态、充分 利用网络中的资源，并且p 2 p 网络中的用户地位都是平等的。 2 2p 2 p 架构 在p 2 p 技术尚未盛行之前，传统的网络通信系统基于c s 架构模式。在传统 的c s 架构应用程序中，客户端向服务器发出请求，服务器存放共享资源并对客 户端请求做出响应，在这种架构模式下，当客户机大量访问服务器时，服务器 的负载就过重，服务器常常会出现能力不足或网络拥堵的现象，这样对服务器 性能的要求就越高。 2 2 1p 2 p 的特点 p 2 p 技术与传统的架构模式不同，在p 2 p 技术的系统应用中，每个计算机节 点既是客户端也是服务器，其功能地位是对等的，每个计算机节点根据自己的 计算能力，同时承担了一部分服务器的功能。安装 p 2 p 软件的计算机之间可以 直接进行数据通信，而不需要专门的服务器，p 2 p 的架构如图2 1 所示。 5 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1p 2 p 架构图 相对于c s 架构来说，p 2 p 具有一下特点： ( 1 ) 对等模式。p 2 p 应用系统中每一个计算机节点同时担当着客户端和服 务器的角色，一使两台计算机之间不通过服务器直接进行信息资源的共享。 ( 2 ) 分布式网络数据存储结构。p 2 p 技术的另一个重要特点在于“分散 ， 网络中所有的计算、存储和网络连接能力都分布在非集中式网络的“对等伙伴 上。在c s 架构中，所有客户端都是直接从服务器下载所有资源，而p 2 p 对等网 络则改变了以服务器为中心的状态，每个节点可以先从服务器上各下载一部分， 然后再互相从对方或者其他对等节点下载其他部分。采用这种方式下，当大量 客户端同时下载时，不但不会形成服务器网络带宽瓶颈，造成网络堵塞，反而 提高了下载的速率。 2 2 2p 2 p 的网络结构 p 2 p 的网络结构可以分为集中式p 2 p 网络、分布式p 2 p 网络以及混合式p 2 p 网 络，而分布式网络又分为结构化分布式p 2 p 网络和非结构化分布式p 2 p 网络 1 7 1 1 s 9 1 。 1 集中式p 2 p 网络 集中式p 2 p 网络模式由一个中心服务器( 也称为索引服务器) 集中存放对等 节点的地址信息和所保存数据的相关元数据，用来负责记录共享信息以及反馈 对这些信息的查询，中心服务器可以对请求数据进行快速查找并能够返回一个 或者多个最为合适的节点【7 1 。文件直接交换在两个对等节点之间进行，这种形式 具有中心化的特点。它和传统c s 架构的区别在于：传统c s 架构的所有资源都 6 武汉理工大学硕士学位论文 在服务器中存储，所有传输的内容都经过中心服务器，客户机之间没有信息交 换。而对于集中式p 2 p 模式来说，对等节点都等登陆到中心服务器上，通过中心 服务器保存并维护所有对等点的共享资源目录信息，此时的服务器只起到促成 各节点间协调和扩展的功能 9 1 。共享资源并没有存储在服务器上，而是存储在对 等网络中的各个计算机节点上，这种架构的典型应用是n a p s t e r 。 安装了p 2 p 软件的各个计算机开始全部和索引服务器连接，以便告知自己监 听的m 地址和端口，然后再通过索引服务器告知其它与自己连接的计算机，每一 台计算机的连接和断开连接都通过服务器通知网络上有联系的计算机。这样就 减轻了每台计算机搜索其他计算机的负担，扩展也比较方便。而真正的信息交 换则仍然通过点对点直接完成。集中式p 2 p 模式结构如图2 - 2 所示： 图2 2 集中式p 2 p 模式结构图 在图2 。2 中，对等网络中的某台计算机查询文件b ，首先通过索引服务器， 索引服务器告知对等网络中文件b 所处的位置，然后双方建立连接，实现直接通 信。 2 结构化分布式p 2 p 网络【9 】 结构化分布式p 2 p 网络是一种纯p 2 p 网络，这种网络不需要有中心服务器和 中心路由器，结构化分布式p 2 p 网络中的每一个p e e r 都作为对等实体，地位是完 全平等的。每一个p e e r 既是客户端又可以充当服务器，并且它们与相邻的p e e r 有 相同的能力。在这种结构中，如何查找资源是研究的重点，目前通过分布式散 列函数将输入的关键字唯一映射到某个节点上，然后通过一些特定的路由算法 和该节点建立连接。这种结构最典型的代表有c h o r d 、p a s t r y 、t a p e s t r y 等等。 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 非结构化分布式p 2 p 网络 非结构化分布式p 2 p 网络和结构分布式p 2 p 网络一样，也是一种纯p 2 p 网络， 只是在网络结构上有所不同，这类网络中每个节点都拥有自己的邻居 ( p e e r - g r o u p ) 。非结构化p 2 p 网络中也不存在任何中心服务器( 索引服务器) ， 对等节点也从不主动发布共享信息，各个节点之间直接交换交互信息1 7 j 。 搜索文件时，节点通过发送查询数据报到自己所有的邻居节点，收到查询 数据报的每一个节点将检查自己本地存储的文件是否满足查询要求。如果满足 要求的话，这时初始发送者收到该节点的查询响应数据包，该节点可以和查询 节点之间可以直接交换文件；不管满足与否，该节点都继续将查询数据包转发 给自己的邻居节点。以此类推，查询消息像洪水( f l o o d ) 一样在网络中流动，这 种模式也称为“洪泛请求模式 。这种结构最典型的代表是早期的g n u t c l l a 网络。 这种结构的优点就在于能够较好地处理动态节点的加入和退出，节点之间 不必通过中心服务器，可直接建立连接，扩展性较好；缺点是不易管理，且安 全性较差，容易受到网络中其他节点的恶意攻击。 4 混合式p 2 p 网络 将集中式p 2 p 网络与分布式p 2 p 网络结合一起就构成了混合式p 2 p 网络。快速 检索网络资源、易扩展是集中式p 2 p 网络的优势，但是这种中心化模式容易受到 网络中的攻击，甚至导致整个网络瘫痪。抗攻击性是分布式p 2 p 网络的优势，但 是这种方式缺乏快速搜索的能力，且不易扩展。混合式p 2 p 网络融合了这两种模 式，利用这两种模式的优势，按照节点能力进行分工，某些能力强大的节点称 为“超级节点 ，担任某些特殊的任务，称为“超级节点”的节点分担了网络 中的大部分检索、路由和扩展任务，这样降低了普通节点的负载。混合式结构 网络充分利用了网络中节点的处理能力，各尽所能。这类网络典型的代表是 s k y p e 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3p 2 p 的应用 图2 3 混合式p 2 p 网络结构 p 2 p 技术成为研究的热点，被广泛应用于计算机网络的各个应用领域，如对 等计算、文件交换、流媒体播放、即时通信系统及在线游戏支撑平台等方面【1 2 】【1 5 】。 1 对等计算 p 2 p 技术的目标是将网络上数量庞大的闲置计算能力融合起来，形成了一种 新的计算模式。这种新的计算模式主要应用于处理海量数据并且计算时间长的 科学计算研究和应用。在每一次具体的应用中，由逻辑和数据等元素组成的计 算任务被划分为多个组成片，并将其按照一定的策略分配到基本p 2 p 计算功能的 计算机中执行。在保证原有计算机的正常使用的前提下，将闲置的计算资源实 现融合并完成各类不同需求的计算任务，并将相关结果信息反馈给服务器，分 析并融合这些信息，从而确定最终的结论。这种p 2 p 计算模式，最大化地使用了 网络中的计算资源，节约了因购买大型服务器的花销，达到了更好的计算和经 济效益。 2 文件下载 人们通过互联网获取资源的需求引发了p 2 p 技术的热潮，传统的w e b 方式 中，文件的交换要通过服务器的参与，通过将文件资源上传到特定的服务器上， 用户再从服务器上下载的方式进行资源共享。用p 2 p 架构后，网络中的对等节点 9 武汉理工大学硕士学位论文 可直接在本地存储器上共享文件，而不必在中心服务器上共享，从而降低了硬 件成本，并充分利用了每个计算机的存储能力。在对等网络中，对等点通过不 同的查询机制定位含有所需资源的其他对等点后，双方建立连接，实现文件共 享。例如，迅雷、b t 等软件都是文件下载的典型应用。其中b t 是采用结构化网 络，利用分布式哈希表技术，使每个独立节点都不需要维护整个网络信息，只 需要在节点中存储其临近的后继结点信息，就可以有效地找到其他目标节点。 3 流媒体类系统 随着因特网带宽的增加，网上电视等流媒体应用逐渐出现，但是传统的客 户端服务器模式的应用不能满足多人在线看电视的需要。p 2 p 架构的出现，可以 很好地解决这个问题，而且能达到人越多电视越流畅的效果。p 2 p 流媒体系统按 照其播放方式分为直播系统和点播系统，目前流媒体播放软件有p p s t r e a m 、v o d 点播系统等。 4 p 2 p 虽 i 时通信系统 即时通信系统也是p 2 p 技术的主要应用。随着因特网的发展，人们不再满足 于比较慢的网络交流方式如e m a i l 等，因此众多的及时通信系统被开发出来。在 p 2 p 架构出现之前，即时通信系统中都是基于c s 或者b s 的架构，客户端信息的 交换需要中心服务器的中转。在采用p 2 p 架构之后，客户端可以直接进行信息交 换，从而减少了中心服务器的压力。例如，i c q 、m s n 、o i c q 等都是很流行的 p 2 p h f 时通信系统应用。 5 搜索引擎 p 2 p 技术的出现，为互联网的信息搜索提供了新的解决方法。传统的搜索都 是基于集中式的搜索，虽然这种集中式搜索方式给我们提供了查找资源的信息 通道，但是这种结构无法涵盖所有的网络服务。结合p 2 p 技术的优点，利用p 2 p 技术的思想开发新的搜索工具，作为集中式搜索工具的互补，能够为网络用户 提供更好、更快捷的资源搜索环境。 2 2 4p 2 p 的实现原理 在所有的p 2 p 应用中，对等节点能够彼此发现对方，一旦能够找到提供p 2 p 服务的计算机节点，就可以直接与它通信。p 2 p 应用程序由发现、连接和通信3 个阶段组成。发现阶段主要负责动态定位对等节点的网络位置，连接阶段主要 负责对等节点之间建立网络连接，而通信阶段则只要负责对等节点之间数据的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 传输【2 9 】【捌【3 1 1 。 1 发现【3 0 l 一台计算机要和另一台计算机通信，必须要知道对方的口地址和监听端口， 否则就无法向对方发送消息。在p 2 p 应用中，由于因特网上任意一台计算机都可 能拥有资源，并提供p 2 p 服务，因此如何在庞大的对等网络中有准确快速地寻搜 索到拥有资源的计算机节点以及如何管理对等网络中节点的动态加入与退出， 是对等网络通信的关键技术。 在采用c s 架构时，服务器的i p 地址一般是固定不变的，并且，由于提供服 务的计算机域名一般不发生变化，为了客户机访问方便，一些w e b 服务器在d n s 中进行了注册，客户机可利用域名解析机制将服务器域名解析为p 地址。而在 p 2 p 网络中，各个对等节点可以随时加入、随时离开，对等节点的连接时间和i p 地址并不一定是固定的，因此d n s 服务器没有必要记录这些计算机的信息。也 就是说，不能利用现有的d n s 机制获取p 2 p 架构中对等节点的信息。 目前，在单纯型p 2 p 网络中，针对如何发现对等节点，各种p 2 p 技术采用的 协议和标准并不相同。微软公司在n e tf r a m e w o r k3 5 中支持的对等名称协议 ( p e e rn a m er e s o l u t i o np r o t o c o l ，姗) ，不仅有助于发现，还可以通过无服 务器的解析功能将任何资源解析为一组口地址和端口号，这是在w i n d o w s 平台下 完成发现对等点的首选协议。 2 连接和通信 完成对等节点定位和资源搜索之后，就可以根据需要选择t c p 、u d p 或者其 它协议完成消息传输。如果选择t c p ，则首先需要在对等节点之间连接，而后利 用该连接在对等节点之间传送数据。若选用u d p ，则无须建立连接，直接在对 等节点之间通信即可。 2 2 5p 2 p 网络安全问题 p 2 p 网络相对传统网络中的c s 结构而言是一种新的变革，然而正是这样一 种变革不可避免地带来了一系列的问题与挑战。这些问题与挑战一方面阻碍了 p 2 p 的应用，另一方面促使p 2 p 技术不断改进，以求更好的发展。p 2 p 应用所面临 的主要问题包括p 2 p 应用引发的版权问题、p 2 p 应用对现有网络应用的威胁，p 2 p 网络病毒与蠕虫、结构化p 2 p 网络的隐患等f l o 】【1 1 】【1 2 】。 1 p 2 p 应用引发的版权问题【l 习 武汉理工大学硕士学位论文 p 2 p 对等网络的发展，丰富了人们获取资源信息的方式，通过网络可以搜索 到所需要的软件、书籍等资源。从而人们获取信息变得简单，同时获取的资