基于移动互联网的P2P技术研究.doc
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1、 中国通信标准化协会课题编号:2008B31 基于移动互联网的P2P技术研究2008年 7 月 研 究 报 告 要 点移动网络与固网的迅速发展催生了它们的融合,即移动互联网。近年来,移动网联网的迅速发展,与P2P技术的融合使它成为人们关注的热点。本研究报告首先给出了移动互联网的中P2P技术发展过程,随后分析了移动互联网P2P技术在国内外的现状,并详细讨论了移动互联网中P2P关键技术。报告第四章分析了移动互联网P2P技术的市场需求、业务模式,并给出发展移动互联网P2P产业的影响因素,包括积极因素和消极因素。报告第五章给出了移动互联网P2P技术的标准化建议,希望能对我国移动互联网P2P产业的发展起
2、到推动和促进作用。(技术工作委员会、工作组名称)中国移动互联网应用协议特别组 TC2研究单位: 北京邮电大学、武汉邮电科学研究院项目完成人:宋美娜、李伟项目参加人:陈辉、郭志云、吕月梅、魏明亮、王华松、杨静波、吴廷良完成日期: 2008年 10月 1日目 录前言1缩略语21.P2P技术的发展和演变31.1.P2P技术在互联网上的发展31.2.P2P技术对电信网络的影响41.2.1.对城域网、骨干网的影响41.2.2.对接入网的影响61.3.P2P技术应用于移动互联网61.3.1.P2P技术应用于移动互联网所面临的挑战61.3.2.P2P技术在移动互联网中的应用72.移动互联网P2P技术发展国内
3、外现状82.1.欧盟移动互联网P2P技术的发展82.2.美国移动互联网P2P技术的发展82.3.日本移动互联网P2P技术的发展92.4.国内移动互联网P2P技术的发展102.5.移动互联网P2P业务现状总结113.基于移动互联网的P2P关键技术研究113.1.基于移动互联网的P2P网络体系结构113.1.1.集中式架构123.1.2.半分布式架构133.2.基于移动互联网的P2P网络资源发现技术173.2.1.基于现有P2P系统向移动网络延伸173.2.2.基于移动通信网络的特点对P2P算法进行改进203.3.基于移动互联网的P2P网络数据分发技术213.3.1.移动数据分发技术概述213.3
4、.2.移动数据分发技术的研究意义213.3.3.移动环境下的数据分发关键技术的研究223.4.基于移动互联网的P2P网络跨层优化技术263.4.1.基于移动网络接入的节点跨层优化263.4.2.基于移动ad hoc网络的移动P2P跨层优化技术273.5.基于移动互联网的P2P网络中的NAT/Firewall穿越技术283.5.1.NAT/Firewall问题概述283.5.2.NAT分类293.5.3.NAT/Firewall解决方案39313.6.基于移动互联网的P2P网络性能评价研究333.6.1.移动P2P文件共享系统的流量特性333.7.基于移动互联网的P2P网络安全问题363.7.1
5、.无线互联网中主要攻击方式363.7.2.移动互联网中P2P技术存在的安全与隐私问题47383.7.3.移动互联网中P2P技术安全相关技术研究393.7.4.小结394.基于移动互联网的P2P业务分析404.1.基于移动互联网的P2P业务需求分析404.2.基于移动互联网的P2P业务模式分析404.3.基于移动互联网的P2P业务影响因素分析414.3.1.积极因素分析414.3.2.消极因素分析414.4.需要重点解决的问题435.基于移动互联网的P2P技术标准化建议455.1.现有国际标准、国家标准和相关行业标准、企业标准455.2.标准化建议476.参考文献47前言据报道,目前互联网上流量
6、大部分为P2P引起的。而移动互联网的迅速发展,为P2P技术在移动网络中的应用带来了很大的机遇。手机用户,是一个用户众多、覆盖面极广的主流通讯群体,P2P,是一种迅速崛起、应用面极广的网络传输技术。当两者相遇,携手合作之时,可以预见它们能够为我们提供更为广泛、多样的服务。虽然因为多种因素,致使目前大多数的业务仍在测试阶段,但移动P2P的前景和市场是显而易见的。移动P2P网络由固定P2P网络演化而来,很多系统将成熟的面向固定网络的P2P系统移植到移动网络中。一些系统在此基础上,根据移动网络的特点对其进行优化和改进。移动终端可以通过GPRS等移动通信网络接入到移动互联网中,也可以通过WiFi、蓝牙等
7、方式组成自组织网络,接入到移动互联网。数据在MP2P网络中各节点间的流动就是移动数据分发的过程。在移动环境下,节点的移动频繁使得网络动态性更高,而且通信所用的无线网络连通性差,连接不稳定。此外,移动设备的便携性决定了它的处理能力有限,因而节点不能负荷过重。移动环境下所采用的数据分发技术必须针对这些实际问题采取有效的应对措施才能够实现其分发数据的基本任务。P2P技术独立于底层网络架构,具有独立的路由和资源定位的功能,为P2P系统应用于不同物理网络提供了灵活性,同时也带来系统效率问题。由此引出了基于移动互联网的P2P网络跨层优化技术。此外,本篇报告还对基于移动互联网的P2P网络中NAT穿越技术、性
8、能评价以及安全问题提出了基本解决方案。总之,本篇研究报告从分析国内外移动互联网市场的最新进展入手,对移动P2P领域涉及的关键技术进行研究和分析,提出解决方案,并最终依据研究结果和解决方案形成标准化建议,希望能对我国移动搜索领域的发展起到参考和推动作用。缩略语DHTDistributedHashTable分布式哈希表TTLTime to Live生存周期VoIPVoiceoverInternetProtocolDPIDeep Packet Inspection深度数据包检测ADSLAsymmetric Digital Subscriber Line非对称数字用户线路VDSLVery-high-b
9、it-rate Digital Subscriber loop甚高速数字用户环路GPRSGeneral Packet Radio Service通用无线分组业务NATNetwork Address Translation网络地址转换STUNSimple Traversal of UDP Through Network Address TranslatorsUDP对NAT的简单穿越TURNTraversal Using Relay NAT通过Relay方式穿越NATICEInteractive Connecting EstablishmentWMANWireless Metropolitan A
10、rea Network无线城域网MACMedium Access Control介质访问控制WEPWired Equivalent Privacy有线等价保密IVInitialization Vector初始化向量CRCCyclic Redundancv Check循环冗余校验SSLSecure Sockets Lave安全套接字层SSHSecure ShellTCGTrusted Computing Group可信任安全平台模组MOTIONmobile teamwork infrastructure for organizations networkingSMAsecret-sharing-
11、based mutual anonymous基于秘密共享的双向匿名机制W3CWorld Wide Web ConsortiumQoSQuality of Service服务质量DRMDigital Rights Management数字版权管理1. P2P技术的发展和演变1.1. P2P技术在互联网上的发展随着互联网的普及程度越来越高,大量的计算机加入其中。在莫尔定律的作用下,连接到因特网的计算机的处理能力和存储能力越来越强,网络带宽也不断提高,用户业务需求也从窄带向宽带多媒体类业务发展。在低速网络时代,网络应用基于客户机/服务器(C/S)架构,具有强大处理能力的服务器处于网络的核心,服务器侧
12、具有庞大的计算资源和网络带宽,可以同时为许多用户服务,个人用户只能作为访问网络的终端,不可能为其他人提供服务。在高速网络时代,随着业务的发展和网络带宽的不断提高,各种宽带业务,尤其是多媒体业务需要消耗巨大的服务器资源和网络资源,传统的客户机/服务器(C/S)架构面临巨大挑战。与此同时,计算机终端的性能在不断提高,很多网络终端也具有一定的服务能力,通过将网络边缘庞大的计算资源和网络资源整合起来,能够提供比集中式服务器更加强大的服务能力。基于这样的思想,各种P2P应用迅速兴起。1999年,正在美国东北大学就读的肖恩范宁(Shawn Fanning)开发出第一个P2P文件共享软件Napster,就迅
13、速在MP3音乐爱好者中传播开来。人们可以通过Napster在网络上搜索自己需要的音乐,并可以从任意一台使用Napster的互联网计算机上下载。P2P技术使参与网络中的各计算机终端能够相互提供服务,从而减少对服务器的依赖。Napster的兴起吸引了学术界的广泛关注,大量的科研机构、大学等团体加入到P2P技术的研究中来,并产生了丰硕的成果。根据P2P逻辑拓扑的特征,P2P架构可以分为以下几类: 集中式拓扑(Centralized Topology)通过一系列的高性能服务器作为网络中共享资源的目录服务器,为查询信息的节点(Peer)提供资源定位服务。该架构维护简单,发现效率高。但是因为存在中央服务器
14、,容易产生单点故障。Napster就是采用该架构。 分布式非结构化拓扑(Decentralized Unstructured Topology)系统中没有中央索引服务器,采用完全随机图的泛洪(Flooding)搜索算法。Peer节点生成一个查询请求后,将该请求发送给所有的邻居节点,如果邻居节点中具有该节点所要查询的内容,则与查询的机器建立连接,如果不存在则其邻居节点在自己的邻居节点之间继续转发这个查询请求,直到找到查询内容或TTL为0。该拓扑结构能够较好的适应网络的动态变化,具有较好的容错能力,支持复杂查询:如,带有规则表达式的多关键词查询、模糊查询等。但基于泛洪的查询请求将产生巨大的网络流量
15、,而且对稀有资源的查询成功率较低。采用这种拓扑的最典型案例是Gnutella。 分布式结构化拓扑(Decentralized Structure Topology)基于分布式散列表(DHT)来组织网络中的节点。存储对象通过哈希算法被映射到一个连续的散列表空间(该空间可以通过128位或160位的散列值来表示)中。该散列表空间被多个块,对每个节点分配一个散列块,并成为这个散列块的管理者。存储对象根据名字或关键词通过相应的哈希算法(如: SHA-1)生成散列值,该散列值及存储该对象的主机地址等相关信息被存储到管理该散列值所在散列块的主机当中。DHT结构能够适应节点的动态加入/推出,并提供精确查找,与
16、泛洪法相比降低了查询请求在网络中产生的带宽,具有良好的可扩展性。 半分布式拓扑(Partially Decentralized Topology)该拓扑结构介于中心化结构和全分布式结构之间,选择处理能力强的节点作为超级节点,处理能力较弱的节点作为叶子节点,围绕在各超级节点周围。每个叶子节点将自己的共享文件的索引信息存储在超级节点上,在处理查询请求时,查询请求仅在超级节点之间转发,网络拓扑结构也仅由超级节点来维护。超级节点之间可以采用分布式非结构化拓扑或分布式结构化拓扑。和集中式架构相比,该架构具有更好的可扩展性。和全分布式架构相比,该架构充分考虑了节点的异构性,降低了处理能力弱的节点的负荷。和
17、传统的客户端/服务器(Client/Server)结构相比,P2P技术具有以下特点: 分布式网络中的资源和服务分散在所有节点上,信息的传输和服务的实现都是直接在节点之间进行,避免可能出现的瓶颈,即便在集中式的P2P拓扑中,虽然查找资源、定位服务或安全检验等环境需要集中是服务器的参与,但主要的信息交换最终仍然由主机来完成,大大降低了对集中式服务器的资源和性能的要求。 可扩展性在传统的C/S架构中,系统能够容纳的用户数量受服务器能力的限制。为支持互联网上大量的用户,需要使用大量高性能的服务器。在P2P网络中,随着用户数量的增加,不仅服务需求增加了,系统整体的资源和服务能力也在同步扩充。由于降低了对
18、服务器的依赖,很多P2P系统(如:基于DHT的结构化P2P拓扑)可以拓展到数十亿个节点参考文献。 健壮性P2P网络架构天生具有耐攻击、高容错的优点。由于服务是分散在各个节点之间进行的,部分节点或网络遭到破坏对其他部分的影响很小,而且P2P叠加网一般在部分节点失效的情况下能够自动调整拓扑结构,保持和其他节点的连通性。P2P叠加网通常是以自组织的方式建立起来,允许节点的自由加入和离开。 高性价比采用P2P架构可以有效地利用互联网中散布的大量普通节点,将计算任务或存储资料分布到所有节点上,利用其中闲置的计算能力或存储空间,达到高性能计算和海量存储的目的,通过利用网络中的大量空闲资源,可以用更低的成本
19、提供更高的计算和存储能力。 1.2. P2P技术对电信网络的影响1.2.1. 对城域网、骨干网的影响基于P2P技术的相关应用充分利用了分布在网络边缘节点的处理能力和带宽,提高了吞吐量,同时也增加了电信网络负荷。P2P应用占用了大量的网络资源,对IP城域网和骨干网产生强有力的冲击,并导致网络拥塞、性能下降,影响到其他网络应用的使用。按照Cachelogic公司的调查,2006年有近70的带宽被P2P通信占据(如*图所示)。图表 1: 互联网网络资源使用情况 CacheLogic, 2006对中国运营商的调查进一步证实了上述统计数据。国内P2P应用占用了电信运营商城域网50 70的流量,占用骨干网
20、5080的流量(如*图所示)。图表 2: 国内某省电信运营商骨干网出口的流量分布 2006.12目前,中国国内的电信运营商主要采用与带宽相关的包月收费和按时长收费的体制。在传统的客户机服务器模式中,由于服务器的处理能力、带宽等瓶颈限制了数据的传输能力,而当P2P出现后,这个瓶颈被打破,使得数据流量迅速增加。P2P应用能够吸纳大量的网络带宽,很多用户24小时不间断从互联网上进行文件下载(如*图所示),产生黑洞效应。另外P2P作为IP网上的层叠网(overlay),与底层物理网络拓扑无关,使得P2P应用不考虑数据的长途交换和跨域交换,增加了骨干网负荷并带来了大量的网间流量。很多P2P应用对网络时延
21、和网络拥塞敏感性低,在网络拥塞的状态下仍然能够继续使用,从而进一步恶化了网络的运行状态。图表 3:国内某省电信运营商骨干网出口的P2P流量 2006.12为了降低P2P应用对电信网络的冲击,电信运营商对P2P应用程序采取反向工程,分析P2P应用程序的工作原理和业务流程,在接入网和城域网截取IP数据包并通过深度数据包检测(DPI)技术解析P2P的协议,进而限制P2P占用的网络带宽,以达到对网络流量进行整形的目的。另外运营商也通过在城域网部署Cache服务器的方式缓存点击率高的数据,以降低骨干网的网络负荷。1.2.2. 对接入网的影响目前的接入网设计主要参考C/S架构,用户主要通过服务器来获取数据
22、,数据传输以下行为主,接入网数据上下行传输速率是不对称的。如:ADSL, VDSL等。接入网的非对称上下行数据传输速率已经无法适应P2P应用,尤其是当运营商采用P2P网络拓扑结构为用户提供服务的时候,总的上行速率远远低于总的下行速率,运营商不得不依赖于服务器来弥补上行速率的不足,这削弱了P2P的技术优势。P2P技术的应用对接入网也提出了新的要求。1.3. P2P技术应用于移动互联网1.3.1. P2P技术应用于移动互联网所面临的挑战随着手机终端性能的不断提高,在手机终端上直接应用P2P业务无疑非常具有吸引力。然而,同固定互联网相比,移动互联网具有的一些独特的机制和特点,它们将会极大的影响P2P
23、技术在移动互联网中的应用,甚至需要针对移动网络对P2P系统进行专门的优化和设计。移动互联网的特点主要包括以下几个方面: 业务流量对于移动通信网络而言,无线资源非常宝贵。传统的各种P2P应用需要消耗大量的网络资源,如何在P2P业务和无线资源消耗之间取得一种新的平衡点是需要首先解决的问题。另外,移动互联网中数据传输采用上下行非对称的方式,也影响P2P业务的应用。 相对恶劣的信道环境蜂窝网络和固定网络之间的另外一个巨大差异是它的通信环境。蜂窝网络中的无线链路环境相对固定网络要恶劣得多,经常可能因为无线信号的多径衰落和信道拥塞等问题造成P2P节点之间的连通性不能得到保障,这在一定程度上影响到P2P叠加
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