[摘要]計(jì)算機(jī)對(duì)等網(wǎng)絡(luò) (P2P)技術(shù)是目前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。本文根據(jù)教學(xué)需要設(shè)計(jì)一套即時(shí)通訊軟件，原理簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。我們從P2P技術(shù)的基本概念、應(yīng)用范圍和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并介紹了網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)。從而方便大家了解其P2P技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其教學(xué)功能，并很好地向?qū)嶋H推廣應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]P2P局域網(wǎng)TCP/ IP UDP即時(shí)通訊

一、 P2P技術(shù)

1.P2P技術(shù)介紹

P2P是英文peer-to-peer的縮寫，peer在英語里有“(地位、能力等)同等者”、“同事”和“伙伴”等意義，因此，P2P可以理解為對(duì)等網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)等?，F(xiàn)在，P2P軟件技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上得到廣泛應(yīng)用，除了網(wǎng)上即時(shí)通訊軟件之外，P2P在共享音樂和軟件下載等方面的應(yīng)用也很多，如PP Live網(wǎng)絡(luò)電視軟件、多媒體影音分享工具POCO軟件、BT下載、迅雷下載、eMule——電驢等軟件均屬于P2P軟件。

在互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，P2P是一種技術(shù)，同時(shí)也是一種思想。它是一種充分發(fā)揮整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)潛能的思想。P2P使得互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上的溝通變得容易、更直接共享和交互，真正地消除中間環(huán)節(jié)。使人們可以直接連接到其他用戶的計(jì)算機(jī)進(jìn)行文件交換，而不是像過去那樣必須連接到服務(wù)器去瀏覽與下載。

P2P技術(shù)的局域網(wǎng)即時(shí)通訊軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)用主要是實(shí)現(xiàn)同在一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的每個(gè)用戶之間進(jìn)行即時(shí)通訊，即聊天、文件傳輸?shù)裙δ堋Ｋ且粋€(gè)建立在純P2P模型下的即時(shí)通訊軟件，所以完全不需要服務(wù)器支持就可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，使用起來非常方便。它采用了UDP網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議進(jìn)行底層的消息傳送，在此基礎(chǔ)上用廣播消息實(shí)現(xiàn)上下線提示。該軟件同時(shí)采用TCP網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議進(jìn)行文件傳輸和建立可靠的文字聊天。

2.P2P技術(shù)產(chǎn)生的背景

P2P不是一個(gè)新概念，在互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生初期，一個(gè)本質(zhì)的特征就是P2P，只不過由于帶寬及處理能力等的限制，使得我們的溝通中出現(xiàn)了很多的中間環(huán)節(jié)，如中間服務(wù)器、門戶網(wǎng)站、第三方信息(交易)平臺(tái)等。這樣，個(gè)人用戶在互聯(lián)網(wǎng)上變成了被動(dòng)的參與者，被動(dòng)地接受那些“中心”提供的過時(shí)、蕪雜的信息。在國(guó)外，P2P發(fā)展已經(jīng)如火如荼，Intel、Sun、Microsoft等公司都已經(jīng)開始制定P2P的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)等計(jì)算它引導(dǎo)著網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式從集中式向分布式轉(zhuǎn)移，也就是說，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的核心從中央服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)邊緣的終端設(shè)備擴(kuò)散：服務(wù)器到服務(wù)器、服務(wù)器到PC機(jī)、PC機(jī)到PC機(jī)，PC機(jī)到WAP手機(jī)……所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備都可以建立P2P對(duì)話。基于P2P技術(shù)的局域網(wǎng)即時(shí)通訊軟件教學(xué)設(shè)計(jì)就是針對(duì)這種需求而開發(fā)的。它設(shè)計(jì)思想簡(jiǎn)單，即以簡(jiǎn)單而有效的方式構(gòu)建純P2P通訊模型，在沒有服務(wù)器支持的情況下，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊功能，就是簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)文字聊天、文件傳輸?shù)葢?yīng)用。使得開發(fā)后期不需要過多考慮如何解決對(duì)等通訊的技術(shù)問題，而可以專注于如何實(shí)現(xiàn)與完善可擴(kuò)展、操作性強(qiáng)的高層應(yīng)用。

3. P2P技術(shù)的特點(diǎn)

P2P技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)局域網(wǎng)時(shí)有如下特點(diǎn)：

（1）成本低廉。與傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)相比，因?yàn)樵O(shè)備依靠的是各個(gè)點(diǎn)的終端，實(shí)施時(shí)不需要特別額外的設(shè)備，所以其成本很低。

（2）高性能。系統(tǒng)采用P2P技術(shù)，能充分利用網(wǎng)絡(luò)中的所有計(jì)算機(jī)資源，整體上平均事物處理能力較高。

（3）可擴(kuò)展性好。中間服務(wù)器是采用多服務(wù)器并行處理，并支持異構(gòu)特性，可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展服務(wù)器的功能和數(shù)量，系統(tǒng)提供的應(yīng)用功能也就隨之不斷地增加擴(kuò)展。

（4）安全性好。系統(tǒng)提供任意兩點(diǎn)間動(dòng)態(tài)密鑰加密機(jī)制和對(duì)任意節(jié)點(diǎn)的身份驗(yàn)證機(jī)制，并在面向應(yīng)用的格式化消息結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)接口中，預(yù)留了第三方加密軟件接口，用戶可以對(duì)其安全性進(jìn)行任意定制。

本軟件的特點(diǎn)采用基于純P2P網(wǎng)絡(luò)模型方式，不需要專門的服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)中所有的對(duì)等點(diǎn)都是服務(wù)器，并且承擔(dān)很小的服務(wù)器的功能。各用戶可以根據(jù)運(yùn)行時(shí)收集到的用戶信息選擇聊天對(duì)象，大部分的功能都可以在此連接上實(shí)現(xiàn)。

二、 P2P技術(shù)的需求分析

1.軟件功能層的劃分

根據(jù)該即時(shí)通訊軟件的應(yīng)用功能和P2P技術(shù)的組網(wǎng)模式可劃分為四層軟件功能層：接口層、網(wǎng)際層、傳輸層和應(yīng)用層。

（1）接口層。這是TCP/ IP 軟件的最底層，負(fù)責(zé)接收IP 數(shù)據(jù)包并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送或網(wǎng)絡(luò)上接收物理幀，抽出IP 數(shù)據(jù)包，交給IP 層。

（2）網(wǎng)際層。負(fù)責(zé)相鄰的計(jì)算機(jī)之間的通信。功能包含: ①處理來自于TCP的數(shù)據(jù)，收到請(qǐng)求后分組裝入IP 數(shù)據(jù)包，填充報(bào)文頭后選擇目標(biāo)機(jī)的路徑，再將數(shù)據(jù)包發(fā)送到相應(yīng)的接口；②處理從接口層來的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)包正確后去掉IP 包文頭后發(fā)送到相應(yīng)的傳輸層；③處理ICMP 數(shù)據(jù)包文，處理路徑、流控和擁塞問題等。

（3）傳輸層。提供端到端的通信。其功能包含:①格式化信息流，處理從應(yīng)用程序和從IP 層來的數(shù)據(jù)，再發(fā)送到相應(yīng)的協(xié)議處理層；②提供可靠的連接，在這里傳輸層協(xié)議規(guī)定接收端必須發(fā)送確認(rèn)信息來建立鏈路，并且假如分組遺失必須重新發(fā)送。

（4）應(yīng)用層。向用戶提供一組常用的應(yīng)用程序，如EMAIL，F(xiàn)TP等。嚴(yán)格地說TCP/ IP 只包含前三層。PPP 協(xié)議的協(xié)議幀結(jié)構(gòu)與多數(shù)常用軟件兼容，而且還提供了在單一鏈路上同時(shí)復(fù)用多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議機(jī)制。

2.數(shù)據(jù)需求分析

（1）數(shù)據(jù)傳送的載體。在本文介紹的基于P2P技術(shù)的即時(shí)通訊軟件程序中，在Visual C具體操作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊軟件的關(guān)鍵就是實(shí)現(xiàn)信息在網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)接收載體的是Socket，數(shù)據(jù)發(fā)送載體的是Network Stream。為了更清楚地說明問題，下面舉簡(jiǎn)單示例說明接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的流程。利用Socket來接收信息。軟件程序在處理數(shù)據(jù)發(fā)送和接收時(shí)采用了不同的端口號(hào)，發(fā)送數(shù)據(jù)程序在缺省狀態(tài)設(shè)定的端口號(hào)為“2244”。下面代碼是偵聽端口號(hào)“2244”，接受網(wǎng)絡(luò)中對(duì)此端口號(hào)的連接請(qǐng)求，并在建立連接后，通過Socket接收遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)；利用Network Stream來傳送信息。Network Stream載體的就是Stream Writer類和Stream Reader類，Network Stream在處理網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳送時(shí)，有一個(gè)缺點(diǎn)就是只能用以傳輸字符類型的數(shù)據(jù)。在使用Stream Writer處理Network Stream傳送數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)傳送的編碼類型是“UFO6”，提出網(wǎng)絡(luò)中對(duì)等計(jì)算機(jī)的連接申請(qǐng)，并在連接申請(qǐng)建立后，以UFO6編碼發(fā)送字符串“您好，見到您很高興”到對(duì)等計(jì)算機(jī)那里。

（2）數(shù)據(jù)的一致性與容錯(cuò)性。由于對(duì)等計(jì)算機(jī)的信息在本地是共享的，所以就不存在數(shù)據(jù)一致性問題。但是由于沒有固定服務(wù)器的支持，所以每一個(gè)對(duì)等計(jì)算機(jī)都要獨(dú)立保存一份數(shù)據(jù)，當(dāng)一部分對(duì)等計(jì)算機(jī)在線時(shí)，數(shù)據(jù)更新也只是這一部分計(jì)算機(jī)，這樣就造成數(shù)據(jù)不一致。面對(duì)這個(gè)問題，我們的即時(shí)通訊軟件就能夠允許出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不一致，并且在客戶端上線后，能夠即時(shí)獲得更新。

三、概要設(shè)計(jì)

P2P作為一種網(wǎng)絡(luò)的模型，有別于傳統(tǒng)的客戶/服務(wù)器模型?？蛻?服務(wù)器模型一般都有預(yù)定義的客戶機(jī)和服務(wù)器。在網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)上的客戶機(jī)/服務(wù)器通訊模型中，發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求或者發(fā)送數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)，一般稱為客戶機(jī)；而接收、處理服務(wù)或者接收數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)成為服務(wù)器。而在P2P中并沒有明確的客戶端和服務(wù)器。其實(shí)，在P2P模型中，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)既可以看成是服務(wù)器，也可以看成是客戶機(jī)。

1.網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)

純P2P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用的是廣播式的P2P模型。在這種架構(gòu)下，沒有集中的中央服務(wù)器，每個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)隨機(jī)接入到網(wǎng)絡(luò)，并與自己相鄰的一組節(jié)點(diǎn)通過端到端連接構(gòu)成一個(gè)邏輯覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)之間的內(nèi)容查詢和內(nèi)容共享都是直接通過相鄰節(jié)點(diǎn)以廣播方式接力傳遞。為了避免循環(huán)搜索現(xiàn)象，每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)記錄其搜索軌跡。

比如，Gnutella模型是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛最經(jīng)典的純P2P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。它采用泛洪式的節(jié)點(diǎn)搜索算法，解決了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中心化的問題，擴(kuò)展性和容錯(cuò)性較好。但是，Gnutella網(wǎng)絡(luò)可用性較差，易被病毒攻擊，并且極大地消耗了網(wǎng)絡(luò)帶寬，很容易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞與不穩(wěn)定。

對(duì)于局域網(wǎng)的整體模型，采用了純P2P的連接模型，充分發(fā)揮了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的優(yōu)勢(shì)。在本地主機(jī)上保存了局域網(wǎng)其它結(jié)點(diǎn)的基本信息，直接通過目錄列表與其它主機(jī)通訊，這樣可以大大減少連接的開銷。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

以需求分析為依據(jù)，結(jié)合教學(xué)模式的特點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型劃分為三層：顯示層、控制層以及數(shù)據(jù)層。

顯示層主要是使用者與軟件的交互平臺(tái)，它實(shí)現(xiàn)友好的用戶界面，是使用者獲得和輸入信息的渠道。

控制層是整個(gè)軟件的靈魂，大部分的底層操作都需要經(jīng)過調(diào)用控制層的方法。包括初始化原始數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)消息的收發(fā)、網(wǎng)絡(luò)消息的處理、用戶信息的管理、基本窗口的管理。

數(shù)據(jù)層是提供了存取、拷貝、查找和序列化等方法的信息結(jié)構(gòu)體，它使得消息數(shù)據(jù)操作、數(shù)據(jù)庫操作和基本信息數(shù)據(jù)操作都變得透明化。包括數(shù)據(jù)集對(duì)象、基本數(shù)據(jù)信息對(duì)象。

四、結(jié)論

本文介紹的P2P技術(shù)在教學(xué)即時(shí)通訊軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)用程序方便，但涉及的知識(shí)面卻比較多。其中，涉及到很多網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)，如偵聽端口號(hào)、建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等，了解、掌握這些問題的處理方法對(duì)編寫更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序是十分必要的。

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（作者單位：浙江理工大學(xué)信息電子學(xué)院）