Определения:
P2P-технология – технология построения сети распределенных равноправных узлов по принципу децентрализации.
В существующих сегодня реализациях P2P файлообменных сетей, изначально был использован смешанный подход, с присутствием выделенных узлов (и/или серверов), однако в последние несколько лет все самые крупные сети включили поддержку протоколов, обеспечивающих полностью автономное функционирование сети без серверов – чистый P2P-подход.
P2P сеть – множество узлов (компьютеров, смартфонов и пр.), объединенных в единую систему и взаимодействующих посредством P2P протокола.
P2P-протокол - сетевой протокол, обеспечивающий возможность создания и функционирования сети равноправных узлов, их взаимодействия.
Протоколом, или набором протоколов, определяется логическая топология сети, механизм подключения и отключения узлов от сети, а также алгоритм взаимодействия узлов. Решение таких задач, как коррекция ошибок, форматы сообщений и служебных запросов и откликов, протоколы маршрутизации в условиях постоянного подключения и отключения узлов – также определяется протоколом P2P.
В модели стека сетевых протоколов TCP/IP протоколы P2P относятся к прикладному уровню, таким образом, P2P сеть является наложенной сетью (overlay), функционирующей поверх сети Интернет и использующей существующие транспортные протоколы TCP или UDP.
Клиентская программа P2P, или просто «клиент» – программа, которая реализует функциональность узла, сама является реализацией заложенного в основу сети P2P протокола. Клиент может запрашивать сервер или выделенные узлы, получать ответ с информацией о запрошенных файлах, узлах на которых они находятся, и далее уже работать напрямую с указанными узлами. В последних реализациях клиентов, заложена также возможность обмена служебной информацией, построения запросов и поиска ресурсов клиентом во всей сети без участия серверов.
ID узла – уникальный идентификатор узла, вычисляется с помощью хеш-функции [6] из IP – адреса и дополнительной информации (имени компьютера, MAC-адреса сетевой карты и пр.). Присваивается при регистрации в сети P2P и используется для идентификации узла.
ID или ключ ресурса - уникальный идентификатор файла, или любого другого ресурса, вычисляется с помощью хеш-функции из имени файла и его содержимого. Используется для идентификации ресурса.
Р2р файлообменные сети
Протоколами обеспечивается равномерное распределение ключей ресурсов вместе с идентификаторами узлов, опубликовавшими данный ресурс, по всем узлам (или по некоторым выделенным узлам и/или серверам), зарегистрированным в сети. Задача поиска ресурса сводится к нахождению ID узла, на котором хранится ключ ресурса [4].
Рис. 3. Распределение ключей ресурсов по узлам сети. Поиск ресурса.
На рис. 10.12 приведен пример чистой P2P сети, созданной по протоколу DHT Kademlia [15]. На рисунке к сети, способной поддерживать максимум 16 узлов и 16 ресурсов, подсоединились 7 узлов (черные кружки), разделяющих 12 ресурсов (номера в белых прямоугольниках). Узлам присвоены соответствующие ID, ресурсам присвоены ключи. Ключи вместе с адресами опубликовавших их узлов (адреса на рисунке не показаны) равномерно распределены между узлами сети. На рисунке изображено, какие ключи хранятся и на каких узлах.
Узел с ID 0 хочет найти ресурс, соответствующий ключу 14, для этого посылает запрос на поиск. Запрос проходит определенный маршрут (подробнее о маршрутизации см. [3]) и достигает узла, на котором находится ключ 14. Далее узел ID 14 пересылает узлу ID 0, адреса всех узлов, обладающих ресурсом, соответствующим ключу 14.
Причинами большого роста популярности сетей P2P являются привлекательные идеи данной технологии: децентрализация, распределенность и самоорганизуемость сети. Эти принципы обеспечивают такие преимущества сети, как простота и дешевизна внедрения и поддержки, отказоустойчивость, масштабируемость, увеличение скорости копирования, колоссальная мощность сети в целом.
На данный момент лидируют по количеству узлов среди файлообменных сетей такие сети как Bittorrent [16], eDonkey2000 [14], Gnutella2+Gnutella.
Для инициализации узла, например, в [13] клиентская программа обращается к серверу, предоставляющему информацию о файлах доступных для копирования, а также статистическую и маршрутную информацию об узлах сети. Сервер и после инициализации помогает узлам взаимодействовать друг с другом.
Если узел хочет опубликовать файл, то программа разделяет файл на части и создает файл метаданных с информацией о частях файла, местонахождении, и, опционально, местонахождении сервера, который будет поддерживать распространение этого файла. Первый узел, опубликовавший файл, называется распространителем. Узел, желающий скопировать файл, сам становится распространителем, по принципу «сколько копирую я, столько разрешаю скопировать у меня». Узлы, скопировавшие весь файл становятся распространителями для этого файла, и, вместе с не полностью скопировавшими узлами дают возможность другим узлам получать части файла из нескольких источников, что ускоряет копирование (см. рис. 10.11).
Существуют модификации протоколов, которые позволяют работать с файлами метаданных, не привязанными к серверам.
Одной из первых пиринговых сетей, Gnutella, была создана в 2000 году [17]. Сеть функционирует до сих пор, хотя из-за серьезных недостатков алгоритма пользователи сейчас предпочитают сеть Gnutella2 (G2, [18]).
Подключившийся клиент получает от узла, с которым ему удалось соединиться, список из 5 активных узлов, отсылает им запрос на поиск ресурса по ключевому слову. Узлы ищут у себя соответствующие запросу ресурсы и, если не находят, пересылают запрос своим активным узлам вверх по дереву, пока не найдется ресурс или не будет превышено максимальное число шагов. Такой поиск называется размножением запросов. С помощью протокола также отслеживается, чтобы топология создаваемой сети узлов имела древовидную структуру графа.
Понятно, что подобный алгоритм ведет к экспоненциальному росту числа запросов и, соответственно, на верхних уровнях может привести к отказу в обслуживании, что и наблюдалось на практике неоднократно. Разработчиками были проведены работы по улучшению алгоритма, введены правила, в соответствии с которыми запросы могут пересылать вверх по дереву только определенные узлы – так называемые выделенные узлы, остальные узлы могут лишь посылать им запросы.
Недостатки протокола Gnutella инициировали разработки принципиально новых алгоритмов поиска маршрутов и ресурсов, и привели к созданию группы протоколов DHT (Distributed Hash Tables) [7], в частности протокола Kademlia [4], который сейчас широко используется в наиболее крупных сетях.
Запросы в сети Gnutella пересылаются по tcp или udp, копирование файлов происходит посредством протокола http.
В последнее время появились расширения для клиентских программ, позволяющие копировать файлы по udp, делать xml-запросы метаинформации о файлах.
В 2003 году появился принципиально новый протокол Gnutella2. В соответствии с данным протоколом, некоторые узлы становятся концентраторами, остальные являются обычными узлами. Каждый обычный узел имеет соединение с одним-двумя концентраторами. У концентратора есть связь с сотнями обычных узлов и десятки соединений с другими концентраторами. Каждый узел периодически пересылает концентратору список идентификаторов ключевых слов, по которым могут быть найдены публикуемые данным узлом ресурсы. Идентификаторы сохраняются в общей таблице на концентраторе. Когда узел хочет найти ресурс, он посылает запрос по ключевому слову своему концентратору, который либо находит ресурс в своей таблице и возвращает ID-узла, обладающего ресурсом, либо возвращает список других концентраторов, которые узел вновь запрашивает по очереди, случайным образом. Такой поиск называется поиском с помощью метода блужданий.
Для улучшения качества поиска используются метаданные файлов - информация о содержании, рейтинг. Примечательной особенностью данной сети является возможность размножения информации о файле в сети без копирования самого файла, что очень полезно для отслеживания вирусов.
Для передаваемых пакетов в Gnutella2 разработан собственный формат, похожий на xml, гибко реализующий возможность наращивания функциональности сети, путем добавления дополнительной служебной информации. Запросы и списки ID ключевых слов пересылаются по udp.
Сеть EDonkey2000 [14] появилась в 2000 году. Информация о наличии файлов публикуется клиентом на многочисленных серверах в виде ed2k ссылок, использующих уникальный ID ресурса. Серверное ПО доступно для установки любым пользователем. Сервер обеспечивает поиск узлов и информации. Сейчас в сети имеется от 100 до 200 серверов, обслуживающих одновременно около миллиона пользователей, использующих порядка миллиарда различных файлов. Общее количество зарегистрированных пользователей составляет порядка 10 миллионов.
Когда клиент копирует желаемый ресурс, он копирует его одновременно из нескольких источников при помощи MFTP (Multisource File Transfer Protocol).
В настоящее время информацию о доступных файлах можно получать не только с серверов eDonkey. С 2004 года в состав сети EDonkey2000 интегрирована сеть Overnet - полностью децентрализованная сеть, позволяющая осуществлять взаимодействие между узлами без привязки к серверам, для чего используется DHT протокол Kademlia.
Клиент EDonkey имеет очень интересное расширение, позволяющее копировать метафайлы, которые пользуются большим доверием пользователей, а также использовать верификационную информацию из метафайлов для работы с файлами собственной сети.
Такая интеграция возможностей разных сетей и дополнительная верификация способствовали развитию EDonkey2000, в которую начали переходить пользователи других сетей, например, сети FastTreсk, базирующейся на протоколе FastTreсk, а наиболее популярным клиентом является Kazaa [17].
Провайдеры сетевых услуг, например, провайдеры московских домашних сетей, а также администраторы компаний, до недавнего времени старались блокировать на своих файерволах порты, через которые общаются клиенты сетей Bittorrent, eDonkey2000, Gnutella, Fasttreck.
Поэтому пользователям осталась только возможность использовать локальные пиринговые сети. Наиболее удобной для этого оказалась сеть Direct Connect (DC) [16].
Клиенты подключаются к одному или нескольким серверам для поиска файлов. Серверы не связаны между собой. Информация о файлах, доступ к которым узел хочет открыть, отсылается на сервер. Копирование файлов происходит напрямую между узлами, как и в классической P2P сети.
В клиенте встроены возможности для общения участников сети, список файлов каждого пользователя можно получать в виде древовидной структуры папок, есть простой механизм поиска информации, существует возможность копирования целых каталогов. Перечисленные возможности сделали сеть DC идеальным решением для локальной файлообменной сети P2P.