[科普中國]-P2P存儲(chǔ)

P2P存儲(chǔ)是基于P2P（Peer-to-Peer）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的一種網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，將很多機(jī)器用對(duì)等的方式組織起來共同為用戶提供超大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)1。

P2P介紹P2P 的全稱是 Peer-To-Peer，其字面的意思是：對(duì)等、點(diǎn)到點(diǎn)的意思。P2P 是一種網(wǎng)絡(luò)模型：一種架構(gòu)。
在互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物，核心思想是去掉了中央服務(wù)器的概念，將互聯(lián)網(wǎng)建立在對(duì)等互聯(lián)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最大程度的資源共享。

除了字面理解 P2P 的意思，還可以給出更嚴(yán)格的定義：

① P2P 網(wǎng)絡(luò)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，并具有互聯(lián)網(wǎng)的所有基本性質(zhì)。

② P2P 網(wǎng)絡(luò)中有兩種基本的行為：一種提供資源；另一種是消費(fèi)資源（接受
資源）。

③ 組成 P2P 網(wǎng)絡(luò)的所有結(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系都是對(duì)等的，且同時(shí)都具備（2）中
的兩種行為。

④ P2P 網(wǎng)絡(luò)依賴于節(jié)點(diǎn)的存在，且節(jié)點(diǎn)可以自由地加入或退出。

⑤ 當(dāng)有 Peer 加入或退出時(shí)，P2P 網(wǎng)絡(luò)仍保持上面 4 種性質(zhì)。

一個(gè)完整的 P2P網(wǎng)絡(luò)模型如下圖1 所示。

P2P 的分類根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同?？梢詫?P2P 網(wǎng)絡(luò)分為集中式 P2P 網(wǎng)絡(luò)、全分布式 P2P 網(wǎng)絡(luò)和混合式 P2P 網(wǎng)絡(luò)。

① 集中式 P2P 網(wǎng)絡(luò)

集中式 P2P 網(wǎng)絡(luò)不是完全意義上的 P2P 網(wǎng)絡(luò)，它有一個(gè)中央服務(wù)器，掌握著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)信息和文件信息。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn) A 想要加入到網(wǎng)絡(luò)中來時(shí)，它會(huì)向中央服務(wù)器發(fā)送一個(gè)注冊(cè)信息，包括了節(jié)點(diǎn)本身的信息和節(jié)點(diǎn)上的文件信息。如果另外一個(gè)節(jié)點(diǎn) D 想要訪問 A 上的某個(gè)文件時(shí)，D 就向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求信息，中央服務(wù)器就給 D 返回 A 注冊(cè)時(shí)的信息 M。然后 D 就根據(jù)信息 M 與 A 通話。這種結(jié)構(gòu)的 P2P 網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)，就是如果服務(wù)器的性能不夠好，那面對(duì)大量的訪問，一旦服務(wù)器出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)也就陷入癱瘓。典型的集中式 P2P
網(wǎng)絡(luò)是 Napster。

② 全分布式 P2P 網(wǎng)絡(luò)
全分布式 P2P 網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都既充當(dāng)服務(wù)器又充當(dāng)客戶端。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的組成結(jié)構(gòu)不同，可以分為結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)和非結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)兩種。

1) 全分布式結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)全分布式結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)是一種基于分布式散列表（Distributed Hash Table，
簡(jiǎn)稱 DHT）技術(shù)來組建的網(wǎng)絡(luò)，可將大量的結(jié)點(diǎn)信息組織起來，形成一個(gè)巨大的散列表。網(wǎng)絡(luò)中的所有結(jié)點(diǎn)共同維護(hù)這個(gè)表，每個(gè)結(jié)點(diǎn)維護(hù)表的一小片區(qū)域。DHT把文件的信息和存儲(chǔ)文件節(jié)點(diǎn)的信息形成一個(gè)鍵值對(duì)，在全分布式結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)中可以很方便地尋找出自己想要的資源。缺點(diǎn)是在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)高頻率地加入和退出的時(shí)候，系統(tǒng)需要花費(fèi)很大的開銷來維護(hù) DHT。

2) 全分布式非結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)在非結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)中，信息定位不嚴(yán)格，文件自由地存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)上。這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建也比較簡(jiǎn)單，是基于完全隨機(jī)圖。與結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)相比，非結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)就是能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的動(dòng)態(tài)變化。非結(jié)構(gòu)化 P2P 網(wǎng)絡(luò)采用的是洪泛機(jī)制搜索文件[13,14]，缺點(diǎn)就是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不斷增加，將造成網(wǎng)絡(luò)流量增加，造成網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降。

③ 混合式 P2P 網(wǎng)絡(luò)混合式 P2P 網(wǎng)絡(luò)中，按節(jié)點(diǎn)能力不同區(qū)分為超級(jí)節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。超級(jí)節(jié)點(diǎn)具有更高性能，把它周圍的普通節(jié)點(diǎn)聚集形成一個(gè)小區(qū)域，可看成是一個(gè)小型的集中式 P2P 網(wǎng)絡(luò)。另外，可根據(jù)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的性能的不同。，選擇超級(jí)節(jié)點(diǎn)中性能更優(yōu)的節(jié)點(diǎn)超級(jí)節(jié)點(diǎn)的“超級(jí)節(jié)點(diǎn)”?；旌鲜?P2P 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。KaZaa 就是一種混合式 P2P 網(wǎng)絡(luò)。

P2P存儲(chǔ)對(duì)于傳統(tǒng)的分布式系統(tǒng)，無非是在不同的區(qū)域搭建一些服務(wù)器，然后再在這些服務(wù)器上存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。它解決了一些集中式存儲(chǔ)的問題，但是也存在著比如服務(wù)器成為瓶頸、由于帶寬而帶來的訪問不便等問題。因此，p2p分布式存儲(chǔ)應(yīng)運(yùn)而生！

p2p分布式存儲(chǔ)，他的總體思想就是讓客戶也成為服務(wù)器，當(dāng)你在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的同時(shí)，也提供空間讓別人來存儲(chǔ)。這就很好的解決了由于服務(wù)器很少而產(chǎn)生的瓶頸，也能在速度上加以改進(jìn)。但是同樣它也帶來了很多的問題：（1）數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、（2）數(shù)據(jù)的一致性、（3）數(shù)據(jù)的安全性和隱私性、（4）數(shù)據(jù)的防攻擊性。當(dāng)然還有技術(shù)上的難題，比如覆蓋網(wǎng)絡(luò)和節(jié)點(diǎn)信息收集算法，數(shù)據(jù)的放置與組織，復(fù)制管理，負(fù)載平衡，數(shù)據(jù)遷移，數(shù)據(jù)索引，公平性維護(hù)。

現(xiàn)有的p2p分布式存儲(chǔ)主要分為兩種類型：p2p存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)，主要是采用許多服務(wù)器用對(duì)等的方式整合起來，來提供服務(wù)的一類存儲(chǔ)系統(tǒng)，比如現(xiàn)有的OceanStore，PAST，CFS，Tangler，Granary。還有一類便是p2p存儲(chǔ)交換系統(tǒng)，主要構(gòu)架是純p2p的模式，用以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份，當(dāng)然用戶得付出一些代價(jià)?，F(xiàn)有的系統(tǒng)如Freenet, Nations, Pastiche, FARSITE.

p2p存儲(chǔ)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu).無論是p2p存儲(chǔ)服務(wù)系統(tǒng)還是p2p存儲(chǔ)交換系統(tǒng)，他們的基本體系結(jié)構(gòu)都是相同的，主要是一下的5個(gè)層次：覆蓋網(wǎng)和信息收集，基本數(shù)據(jù)放置和組織，數(shù)據(jù)放置和組織優(yōu)化，基本的系統(tǒng)映像和系統(tǒng)映像的轉(zhuǎn)換與上層應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)對(duì)等結(jié)構(gòu)(P2P)從用戶的使用方式來看，系統(tǒng)中每個(gè)用戶既向其他用戶提供資源，也從其他用戶那里獲取資源。從體系結(jié)構(gòu)來看，無中心結(jié)構(gòu)，結(jié)點(diǎn)之間對(duì)等，通過互相合作來完成用戶任務(wù)。P2P結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：沒有中心結(jié)點(diǎn)，不易形成系統(tǒng)瓶頸、不易受攻擊，可擴(kuò)展性好，自組織性好。

P2P存儲(chǔ)系統(tǒng)介紹現(xiàn)有的許多p2p分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)比較。首先是最早的分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)OceanStore，它利用Tapestry路由機(jī)制，支持對(duì)大量復(fù)制的移動(dòng)數(shù)據(jù)的串行化更行策略，提供了專門的存儲(chǔ)，在架構(gòu)上采取了自己的專用服務(wù)器，來保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，一致性與安全性，在很多策略上都值得我們借鑒，但是是需要客戶付費(fèi)，而且設(shè)計(jì)很復(fù)雜。然后我們介紹另外一種分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)PAST，它也是基于存儲(chǔ)服務(wù)的，它與OceanStore最大的不同就是設(shè)計(jì)是一切從簡(jiǎn)的。它采用Pastry提供的路由機(jī)制，試圖利用網(wǎng)絡(luò)中限制的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)更為完善的存儲(chǔ)語義。主要是向用戶提供了一組key-value對(duì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在解決負(fù)載均衡方面也有其獨(dú)道之處。最重要的是它不支持并發(fā)訪問，即它只提供個(gè)人存儲(chǔ)，不提供共享。最后我們討論一下基于p2p存儲(chǔ)交換系統(tǒng)——Pastiche，它主要用來進(jìn)行備份操作系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)不提供服務(wù)器存儲(chǔ)，所以用戶提供了一定的空間但不一定他能享受同樣大小的空間，比如一個(gè)用戶提供了1G空間，但最后他可能只能享受500M或者更小，因?yàn)槠溆嗟目臻g需要進(jìn)行復(fù)制策略。但是由于操作系統(tǒng)的文件重復(fù)率很高，所以在復(fù)制時(shí)可以減少一定的冗余量。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李嘉騫 - 博士 - 同濟(jì)大學(xué)