具有网络感知能力的P2P系统研究
刘春秋 刘小明
摘要：文章主要研究了p2p网络的应用及对现有IPIR络带来的影响以及解决办法。文章首先分析了网络运营商为了应对P2P的影响采取的手段并分析了其发展趋势，指出这些方案不能很好地兼顾P2P流量优化和P2P应用的QoS问题。针对P2P应用假设运营愿意提供网络拓扑信息以及P2P应用服务所造成的QoS问题，文章提出了一种具有网络感知能力的P2P系统。
关键词：网络；感知；分布式
1概述
P2P网络是一种在IP网络之上的应用层分布式网络，是Overlay网络的一种特殊形式，在当前Internet上得到了广泛的应用。P2P网络的主要功能可以分为3种：基于P2P的数据分发和传输，基于P2P的数据存储和检索以及基于P2P的分布式数据处理。
基于P2P的数据发布和传输是指P2P网络中点到点的具体数据传输，传输的要求有一对一、一对多、多对多3种模式，一对一模式主要用于即时通讯和VoIP等应用；一对多模式主要用于应用层组播和广播等；多对多模式主要用于内容分发应用，如BT，PPLive，PPS等文件和流媒体内同分发；P2P数据存储和检索是指在P2P网络中的分布式存储和检索方法，包括基于结构化P2P网络的方法和基于非结构化P2P网络的方法两类；P2P分布式数据处理采用的是master/slave架构；利用P2P对等网络，也能够进行分布式数据处理技术。
2问题描述
对传统网络运营商而言，P2P网络及应用带来的冲击和挑战是非常巨大的，同时使网络流量急剧上升，导致网络运营商运营成本上升，增加网络运行压力；我国电信网络如图1所示，从地域上看是层次的结构，如果同一个运营商的两个用户之间进行通信，往往要跨过“城域网1—省内骨干网1—省级骨干网—省内骨干网2—城域网2”，对于传统的电话网来说，由于受到行政区域划分和社会组织的影响，结构化的组网方式可以节约资源。但随着互联网上的P2P应用分布不再受传统的行政区域划分等因素的制约，再加上P2P应用在下载资源时充满了自私性，P2P应用会产生大量的跨域流量，消耗宝贵的骨干链路带宽。
3 P2P流控的主要方法
目前解决这个问题的思路主要有对抗和协作两种。对抗的手段是指网络运营商采取流量监测技术和封堵技术，以暴力手段限制P2P流量。协作的手段是指运营商向P2P网络提供网络拓扑信息和相关设备，在二者协作的基础上，以期望能引导P2P流量合理化分布，减少骨干网流量和跨域流量，甚至改善P2P应用的服务质量和用户体验，实现运营商、用户、P2P业务提供方协作共赢的局面。本文将详细介绍这两种技术手段。
3.1网络运营商对P2P流量的监管
面对P2P应用带来的流量冲击和带宽消耗，网络运营商对P2P应用采取了严格的封杀措施，各种类似于P2P终结者的软件大量涌现。网络运营商采取各种P2P流量监测技术和封堵技術对P2P应用进行直接反击，希望以此来限制P2P应用。这其中主要涉及P2P流量识别和P2P流量控制两个方面。
P2P流量识别技术也在从简单的端口匹配到复杂的DPI深度数据包检测，当前各种P2P流量检测技术具体归纳如下：
基于IP地址：IP地址可以分类出集中式P2P的目录服务器，分层式P2P中的超级节点等在网络中起关键作用的节点，但是这种识别方法比较局限性太强，应用范围比较狭窄。
基于端口：早期的P2P系统大都使用默认的TCP/UDP端口，这使得通过端口识别P2P流量变得简单可行，端口识别方法的优点是效率高，容易实现，但是对使用随机端口或VPN的P2P应用无能为力。
基于会话：此方法通过判断会话包的数据包中是否与P2P特征匹配来判定此会话包是不是属于P2P应用。
基于统一资源定位符（URL）：此方法多用于识别BTY载，过滤URL中包含的.torrent，通过禁止扩展名为.torrent的文件下载。
基于流统计特性：针对P2P流量不分时段，长时间下载和上下行流量对称的特性，从统计上判断该流量是否属于P2P流量。
基于深度数据包扫描：此方法可以帮助实现对网络内部的透视和对网络资源的控制，可以分辨出具体用户具体应用的数据流，从而可以对用户的应用部署相应的策略。
基于DNS查询日志：此方法的思路是识别P2P节点，获得其IP从而发现P2P流量。
P2P流量控制技术是指在识别P2P流量的基础上，通过封堵等手段限制P2P流量。P2P流量控制技术又分为直路串接控制技术和旁路干扰控制技术两种：直路串接控制技术通过对网络上的各种类型的应用流量进行分类，对不同类型的流量实施灵活的控制策略，针对P2P流量可以采用多种流量控制算法，也可以定义基于分时间段的控制策略；旁路干扰控制技术不采取丢包进行干扰，主要采用数据包伪装技术将伪装的干扰数据包发到正在通信的TCP/UDP连接中，降低连接的数据传输速率，从而实现流量控制。
3.2网络运营商与P2P的协作
网络运营商以积极态度来应对P2P带来的变化，二者的协作已经逐渐成了主流趋势，很多专家和研究人员做了大量的工作，目前主要有基于网络拓扑信息的协作方案和基于P2P Cache的协作方案两种。
基于拓扑信息的协作方案是网络运营商向P2P应用提供网络拓扑信息，以优化P2P应用中的节点选择和数据调度，减少跨域流量，实现流量本地化；通过部署P2P Cache可以实现网络流量优化技术，其用于在加速P2P网络上的内容分发的同时减少骨干网链路带宽的消耗；Cache缓存设备部署在网络内部，临时存储流入网络的某些热点内容，如果用户请求的内容在Cache中已经存储，则Cache可以直接向用户提供内容，从而减少了骨干网链路带宽或者跨域带宽的流量，并可以降低网络阻塞。
基于P2Pcache的流量优化方案有通过分析网络中P2P信令消息，掌握P2P网络拓扑，采集热点信息和节点位置信息；或者通过网络运营商和P2P应用合作的方式提供网络匹配服务，将P2P请求导向最近的P2P Cache服务器；根据用户需求或者网络运营的策略，在Cache中缓存热点资源，提高用户访问命中率；Cache系统向网络用户提供高速下载，提高用户下载资源的速度；P2P Cache系统能为网络运营商带来显著的效果，可以节省大量的P2P带宽，可以非常明显地提升网络性能。
4具有网络感知能力的P2P系统
以上手段在一定程度上缓解P2P应用带来的不利影响但是都需要额外的设备并假设运营愿意提供网络拓扑信息，但是随之而来的是P2P应用服务所造成的QoS问题日益严重。现在P2P网络从根本上对网络环境的感知能力不足从而导致了P2P应用无法实现自我性能优化保证QoS，为了实现P2P的QoS就要求一方面P2P应用要根据网络环境的变化进行自我资源配置和性能优化，另—方面根据不同的P2P应用选择合适的节点；这就要求P2P对等节点要知道对等节点之间的链路状态信息，根据信息的变化实现自我资源配置和性能优化。
4.1基本解决思路
鉴于以上分析的问题，本文提出了一种具有网络感知能力的P2P系统，此系统的目的是在没有运营商参与情况下实现P2P网络的层感知能力，同时根据不同的P2P应用优化节点选择，在优化流量分布的同时提高P2P应用的QoS。传统的P2P网络中，P2P节点在下载资源时很少考虑下层网絡的信息，下层网络对P2P网络透明。这也是导致P2P流量自私性和无序的主要原因。为了解决这个问题，本文考虑建设一种“半透明”P2P网络，让对等节点之间知道更多的网络状态信息，网络拓扑尽可能接近真实的网络情况，P2P应用根据更贴近于实际网络的信息合理路由，优化资源配置和性能。在此对资源进行定位后，P2P对等节点保存到目的节点的链路状态信息（如：路由器跳数，时延等），同时对P2P应用实行差异化服务，根据不同的P2P应用选择合适的节点下载资源。
4.2实现方法
在对资源进行定位后，P2P对等节点探测并保存到目的节点的链路状态信息。相关研究表明，由于P2P的节点异构和网络动态变化等特征，在规模庞大的网络中对P2P网络拓扑进行精确测量非常困难。但是通过ping，tracert等命令可以获得一些基础的网络状态信息，例如，路由器跳数、时延、瓶颈带宽、丢包率。
在获得所有对等节点的信息后，按照瓶颈带宽，时延把各个对等节点分别进行排序。首先确定业务是否对带宽有要求，对带宽有要求的业务要首先尽量满足其带宽要求，然后再对业务确定是否对时延有要求，对时延有要求的要尽量满足其时延要求。
在此把P2P应用分为文件下载、流媒体和VoIP 3种。这3种应用对QoS的需求各有不同：文件下载应用对时延要求不高，但是对带宽和丢包率要求较高；流媒体和VoIP对带宽要求不高，而对时延和丢包率要求较高。
在获得了对等节点之间的链路状态信息和P2P应用的OoS需求后，按照P2P应用对QoS的要求对对等节点进行排序，即按照时延，瓶颈带宽和丢包率分别对所有对等节点进行排序。如果存在满足要求的候选对等节点K个，先按照平均带宽利用率从低到高对K个对等节点进行排序，然后按照一定概率选择下载资源。概率如公式（1）所示。如果不存在满足要求的对等节点，则按照不满足要求的性能特征对所有的候选对等节点进行排序，然后按照此概率选择对等节点。对对等节点进行排序和概率选择对等节点下载资源在一定程度上既能提高P2P应用的QoS又能均衡流量负载。
整个系统的工作流程如图2所示。
通过对所有对等节点的路径时延，瓶颈带宽和丢包率进行排序，选择可以满足要求的对等节点下载资源，从而提高了P2P业务的QoS；而通过对平均链路利用率进行排序概率选择对等节点下载资源可以使P2P节点选择路径利用率低的对等节点下载资源，从而实现流量优化。
5结语
本文首先对P2P网络进行了分析，指出P2P网络给现有IP网络带来了新的机遇和挑战，然后详细分析了P2P网络及应用对IP网络带来的负面影响。本文指出这些方案不能很好地兼顾P2P流量优化和P2P应用的QoS，针对P2P应用假设运营愿意提供网络拓扑信息以及P2P应用服务所造成的Qos问题，提出了一种具有网络感知能力的P2P系统。
