P2P系統發展簡史
1999，文件共享系統Napster誕生了。Napster是最早的P2P實用系統，大量個人計算機用戶參與該系統。每個用戶提供他想要欣賞的文件，同時可以下載其他用戶欣賞的文件。Napster需要解決的核心問題是知道哪些機器有哪些文件，以便用戶在提出文件搜索請求時得到正確的匹配結果。
在Napster中，壹個稱為目錄服務器的中央服務器用於存儲所有文件的元數據信息(文件標題和壹些簡單的描述信息)及其存儲節點的IP地址。當節點加入系統時，它必須首先連接到目錄服務器並報告自己的地址和文件列表。當用戶需要壹個文件時，向目錄服務器提交搜索請求，目錄服務器返回所有符合搜索要求的文件的存儲地址，然後用戶根據對應的地址直接從享有該文件的節點下載文件。由於目錄服務器只提供索引服務，不承擔文件存儲和下載服務，所以支持上萬個節點同時在線。Napster發布後迅速走紅，很快成為發展最快的網絡應用系統。
事實上，Napster中並不是所有的節點都是對等的，目錄服務器要承擔比其他節點重得多的工作。從這個意義上說，Naspter並不是壹個純粹的點對點系統。由於Naspter中節點的高動態性(也就是說節點的加入和退出很頻繁)，目錄服務器是不斷更新的。此外，目錄服務器還負責響應所有用戶的查詢請求。所以當系統比較大的時候，目錄服務器還是會成為系統的瓶頸。此外，目錄服務器的存在成為了系統的關鍵點，也成為了整個系統最脆弱的點。Naspter之後的P2P系統在這壹點上進行了改進，系統基本采用非中心結構，大大提高了健壯性和可擴展性。
Napster早期取得巨大成功後，很快就遇到了版權問題。因為Napster上的很多文件都是音樂媒體文件，這些音樂媒體未經授權是不允許被廣泛傳播的。Napster的目錄服務器恰好為這些文件的傳播提供了支持，因此Napster很快受到音樂作者保護版權的挑戰，並於2001被迫關閉。
Napster首次驗證了P2P思想在廣域網中的可行性。Napster關閉後，更多的P2P文件共享系統迅速崛起，成為互聯網發展的巨大浪潮，其中以Gnutella和KaZaA最為著名。
從Gnutella到KaZaA
Gnutella徹底改變了Naspter的架構。它不使用中心目錄服務器，而是采用完全對等的結構:每個節點記錄其他幾個節點的IP地址(稱為“指針”)，這樣整個系統的拓撲就變成了由指針構建的有向圖，通常稱為“覆蓋圖”。由於Gnutella的覆蓋網並沒有規定哪些節點必須用指針連接，所以整個覆蓋網並沒有壹個有序的結構(如環形、立方體、層次結構、樹形結構、有向無環圖等。)，也就是所謂的“非結構化疊加”。
當用戶需要搜索文件時，會在覆蓋網上進行廣度優先或深度優先搜索，搜索到壹定範圍後，將符合搜索條件的結果返回給用戶。因為這種搜索無法覆蓋整個覆蓋網絡，所以存在無法完全搜索到的問題。但這個問題並不嚴重，因為大多數時候人們總是會搜索壹些熱門的文件，而這些文件往往在整個系統中有很多副本。只要搜索範圍不是很小，總能找到其中的壹個或多個。當然，如何在非結構化覆蓋網絡中搜索冷門文件也是P2P研究的熱點問題，近年來也取得了壹些進展。
事實上，這種犧牲搜索完備性的做法帶來了很高的可擴展性:系統不再有壹個中心節點作為瓶頸，規模可以擴展到幾百萬甚至上千萬個節點。而且，由於沒有易受攻擊的關鍵節點，系統的魯棒性也得到了提高。
KaZaA進壹步改進了Gnutella。由於系統中的大多數節點是高度動態的，覆蓋網絡中節點的指針必須頻繁更新，以移除那些已經離開系統的節點並添加新的在線節點。人們從Napster和Gnutella的實踐經驗中知道，P2P文件共享系統中節點的能力差別很大。有些節點很強很穩定，每次上線後都可以長時間在線，而更多的節點很弱，加入系統後很短時間(很多只有幾分鐘)就離開了系統。這樣，KaZaA利用系統中的強節點構成系統的主幹，而弱節點則依附於相鄰的強節點。也就是說，KaZaA將節點分為強節點和弱節點，強節點構建壹個類似Gnutella的覆蓋網絡，而弱節點只連接壹個或幾個強節點，並將自己的元數據(即* * * *共享的文件列表)發送給強節點，文件搜索只在強節點上進行。這樣KaZaA獲得了比Gnutella更高的穩定性和搜索效率。目前KaZaA的同時在線用戶穩定在300萬以上，已經成為全球最大的分布式系統。
最近，P2P文件共享系統的版權問題逐漸得到解決。Napster關閉後被音樂軟件制造商Roxio公司收購，Naspter network變成了合法的軟件發行渠道。之後，Roxio公司因業績看好更名為Napster，並於2005年6月5438+10月在納斯達克上市。目前，Napster在全球擁有超過7000萬註冊用戶。
P2P結構的應用與研究
另壹方面，P2P文件共享系統的成功促使人們致力於開發P2P結構在更多方面的應用。最成功的是大型文件分發系統BitTorrent和基於覆蓋網絡的IP電話系統Skype。
傳統的文件下載多采用FTP等協議，以C/S模式下載。這樣，許多用戶將需要同時下載壹些熱門文件。由於服務器上的帶寬有限，很多用戶的請求不會得到滿足，整體上下載效率很低。BitTorrent試圖充分利用下載用戶之間的帶寬進行數據傳輸，從而減輕服務器的負擔，提高下載速度和系統可擴展性(同時下載的數量)。BitTorrent的基本策略是:每個用戶從服務器上下載壹部分數據，每個用戶下載不同的部分，然後用戶交換對方沒有的數據，最終所有用戶都可以得到所有的數據。BitTorrent推出後迅速走紅。隨著越來越多的人使用BitTorrent在互聯網上下載數據，P2P系統很快成為網絡流量占50%以上的首要互聯網應用。
Skype作為壹種基於覆蓋網絡的IP電話系統，提供了比通過互聯網直接連接的IP電話更好的語音效果，因此廣受用戶歡迎。自2003年發布以來，其用戶增長迅速。截至2005年2月，Skype註冊用戶已達21萬，在線用戶突破200萬。Skype的系統結構和KaZaA基本相似。當用戶之間需要進行語音通信時，Skype會找到壹個目前帶寬最大的覆蓋網絡，通過多跳轉發的方式傳輸數據。通常情況下，在覆蓋網絡中找到的轉發路徑的質量要優於通話兩點之間的直接路徑，因此通話過程中語音更清晰流暢。由於Skype的出現和快速發展，越來越多的用戶轉向IP電話，這對傳統的電信行業造成了壹定的威脅。在未來，像Skype這樣基於P2P的IP電話系統很可能在很大程度上取代傳統的電話服務，成為人們日常溝通的基本方式之壹。
隨著P2P系統在工業界的迅速發展，研究界也及時跟進，開展了大規模的P2P系統研究工作。自2000年以來，有關P2P系統的重要研究成果不斷出現在OSDI、SOSP、SIGCOMM、USENIX和HOTOS的頂級會議上。2001年，學術界召開了壹個新的學術會議IPTPS，會議的主題是P2P系統。由於大會受到著名高校和研究機構的廣泛關註，迅速成為P2P研究領域的壹次峰會，發表了大量優秀論文，成為P2P研究的風向標。從2002年開始，伯克利、斯坦福等著名大學相繼開設P2P相關的研究生課程，進壹步推動P2P成為壹個新的研究方向。
精神實質是“節點合作”
P2P系統的本質是“節點協作”。因此，只要壹個系統中沒有管理者，所有的任務都是通過節點之間的交換與合作來完成的，這個系統就可以認為是壹個P2P系統。壹般來說，現有的P2P系統可以分為兩類:
第壹類叫做“面向服務的P2P系統”。P2P服務系統以對等的方式組織廣域網中的服務節點，為用戶提供更強大、更可靠的服務(數據服務、計算服務、存儲服務等)。).這類系統包括、萬的分布式實驗平臺PlanetLab、Ivy等。
第二類叫做“面向物物交換的P2P系統”。P2P交換系統為互聯網上的大量終端用戶提供了壹個交換資源的平臺。用戶可以在這個平臺上交換資源，可以是文件、數據塊、存儲空間等等。這類系統包括KaZaA、BitTorrent、Pastiche等。
P2P服務系統和P2P交換系統都面臨著許多傳統分布式系統所沒有的新問題:
節點的數量很大。
很多P2P系統已經達到百萬節點同時在線的規模。如此大規模的壹個直接後果就是無法使用全連通拓撲(即讓每個節點記錄當前所有其他節點)。這樣，要讓節點知道更多關於其他節點的信息，保證任意兩個節點可以通信，這是壹個難題。因此，P2P系統中的節點信息收集算法和覆蓋路由協議成為P2P研究的壹個重要方向。
節點是高度動態的。
對於用戶來說，使用P2P系統的壹個標準模式是“進入系統-搜索資源-獲取資源-離開系統”，通常用不了多長時間。所以P2P系統的壹個顯著特點就是節點平均在線時間短。根據實驗計算，Napster和Gnutella系統中節點的平均在線時間只有2個多小時。節點的高度動態性使得維護數據可用性非常困難。
節點是異構的。
互聯網中的節點具有不同的硬件能力和訪問模式。這導致參與P2P系統的節點在存儲能力、計算能力和帶寬能力上存在很大差異。如何利用這種異構性，充分利用所有節點的可用資源，提高系統各方面的性能，是P2P系統必須認真研究的問題。
節點分布廣泛。
P2P系統的節點分布在世界各地。由於時區不同，系統的不同部分在不同的時間會很忙。這對負載平衡、任務遷移和復制策略提出了新的挑戰。
網絡是異步的。
傳統的分布式系統部署在集群或局域網範圍內，網絡屬於同步網絡。
(同步網絡)，也就是說任意兩個節點之間的通信延遲總是有上限的。然而，P2P系統部署在互聯網的異步網絡中。由於網絡經常被阻塞、幹擾和分裂，所以系統中任意兩點之間的通信延遲沒有壹定的上限。網絡的異步性給壹些需要嚴格語義的應用帶來了很大的困難。例如，復制算法不能保證異步網絡中的嚴格線性化。那麽如何保證互聯網環境下各種操作的可靠性和壹致性，就需要認真分析和研究了。
節點之間沒有相互信任。
P2P節點來自不同的組織和用戶，節點之間沒有天然的信任，因此安全和隱私的工作非常重要。如何在與其他節點交換數據時保護自己的隱私，壹直是P2P研究的重要方向。
節點是自私的。
很多理性的用戶總是試圖多利用別人的資源，少貢獻自己的資源。實驗表明，Gnutella中有25%的節點從不與他人共享數據，只從他人處下載數據。大量用戶(約30%)低報其帶寬，以降低其他用戶下載其數據的意願。如何鼓勵用戶貢獻更多的資源，保證交換的公平性，也是很多研究者關註的熱點。
系統全部暴露在公共網絡中。
在傳統的分布式系統中，只有負責與用戶交換的門戶節點可以直接從互聯網訪問，而P2P系統的幾乎所有節點都可以直接從互聯網訪問，這使得P2P系統更容易受到攻擊。尤其是對於壹些允許節點隨意加入的系統(比如大部分P2P文件共享系統)，如何防止協同攻擊變得更加重要。
正是P2P系統的這些新特點，使得P2P系統從外觀上看與傳統的分布式系統有很大的不同。這也是它能引起眾多著名學者研究興趣的原因之壹。
P2P應用系統的應用現狀
隨著P2P技術的發展，人們嘗試用P2P的方法來解決各種問題，越來越多的P2P應用系統被提出並在實踐中得到測試，包括:
廣域網分布式存儲系統(P2P存儲系統)。
分布式存儲系統壹直是分布式系統的重要領域，傳統的分布式文件系統、分布式對象存儲系統和局域網中的分布式數據庫都有很好的研究基礎。P2P技術出現後，人們試圖將這些分布式存儲系統擴展到更廣的範圍，提出了構建在廣域網上的分布式文件系統、對象存儲系統和數據庫系統。
視頻組播系統。
視頻組播對帶寬要求很高，傳統的C/S結構的組播系統由於服務器出口帶寬的限制，往往擴展性很差。在基於P2P結構的視頻組播系統中，只有少數節點直接從服務器獲取數據，更多的節點壹方面從其他節點獲取數據，另壹方面向其他節點提供數據。整個系統的架構是樹形結構或網狀結構。這種對等視頻組播系統充分利用了節點間的可用帶寬，大大提高了系統的可擴展性。
大型文件分發系統。
與視頻組播系統類似，大文件分發系統也是通過在節點間傳輸數據來減輕數據源的壓力，其架構也是樹形結構或網狀結構。但由於文件分發系統對實時性要求不高，對可接受的最小帶寬要求也不高，因此與視頻數據相比，可以充分利用帶寬，獲得更高的可擴展性。
域名服務器(DNS)。
目前互聯網上的DNS服務器之間的連接采用的是樹形結構。在這種結構中，解析壹些不常用的域名是低效的，因為在樹結構中需要許多跳的查詢和轉發。尤其是解析出壹個不正確的域名，或者負責解析的服務器暫時不可用，需要很長時間才能返回給用戶，顯示查詢失敗。此外，由於當前機制下標識文檔的url與其存儲位置直接相關，給文檔的遷移帶來了諸多不便。大量的工作致力於用P2P架構重建DNS系統，使其更加高效，剝離文檔識別與存儲位置的相關性，取得了良好的效果。
Web協作緩存(Web Cache)。
網站往往存在訪問熱點，影響網頁的可用性和訪問效率。如果通過P2P將網頁緩存在多個節點中，就可以很好地解決這個問題。這種協作緩存方式可以在多個客戶端和多個服務器之間進行，服務器及其客戶端可以組織起來獲得更好的分配策略。
覆蓋路由。
雖然互聯網可以提供任意兩點之間的數據通路，但是由於路由器更新、配置錯誤、網絡擁塞等原因，兩點之間的通信質量往往很差，甚至完全斷開。為了減少甚至避免這種情況，建議可以在許多需要通信的節點之間建立覆蓋網絡。當兩點之間的直接通信不順暢時，我們可以通過其他節點的轉發，想辦法實現更高效的通信。比如當節點A不能給節點B發送消息或者通信質量差的時候，可能會有另壹個節點C，A和C之間，C和B之間的通信是順暢的，良好的，這樣A就可以給C發送消息，C再轉發給B..
應用層組播。
IP層組播技術雖然提出了十年，但壹直沒有得到廣泛應用，主要是需要改變路由器算法，所以很難得到廣泛部署；而且IP組播需要記錄組狀態(組名和成員地址)，使得協議非常復雜，不符合互聯網設計中壹直堅持的無狀態IP層的基本原則。鑒於此，人們提出了不需要IP層支持的應用層組播，即在需要接收消息的節點之間不斷轉發消息，以保證消息最終能被組內所有成員接收到。很多應用層通過壹個樹形結構在節點之間組播多播，並且:(1)保證節點進出時樹形結構能夠快速修復；(2)優化這種樹結構，以匹配更低的互聯網結構，從而提高組播效率，降低組播通信對互聯網鏈路的壓力。
此外，還有壹些嘗試，建立P2P搜索引擎，使用P2P系統測量網絡狀況，通過P2P路由消除防火墻和網關之間的障礙，構建P2P遊戲系統等。，這裏就不詳細介紹了。