P2P和P4P技術的研究

摘要：全面闡述了P2P和P4P技術的概念，分析了各自網絡的特點，重點介紹了P2P系統中版權問題、網絡寬帶危機和安全問題等關鍵技術研究現狀以及P2P和P4P技術二者的對比。通過兩個實例介紹了P4P的工作原理，最后指出了需要進一步研究的內容。

關鍵詞：P2P；版權問題；網絡寬帶危機；P4P

一、P2P概念

對等網絡（peer-to-peer network，P2P網絡），以下簡稱P2P。我們較為普遍的把P2P做如下定義[1]：P2P網絡是一種分布式的網絡體系，參與者共享他們所擁有的一部分硬件資源（如存儲能力、網絡帶寬打印機等硬件），這些共享資源需要由網絡提供服務和內容，并且無需經過中間節點就能被其他網絡節點所直接獲取。

相比較傳統的C/S模式，P2P很大程度弱化甚至取消了服務器的功能。而且P2P的所有節點在邏輯上是對等的，也就是說每個節點既充當服務器，為其他節點提供服務，又充當了客戶端，享用其他節點提供的服務。

P2P 有許多分類標準，按對等網絡的體系結構將其分為三類：混合式對等網絡、無結構對等網絡和結構化對等網絡。P2P的主要特點包含如下：a）去中心化，弱化甚至取消了集中控制概念；b）對等性，各節點在邏輯功能上對等；c）自組織性，各節點以自組織的方式互連成一個拓撲網絡，能夠適應節點的動態變化；d）資源共享，相互連接的各節點是以共享資源為目的的[2]。

二、P2P面臨的問題

伴隨著P2P越來越廣泛的應用，其發展面臨著三大挑戰：版權問題、網絡寬帶危機和安全性問題。

（一）版權問題

版權問題一直以來是長期困擾P2P系統的難題。保證合法的、具有權限的用戶對數字媒體內容（如數字圖像、音/視頻等）正常使用的同時，保護數字媒體創作者和擁有者的版權，并根據版權信息獲得合法收益，而且在版權受到侵害時能夠鑒別數字信息的版權歸屬及版權信息的真偽[3]。然而，截至現在，我們在保持P2P系統開放性的同時，如何保護版權內容仍然是一個難題。當前，許多的網絡開發商采取了各種措施進行防范，如在線激活、注冊、數字許可等多種方式，并起到了一定的效果。除技術外，同時也需要結合法律的手段，制定相應的法律法規，從而使P2P技術逐步走上良性發展的軌道。

（二）網絡寬帶危機

由于P2P并發連接的特點使得P2P應用必然消耗大量可用資源，很容易導致網絡擁塞，并導致其他互聯網應用的性能降低。例如搶占寬帶：如果局域網中有很多人同時使用P2P軟件進行數據交換，這時P2P節點上傳和下載數據同時進行，寬帶就可能達到上限值，進而妨礙網絡的正常訪問。文獻[4]采用模糊流量優化方法：在研究過程中，引入模糊數學選優理論的思維，對參數進行模糊數學分析，達到對P2P網絡的流量進行優化目的。對于電信運營商而言，互聯網中P2P流量所造成的網絡擁塞會讓電信運營商不斷的擴容。然而擴容所投入的巨大成本往往沒能獲得相對應的收益，如果是對P2P流量進行限控的話又會降低用戶的感知，因此采取P4P技術對網絡流量進行疏導優化是一種不錯的選擇。

（三）安全問題

由于P2P是分布式網絡結構，這就要求在沒有中心節點的情況下，P2P可以提供身份的驗證、授權、信息的安全傳輸、數字簽名、加密等機制，還要避免大量信息傳輸擁塞、病毒的入侵和惡意代碼攻擊等問題。文獻[4]作者給出的基于CPK的P2P認證授權機制，其認證授權、簽名在用戶之間進行，無需可信第三方參與，是一種無“中心”的運行方式，與P2P網絡的結構特征不謀而合。

現有的信任管理系統大多是集中式的管理方式，因而在P2P環境下需要新的信任管理模式。在過去的一段時間里，許多信任管理系統被提出，主要有：PGP模式、基于X.509證書的PKI體系和聲望系統等。文獻[5]選擇了適合P2P環境的SPKI證書。文獻[6]作者分析了傳統訪問控制的缺點，提出一個分簇對等網絡模型及在該模型下基于角色訪問控制技術的P2P系統安全機制。文獻[7]提出了一個基于團體的分布式路由算法（CSDR）及對其安全性擴展技術的研究。

三、P4P定義及工作原理

耶魯大學的謝海永博士首次提出P4P理論。所謂P4P，是“Proactive network Provider Participation for P2P（電信運營商主動參與P2P網絡）[8]”的簡稱，被譽為電信級別或者運營商級別的P2P文件傳輸系統，它將成為網絡分享機制與電信運營商之間關系的歷史轉折點[9]。

P4P的工作原理：

（1）當peer需要查詢某個資源時，首先通過某種資源定位算法得到存儲該資源的節點的IP地址列表，然后將該列表傳送給appTracker并向它發送資源優化請求；

（2）AppTracker保存了IP地址與PID的映射表，可將得到的IP地址列表轉化為PID列表，并向iTracker尋求來自ISP的指導，iTracker通過政策、信息接口向appTracker返回從請求PID到各個資源PID的Virtual Cost、策略等信息；appTracker還可以向iTracker 請求分配一個固定的高性能的服務器用于輔助內容分發，iTracker 將通過能力接口將服務器的地址返回給appTracker；

（3）AppTracker通過權衡P2P應用的需求和iTracker提供的信息，從資源節點的列表中選擇一組效率較高的Peer，并將所選擇的節點的PID列表映射為IP址列表，若有iTracker回復的服務器的地址，則把它一起加入到返回的peers列表中；

（4）AppTracker將返回節點列表發送給請求節點，然后請求節點與資源節點（結點或服務器）直接建立連接，進行資源的下載。

下面是根據上述描述給出的的兩個應用實例。

實例1：圖1是一個appTracker用Virtual Cost和Policy接口向iTracker查詢網絡拓撲/狀態、策略信息的例子。

圖1 實例1

由圖可知，P2P應用跨越了ISP A和ISP B兩個網絡，每個ISP都有一個在自己的網絡內運行的iTracker。在啟動時，peer a和peer b獲得自己的PID和ASN（Autonomous System Number-自治系統號），然后向appTracker注冊并將這些信息交給appTracker，appTracker綜合P2P應用的需求和這些網絡信息，更加有效的指導P2P應用的資源調度。虛線部分是在沒有appTracker的情況下，用戶直接和iTracker進行通信。

實例2：圖2所示例子展示如何過Capability接口向iTracker查詢網絡能力信息。

圖2 實例2

此例中appTracker向iTracker B發送請求，要求ISP B分配一個固定的高性能的服務器用于輔助內容的分發。ITracker B將分配的服務器的地址作為應答發送給appTracker。AppTracker將該服務器的地址記錄下來，并加入到給peer a返回的peers列表中，從而提高了P2P應用的能力。

四、P2P和P4P的比較

P4P和P2P最大的區別在于交換的機制。P2P過于強調“對等”，每個節點之間的交換完全是無序的。而P4P則可以協調網絡拓撲數據，能夠有效選擇節點，從而提高網絡路由效率[10]。

美國 Verizon Communications、ATT、Comcast和歐洲 Telefonica Group在網絡上對P4P通訊能力進行現場測試。Verizon的測試結果顯示：在P4P的參與下，P2P網絡用戶的下載速率提高將近60%，使用光纖下載的用戶速率更是提高兩倍多，甚至是六倍之多；ISP內部數據傳輸距離減少84%，其中“同城交換”的數據有58%，而傳統P2P網絡“同城交換”的比例卻只有P4P的十分之一。正是由于這些優勢，P4P已經得到了美國不少通信和有線網絡巨頭如Verizon、ATT和Comcast等的大力支持和推動。

總的來說，P4P與P2P的對比較：一方面我們看到邊緣網絡、地區路由和互聯網傳輸的負荷不同；另外一方面，可以看到下載速度上面，P4P有了質的提升。

五、P4P發展前景

無論如何，P4P相對于P2P是一個非常重要的進步，也為共享問題提供了新的研究方向，相信P4P最終將會拓寬到整個P2P網絡，并替代原有的P2P。隨著解決方案的不斷更新，一些問題也逐漸出現：

（1）怎樣去設計簡單有效、可擴展的接口，是P4P要面臨的一個巨大挑戰。P4P己經和原有的的P2P應用整合過，但是新型的P2P應用層出不窮，所以相關接口也必然要隨之發展，必然增加P4P技術的難度系數。

（2）完善P4P會是一個耗時長的過程。P4P技術主要包含有數據平面、管理平面和控制平面，目前的大量研究工作主要集中在控制平面。反之，數據平面和管理平面的研究涉獵很少。因此，要將P4P發展的更為完善，就需要在其技術發展上投入大量的時間和精力。

總的來看，P4P的工作目前還處于初期，未來還有很多工作需要完成，規則也需要標準化。由于P2P自身的標準化還不是很成熟，所以P4P的標準化可能需要更長時間。但我們堅信，P4P很將會在中國互聯網市場蓬勃發展，并為中國的互聯網用戶提供更加可靠、迅捷的互聯網服務。

【參考文獻】

[1]許瑩. P2P網絡中信任模型的研究[D].武漢：武漢科技大學，2009

[2]貴誨，李振華.對等網絡：結構、應用與設計[M].北京：清華大學出版社，2007：275-284

[3]賈釗，王蕊楠，陶波.P2P網絡安全綜述[J].網絡安全技術與應用，2008（3）：38-39

[4]盧志培.基于CPK的P2P認證授權系統研究與設計[D].廣州：暨南大學，2010

[5]蔣柏梁.P2P網絡分布式證書發布與查找的研究[D].合肥：中國科學技術大學，2006

[6]牛新征，余壟，路綱等.基于RBAC技術的P2P安全機制的研究[J].電子科技大學學報，2007.36（3）：112-118

[7]周世杰.對等計算中的分布式路由算法及其安全性研究[D].成都：電子科技大學，2004

[8]阮偉超. P4P體系下的節點選擇算法研究[D].廣州：中山大學，2010：21-24

[9]姜朝暉.P2P網絡的搜索算法研究[D]. 南京：南京理工大學，2009：1-6

[10]董艷磊.由P2P技術展望P4P[J].數字技術與應用，2012（2）：210