（计算机软件与理论专业论文）基于p2p技术的多媒体网络教学系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 现代教育技术是随着现代科学技术发展而产生的一种新型教育技术，多媒 体网络教学系统是现代教育技术的重要表现形式。然而，目前的多媒体网络教学 系统的多采用c s 或b s 模式，即将所有教学资源存放在中心服务器上，分散的 教学点从中心服务器下载各种教学资源。这存在两个方面的问题：其一，不同地 理区域的用户接入网速不一样，提供接入服务的服务商也不一样，在从服务器获 取教学资源时，要跨过不同的区域网和广域网，轻易造成资源下载速度慢和无法 观看视频教学资源；其二，当有过多的用户同时访问服务器时，服务器端易形成 带宽瓶颈。 混合型p 2 p 网络p 2 s p = p 2 s + p 2 p ，当用户向服务器发出请求时，服务器优化 整合所有资源，如果发现服务器提供的资源有限或者用户所需的资源都在用户所 处的局域网内即采用p 2 p 技术。如果不存在上述的情况，服务器即决定采用p 2 s 模式，返回资源信息给有下载请求的用户。这样的网络模式既体现了p 2 p 网络的 特点和又体现传统的b s 模式网络得特点，使下载的性能更稳定。对现有的多媒 体网络教学系统的性能瓶颈问题，本文将采用混合型p 2 p 的模式来解决。 本文对基于混合型p 2 p 的多媒体网络教学系统进行设计和实现，所做的主 要工作有： 首先，本文对p 2 p 网络相关技术的原理进行研究，详细分析了混合型p 2 p 网络的运行模式及混合型p 2 p 流媒体中视频流的的传输过程。 其次，围绕基于混合型的p 2 p 多媒体网络教学系统，对系统进行分析，系统 总体设计和功能模块设计。针对相关学校对多媒体网络教学系统的需求，系统的 主要实现了有：即时通讯、p 2 p 资源共享和视频点播等功能。 系统经过开发和测试，并在相关学校局域网内架设并应用，解决了传统b s 系统中单个服务器自身资源的限制问题，合理的利用了空闲的资源，使得整个系 统的能力得到了极大的提高。同时配合即时通信功能，使得学习者能够更好的交 流，也使系统的教学效果有了显著的提高。 关键字：多媒体网络，流媒体，对等网络，视频点播 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm u l t i m e d i an e t w o r kt a c h i n g s y s t e m b a s e do np 2 pt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h em o d e me d u c a t i o nt e c h n o l o g yi so n ek i n do fn e we d u c a t i o n a lt e c h n i q u e w h i c hp r o d u c e sa l o n g 、) l r i t l lt h em o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h e m u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e mi st h em o d e me d u c a t i o nt e c h n o l o g yi m p o r t a n t m a n i f e s t a t i o n i nt h em u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m ，t h ev i d e oo nd e m a n d i d e o - o n d e m a n d ，w a sc a l l e da ni m p o r t a n tc o n t e n tw h i c hv o d ) a n dt h ed o c u m e n t s h a r i n gs y s t e mw a sw ec o n s t r u c t s ，i nw h i c hv o dh a sr e a l i z e d t h ed i f f e r e n t l o n g - d i s t a n c ev i s i b l et e a c h i n gf o r m ，b u td o c u m e n ts h a r i n gr e a l i z e dt h et e a c h i n g r e s o u r c e sd i f f e r e n t l yt ou s e t h ev i d e oo nd e m a n ds y s t e mi sb a s e do nf l o w so n ek i n d o fn e t w o r km u l t i m e d i as y s t e m sw h i c ht h em e d i at e c h n o l o g yr e a l i z e s ，g e n e r a l l yu s e s t h eb sp a r e mi nt h ec a m p u si n t r a n e t b u ti nt h ec a m p u sn e tt h ed o c u m e n ts h a r i n g s y s t e mu s e sa l s oi st h eb sp a r e m h o w e v e r ，t h eb sp a r e mt o oi sb i gt ot h es e r v e r p e r f o r m a n c ed e p e n d e n c e ，w h e nh a se x c e s s i v e l ym a n yu s e r ss i m u l t a n e o u s l yv i s i tt h e s e r v e r ，t h es y s t e mg r a d eo fs e r v i c er e c e i v e st h ev e r yg r e a td e g r e e t h e i n f l u e n c e t h e r e f o r e ，t ot h ee x i s t i n gm u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e mp e r f o r m a n c e b o t t l e n e c kq u e s t i o n ，t h i sa r t i c l ew i l lu s em i x e sp 2 pt h ep a r e mt os o l v e t h i sa r t i c l et oc o n d u c t st h er e s e a r c hb a s e do nt h em i x e dp 2 pm u l t i m e d i an e t w o r k t e a c h i n gs y s t e m ，t h ed e s i g na n dt h er e a l i z a t i o n ，d o e st h ep r i m et a s ki n c l u d e s ： d o m e s t i ca n df o r e i g nm u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gp r e s e n ts i t u a t i o nr e s e a r c h ， c u r r e n tm u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e mc h a r a c t e r i s t i ci nd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y r e s e a r c h p r o p o s e db a s e do nm i x e st h ep 2 pm u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m ，a n dc a r r i e s o nt h er e s e a r c ha n a l y s i st oi ns y s t e md e s i g np r o c e s ss o m en e wc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e n e w t e c h n o l o g y t h ee n c o m p a s s m e n tb a s e do nt h em i x e dp 2 pm u l t i m e d i an e t w o r kt e a c h i n gs y s t e m ， c a r r i e so nt h ea n a l y s i st ot h es y s t e m ，t h es y s t e ms y s t e md e s i g na n dt h ef u n c t i o n m o d u l ed e s i g n t h es y s t e mm a i nf u n c t i o ni n c l u d e s ：m e m b e rf u n c t i o n , i m m e d i a t e c o r r e s p o n d e n c e ，p 2 pr e s o u r c e ss h a r i n ga n dv i d e oo nd e m a n d t h es y s t e ma f t e rt h ed e v e l o p m e n ta n dt h et e s t ，e r e c t e di nt h ec o r r e l a t i o ns c h o o l l o c a la r e an e t w o r ka n da p p l i e s ，h a ss o l v e dt r a d i t i o n a lc s ，i nt h eb ss y s t e mt h es i n g l e s e r v e ro w nr e s o u r c e sl i m i tq u e s t i o n ，r e a s o n a b l eh a su s e dt h ei d l er e s o u r c e s ，e n a b l e d i i i a b s t r a c t t h eo v e r a l ls y s t e m a b i l i t y t oo b t a i nt h ee n o r m o u se n h a n c e m e n t s i m u l t a n e o u s l y c o o r d i n a t e st h ei m m e d i a t ec o r r e s p o n d e n c ef u n c t i o n ，e n a b l e st h el e a r n e rt ob ea b l ea b e t t e re x c h a n g e ，a l s oe n a b l et h es y s t e mt h et e a c h i n ge f f e c tt oh a v et h er e m a r k a b l e e n h a n c e m e n t k e y w o r d ：m u l t i m e d i an e t w o r k ，s t r e a m i n gm e d i 如p e e r - t o - p e e rn e t w o r k s ，v i d e oo n d e m a n d 西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解西北大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。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。本人 允许论文被查阅和借阅。本人授权西北大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所等机构 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库或其它相关数据库。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：覃奎酶 指导教师签名： 硎了年6 月j 中日 年月日 西北大学学位论文独创性声明 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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西 北大学或其它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己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 匕 思。 学位论文作者签名：乎萎j f f 竿 1 一( 年月f 千日 两北火学硕上学位论文 第一章绪论 本章介绍了多媒体网络教学系统开发的背景，阐述了国内外多媒体网络教学的现 状，多媒体网络教学系统的概况及发展趋势，概述了多媒体网络教学系统的实现目标和 实现技术。 1 1 引言 伴随着新的科学技术对教育技术起着越来越深刻的影响，新的社会和经济需求对传 统教育技术越来越严峻的挑战，多媒体网络教育作为一种利用现代信息技术发展高素质 教育的教育方式正以前所未有的高速度发展，它在许多国家的教育系统中脱颖而出，作 用越来越重要的。多媒体网络教育的发展被人们以极大的兴趣和热忱关注着，希望这种 教育模式能给教育的改革注入新的活力，开辟更为广阔的天地。多媒体网络教育的优 势，第一就是在中国很多的人在很多边远的地方没有能力或者是没有机会通过传统教育 模式获得教育的机会。第二是通过多媒体网络教育能够让更多的人获得知识，获得文 凭，是社会价值和社会理想的实现，多媒体网络教育的前景如此广阔，优势如此明显， 多媒体网络教学系统的研究意义不言而喻。 1 2 多媒体网络教学的相关理论 1 2 1 多媒体网络教育的概念 多媒体网络教育就是指学生在老师的引导和协助下，利用多媒体技术、计算机技术 和网络技术获得学习指导和信息资源，并采用最有效的方式实现学习目标的新型教育模 式。 多媒体网络教育是远程教育的现代化表现，远程教育是一种同时异地或异时异地进 行教育的形式。远程教育经历了四个阶段【1 】：函授自学阶段、开放大学阶段、远程会议 广播电视阶段和多媒体网络阶段。最早远程教育是采用的函授的方式，将各种印刷媒体 发给学生来进行学习，远程教育起源于英国的校外学位制，到1 9 4 0 年以后出现“函授 教育”这一名词。开放大学和远程会议教育起步于本世纪6 0 年代，由于广播和电视的 出现，使得许多远程教育工作者对应用这两种媒体产生料浓厚的兴趣，将这一新技术应 用于远程教育中。由多媒体计算机技术和网络通讯技术在教育中充分利用而演绎出来的 现代远程教育，一般被称为第三代远程教育，即多媒体网络教育。 1 2 2 多媒体网络教育现状调查 国际上网络教学起步的较早，最初是在一些计算机网络比较发达的国家，如美国、 第一章绪论 英国、日本等。在很短的时间内网络教学的应用和普及发生了巨大变化。在美国，1 9 9 6 年民众中掀起旨在推动学校联网的“网络日”志愿活动，克林顿政府提出“教育技术行 动 纲领。该纲领指出：到2 0 0 0 年，全国的每问教室和每个图书馆都联上信息高速公 路，每个孩子都能在2 1 世纪的技术文化方面受到教育。到目前为止，一个覆盖全国主 要教育机构的网络业已形成，几乎全国所有的学校都能开展网络教育。在高校，网络教 育所开设的学历、学位课程己超过5 万门，基本覆盖了美国高等学校所有的学科和专业。 全美1 0 0 多所著名大学将利用i n t e r n e t i i 开展远程教育，7 5 的美国大学将提供网络教 育。美国大学的远程教育采用了各种技术手段，采用最多的是视频技术和基于i n t e r n e t 的信息技术，特别是利用i n t e r n e t 的非同步教学、双向交互式的视频教学和单项式预 录视频教学。美国的网络学校都是由许多相关的教育部门或公司建立，而各网络学校之 间又有非常广泛的连接，整个体系呈网状结构，无论你想学习什么知识和技能，到网上 都能找到相关的资料和帮助。既有专门针对基础教育的、又有专门针对师资培训的、高 等教育( 成人教育、继续教育和职业教育) 的。其中每一方面都涉及到各门各类学科和 全套的服务设施。m i to p e n c o u r s e w a r e ( o c w ) ，2 0 0 1 年4 月初，m i t 校长宣布，在今后十 年内m i t 将会把它几乎所有的课程( 2 0 0 0 多门) 内容放到网上，包括教学笔记、课程大 纲、阅读清单以及作业，供全世界所有的人免费使用。o c w 提供的并不是网上的m i t 教 育，它只是提供给人们m i t 课程的核心内容。英国在这方而采取的行动也令人瞩目，英 国在全国范围内的所有高等院校中实施一项称之为“计算机用于教学创新”，其目标是 要通过计算机、多媒体与远程通讯技术相结合，实现对高等院校所有学科从教学模式、 教学内容到教学组织形式的彻底变革。1 9 9 8 年是英国的网络年，实施全国上网学习计划， 其重点放在“为全国教师提供机会，以更新他们的信息和通讯技术能力 。2 0 0 1 年英国 政府推出“全国学习网计划”，目标是到2 0 0 2 年使全国所有小学全部上因特网。设立 在英国的“欧洲学习中心总部，已拟定了统一的网络教育计划和实施细则，未来的远 程教育将主要依赖因特网，不仅实施基础教育，而且大部分专业培训也在网上完成。英 国开放大学( o p e nu n i v e r s i t y ) 是最早应用多种媒体教学的远程教育学校，目前，在网 络上学习的学生超过6 万，提供各种层次的教育( 结业证书或课程证书、毕业证书、硕 士学位) ，几乎包括所有学科的课程。 近年来，在我国网上点播课程的方式开始兴起。一些免费或收费的网上课堂平台出 现，北京大学“大学课程在线”收集了一些精品课程，并在互联网上实现了点播播放。 p 2 p 的出现，为视频内容的交换提供了极大的帮助。将p 2 p 技术应用于流媒体领域， 2 两北人学硕j 二学位论义 将打破传统的客户服务器模式，客户端不仅可以从服务器那里直接取得数据，还可以彼 此相连获取流媒体数据。这样可以使服务分散化，从而减轻服务器负载并支持更大范围 流媒体发布，支持大规模用户在线，投入成本很低，具有广泛应用价值。 目前，就基于p 2 p 技术的网络教学系统，国内丌发软件系统讨论教少，而且多数系 统还处于开发和运营的初期，网络教学辅助平台在中国的发展正在进一步扩展，从最开 始的停滞走向繁荣也不再是开发者的梦想。相信未来基于p 2 p 网络的辅助教学互动系统 的深入与延伸不仅对互联网产生深远的影响，更加为i t 学习这一新兴领域带来无限的 价值。 1 3 多媒体网络教学系统 多媒体网络教学系统是专门为基于双向多媒体通信网络的教学而提供全面服务的 软件系统。通过多媒体网络教学系统，学习者不仅学习课程内容，而且还进行各种教学 活动，如同学与同学、同学与教师之间的交流，提交作业、答疑、考试等。多媒体网络 教学系统性能是影响网络教学质量的一个比较关键的因素。 1 3 1 多媒体网络教学系统组成 多媒体网络教学系统通常包括：网上教学子系统、教务管理子系统、课程开发子系 统、资源管理子系统。 1 网上教学子系统 网上教学子系统提供一系列网络教学支持工具，如学习内容呈现、多媒体授课、测 评功能、网上答疑、网上考试、网上作业、交流工具等。 2 教务管理子系统 教务管理子系统主要实现教师管理、学生管理、课程管理、权限认证等教务功能。 3 课程开发子系统 课程开发子系统实施模板式课程丌发，实现教学资源的管理和重用。 4 资源管理子系统 资源管理子系统以学科为单位，集中管理各种类型的教学资源，包括媒体素材、测 验试题、典型案例、文献资料等。 1 3 2 多媒体网络教学系统发展趋势 目前的多媒体网络教学系统的资源治理模式是集中式治理，即将所有教学资源存放 在中心服务器上，分散的教学点从中心服务器下载各种教学资源。这存在两个方面的问 第一章绪论 题：其一，不同地理区域的用户接入网络的速度不一样，提供接入服务的i s p 也不一样， 在从服务器获取教学资源时，要经过不同的区域网和广域网，轻易造成资源下载速度慢 和无法观看视频教学资源；其二，服务器端易形成带宽瓶颈。 p 2 p 的出现，为视频内容的交换提供了极大的帮助。将p 2 p 技术应用于流媒体领域， 将打破传统的客户服务器模式，客户端不仅可以从服务器那里直接取得数据，还可以 彼此相连获取流媒体数据。这样可以使服务分散化，从而减轻服务器负载并支持更大范 围流媒体发布，支持大规模用户在线，投入成本很低，具有广泛应用价值。目前，就基 于p 2 p 技术的网络教学系统，国内开发软件系统讨论教少，而且多数系统还处于开发和 运营的初期，网络教学辅助平台在中国的发展正在进一步扩展，从最开始的停滞走向繁 荣也不再是开发者的梦想。相信未来基于p 2 p 网络的辅助教学互动系统的深入与延伸不 仅对互联网产生深远的影响，更加为i t 学习这一新兴领域带来无限的价值。 1 4 本文工作 本论文是针对目前多媒体网络教学系统设计中存在的问题，在分析了p 2 p 及相关技 术的基础上，将混合型p 2 p 技术应用于多媒体网络教学中，将对以此为基础的教学资系 统的系统结构、节点加入与退出、资源缓存、传输策略作深入研究。开发出了基于混合 p 2 p 技术多媒体网络教学系统，系统主要有三个模块。 1 即时通讯 系统采用集中式p 2 p 网络模型，一台服务器为下属各节点提供聊天信息转发服务， 并采用s o c k e t 通信的方式实现，在转发服务器上使用了多线程技术，用来处理多个用 户同时发出的服务请求。 2 文件共享 系统在资源的选择上采用了混合p 2 p 模式，由一台核心服务器为用户提示查找资源 信息的服务，并且给用户返回资源的存放地址，之后再由用户去下载该资源。系统的文 件下载功能中共采用了三套方案：客户节点方案、中心服务器方案和原始地址服务方案。 3 视频点播 系统视频点播功能采用混合型p 2 p 流媒体模式，系统中的流媒体服务器既提供普通 4 西北人学硕十学位论文 流媒体服务器的功能，还要提供p 2 p 网络中内容索引服务器的功能，在视频文件的下载 缓冲方法上，与文件共享中客户节点方案类似。通过连接点对点s o c k e t 连接传输字节流， 把文件保存在临时文件夹中。系统在视频缓冲问题上采用了内存缓冲的方式。 第二审p 2 p 技术幕奉原理 第二章p 2 p 技术基本原理 本章研究p 2 p 技术的基本原理，分析p 2 p 技术的优势及应用，并重点就混合 型p 2 p 网络结构的运行模式进行研究，这将为后面系统设计和实现组建p 2 p 网络 提供了技术理论基础。 2 1p 2 p 简介 p 2 p 是p e e r t o p e e r 的缩写，p e e r 在英语罩有”( 地位、能力等) 同 等者”、”同事”和”伙伴”等意义。这样一来，p 2 p 也就可以理解为”伙伴对伙 伴”的意思，或称为对等联网。目前人们认为其在加强网络上人的交流、文 件交换、分布计算等方面大有前途。p 2 p 还是p o i n tt op o i n t 点对点下载 的意思，它是下载术语，意思是在你自己下载的同时，自己的电脑还要继 续做主机上传，这种下载方式，人越多速度越快，但缺点是对你的硬盘损 伤比较大( 在写的同时还要读) ，还有就是对你内存占用较多，影响整机速 度! 简单的说，p 2 p 直接将人们联系起来，让人们通过互联网直接交互。p 2 p 使得网络上的沟通变得容易、更直接共享和交互，真正地消除中间商。p 2 p 就是人可以直接连接到其他用户的计算机、交换文件，而不是像过去那样 连接到服务器去浏览与下载。p 2 p 另一个重要特点是改变互联网现在的以大 网站为中心的状态、重返”非中心化”，并把权力交还给用户。p 2 p 看起来 似乎很新，但是正如b 2 c 、b 2 b 是将现实世界中很平常的东西移植到互联网 上一样，p 2 p 并不是什么新东西。在现实生活中我们每天都按照p 2 p 模式面 对面地或者通过电话交流和沟通。p 2 p 系统中没有服务器和客户机之分，每个 主机既是服务器也是客户机，它使i n t e m e t 上的计算机相互平等的连接，在进行 信息交换时可以不通过任何服务器，直接在两台客户机之间交换。p 2 p 大大提高 了存储设备、带宽和计算资源三类昂贵的技术资源的使用率。所有接入p 2 p 网络 的设备都作为一个对等点而组成一个对等网，各对等点之间可任意通讯而不需通 过服务器的中转，系统提供的服务分布在各个对等点上，消除了单点故障，提高 了资源利用率，增强了网络的健壮性：各对等点可任意加入或退出，系统具有良 好的升级能力和几乎无限的扩充能力，完全适应网络伸缩性的变化【2 】。 2 2p 2 p 技术的优势和缺点 p 2 p 目前而言，最大的优势就是可以提高网络用户的网络利用率，由于多个 6 西北人学硕f ：学位论文 节点互相连接，用户所在的网络带宽将会被最大程度的使用引。其具体优势如下： 2 2 1 非中心化 网络中的各种资源和服务分散在所有网络节点上，信息的传输和服务的实现 都直接在节点与节点之间进行，无需中间环节和服务器的介入，避免了可能的网 络瓶颈。p 2 p 的非中心化的特点，带来了其在网络可扩展性、健壮性等方面的优 势。 2 2 2 负载均衡 就p 2 p 网络而言，每个节点既是服务器又是客户机，减少了对传统c s 结 构中服务器计算、存储等能力的要求，而且由于资源分布在多个节点，更好的实 现了整个网络的信心安全和负载均衡。如图1 图ip 2 p 网络的负载均衡 2 2 3 丰富的网络信息 对p 2 p 网络用户来说，可以扫描网络上任何活动节点搜索到需要的信息，而 直接从这个节点进行下载。网络用户也可以把自己机器上下载的信息共享出来， 供其它用户使用。这样，需求率较高的信息能够很快在许多节点上扩散。当网络 规模增长时，共享信息的数量和范围都将会随之增长。在开放网络环境下，p 2 p 网络可以很快积累相当丰富的信息。 2 2 4 信息冗余和可用性 在p 2 p 网络中，由于多个节点间存在相同的信息而导致高度信息冗余，这样 就可以提高信息的可用性，使其服务更多用户。信息冗余也能够使得网络不可能 产生“单点失效”的问题。因此分散的p 2 p 网络提高了网络的容错和可用性。正 如n a p s t e r 的创始人s h a w n f a n n i n g s 所言：! 文件共享网络是向原有i n t e r n e t 7 第二章p 2 p 技术摹本原理 的一次回归”。 2 2 5 基于内容的寻址 网址并不能直接反映出它要呈现内容，而在p 2 p 网络中，存储特定信息的节 点地址对于用户是透明的，用户向网络提出查询请求后，p 2 p 应用软件会把请 求转化成存放这些信息的节点地址。这种寻址方式是在语义的高层，因为用户请 求的是信息标识符而不是物理地址。由于信息标识符等价于许多存储该该信息的 节点地址，所以把信息按照内容在网络进行分类分布能够使信息资源更加易于查 找。 2 2 6 高性价比 性能优势是被广泛关注p 2 p 优势。随着计算机软硬件技术的不断发展，p c 的计算和存储能力以及网络带宽等性能高速增长。采用p 2 p 架构，可以有效地利 用互联网中散布的大量普通结点，将计算任务、存储资料等功能分布到所有普通 结点上。利用节点闲置的资源，达到高性能计算和海量存储的目的。目前，p 2 p 在这方面的应用还处于学术研究上，一旦技术成熟，推广开来，则可以为许多企 业和单位节省购买大型服务器的成本。 2 3p 2 p 模式与传统o s 、b s 模式比较 目i j 最常见的三种网络拓扑结构是：c s ( c l i e n t s e r v e r ，即客户端服务器) 结构、b s ( b r o w s e r s e v r e r ，即浏览器服务器) 结构和p 2 p 结构。由于网络结构 的不同，他们特点也不同。 2 3 1o s 结构的特点 c s 结构的是一种很流行的网络结构。图2 是的一种典型的c s 体系结构。 在这种网络结构中，服务器处于系统的中心位置。服务器是一个拥有强大处 理能力和高带宽的计算机，安装了服务器操作系统和应用软件，并且存储了大量 8 两北人学硕士学位论文 服务器 目目目目 笪鸯查基童曼童量 客户机a客户机b客户机c客户机d 图2 典型的c s 体系结构 的信息。服务器始终处于工作状态，它被动地接受客户机连接请求，根据客户机 的请求提供相应的服务。而客户机处于系统的边缘位置。客户机处理能力相对较 小，一般是个人计算机。客户机主动地连接服务器，并且向服务器提交自己的请 求。c s 结构具有特点如下： 1 以服务器为中心的集中处理方式。 c s 结构中，数据和信息都保存在服务器上，服务器具有系统的控制能力。 客户机的主要功能就是显示数据或者收集相关数据给服务器。 2 服务器的性能和带宽直接决定了整个系统的性能。 c s 结构中，服务器能为多少客户机提供服务是由服务器的处理能力和网络 带宽来决定的；服务器提供信息的多少是由服务器存储能力决定的。很明显，服 务器很能成为整个系统的瓶颈。要提供更快更多的服务，就需要更高性能的服务 器。 3 服务器处于中心位置，整个系统容易管理。 c s 结构中，由于服务器处于中心位置，服务器可以根据客户机的需要进行 服务和更新，系统管理非常简便 4 容易出现“单点失效”问题。 c s 结构中，由于服务器处于中心位置，如果服务器出现瘫痪，整个系统就 瘫痪了。 2 3 2b s 结构的特点 b s 结构和c s 结构很类似。b s 结构使用浏览器通过h t t p 协议访问服务器。 9 第一二章p 2 p 技术皋奉原理 图3 是典型的b s 三层结构的示意图。在b s 的网络结构中，数据库服务器使用 关系型数据库存储系统中所有的数据，w e b 服务器处理客户的各种请求。增加w e b 服务器以后，既方便了用户访问异构数据库，又增强了系统的安全性。客户使用 w e b 服务器数据服务器 p d a 图3b s 网络结构 浏览器访问w e b 服务器，无需再安客户端程序，功能更加简单，它只有显示数据 和提供用户输入界面的功能，绝大多数的计算都在w e b 服务器上。这种“瘦客户” 的思想非常方便系统部署：w e b 服务器搭建好之后，只要有浏览器就可以访问服 务器的资源，不需要到处安装客户端程序了。 2 3 3 综合比较 c s 或b s 结构使互联网上的信息资源和成本资源均集中在服务器上，这样 的网络模式安全性高、易于管理，符合一对多、强对弱的社会关系形式，所以 c s 或b s 结构是符合社会需求的，并在各种环境中广泛使用。而p 2 p 方式将导 致信息数量、成本资源从新回到网络上的各个节点上，也就是所谓“边缘化”的 趋势，从而充分的利用了网络上闲置的资源，而且其交互性、即时性好，符合“一 对一 的特点，以及彼此相当的社会关系形式，也符合社会的需求。所以这三种 网络将会共存，各自发挥其优势，取长补短。表l 从易管理性、安全性等几个方 面对p 2 p 技术与c s 或b s 结构的性能进行了比较旧1 。 1 0 两北大学硕1 ：学位论文 表lp 2 p 技术与c s ( b s ) 模式性能比较 比较项目 p 2 p c s 或b s 易管理性差好 安全性筹好 容错性好差 可扩展性好差 数据互动性好 差 数据即时性( 传输速度) 好差 数据更新好差 数据质量( 价值) 中好 数据覆盖率和数量( 价值) 差好 抗干预性好 差 成本控制好著 2 4 混合p 2 p 技术 p 2 p 技术存在三种结构模式的体系结构，即以n a p s t e r 为代表的集中目录式 结构、以g r o k s t e r 为代表的分散型p 2 p 网络结构和混合式p 2 p 网络结构。从p 2 p 技术的分代来说，到目前为止的p 2 p 技术可分为四代：第一代p 2 p ( 集中型p 2 p 网络体系结构) ，第二代p 2 p ( 分散分布网络体系结构) ，第三代p 2 p ( 混合网络体 系结构) 。 2 41 第一代集中型p 2 p 的运行模式 第一代集中型p 2 p 利用软件提供商提供的中央服务器将p c 连接起来，运行模 式简述如下：第一步，p c 用户下载软件服务商提供的p 2 p 软件，并将愿意共享 的文件存入软件中的共享文件夹，与其他用户共享；第二步，中央服务器利用自 身的“编目和检索功能”整合用户提供的共享资源；第三步，中央服务器，根据 p c 发出的搜索指令向用户提供用户所需的i p 地址；第四步，p c 接受中央服务器 提供的i p 地址，并利用p 2 p 软件下载相关资源。 以n a p s t e r 哺1 为代表的第一代集中型p 2 p 软件有以下几个特点：( 一) p c 的功 能在于提供共享资源以及发出搜索指令；( 二) 中央服务器根据p c 指令提供搜 索服务，且中央服务器搜索的范围仅限于用户提供的共享资源；( 三) 软件服务 提供商控制下的服务器仅提供用户所需资源的i p 地址，不参与数据的传输。 第二章p 2 p 技术基本原理 2 4 2 第二代分散型p 2 p 的运行模式 第二代分散型p 2 p 与第一代相比最大的不同在于摆脱了中央服务器的控制，每 一台p c 无需中央服务器的辅助即能够完成对所需资源的搜索。其运行模式简述 如下：第一步，p c 用户下载软件服务商提供的p 2 p 软件，并将原意共享的文件 存入共享文件夹；第二步，p c 根据用户的需要发出指令搜索共享资源，并根据 软件反馈的i p 地址下载相关资源。 以g r o k s t e r 为代表的第二代分散型p 2 p 软件有以下几个特点：( 一) p c 的功 能在于提供共享资源以及搜索并下载用户所需的资源；( 二) p c 搜索的范围仅 限于用户提供的共享资源；( 三) 软件服务提供商不参与数据的传输，分散型p 2 p 软件完全独立于软件服务提供商运行。 n a p s t e r 曾经因为提供“编目和检索功能”而陷入诉讼的泥潭不能自拔，第 二代分散型p 2 p 与第一代集中型p 2 p 软件相比是法律上的进步却是技术上的退 步：第二代分散型p 2 p 省去了第一代集中型p 2 p 的中央服务器，使p c 的搜索不 再依赖于中央服务器，这样二代p 2 p 软件提供商因为不提供编目、检索功能服务， 从而避免了承担间接侵权责任的可能性；但是p c 的功能毕竟不能与一代软件提 供商的中央服务器匹敌，普通p c 不光地址分散，而且网络带宽窄，传递速度有 限，搜索和反馈对应节点地址的时间无法估计，搜索结果的有效性很低，搜索速 度和下载速度都大打折扣【4 5 ，6 1 。 2 4 3 第三代混合型p 2 p 运行模式 混合型p 2 p 网络p 2 s p = p 2 s + p 2 p ，这个公式很简单的表明p 2 s p 就是p 2 s 与p 2 p 的叠加。其工作模式简述如下：第一步，用户下载、安装下载软件，向软件 服务器发出下载请求；第二步，服务器在互联网上检索资源，当发现可用资源以 后，记录此信息到数据库。资源包括服务器资源和用户机资源；第三步，服务器 优化整合所有资源，如果发现服务器提供的资源有限或者用户所需的资源都在用 户所处的局域网内即采用p 2 p 技术；第四步：如果不存在第三步所述的情况，服 务器即决定采用p 2 s 模式，返回资源信息给有下载请求的用户；第五步，所有资 源同时向下载用户传送下载内容，包括本地服务器、镜像服务器以及互联网上的 用户。 以迅雷为代表的第三代混合型p 2 p 软件有以下几个特点：( 一) p c 的功能在 于发出搜索指令以及下载所需资源；( 二) 中央服务器根据p c 指令提供搜索服 1 2 西北人学硕士学位论文 务，因为迅雷软件无共享文件央的设置，中央服务器搜索的范围是没有边界的； ( 三) 软件服务提供商控制下的服务器仅提供用户所需资源的i p 地址，不参与 数据的传输；( 四) 软件服务商控制的服务器最先进的功能在于对搜索到的资源 进行优化、整合，从而更好地方便用户的下载；( 五) p 2 s p 软件会根据实际情 况选择使用p 2 s 模式还是p 2 p 模式。 以迅雷为代表的第三代混合型p 2 s p 软件与第一代、第二代p 2 p 软件相比最大 的不同在于其没有共享文件夹的设置，其中央服务器的搜索范围几乎是整个因特 网。众多的服务器和p c 在迅雷强大的搜索服务器面前几乎没有任何反抗能力， 只要能被迅雷搜索到其资源就有可能被整个因特网共享。 2 5p 2 p 技术的应用 p 2 p 技术由于其对网络边缘节点资源的充分利用的特点，促使p 2 p 技术在许 都有很好的应用前景。具体如下： 2 5 1 信息共享 信息共享的需求直接推动了p 2 p 技术的发展。在传统的网络结构中，要进行 信息共享需要服务器的直接参与，我们需要共享某些信心是通过将信息上传到某 个网站的服务器上，用户再到某个网站服务器搜索需要的信息，然后进行下载， 这种模式的缺点非常明显。在这种情况下，n a p s t e r 抓住人们想通过i n t e m e t 来共享m p 3 的需求，采用p 2 p 技术来实现自由的文件交换功能，引发了网络的 p 2 p 技术革命。通过p 2 p 技术来搜索和下载文件与传统的方式最大的区别就足你 不是从其它网站的服务器搜索与下载资源【1 0 】，而是可以从任何一个在线普通用户 的机器罩直接下载，当然网站的服务器也可以被看作为一个特殊对等点，这样真 正让普通用户实现了与大型网站服务器处于对等地位。从技术上来看，p2 p 信 息共享系统有以下几种不同的形式。其一是“中心文件目录分布式文件系统”， 信息共享时是通过中央目录服务器来进行目录管理的【l l 】。n a p s t e r f 8 】就属于此 类，因为采用是集中式目录管理，所以不可避免地会存在“单点失效的问题： 其二是属于分散型的p 2 p ，此类系统中没有中央目录服务器。此类软件更接近于 绝对的自由，由于没有中间服务器，所以形成的p 2 p 网络难以进行身份认证、计 费、流量管理、安全管理等功能的控制。g n u t e l l a 和f r e e n e t 1 3 】是种模式 典型的应用，它们明显的存在这样那样的不足；其三是系统采用前两类方案的折 第二章p 2 p 技术基奉原理 衷方式有中间服务器，但文件目录是分布的。 2 5 2 协同工作 协同工作指的是多个网络用户之间利用网络中的协同计算平台相互协同来 共同完成特定的计算任务，共享特定的信息资源等【1 5 】。由于人们的工作地点r 益 分散，所以使得在不同地点的人们一起工作来完成某个任务，变得日益重要。在 p 2 p 出现之前，传统的协同工作由于采用w e b 方式实现，给网络中的服务器带 来了极大的计算负担，造成昂贵的成本支出。而且还不能很好地完成企业与企业、 企业与客户、供应商之间的信息交流。p 2 p 技术的出现，可以使互联网上任意两 台计算机都可建立直接的通讯联系，而且需要中心服务器，建立了一个安全，共 享的虚拟空间。从而降低了对服务器存储能力、网络带宽的要求，因此大大节约 了协同工作成本，最终帮助企业与企业、企业与客户、供应商之间建立起一种安 全的网上工作联系方式。因此基于p 2 p 技术的协同工作也受到了极大的重视u 引。 l o t o u s 公司开发出的g r o o v e 1 3 】，是目前最著名的p 2 p 协同工作产品。 g r o o v e 采取是中间传递服务器f r e l a y s e r v e r s ) 实现p 2 p 的多播，采用 x m l 方式表示的路由协议，多个不同的g r o u p 之间不仅可以共享文件信息、 聊天信息还可以共享各种应用程序。 2 5 3 即时通讯 即时通讯( i n s t a n tm e s s a g i n g ，简称i m ) 是一个终端服务，允许两人或 多人使用网路即时的传递文字讯息、档案、语音与视频交流。分电话即时 通讯手机和网站即时通讯，手机即时通讯代表是短信，网站、视频即时通 讯如q q ，m s n ，擎旗u c s t a r ，百度h i ，恒聚i c c ，中国移动飞信等应用形式。 由于文件及软件的版权问题，即时通讯应用已超过文件共享应用，成为p 2 p 的第 一大应用。在即时讯息领域中，微软和y a h o o 等一直有比较激烈的争斗。与 b b s 和网络聊天室相比较，p 2 p 方式的即时通讯软件不仅能够随时知晓对方是否 在线，而且通讯方式完全是点对点进行进行，不依赖服务器的性能和网络带宽。 尽管目前的即时通讯技术一般都需要中心服务器，但中心服务器所起的作用是接 受用户的认证信息等工作，以及帮助完成用户节点之间的初始连接工作【1 7 1 。 j a b b e r l l 8 】是一个开放源码的即时通信系统平台，j a b b e r 开发出了一个在 不兼容的系统中进行即时通讯平台之间进行消息交换的协议，此协议包含在一个 1 4 西北人学硕士学位论文 采用x m l 语言表示的路由协议中p 2 5 4 文件传递 传统的文件传递多采用e m a i l 及f t p 的方式进行，这类方式存在很多的问 题i 第一，e m a i l 是采用的是发送端把它邮件发送到自己所在e m a i l 服务器 的，然后此服务器将邮件转发到收件人所在的e m a i l l 服务器上，最后收件人 登陆自己的邮件服务器下载邮件的方式：f t p 采用的是用户将自己要共享的文件 上传到f t p 服务器上，需要此文件的用户登陆此f t p 服务器进