基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知的P2P通信方案設(shè)計

韓新超， 馬永強， 鄭秋生

(1.中原工學(xué)院計算機學(xué)院河南省鄭州市網(wǎng)絡(luò)安全評估重點實驗室，河南鄭州450007；2.河南理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南焦作454000)

0 引 言

P2P(Peer to Peer)通信技術(shù)即對等網(wǎng)絡(luò)[1-5]，是近年來發(fā)展的一種新的獲取信息的方式，是一種主機不經(jīng)過中繼設(shè)備直接交換數(shù)據(jù)或服務(wù)的技術(shù)。在P2P通信模式中，通信節(jié)點之間通過直接通信實現(xiàn)信息的交換和資源的共享，這使得用戶之間的溝通和交互變得更直接、更便捷。然而，由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的復(fù)雜性，在某些情況下，無法直接在兩個對等點之間建立P2P會話以便完成通信和資源共享。例如，在目前的網(wǎng)絡(luò)IPv4環(huán)境中，由于NAT(network address translator)設(shè)備的廣泛存在，使得處于不同內(nèi)部私有網(wǎng)絡(luò)中的主機直接進行通信變得很困難甚至不可能[6-8]。NAT技術(shù)旨在解決IPv4網(wǎng)絡(luò)中地址匱乏的問題[9-11]，位于NAT設(shè)備后的主機的地址通常為私有地址，這些地址不能在因特網(wǎng)絡(luò)中路由，因此，NAT設(shè)備后的設(shè)備節(jié)點往往不能直接通信，需要借助中間服務(wù)器完成P2P會話的建立。即使在IP地址比較充裕的IPv6網(wǎng)絡(luò)中，由于IPv4和IPv6隧道的存在，為了在不同網(wǎng)絡(luò)中在IPv4和IPv6地址之間進行切換，NAT設(shè)備也將在很長一段時間存在[12-13]。因此，針對這些復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，本文提出了一種具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知能力的P2P通信方案并予以實現(xiàn)，該方案旨在對P2P通信中的兩個Peer環(huán)境進行感知，并根據(jù)感知的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境采用最優(yōu)的P2P方案進行通信，以提高P2P會話的建立成功的連接率，提高端到端延時性能，同時盡可能的減小協(xié)議引入的開銷。

1 P2P會話連接建立技術(shù)

現(xiàn)有P2P會話連接技術(shù)主要分為以下3種：服務(wù)器中轉(zhuǎn)技術(shù)、反向連接技術(shù)、UDP打洞技術(shù)[14-15]，各種技術(shù)的特點如表1所示。

表1 P2P會話連接技術(shù)比較

2 具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知能力的P2P通信方案的設(shè)計和實現(xiàn)

2.1 通信方案描述

假定通信雙方為peerA和Peer B。由于A和B所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可能非常復(fù)雜，而且A和B可能無法直接通信(例如A和B均位于一個私有網(wǎng)絡(luò)中)，因此在實現(xiàn)中我們必須采用一個中間服務(wù)器ServerC服務(wù)P2P會話的建立。首先，peerA和Peer B向Server C注冊。其次，當Peer A向Server C發(fā)起連接請求，請求連接PeerB。最后，ServerC根據(jù)PeerA和PeerB所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境為peerA和PeerB選擇最優(yōu)的通信方案。必要時，中間服務(wù)器將作為中轉(zhuǎn)服務(wù)器為peer A和Peer B之間的通信進行中轉(zhuǎn)。

2.2 具體方案實現(xiàn)

具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知能力的P2P通信方案的設(shè)計分為兩部分：服務(wù)器部分和對等點客戶端部分，其目的在需要通信的對等點之間建立直連的P2P會話，會話建立過程根據(jù)感知的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境借助中間服務(wù)器完成。其實現(xiàn)算法分為以下幾個步驟：

(1)部署中間服務(wù)器。首先，server C在某個UDP端口和某個公網(wǎng)地址上監(jiān)聽，等待來自peer客戶端的連接。

(2)登陸的peer向中間服務(wù)器注冊。Peer在登錄時向中間服務(wù)器注冊，注冊時將本地端口和本地地址攜帶在登錄消息中。服務(wù)器收到某peer的注冊消息后，從注冊消息體中獲取該peer的本地地址和本地端口號 (以下簡稱私有端口和私有地址)，同時調(diào)用getsockname獲取該peer客戶端的真正端口號、真正的地址(以下簡稱為公有地址和公有端口號)。注意公有地址和公有端口號可能是私有地址和私有端口經(jīng)過NAT設(shè)備轉(zhuǎn)換后得到的地址和端口號。

(3)Peer A向Server C請求連接Peer B。

(4)Server C分別向Peer A和Peer B返回其對等體的網(wǎng)絡(luò)信息。返回的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境信息包括其通信Peer的私有地址、私有端口、公有地址和公有端口等信息。

(5)PeerA根據(jù)其自身和PeerB的信息進行網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知。首先，Peer A確定其自身及其Peer B所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：如果其自身的本地地址和服務(wù)器返回地址相同，則表明該Peer位于公網(wǎng)內(nèi)；否則，則表明該Peer位于NAT設(shè)備之后。其次，根據(jù)Peer A其自身所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和Peer B所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，發(fā)起直接連接請求。其連接請求的socket端口對分為兩種情況：(peer A本地地址和本地端口、Peer B本地地址和本地端口)、(peer A本地地址和本地端口、Peer B公網(wǎng)地址和公網(wǎng)端口)。如果PeerA位于NAT設(shè)備之后，則經(jīng)過NAT設(shè)備之后，socket端口連接又被轉(zhuǎn)化為(peer A公網(wǎng)地址和公網(wǎng)端口、Peer B本地地址和本地端口)、(peerA公網(wǎng)地址和公網(wǎng)端口、peerB公網(wǎng)地址和公網(wǎng)端口)。PeerA分別向這2個socke對t發(fā)送連接消息，連接信息中包含的請求的Peer ID信息和認證等信息。

(6)等待連接消息響應(yīng)。Peer A向2個socket對發(fā)送連接消息后，將在一定時間等待連接響應(yīng)。通過響應(yīng)的socket對可以進一步確定兩個 Peer所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。若響應(yīng)是來自socket對(peerA本地地址和本地端口、PeerB本地地址和本地端口)，則表明Peer A和Peer B可以通過本地網(wǎng)絡(luò)直接通信，PeerA和PeerB應(yīng)該位于同一局域網(wǎng)內(nèi)，PeerA和PeerB建立的P2P通話應(yīng)該以本地通道優(yōu)先。若響應(yīng)消息來自(peerA本地地址和本地端口、Peer B公網(wǎng)地址和公網(wǎng)端口)，則表明的PeerA和PeerB不在同一局域網(wǎng)環(huán)境中，則P2P會話通道必須通過NAT設(shè)備。同時，在這種情況，通過比較PeerB的公網(wǎng)地址和PeerB的私有地址情況判斷PeerB是否位于某一私有網(wǎng)絡(luò)中。需要注意的時候，有可能在一定的時間都不會受到連接響應(yīng)消息，這是由于某些NAT設(shè)備不兼容性，導(dǎo)致UDP打洞失敗，最終無法建立P2P會話。在這種情況下，通信方案將采用服務(wù)器中轉(zhuǎn)技術(shù)的進行P2P通信中轉(zhuǎn)。

2.3 實驗結(jié)果及分析

在P2P通信的過程中，能感知P2P的相對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并采用最優(yōu)的方式進行通信，具有十分重要的意義，這對于節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，提高傳輸效率具有十分重要的意義。為此，設(shè)計出一個通用的P2P即時通信驗證平臺，并對實現(xiàn)方案進行驗證。仿真開發(fā)環(huán)境為Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)語言為c語言，采用基于UDP的socket程序?qū)崿F(xiàn)。利用Vmware模擬各種NAT網(wǎng)絡(luò)拓撲以便對實現(xiàn)的方案的可用性進行測試。為了驗證提出方案的完整性，將網(wǎng)絡(luò)環(huán)境抽象為如表2所示的3種情況，并用Vmware模擬了各種網(wǎng)絡(luò)并對提出的方案進行了測試。測試的結(jié)論及其分析如下：

針對各種拓撲結(jié)構(gòu)，從3個方面比較各種P2P會話連接技術(shù)的協(xié)議性能。首先，針對會話連接建立成功率來比較，其實驗結(jié)果如圖1所示，其對應(yīng)的具體值如表3所示。

從圖1以及表3可以看出，在各種拓撲情況下，本文提出的網(wǎng)絡(luò)感知P2P方案的連接建立成功率和服務(wù)器中轉(zhuǎn)技術(shù)的成功率幾乎等同。

表2 P2P會話拓撲分類

圖1 各種P2P方案連接建立成功率對比

表3 連接建立成功率對比

在拓撲1環(huán)境測試中，由于Client A和Client B均具有公有地址，Client A和Client B能快速的建立P2P會話。在這種情況下，Peer A和Peer B均位于公共網(wǎng)絡(luò)中，在對我們的方案測試中，P2P建立連接率為100%。需要注意的是，由于IP地址的匱乏，這種拓撲方案在現(xiàn)實情況中比較少見。

在拓撲2中，反向連接技術(shù)和UDP打洞技術(shù)由于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的局限性，其連接建立的成功概率均相對較低，而對于本文提出的具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知的P2P會話方案，其連接建立率可以達到99.7%。

在拓撲3中，這種優(yōu)勢更加明顯。這是由于第3種拓撲是最復(fù)雜的拓撲，同時在P2P通信中也是最常見的拓撲。例如，在迅雷下載或者BT下載中，兩個下載的用戶大多數(shù)情況下都位于私有網(wǎng)絡(luò)中，也就是位于NAT設(shè)備之后。在測試中，我們發(fā)現(xiàn)，99.8%左右的情況下，PeerA和PeerB能成功直接建立直連的P2P會話。其它的0.2%情況下，Peer A和Peer B之間的通信需要ServerC中轉(zhuǎn)。這是由于某些NAT設(shè)備不兼容的原因。在第3種拓撲中，我們又對兩種拓撲分別進行了測試。第一種情況下，Peer A和Peer B位于同一個私有網(wǎng)絡(luò)中，在這種情況下，我們的通信方案感知到這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境后，能在Peer和PeerB建立之間的通信會話并能在它們之間建立高速的傳輸通道，其傳輸效率非常高。在第二種情況中，Peer A和Peer B位于不同的NAT設(shè)備之后，也就是說Peer A和Peer B無法利用私有地址進行通信，其會話建立過程必須借助中間服務(wù)器。在20%的情況下，PeerA和PeerB無法建立直連的通信信道，其通信借助Server C完成。總體上來說，網(wǎng)絡(luò)感知方案最終建立的P2P會話的成功率高達99.8%，可以不受這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的限制，而其它幾種連接建立P2P會話的成功率較低。

其次，比較了各種連接的信令開銷性能，其實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 協(xié)議信令開銷與傳輸數(shù)據(jù)對比

從圖2可以看出，在各種拓撲測試中，服務(wù)器中轉(zhuǎn)技術(shù)具有最高的協(xié)議開銷，而具有網(wǎng)絡(luò)感知的P2P方案的協(xié)議開銷最小。這是因為服務(wù)器中轉(zhuǎn)技術(shù)需要對所有的數(shù)據(jù)的進行中轉(zhuǎn)，故其開銷永遠都為100%，這也是服務(wù)器中轉(zhuǎn)技術(shù)很少采用的原因之一。而具有網(wǎng)絡(luò)感知的P2P方案僅僅在會話建立初期需要產(chǎn)生某些信令開銷，一旦會話建立成功，會話的對等體之間就可以直接通信，不會產(chǎn)生其它的信令開銷。同時可以看出，拓撲3產(chǎn)生的信令開銷要比拓撲2和拓撲1產(chǎn)生的信令開銷要大，這是由于P2P方案為了感知網(wǎng)絡(luò)環(huán)境所產(chǎn)生的額外開銷。

最后，比較了各種連接技術(shù)的端到端時延性能，其實驗結(jié)果如圖3所示。從圖中看出，在各種測試拓撲中，具有網(wǎng)絡(luò)感知的P2P技術(shù)方案時延性能最好，而服務(wù)器中轉(zhuǎn)技術(shù)的時延性能最差。具有網(wǎng)絡(luò)感知的 P2P技術(shù)方案在拓撲1的情況下，其平均時延為220ms左右。隨著拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜性提高，其時延性能降低。例如在拓撲3的情況下，具有網(wǎng)絡(luò)感知的P2P技術(shù)方案其平均時延約為240ms。同理，其它幾種技術(shù)方案在拓撲1的情況下其時延性能最好，在拓撲3的情況下其平均時延最長。其原因主要是由于隨著網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性提高，P2P報文的處理時間變長，平均時延性能降低。例如在拓撲1的情況下，由于Peer A和PeerB均位于公網(wǎng)中，P2P報文不需要經(jīng)過NAT設(shè)備的處理。而在拓撲3的情況下，由于Peer A和Peer B均位于NAT設(shè)備后，P2P報文需要經(jīng)過至少兩個NAT設(shè)備的處理，使得端到端的延時性能降低。相對于其它3種P2P通信方案，具有網(wǎng)絡(luò)感知的P2P方案的端到端延時性能最好。這是由于，這種方案能對Peer A和Peer B所處的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行感知，然后利用最優(yōu)的方案在Peer A和Peer B進行P2P通信，最優(yōu)的方案使得端到端之間的時延降到最低。在所有的方案中，服務(wù)器中轉(zhuǎn)技術(shù)的端到端延時性能最低，這是由于這種方案不考慮Peer A和Peer B所處的相對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，所有的P2P報文均通過服務(wù)器中轉(zhuǎn)，導(dǎo)致端到端延時增加。

圖3 協(xié)議端到端延時對比

通過上述的實驗，有如下結(jié)論：在P2P通信的絕大多數(shù)環(huán)境下，本文的方案能夠在PeerA和PeerB之間建立直連的P2P通信，而且相對于其它P2P會話建立技術(shù)而言，具有更高的會話建立連接率，具有更少的信令開銷，其端到端延時性能優(yōu)于其它P2P通信方案。

3 結(jié)束語

本文提出了一種具有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境感知的P2P通信方案并予以實現(xiàn)，取得了良好的效果，方案能對各種網(wǎng)絡(luò)拓撲進行很好的感知，而且，在80%的情況下能夠建立直連的P2P會話，而在其它20%左右的情況，也能通過中轉(zhuǎn)進行P2P通信。同時提出的方案相對于其它常用的方案而言，具有更少的通信協(xié)議開銷，其端到端延時性能更好。但是，需要指出的是，在算法的設(shè)計過程中沒有考慮多個P2P對等點通信的情況，對于如何利用感知的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在多個對等點之間，有效的進行信息的傳遞和分析是未來需要研究的內(nèi)容。同時，本文提出的算法在對等點間無法建立直連會話時，需要利用中轉(zhuǎn)服務(wù)器進行中轉(zhuǎn)，當這種情況比較多時，服務(wù)器的負擔將較重，因此，如何在這種情況下利用P2P中的其它對等點進行信息中轉(zhuǎn)對于改善該算法的可擴展性具有十分重要的意義，也是未來的研究工作的重點內(nèi)容。

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