| 对等互通 自由共享 P2P更多地是一种思想 |
| □xuly 发表于 2005-8-20 15:26:00 |
互联网自诞生以来，其自由共享、民主开放的精神，吸引了大量的网民，并成为其中很多人信息获取的第一渠道。和传统电视相比，互联网具有一个天生的优势：普通用户可以在互联网上发布自己的内容，真正融入其中。但在万维网依然占主导地位的今天，很多用户只是从互联网中获取信息，而很少能够主动地提供自己的内容，没有发挥互联网固有的双向通信的优势，这些人更多地把连接互联网的PC当作了电视。当人们习惯了这种方式后，网络提供商们甚至开始在用户终端上安装ADSL这种上行和下行极其不对称的线路，现在看来上行带宽的不足已经影响了某些P2P应用的开展，特别是对于实时性要求比较高的视频点播和直播应用。可以说，P2P更多地是一种思想，而不是某种特定的技术，它的发展给人们带来了对等互通的互联网概念，回归了互联网自由共享的精神。
P2P思想渊源
P2P在最近几年的迅速发展，导致了很多人都错误地认为P2P是一个新生事物。实际早在互联网诞生之前，P2P思想已经普遍存在于计算机网络体系中，其中最为典型的例子就是Usenet。Usenet是最早的网络通信系统之一，目前仍然在广泛使用，它提供了类似于公告板的服务，用户可以通过它来阅读和张贴消息。Usenet在大量的分布服务器之间通过洪泛算法（Flooding Algorithm）来传递用户消息，这种算法在今天的P2P应用中仍然被广泛采用。如果将Usenet的分布服务器看作是对等网络节点的话，Usenet就是一个相当典型的P2P系统。可以说，P2P最初就是计算机网络建设的一个基本思路。
但是在后来的互联网发展过程中，随着万维网应用的开展，C/S结构逐渐成为了互联网的主流，并且在这过程中吸引了千千万万的新网民。对于这些网络用户来说，他们认识到的互联网就是基于C/S结构的，P2P思想反而逐渐被人淡忘。直到上个世纪90年代后期，以Napster的出现为标志，P2P又进入到了一个大发展时期，人们才又重新认识到了这种对等网络的概念。
P2P与Grid的关系
近几年来，另一个分布式的概念“网格”（Grid）也非常流行，受到了很多的关注。可以说，Grid和P2P在很多方面都有其相似之处，因此常常被混为一谈。其实，Grid和P2P还是存在很多明显的区别，我们认为主要的区别在于以下两点：
第一，Grid构建网格系统的主要目的是实现大规模的、灵活的、安全的以及协同的资源共享，构成网格系统的节点一般都是高性能计算机节点。从美国的NPACI、NTG以及中国863计划中的China Grid等典型的网格系统中，都可以明显地看到这一点，它们都是以若干个大型的高性能计算机作为基本节点的。而P2P主要面向的是普通用户的桌面PC机，通过大量节点之间的直接通信来共享包括存储、带宽、计算能力等在内的各种计算机资源。
第二，Grid系统对外提供的是一种有质量保证的服务，因此其节点具有很高的稳定性和可靠性，并且是不允许随意的加入和退出系统的。而P2P是一种更加松散的结构，其节点可以随时加入和退出系统，因此P2P对外提供的服务常常不具有质量保证。目前，如何在P2P这样一个松散的系统中更好地提供服务质量，已经成为一个重要的研究课题。
由于Grid和P2P研究的对象不同，两者早期的研究也是分别独立进行的。但是，随着研究的发展，越来越多的人认识到Grid和P2P存在一定的互补性，应该整合到一起，共同构成下一代的互联网基础设施，构成一个集高性能服务器和普通桌面PC于一体的网络共享环境。
常见P2P应用
随着P2P技术的发展，其应用也越来越广泛，包括文件共享、视频直播、网络游戏等各个方面，其中在文件共享和视频直播方面的应用尤为突出。
最早被广泛使用的基于P2P技术的文件共享系统是著名的Napster，发布于1999年5月，主要面向音乐文件的共享。P2P文件共享发展至今，先后发展了三代不同的体系结构，节点越来越趋向于智能化，并逐渐形成一种自组织的网络结构。第一代P2P文件共享系统通过中央服务器维护网络的资源列表，典型的例子就是Napster。节点在加入和退出过程中都需要向中央服务器汇报，对资源的搜索也通过中央服务器来完成。在这样的系统中，中央服务器的负载很重，并且一旦中央服务器崩溃，整个系统就不能正常工作。第一代系统的另一个重大问题就是版权问题，中央服务器为网络中的资源建立索引的时候，不能很好的区分该资源的所有者是否有权利将其进行分发，因此常常会遇到法律上的麻烦。
于是第二代系统摒弃了第一代中采用的这种中央索引服务器的方式，而通过节点之间直接的信息交换来达到资源发现和定位的目的，这种系统的一个典型代表是Gnutella。第二代系统中所有节点都是对等的，是一种纯粹的P2P方案，但是带来的负面影响就是资源查找速度慢、带宽占用大等问题。
第三代系统结合第一代和第二代系统的优点，通过在大量节点中选取一些处理能力强、带宽资源丰富的节点作为超级节点来维护系统资源列表和帮助节点进行资源发现和定位，KaZaA（FastTrack）就是第三代系统的一个典型例子。
P2P文件共享目前已经成为了互联网上占用带宽资源最大的应用，给出了2004年欧洲主要互联网服务提供商在主干网路由器上的一个统计结果，可以看出P2P文件共享已经占用了主干网总流量的一半以上。这也导致了宽带网络运营商们对其是又爱又恨，爱的是P2P文件共享为他们吸引了更多的终端用户；恨的是网络流量大幅上涨，增加了运营成本，但是由于终端用户一般采用包月收费制度，因此他们并没有从单个用户中得到更多的收益。
与文件共享当前在P2P应用中占统治地位不同，P2P在视频直播上的应用现在刚刚进入发展高峰期。在目前国内火热的IPTV之争中，P2P视频直播这种低成本的实现方式也倍受人们关注。与文件共享不同的是，P2P视频直播主要采用P2P组播技术。P2P组播从本质上来看是一种应用层组播技术，但又不同于传统的CDN、Proxy/Agent等方案，不需要在网络中部署大量的专用服务器，而依靠对等节点之间的数据转发来达到组播功能。清华大学计算机系开发的Gridmedia直播系统是这种应用的一个典型代表，其成功应用也说明了目前的互联网环境下完全可以开展大规模的P2P视频直播应用。
Gridmedia直播系统
Gridmedia系统是清华大学计算机系开发的面向大规模应用的基于P2P组播技术的视频直播系统，采用了一种无结构的P2P节点组织方式和推拉结合的数据传输策略。
和大多数P2P组播方案不同，Gridmedia采用了一种无结构的节点组织方式。所谓无结构，即系统并不将节点组织成一种明确的拓扑结构(如树状结构、网状结构，或者层次结构等)。在Gridmedia中，组播参与节点只维护自己的一组伙伴节点，因此仅仅知道系统中的很小一部分节点的情况，对自己在整个拓扑结构中所处的位置并不明确。
这种方式与传统的有结构的节点组织方式相比，具有的好处主要包括：（1）减小了系统复杂性，传统方式在维护节点拓扑结构时需要考虑包括节点之间的底层网络链路状况、节点接入带宽异构以及传输带宽非对称等在内的多种因素，复杂性很高；（2）适应节点的动态性，在P2P系统中节点可以自由地加入和退出，在传统的拓扑结构中，当节点退出时，必须要考虑结构的修补或者变化，容易造成组播数据传递的中断，不适合实时性要求高的应用。从图2中可以看出，Gridmedia中每个节点都有多个伙伴节点，减小了节点受某个伙伴节点退出的影响。Gridmedia同样需要考虑伙伴节点的更新和替换，以适应节点的动态性和网络状况的变化，但是这种更新过程由于不需要维护拓扑而变得特别简单。
在无结构的节点组织方式之上，Gridmedia采用了推拉结合的数据传输策略。顾名思义，这种传输策略包括推和拉两种模式。所谓拉，即节点需要收到伙伴节点对某段数据的请求后才进行数据转发；所谓推，即节点在接收到伙伴节点发送过来的数据时，立即将其转发到其他的伙伴节点。显而易见，拉模式的优点在于节点之间可以交换数据的有无信息，从而根据需要来互相请求数据，互补有无，适合于Gridmedia的节点组织方式，但是因为数据传递过程中交互次数多，延迟比较大，并且延迟会随着传递次数的增加而累积，导致用户看到视频的平均延迟很大；而推模式由于在收到数据的同时可以立即进行转发，数据传递延迟小，但是需要节点预先知道数据传递的方向性，即哪些数据需要发给哪些伙伴节点，并且难于估计节点之间的带宽情况，不能直接应用于Gridmedia系统。
Gridmedia通过下面两个步骤，有效地结合了拉模式和推模式的优点：（1）在节点间的伙伴关系确立初期，两者之间的数据传递通过拉模式进行，在此期间，节点可以充分估计两者之间的网络链路状况和对方的数据完整性等因素；（2）经过一定时间的互相评价，节点可以根据评价结果向对方订制下一时间段的数据，从而两节点在下一阶段可以工作在推模式。从整个系统来看，稳定运行时，大多数节点之间会工作在推模式下，而只有少数节点之间工作在拉模式下，从而在拉模式的基础上有效减小了用户观看视频的平均延迟，改善了系统服务。
Gridmedia系统被CCTV采用，在2005年2月8日对中央电视台春节联欢晚会进行了全球网络直播。晚会期间吸引了来自全球65个国家和地区的50多万人次登陆系统观看直播，最高同时在线人数达到了15,329人。当晚系统在线人数曲线和用户分布分别如图3和表1所示。与传统C/S架构的视频直播系统相比，Gridmedia系统的用户容量增加了十几倍甚至更多，这也充分说明了P2P技术在视频直播应用中的光明前景。
今天，P2P技术的发展已经不可阻挡，其应用范围也越来越广泛，已经在很大程度上改变了互联网的面貌。P2P技术使普通用户更加主动地参与到互联网的信息圈，达到了一种“我为人人、人人为我”的资源共享环境，极大地促进了互联网自由共享、民主开放的精神。
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