（信息与通信工程专业论文）jxta平台中基于博弈的p2p系统的激励机制研究.pdf

、卜 i s y s t e mb a s e do ng a m et h e o r yo nj x t a s p e c i a l t y ：i n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g m a s t e rd e g r e ec a n d i d a t e ：至! 型垒n g ，4 i 鱼廷 s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f d e n gx i a o h e n g s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h ah u n a np r c 原创性声明 本人声明，所呈交的学位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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：鱼 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：监导师签名牮鳟日期卫年月卫日 摘要 p 2 p 网络与传统的客户机n 务器网络或者多层服务器网络有着 完全不同的体系结构。p 2 p 网络是由许多的节点所组成，按照j x t a 协议所规定的，任何一台能连接到互联网的设备都可以是一个节点。 p 2 p 网络中的节点之间直接连接并进行通信，这种通信不需要中央 服务器就能够完成。正因为p 2 p 网络具有这种特点，导致了p 2 p 网 络的搭便车问题的产生。本文正是针对这一问题引入了博弈论的机 制来解决p 2 p 文件共享系统中的搭便车问题。 本文首先简单介绍了p 2 p 对等网络的特点和各种结构模型以及 j x t a 协议的概念和其核心协议。j x t a 是由s u n 公司为了构建p 2 p 网 络而定制的一组协议，利用该协议我们能够开发满足自己条件的各 种p 2 p 应用。本文所设计的p 2 p 文件共享系统正是基于的j x t a 协议 中的c m s ( c o n t e n tm a n a g es e r v i c e ) 来实现的。 其次，本文实现了一款p 2 p 文件共享系统，论文详述了p 2 p 文 件共享系统的具体设计过程以及其所实现的各种功能。该系统能够 实现文件的上传，搜索和下载等功能，能满足基本文件共享需求。 最后，文章针对目前p 2 p 文件共享系统中的搭便车问题，引入 了经济学中的博弈论机制，来提高p 2 p 文件共享系统中节点的积极 性，让系统中的各个节点能够积极的参与到文件的共享上来，提高 p 2 p 文件共享系统的总体效率，也能使各个节点最大化自身的收益， 解决p 2 p 网络的搭便车问题。 关键词j x t a 协议，p 2 p 网络，混合战略博弈，演化博弈 a bs t r a c t p 2 pn e t w o r ki se n t i r e l yd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lc so r m u l t i s e r v e rn e t w o r k p 2 pn e t w o r ki sc o m p o s e do fp e e r s ，a c c o r d i n gt o t h ed e f i n i t i o no f t a a n ym a c h i n ew h i c hc a na c c e s st ot h ei n t e m e ti s ap e e r t h ep e e ri np 2 pn e t w o r ki sd i r e c t l yc o m m u n i c a t i o nw i t he a c h o t h e r , t h i sc o m m u n i c a t i o ni sn o td e p e n d e n to nc e n t r a l i z e ds e r v e r i ti s p r e c i s e l yb e c a u s eo ft h i sf e a t u r eo fp 2 pn e t w o r k sh a v el e dt ot h e f r e e r i d i n gp r o b l e m t h i sa r t i c l e i si n t r o d u c t i o no fg a m et h e o r yt o r e s o l v et h ef r e e r i d i n gp r o b l e mi nt h ep 2 pf i l e - s h a r i n gs y s t e m t h i sa r t i c l ef i r s t l ys i m p l yi n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i e so fp 2 p n e t w o r ka n dav a r i e t yo fs t r u c t u r a lm o d e l s ，t l l ec o n c e p to f t a p r o t o c o l sa n dt h e i rc o r ep r o t o c o l s i no r d e rt ob u i l das e to fp r o t o c o l ， j x t aw a sc u s t o m i z e db vs u n u s i n gt h ep r o t o c o lw ea r ea b l et o d e v e l o pav a r i e t yo fp 2 ps y s t e mm e e t i n go u ro w nc o n d i t i o n s t h ep 2 p f i l e s h 撕n gs y s t e md e s i g n e db yt h i sa r t i c l ei sb a s e do nc m so f t a p r o t o c o l s s e c o n d l y , t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h es p e c i f i cd e s i g np r o c e s so fp 2 p f i l e s h a r i n gs y s t e ma n di t sv a r i o u sf u n c t i o n s t h es y s t e me n a b l e st h e f i l e st ob eu p l o a d e d ，s e a r c h e da n dd o w n l o a d e d i ti sar e l a t i v e l ys i m p l e p 2 pf i l e s h a r i n gs y s t e m ，b u ti tc a nm e e tt h eb a s i ca p p l i c a t i o n s f i n a l l y , f o rt h ef r e e r i d i n gp r o b l e mo fp 2 pf i l e s h a r i n gs y s t e m ，t h i s a r t i c l ei si n t r o d u c t i o no fg a m et h e o r ym e c h a n i s mi ne c o n o m i c st o i m p r o v et i l ee n t h u s i a s mo fn o d e si np 2 ps y s t e m ，s ot h a tt h en o d e si n s y s t e m c a na c t i v e l yp a r t i c i p a t ei nf i l e - s h a r i n g ，w h i c hc a nn o to n l y i n e r e a s et h eo v e r a l le m c i e n c yo fp 2 pf i l e - s h a r i n gs y s t e m ，b u ta l s o a l l o w se a c hn o d et om a x i m i z ei t so w ne a r n i n g st os o l v et h ef l e e r i d i n g p r o b l e mi np 2 p n e t w o r k k e yw o r d sj x t ap r o t o c o l s ，p e e r - t o p e e rn e t w o r k , m i x e d - s t r a t e g y g a m e ，e v o l u t i o n a r yg a m e 目录 摘要兽i a b s t r a c t i i 目勇匙i i i 第一章绪论 一 1 1 课题来源及背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 研究内容及意义3 1 4 文章组织与结构4 第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述6 2 1p 2 p 网坌各6 2 1 1p 2 p 网络定义与特点6 2 1 2p 2 p 网络分类7 2 2 基于p 2 p 的j x l a 协议9 2 2 1j x t a 协议的基本概念9 2 2 2j x t a 的核心协议1 l 2 2 3j x t ac m s 概j 苤13 2 3 本章小结1 5 第三章基于j x t a 的p 2 p 文件共享系统的设计1 6 3 1 系统的总体结构1 6 3 2 各模块的功能及实现1 7 3 2 - lc m s 的初始化1 7 3 2 2 文件上传模块1 7 3 2 3 文件搜索模块19 3 2 4 文件下载模块2 l 3 3 系统的运行和配置2 3 3 4 本章小结2 5 第四章基于混合策略的博弈机制2 6 4 1 博弈论的基本概念2 6 4 1 1 博弈论的定义2 6 4 1 2 博弈的要素2 6 4 1 3 博弈的分类2 7 4 1 4 纳什均衡。2 8 4 2 信誉模型2 8 4 2 1 典型的信誉模型2 8 4 2 2 基于博弈的信誉模型3 0 4 3 混合战略博弈3l 4 3 1 混合战略博弈的基本原理31 4 3 2 博弈机制的具体设计3 2 4 4 实验结果及分析3 3 4 5 本章小结3 5 i i i 第五章基于演化博弈的合作机制3 6 5 1 网络拓扑模型3 6 5 2 演化博弈论3 7 5 2 1 演化博弈的基本内容3 7 5 2 2 演化博弈论的特征3 8 5 2 3 演化博弈模型3 9 5 3 演化重连机制4 0 5 3 1 演化重连机制的基本原理4 0 5 3 2 博弈机制的具体设计4 l 5 4 实验结果及分析4 2 5 5 本章小结。4 4 第六章工作总结及研究展望4 5 6 1 全文总结4 5 6 2 研究展望4 5 参考文献4 7 致 射5 2 攻读学位期间的主要研究成果5 3 硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源及背景 第一章绪论 随着科技的进步和i n t e r n e t 技术的广泛应用，个人用户所拥有的资源越来越 丰富，以及网络带宽的迅速增加，传统的客户端服务器模式中的中央服务器的 性能瓶颈以及单点失效的问题不但限制了个人用户资源的充分利用，也越来越 无法满足新的分布式应用的需求f l 】。此时，对等网络( p e e r - t o p e e rn e t w o r k ，简 称p 2 p 网络) 慢慢地进入到我们生活学习和工作实践中，p 2 p 流媒体技术、p 2 p 下载工具b i t t o r r e n t 、e m u l e 等越来越普及，给我们的日常生活带来了各种各样 丰富的资源。p 2 p 技术，与我们的传统网络技术不同，它的本质思想是：打破 传统的客户机服务器模式，让所有的网络用户能够自由的互相连接，直接进行 通信，不再有客户端和服务器的分别，任意两个网络节点之间都能够进行消息 的传递和文件的共享。在p 2 p 网络中，每个网络节点都拥有自由的行为，各自 的功能都是平等的，节点之间相互连接，所以所有的节点一起组织成了一个分 布式的网络结构1 2 1 。因此，它在很大程度上提高了网络的效率，网络带宽得到 了充分的利用，所有网络节点的潜力都得到了充分的开发。此外，p 2 p 网络是 完全分布式的结构，网络中的节点加入和退出系统都采用自组织的动态方式。 所以，p 2 p 网络比客户端朋艮务器模式有较大的优势：扩展性高、容错性强以及 数据的可用性等【3 j 。由于p 2 p 网络这种无法比拟的优点，从而使得p 2 p 技术得 以广泛应用和普及并取得了长远的发展，越来越多的院校和科研机构加入到 p 2 p 技术的研究中来。 但是传统的p 2 p 网络设计中没有加入有效的激励机制，因此产生了搭便车 ( f r e e r i d i n g ) 和公地悲剧( t h et r a g e d yo fc o m l l l o n s ) 等问题。在g n u t e l l a 网络中，有7 0 的用户只下载而不共享自己的文件，而其中5 0 的文件查询响应 仅由1 的共享用户所提供 4 1 。搭便车问题对p 2 p 系统的发展产生了越来越严重 的影响。我们所说的搭便车现象，是指在p 2 p 网络中的节点只从系统中获得自 己所需的资源而不为其他用户贡献资源所带来的普遍性问题【5 l 。由于这种现象 的出现，使得p 2 p 网络中用户共享的资源越来越少，严重地影响了p 2 p 系统的 整体性能。也使得网络的公平性不断下降，损害了系统中用户的自身利益。显 然，搭便车现象与p 2 p 网络所倡导的一切用户享有平等的权利不相符合。搭便 车现象的日益严重将使得节点不能公平的共享p 2 p 网络中的资源，如果不对这 种现象的蔓延加以阻止，那么p 2 p 网络则可能会退回到以前的客户端服务器的 硕士学位论文 模式。 综上所述可知，p 2 p 网络中搭便车的现象较为普遍，网络节点之间是否进行 合作决定了p 2 p 网络的整体效用的高低。因此，本文在此背景下，基于j x t a 平台开发了一个p 2 p 文件共享系统。针对p 2 p 文件共享系统中的搭便车现象， 运用经济学中的博弈论方法设计了有效的激励机制，能够促进p 2 p 网络中节点 共享自身的资源、提高系统整体性能。 1 2 国内外研究现状 p 2 p 的思想起源很早，我们用“g o o g l e 学术搜索”找到的最早提及p 2 p 的 文献发表于1 9 5 6 年，从那以后几乎每年都有与p 2 p 相关的文章，但一直都未 成为热点。任何一种思想、理论的流行通常都需要一个杀手锏，以一种征服性 的力量冲击人类的传统思维。p 2 p 的杀手锏正是出现于1 9 9 9 年的世界上第一个 应用性对等网络n a p s t e r ，它创造了半年时间里拥有5 0 0 0 万用户的网络奇迹， 向整个世界展示了p 2 p 优异的性能和巨大的潜力。 从19 9 9 年至今，p 2 p 计算技术及其应用迅猛发展，由于在工作模式上具有 的优势和对于现代因特网的适应性，p 2 p 得以迅速从一个民间小软件发展成为 计算机网络的一项重要技术，在应用领域和学术界获得了广泛的重视和成功， 并占据了当前i n t e m e t 超过一半的带宽资源，被认为是“改变i n t e r n e t 的新一代 网络技术 。 p 2 p 网络的发展历程大致经历了三个阶段： 第一阶段是1 9 9 9 - 2 0 0 0 年，大量民间软件的出现。1 9 9 9 年，s f a n n i n g 研 究出了世界上第一款p 2 p 应用软件n a p s t e r ，它是混合式p 2 p 网络中的杰出代 表，向全世界展现了p 2 p 技术的巨大潜力。但是因为其版权问题的纠纷，最终 无疾而终。2 0 0 0 年，无结构化的p 2 p 系统g n u t e l l a 诞生了，他是一种纯分布 式的p 2 p 网络，为之后无结构化p 2 p 网络的发展奠定了坚实的基础。与g n u t e l l a 几乎同时面世的还有无结构化的f r e e n e t 网络，它的主要思想是“自由、安全、 匿名 。它与n a p s t e r 和g n u t e l l a 不同，它主要是为了共享i n t e r n e t 中的计算 资源，组建一个毫无限制的信息共享平台。之后又出现了一种新的无结构化的 p 2 p 系统k a z a a ，它的最大不同在于引入了“超级节点 这一概念，使得网络中 的节点在能力上存在着差异。这一阶段出现的这些p 2 p 系统使得p 2 p 技术初露 锋芒。 第二阶段是2 0 0 1 2 0 0 3 年，p 2 p 网络基本步入正轨。这个时期出现了结构化 的p 2 p 网络，许多p 2 p 领域比较有代表性的典型模型和应用相继问世。其中比 较著名的有c h o r d 、c a n 、t a p e r s t r y 、o c e a n s t o r e 、c f s 、p a s t r y 、p a s t 等。2 0 0 1 2 硕士学位论文 第一章绪论 年，g r o o v en e t w o r k s 公司开发出了一款g r o o v e 虚拟办公室软件，其目的是通 过p 2 p 技术建立一个基于i n t e r n e t 的协同工作网。2 0 0 2 年，著名的“e m u l e 一 电驴问世了，它的流行程度已经超过了它的前身e d o n k e y ，直到现在，e m u l e 依然非常的流行。之后，现在最为流行的p 2 p 网络b i t t o r r e n t 诞生了，他采用 了基于文件的分散服务器，共享相同文件的用户构成了一个独立的子网，并且 采取了分片优化和阻塞控制等方法，使得网络资源能够得到充分的利用。 第三阶段是2 0 0 4 2 0 0 6 年，此时p 2 p 网络的主要问题、整体架构和核心机 制都已经比较成熟，研究的方向也主要放到了如何更高效、更实用的利用p 2 p 网络，例如如何将不同的p 2 p 应用与w e b 结合起来。此外越来越多的专家学者 和科研院校也开始对p 2 p 的信誉模型和激励机制展开了研究。 目前在国内，也有许多科研院所对p 2 p 展开了研究。其中就有北京大学网 络实验室开发的“m a z e 文件共享系统 文件共享系统、华中科技大学开发的 “a n y s e e 在线视频系统 以及清华大学高性能计算研究所开发的“g r a n a r y 广 域网分布式存储系统”。而在商业领域，国内目前也出现了许多的p 2 p 应用软件， 其中许多都相当的流行。国产的p 2 p 文件共享系统有p p 点点通，百宝之类的， 而在p 2 p 网络电视方面更是有不少优秀代表，如p p l i v e 、p p s t r e a m 、u u s e e 等 等。而在p 2 p 即时通信软件方面，那就不得不提腾讯公司开发的q q 软件了，它 也是目前国内最为普及的p 2 p 应用软件。 1 3 研究内容及意义 p 2 p 网络是一种匿名的，分布式的网络，节点之间可以直接进行数据的交 换，不需要依赖中心服务器。在p 2 p 网络中，节点既可以在网络中获取所需要 的资源，也可以贡献自己所拥有的资源，它是基于完全分布式的形式，不需要 中心服务器对网络进行集中的控制，节点拥有充分的自主权。相比于之前的c s 模式的网络，p 2 p 网络的灵活性和健壮性大大的提高了，同时无中心服务器的 结构，也能大大的加强网络的抗摧毁能力。然而，p 2 p 网络由于没有中心服务 器，其节点拥有高度的自主权，同样也给p 2 p 网络的安全性带来了新的挑战。 由于p 2 p 网络是匿名的，节点常常会出现一些恶意的行为，例如，只下载资源 而不共享资源；提供虚假的资源；用户自由的退出网络，导致用户无法下载完 整的资源等等。这些行为对p 2 p 网络的发展产生了严重的阻碍。为此，我们需 要对p 2 p 网络的节点行为加以控制，使p 2 p 系统中的用户能够各取所需，各尽 其职，营造一个和谐的p 2 p 网络社区。 本文正是针对目前p 2 p 系统中普遍存在的搭便车现象，提出了基于博弈论 机制的p 2 p 系统中的激励机制。一旦p 2 p 系统中搭便车的节点过多，会导致系 硕士学位论文 第一章绪论 统的性能出现严重下降，从而对p 2 p 系统的稳定性、健壮性、可靠性和扩展性 方便也会带来严重的影响，甚至有可能导致整个p 2 p 系统出现崩溃的情况。下 面给出了搭便车现象对p 2 p 系统带来的危害： ( 1 ) 如果p 2 p 系统中大量的节点采取搭便车的行为，会使得那些共享资源的 节点退出系统，从而使系统可用性大大降低。 ( 2 ) p 2 p 系统中大量的节点存在搭便车行为，会使得贡献资源的节点工作负 担大量增加，导致其计算机运行能力下降，甚至会出现死机的情况。会严重影响 p 2 p 系统的稳定性和健壮性。 ( 3 ) p 2 p 系统中的节点如果存在搭便车行为，会使得其他节点效仿，也采取 搭便车行为，从而导致系统中仅有少数的节点贡献资源，使其充当了服务器的功 能，使得p 2 p 系统又会退化到之前的c s 模式。 本文首先介绍- j p 2 p 对等网络以及基于p 2 p 网络的j x t a 协议的基本概念和核 心协议。然后在j x t a 体系结构的基础上设计了一个简单的p 2 p 文件共享系统，该 系统能实现文件的上传，搜索和下载等功能。最后针对p 2 p 文件共享系统中的搭 便车现象，运用经济学中的博弈论的原理提出了基于混合战略博弈的p 2 p 激励机 制和基于演化博弈的p 2 p 合作机制。 1 4 文章组织与结构 全文共有六章： 第一章绪论。介绍了课题的来源和背景，p 2 p 系统的的研究现状、p 2 p 激 励机制的研究现状、本课题研究的目标、研究的内容及意义和文章的组织与结 构。 第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述。本章主要阐述了论文全文的理论研究基 础，其中包括p 2 p 对等网络以及j x t 协议。 第三章基于j x t a 的p 2 p 文件共享系统的设计与实现。本章运用j ) 【t a 技术 设计了一个p 2 p 文件共享系统。该系统能够实现文件的上传，搜索和下载功能。 第四章混合策略博弈机制的设计。本章首先介绍了博弈论和混合策略博弈 的一些基本原理。在该原理的基础上，设计了一个基于混合策略博弈的p 2 p 激 励机制。通过仿真实验表明，节点在经过一段时间的博弈之后，其响应次数和 请求次数基本相等，提高了节点在系统中的参与度。 第五章基于演化博弈的合作机制的设计。本章首先介绍了演化博弈的一些 基本原理。然后运用演化博弈中的雪堆博弈模型设计了一个p 2 p 系统的演化合 作机制。通过实验表明，网络在通过较长的演化博弈过程后，合作度趋于稳定， 形成了一个趋于稳定的高度合作的网络。 4 硕士学位论文 第一章绪论 第六章工作总结及研究展望。对本文所完成的工作进行总结，并提出了进 一步的研究方向。 5 硕士学位论文 第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述 2 1p 2 p 网络 第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述 2 1 1p 2 p 网络定义与特点 p 2 p ( p e e r - t o p e e r ) 即对等网络或者对等计算，常常简称为p 2 p ，我们可以 将它简单地定义为通过节点间的直接连接，交换和共享计算机资源和服务。在 p 2 p 网络中，所有的彼此连接的计算机都处于平等的地位，整个网络不需要中 央服务器。网络中的每一个节点既是网络资源和服务的请求者，也能对其他节 点的请求做出相应，为网络中的其他节点提供资源和服务。这些资源和服务是 指信息的共享和交换、计算资源的共享使用以及存储资源的共享使用等。p e e r 一词在英语里的解释是“同等，对等的人 。因此p 2 p 网络也可以理解为是“端 对端 的意思，也就是我们平时所称的对等网。在国内，有些人将p 2 p 称作点 对点，是不正确的。因为点对点是“p o i n t - t o p o i n t ，这和p 2 p 不是同一个概念。 i n t e l 对p 2 p 的定义是“通过系统间的直接交换所达成的计算机资源与信息 的共享 ，这些资源与服务包括信息交换、处理器时钟、缓存和磁盘空间等【2 8 1 。 r 0 l ( ut e c h n o l o g i e s 对p 2 p 的定义是“使个人与个人之间直接通信成为可能且更 便捷的网络结构 1 2 9 。i b m 对p 2 p 的定义则更加广阔，把它看成是由许多互相 连接合作的计算机所构成的网络并具备一些特殊性质f 3 0 1 。 p 2 p 技术使网络工作模式由集中式走向了分布式，网络应用的核心由服务 器走向到每一个网络节点，使人们日常的信息交流上升到了一个更高的层次， 人们更加主动的参与到网络活动中。 表2 - 1 几种p 2 p 诠释和定义 定义者定义 对等计算工作组 a l e x w e y t s e | r l g r a n h a m c l a y s h i r k y k i n d b e r g 通过直接交换共享计算机资源和服务。 以非客户的能力使用因特网外围设备。 具有服务器质量的可运行计算机；具有独立于d n s 的寻址系统；具 有与可变连接合作的能力。 利用因特网边缘设备资源的一类应用。p 2 p 结点必须能够独立于d n s 系统运行，具有独立于集中服务器的自治性。 独立生存系统。 6 硕士学位论文第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述 不同的研究机构对p 2 p 的定义也不同，但是每种解释在本质上并不矛盾， 他们都从不同的侧面说明了p 2 p 网络的特点。这里总结了5 种被广泛接受的定 义，如表2 1 所示p 。p 2 p 网络是一个分布式的网络，其特点我们可以概括为 以下三点【3 2 j ： ( 1 ) 自由 在p 2 p 网络中，节点可以自由的决定做什么事、采取何种行为、与其他节 点交换何种资源，而不需要收到其他节点的约束和限制。另外，由于p 2 p 网络 具有独特的匿名性，可以隐藏资源共享者的身份信息，使用户可以更自由的、 毫无后顾之忧的参与到网络活动中来。 ( 2 ) 平等 p 2 p 网络最重要的一个特点就是平等，“对等网也因此而得名。平等就是 说在p 2 p 网络中，虽然由于节点的异构性，各个节点的能力各有不同，但是所 有的节点在地位和功能上都是相互平等的，没有哪个能享有特权，也没有哪个 节点能操控和约束其他的节点。他打破了客户机服务器模式中中央服务器享有 特权的这一传统，使得所有的网络节点都能平等的交流信息和共享网络资源。 平等是p 2 p 网络的基础。 ( 3 ) 互联 。 互联的本质是p 2 p 在网络的应用层构建了一层覆盖网，网络中的任意两个 节点之间都能互相连接，这个连接是覆盖网上的一条逻辑连接，他同时也对应 了物理网上的一条口连接。在传统的客户机服务器模式中，节点只能和服务 器之间构建连接，而在p 2 p 模式中，所有节点之间都能够建立自己的连接。互 联性也是平等性的一个体现。 2 1 2p 2 p 网络分类 目前，p 2 p 网络模型有很多种，但是还没有一个统一的标准，各种模型各 有优缺点。从技术上讲，p 2 p 网络模型可分为以下三种【3 3 】： ( 1 ) 集中式p 2 p 网络 在集中式p 2 p 网络中，有一个中央服务器来负责记录共享的信息和响应用 户对资源的请求。这种模型虽然有中央服务器，但是他与传统意义上的c s 模 式并不相同。在c s 模式中，所有的共享资源都是放在服务器上，节点只能从 服务器上下载所需要的信息。而在集中式p 2 p 网络中，中央服务器上保存的只 是共享文件的索引信息，而真正共享的资源还是保存在客户端上。节点通过查 询服务器上的索引信息，再到拥有该资源的节点上获取，节点问是能够直接通 信的。这种网络的代表就是n a p s t e r 。集中式p 2 p 网络结构如图2 1 所示。 7 硕士学位论文 第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述 图2 1 集中式p 2 p 网络结构 ( 2 ) 纯p 2 p 网络 纯p 2 p 网络又分为完全分布式非结构化p 2 p 网络和完全分布式结构化p 2 p 网络。这种网络是纯粹意义上的p 2 p 网络，因为它们没有中心服务器，每个节 点都具有相同的功能，既是客户端同时又是服务器。完全分布式非结构化p 2 p 网络的优点是网络配置比较简单，在网络规模较小时搜索的效率非常高。但是 这种网络采用的是洪泛的方式查询和搜索资源，当网络规模增大时，将给网络 带来巨大的负担，g n u t e l l a 就是这种类型的p 2 p 网络；完全分布式结构化p 2 p 网络是基于d h t ( 分布式散列表) 的搜索和路由算法。他不需要中心服务器， 也不像n a p s t e r 那样进行洪泛查询，而是通过分布式散列函数将输入的关键字 唯一映射到一个节点上，然后通过一些特殊的路由算法与该节点进行连接。目 前应用的完全分布式结构化p 2 p 网络有c h o r d ，p a s t r y ，c a n 和t a p e s t r y 等， 非结构化p 2 p 网络结构如图2 - 2 所示。 图2 - 2 非结构化p 2 p 网络结构 ( 3 ) 混合式p 2 p 网络 集中式p 2 p 网络可以快速定位资源，而且网络的扩张能比较强，但是中央 服务器容易受到攻击而使整个网络瘫痪，分布式p 2 p 网络虽然解决了这一问题， 但是其资源的搜索定位和扩张性又不如集中式p 2 p 网络。混合式p 2 p 网络正是 结合了集中式p 2 p 和混合式p 2 p 网络各自的优点而形成的一种网络结构。他在 分布式网络的基础上，将节点按照能力进行归类，将某些能力较强的节点设置 为超级节点，担当一些特殊的任务。其代表应用有s k y p e 。混合式p 2 p 网络如 图2 3 所示。 8 硕士学位论文第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述 图2 - 3 混合式p 2 p 网络 在实际应用中，不同网络结构的p 2 p 系统都有其各自的优缺点，表2 2 从 可扩展性、可靠性、可维护性、复杂查询等四个方面比较了这三种网络拓扑结 构的性能。 表2 - 2p 2 p 不同拓扑结构多种性能比较 2 2 基于p 2 p 的j x t a 协议 2 2 1j x t a 协议的基本概念 j x t a 开始于s u n 公司在b i l l 和m i k ec l a r y 领导下的一个研究项目，它是 一组开放、通用的p 2 p 协议，允许任何可联入i n t e m e t 的设备( 手机、p d a 、 个人电脑、服务器) 基于j x t a 平台进行互相通信和合作。 j x t a 由6 个核心协议所组成，这些协议是专门为了特定的对等网络计算 而设计开发的。通过j x t a 协议，网络中的节点可以自发的组织和建立对等组， 节点可以进行自我管理，而不需要考虑他们是否在网络边缘或者防火墙的后面， 并且也不需要中央服务器的控制。 j x t a 在设计之初的几个目标是： ( 1 ) 与操作系统无关 ( 2 ) 与编写语言无关 ( 3 ) 向p 2 p 应用提供基本的服务 9 硕士学位论文第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述 j x t a 协议提出了一些新的术语，包括对等体，对等组，管道和集结点等。 在j x t a 中，节点间发现和通信时，使用了广告这个概念，它是一个基于x m l 的文档，描述了y x t a 网络中能获得的服务和信息。x v i l 文档是j x t a 协议中 的基础，因为任何语言都能够读取它，并且能够验证其是否合法，而且x m l 的应用也非常的广泛。另外还引入了标识符这一概念，用来区分网络中不同的 服务和项目。 y x t a 术语的解释【3 5 】： ( 1 ) 对等体( p e e r ) 任何实现了一个或多个j x t a 协议的实体。一个p e e r 可以是从一台手机到 一台大型机，甚至可以是一个移动传感器的任何设备。每个p e e r 是独立的，p e e r 间的通信是异步的。 ( 2 ) 对等组( p e e rg r o u p ) 对等组是由具有相同兴趣的对等体所组成，他可以跨越不同的物理网络。 对等组能够被建立、加入和退出，在对等组中，组成员之间的关系也可以被更 新。 ( 3 ) 端点( e n d p o i n t ) 端点是j x t a 应用中最基本的通信方法，是网络的目的地节点，可以用网 络地址来表它。节点一般不会直接地使用端点，而是利用管道来使用端点，管 道是连接在端点之间的。 ( 4 ) 管道( p i p e ) 管道是t a 应用中一条虚拟的通信信道。节点通过管道来发送和接收 j x t a 系统中的各种消息。管道的传输是单向的、异步的和不可靠的。他对传 输的内容没有限制，可以是任何对象。 ( 5 ) 广告( a d v e r t i s e m e n t ) j x t a 中的所有资源，如对等点、对等组、管道等都是用广告来描述的。 广告的描述语言使用的是x m l 文档的形式。 ( 6 ) 消息( m e s s a g e ) 消息是x t a 通信中对等点之间交换的内容，是通信的基本单元。消息通 过端点和管道进行发送和接收。消息具有标准的格式，他是一组键值对，其所 包含的内容可以是任何形式的。 ( 7 ) 服务( s e r v i c e ) 对等体和对等组都可以提供服务，对等体的服务只能被对等体访问，如果 对等体失效了，那么他的服务也就失效了。而对等组服务与对等体服务不同， 他是面向的该组中的多个对等体，他不会存在单个对等体失效的问题。 1 0 硕士学位论文 第二章p 2 p 网络与j x l a 协议概述 ( 8 ) 集结点( r e n d e z v o u sp e e r ) 集结点是一个特殊的对等体，他缓存了其他节点的广告从而保存了该节点 的信息。其他节点可以通过集结点来相互发现，集结点可以将收到的来自节点 的发现请求转发给其他的集结点。 ( 9 ) 标识符( i d e n t i f i e r ) 在j x t a 协议中，标示符起到了非常重要的作用。j x t a 通过标示符来识别 资源，而不是通过物理地址。一个标示符可以确定个唯一的对等体。标示符 用u k n ( 统一资源名) 来表示，u 】其实也是u r j 的一种形式。 2 2 2j x t a 的核心协议 j x t a 协议体系架构可以分为三层【3 6 1 。从下至上分别是：核心层、服务层 和应用层。每层的说明如图2 4 所示： ( 1 ) 核心层( j x t a c o r e ) 核心层包含了p 2 p 网络的一些最基本的元素，还包括了一些为p 2 p 应用提 供关键功能的模块。这些功能包含有资源的发现和传输、节点的加入和退出、 对等组的创建，以及一些安全原语。 ( 2 ) 服务层( s e r v i c e s ) 服务层包含了一些网络的服务。虽然p 2 p 网络不一定完全需要这些服务， 但是这些服务确实非常有用的。这些服务包括搜索、目录、文件共享、存储、 资源的聚合、协议转换等等。 ( 3 ) 应用层( a p p li c a t i o n ) 应用层包括了各种应用的实现，比如p 2 p 即时通信、文件共享、p 2 p 流媒 体以及分布式验证等等。应用层和服务层之间并没有明显的界限，一个用户的 应用可能就是另一个用户所提供的服务。 褫回回曰朗层( 竺竺竺j l 兰三竺) ( 竺竺j 胁层酬f 鼬服务1 s m i l 务, ，等等1f 第劲服务1 棱心层( j x t a c o 忡) ( 一脚) ( 对荨触踪 ( 安全性 ) 对等组， 图2 - 4j x t a 协议体系结构图 j x t a 目前定义了6 个核心协议，这些协议是应用程序的基础，这些协议 硕士学位论文第二章p 2 p 网络与j x t a 协议概述 开销低，并且与使用它们的应用程序所在网络的拓扑结构无关。在j x t a 应用 中，这6 个协议并不需要全都被使用，这与使用它们的应用程序的功能相关。 这些协议也能根据应用的不同而进行扩展【3 7 1 。 ( 1 ) 对等体发现协议( p d p ) 节点通过使用p d p 来发现发布的各种j x t a 资源。因为发布的j x t a 资源 是由广告来表示的，那么p d p 就是帮助节点来发现这些资源的广告。p d p 是最 低级别的发现协议，他提供了发现的基本机制。应用程序也可以选择更高级别 的发现协议来发现资源，p d p 可以为高级别的发现机制提供基本服务。 ( 2 ) 对等体解析协议( p r p ) 在一般的情况下，节点通过向其他节点发送查询消息来查找资源或者服务。 p r p 就是将这些查询消息的格式进行标准化，节点使用p r p 可以发送标准的查 询消息并接收响应消息。 ( 3 ) 对等体信息协议( p i p ) 在j x t a 中使用p 口来向节点发送一个p i n g 消息。当一个节点收到p i n g 消息后，它可以有三种选择：给出一个简单的回复消息，消息中包含了节点的 运行时间；给出一个完全的回复消息，消息中包含了节点的广告信息；对p i n g 消息不做回复。 ( 4 ) 对等体成员协议( p m p ) 在j x t a 中，节点通过p m p 来加入和退出对等组。该协议定义了节点的四 个动作：a p p l y 、j o i n 、r e n e w 和c a n c e l ，分别表示节点申请加入对等组，申请通 过后选择加入对等组，更新对等组成员的信息，取消节点在对等组中的资格。 ( 5 ) 管道绑定协议( p b p ) 在y x t a 系统中，节点通过使用管道来与服务进行连接。节点可以动态的 绑定一条管道，也可以新建一条管道来绑定到现有的管道上，或者可以取消对 某条管道的绑