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摘要計算機對等網(wǎng)(P2P)是目前流行于國際網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究領(lǐng)域的一種新興網(wǎng)絡(luò)模型。作為真正的分布式計算技術(shù)，P2P技術(shù)將對Internet的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。文中首先介紹了P2P的概念，研究及其應(yīng)用狀況；然后分析了其三種網(wǎng)絡(luò)模型：集中式P2P、純分布式P2P和混合式P2P各自的特點和發(fā)現(xiàn)機制；最后提出了一種基于P2P的IP電話模型，并詳細(xì)討論了該模型的信息模型和搜索策略。

關(guān)鍵詞P2P網(wǎng)絡(luò)，目錄，發(fā)現(xiàn)機制，IP電話模型

1引言

對等網(wǎng)絡(luò)(P2P)技術(shù)是目前計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域研究的一個熱點，目前微軟、Sun、IBM等很多著名的企業(yè)和公司都投入到P2P技術(shù)的研究之中。

P2P技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，其典型代表是USENET和FidoNet兩個分散、分布的信息交換系統(tǒng)，而真正地應(yīng)用起源于文件交換軟件Napster。P2P可以簡單地定義為：通過直接交換信息，共享計算機資源和服務(wù)，對燃撲慊本哂鋅突Щ頭衿韉墓δ堋T謖庵滯韁興械慕詰憔哂邢嗤腦鶉斡肽芰Γ⑿瓿扇撾瘛8鞫緣冉詰闃渫ü苯踴チ?，全面实现剐Q硇畔⒆試礎(chǔ)⒋砥髯試礎(chǔ)⒋媧⑵髯試礎(chǔ)⑸踔糧咚倩捍孀試矗扌枰覽抵醒敕衿韉鬧С鄭乖仍諂淥緙撲隳J街型ǔ1緩鍪傭惴捍嬖詰撓沒Ф松璞傅玫攪順浞值睦謾5僥殼拔?，P2P的應(yīng)用研究涉及面非常廣泛，主要包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造、安全與可靠性、分布式數(shù)據(jù)存儲和并行計算等。P2P的應(yīng)用更是涵蓋諸多領(lǐng)域，比如對等計算、協(xié)同工作、搜索引擎、文件交換和文件共享，還有很多在電子商務(wù)中的應(yīng)用。但P2P技術(shù)在IP電話中的應(yīng)用也只是在QQ等軟件中的語音聊天中有所體現(xiàn)。鑒于此，本文通過分析比較了P2P技術(shù)現(xiàn)有的三種網(wǎng)絡(luò)模型，在保證網(wǎng)絡(luò)實時性和可靠性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了IP電話網(wǎng)絡(luò)模型。

2P2P網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型分析

從技術(shù)上講，P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可分為：集中式P2P、純分布式P2P和混合式P2P三種不同形式，下面分別進行分析。

（1）集中式P2P

該模式中有一個中心服務(wù)器來負(fù)責(zé)記錄共享信息以及反饋對這些信息的查詢，每一個對等實體要對它所需共享的信息以及進行的通信負(fù)責(zé)。當(dāng)某節(jié)點希望搜索一個不知道位置的資源時，該節(jié)點向目錄服務(wù)器發(fā)送請求，目錄服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫中查詢到匹配的資源后將其定位信息返回該節(jié)點，然后在兩個節(jié)點之間執(zhí)行交互。該模型的最佳示例為Napster，它是一種用戶共享MP3音樂的軟件。這種形式具有中心化的特點，但是它不同于傳統(tǒng)意義上的Client/Server模式。因為傳統(tǒng)意義上的Client/Server模式采用的是一種壟斷的手段，所有資源都放在服務(wù)器上，客戶機只能被動地從服務(wù)器上讀取信息，并且客戶機之間不具有交互能力；而集中式P2P模式則是所有資料都存放在提供該資料的客戶機上，服務(wù)器上只保留索引信息，此外服務(wù)器與對等實體以及對等實體之間都具有交互能力。

集中式P2P可提供中心服務(wù)器目錄檢索，管理服務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)的點到點通信，具有高效的檢索和低效的交換服務(wù)的特點。但是中央服務(wù)器的癱瘓容易導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的崩潰，可靠性和安全性較低，且隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，中央服務(wù)器維護和更新的費用將急劇增加，所需成本過高。

（2）純分布式P2P

該模型中沒有專門的服務(wù)器，整個網(wǎng)絡(luò)是有無數(shù)節(jié)點組成，這些節(jié)點在功能上非常相似，沒有一個節(jié)點知道整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)或者組成網(wǎng)絡(luò)的每一個節(jié)點的身份。相反，節(jié)點只知道直接與它們通信的節(jié)點。在進行網(wǎng)絡(luò)資源搜索時，節(jié)點首先把包含搜索條件的請求信令發(fā)送給其鄰居節(jié)點，再由鄰居節(jié)點向其自身的鄰居節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。以此類推，直到得到滿足搜索條件的資源或請求信令的TTL為0；如果網(wǎng)絡(luò)找到滿足條件的資源，請求響應(yīng)信令將沿著請求信令經(jīng)過的路由的反向路由向回發(fā)送。此后，請求節(jié)點將建立到提供資源的節(jié)點的直接數(shù)據(jù)路由。其典型的代表就是著名的Gnutella。

這種P2P網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)點在于允許用戶設(shè)定自己的規(guī)則和建立自己的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提供近似的即插即用的特性，動態(tài)性很強。存在的問題是由于沒有中心管理者，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點難以發(fā)現(xiàn)，這樣形成的網(wǎng)絡(luò)很難進行身份認(rèn)證、安全管理、流量管理、計費等控制；在搜索節(jié)點時，由于每個請求廣播的原因，對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求高，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻塞。

（3）混合式P2P

該模式結(jié)合了集中式和分布式P2P的優(yōu)點，網(wǎng)絡(luò)中有中間服務(wù)器,但文件目錄是分布的。它在分布式模式的基礎(chǔ)上，將用戶節(jié)點按能力進行分類，使一些功能強的節(jié)點擔(dān)任特殊的任務(wù)。這些節(jié)點共分為3種：用戶節(jié)點、搜索節(jié)點和索引節(jié)點。用戶節(jié)點一般不具有任何特殊的功能；搜索節(jié)點處理搜索請求，從它們的“孩子”節(jié)點(用戶節(jié)點)中搜索文件列表；索引節(jié)點內(nèi)存充足，連接速度快，用于保持可以利用的搜索節(jié)點信息，并收集狀態(tài)信息，維護網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

一個節(jié)點可以既是搜索節(jié)點又是索引節(jié)點。用戶節(jié)點可以選擇多個搜索節(jié)點作為它的“父”節(jié)點，并將其所要共享的列表提交給它的“父”節(jié)點。在搜索網(wǎng)絡(luò)資源時，用戶節(jié)點通過索引節(jié)點獲得所有可用的搜索節(jié)點信息，之后用戶節(jié)點就和獲得的搜索節(jié)點相連。根據(jù)用戶的搜索請求，如果和用戶節(jié)點直接連接的搜索節(jié)點查詢結(jié)果達到N個(N為搜索結(jié)果，由用戶自己設(shè)定)就停止；否則就向另外可用的搜索節(jié)點發(fā)出請求，如果查詢結(jié)果還不夠，就繼續(xù)向外快速發(fā)散，直到所有的搜索節(jié)點被搜索到為止。若所有的搜索節(jié)點都被訪問過，就意味著網(wǎng)絡(luò)上所有的節(jié)點都被搜索到了，其速度要比純P2P模式快得多。

3IP電話系統(tǒng)組成和工作原理

IP電話系統(tǒng)一般有IP電話終端，網(wǎng)關(guān)(GATEWAY)、網(wǎng)守或者叫關(guān)守(GATEKEEPER)、網(wǎng)管系統(tǒng)、計費系統(tǒng)等幾部分組成。

IP電話終端包括傳統(tǒng)的語音電話機PC、IP電話機、也可以是集語音，數(shù)據(jù)和圖像于一體的多媒體業(yè)務(wù)終端。

網(wǎng)關(guān)提供IP網(wǎng)絡(luò)和電話網(wǎng)之間的接口，是VOIP的核心與關(guān)鍵設(shè)備。通過它可完成語音壓縮，具有尋址和呼叫控制的功能。

關(guān)守負(fù)責(zé)用戶注冊與管理，它應(yīng)當(dāng)具有的功能為：將被叫號碼的前幾位數(shù)字對應(yīng)網(wǎng)關(guān)的IP地址；對接入用戶的身份認(rèn)證，防止非法用戶接入；做呼叫記錄并有詳細(xì)數(shù)據(jù)，從而保證收費正確；完成區(qū)域管理，多個網(wǎng)關(guān)可由一個關(guān)守進行管理。

網(wǎng)管系統(tǒng)的功能是管理整個IP電話系統(tǒng)。

計費系統(tǒng)的功能是對用戶的呼叫進行費用計算，并提供相應(yīng)的單據(jù)和統(tǒng)計報表。

目前IP電話有三種基本類型：PC之間的通話；PC和普通電話之間的通話；普通電話之間通過IP網(wǎng)絡(luò)和PSTN網(wǎng)絡(luò)之間的通話?，F(xiàn)以普通電話之間的應(yīng)用形式，說明IP電話的工作原理。首先發(fā)送端的模擬信號經(jīng)過PSTN送到發(fā)端的IP網(wǎng)關(guān)上，然后利用數(shù)字處理設(shè)備(DSP)對語音進行數(shù)字化，再對數(shù)據(jù)進行壓縮并打包，通過Internet到對方的網(wǎng)關(guān)上，對數(shù)據(jù)進行解包及解壓縮,還原成模擬信號送到受話方的電話終端上。

4IP電話網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建及其探討

在選擇P2P網(wǎng)絡(luò)模型時主要考慮以下幾個方面：首先,整個框架結(jié)構(gòu)要求可運營，可管理，要求具備集中控制能力，并能提供服務(wù)質(zhì)量保證；其次，要具有為用戶提供安全認(rèn)證管理；第三，為降低網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)擔(dān)，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，應(yīng)減少用戶訪問對象的隨機性，減小流量的不可預(yù)知性；此外還應(yīng)該具備良好的開放性，靈活性和擴展性。因此選擇混合式P2P模型來構(gòu)建IP電話模型，由各個IP電話終端完成模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，而且通過IP電話號碼就可以找到被呼叫的IP電話終端。此IP電話的模型如圖1所示。

圖1基于P2P的IP電話模型

中心服務(wù)器主要做用戶的集中認(rèn)證，建立索引機制，輔助對等點之間的連接，它要動態(tài)維護一張所有目錄節(jié)點的信息表，保持網(wǎng)絡(luò)總體的拓?fù)淝闆r，其結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1目錄節(jié)點表

字段名含義

Ip_address存儲目錄節(jié)點的IP地址

State存儲目錄節(jié)點的狀態(tài)（是否可用）

目錄節(jié)點主要記錄該節(jié)點下所有IP終端用戶的信息，其充當(dāng)關(guān)守的功能，它也需動態(tài)維護一張終端用戶表，其結(jié)構(gòu)如表2所示。一個節(jié)點是否能成為目錄節(jié)點，要看其計算能力和存儲容量，如果達到規(guī)定的要求（由軟件按照統(tǒng)一的規(guī)則對所有的終端進行自動檢測），就被設(shè)定為目錄節(jié)點，同時該目錄節(jié)點要定時向中心服務(wù)器通報自己的狀態(tài)。

表2終端用戶表

字段名含義

Ip_address存儲目錄節(jié)點下用戶的IP地址

Ip_telephone存儲目錄節(jié)點下用戶的IP電話號碼

IP電話終端用戶也相應(yīng)的動態(tài)維護一張與遠程IP電話用戶的通話信息表，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

表3通話信息表

字段名含義

Ip_address存儲遠程用戶的IP地址

Ip_telephone存儲遠程用戶的IP電話號碼

Connect_state存儲自身的連接狀態(tài)（OnorOff）

當(dāng)一個IP終端用戶加入此網(wǎng)絡(luò)中時，軟件搜索網(wǎng)絡(luò)提供給用戶一個可用的目錄節(jié)點的列表，供用戶選擇。用戶可以選擇其中多個（避免因單個目錄節(jié)點出現(xiàn)故障或該目錄節(jié)點已不再充當(dāng)目錄節(jié)點而造成呼叫失敗）路由最短的目錄節(jié)點作為其父節(jié)點，并提交相應(yīng)的信息。網(wǎng)絡(luò)中所有的IP用戶因為隨時會加入或者離開，IP地址與IP電話號碼不完全是固定的關(guān)系，所以目錄節(jié)點要定時刷新IP地址與IP電話號碼的對應(yīng)關(guān)系，保持IP用戶節(jié)點處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

在該模型中，當(dāng)一終端用戶A呼叫另一終端用戶B時，A先查詢自己與遠程IP電話用戶的通話信息，如果有B的信息，則直接進行互通；如果沒有或呼叫失敗，那么再向中心服務(wù)器請求。中心服務(wù)器返回所有可用的目錄節(jié)點，之后請求信令就以組播的方式向目錄節(jié)點發(fā)送，收到請求的目錄節(jié)點查詢自己的終端用戶表，如果找到B的信息，則返回給A，A和B就可建立點對點的連接，直接進行語音數(shù)據(jù)的傳輸；如果都未找到B的信息，請求信令繼續(xù)以組播的方式向其它目錄節(jié)點發(fā)送，直至遍歷整個網(wǎng)絡(luò)。

5總結(jié)

IP電話技術(shù)是一項新的技術(shù)，其發(fā)展速度非?？?，最終將成為人們語音通信的重要工具。本文目的在于將P2P技術(shù)應(yīng)用到IP電話中，以保證IP電話的語音數(shù)據(jù)包能夠?qū)崟r地、順序地到達目的端。選擇混合式P2P構(gòu)建了IP電話模型，既具備快速檢索的能力，降低網(wǎng)絡(luò)流量的負(fù)擔(dān)，又便于安全管理、身份認(rèn)證、流量管理、計費管理等。

IP電話還涉及很多關(guān)鍵，如：語音編碼和壓縮技術(shù)、語音分組技術(shù)、語音抖動處理技術(shù)、靜音檢測技術(shù)、向前糾錯技術(shù)、回聲消除技術(shù)、QoS（QualityOfService,即服務(wù)質(zhì)量）保障技術(shù)等，由于篇幅有限,未能作詳細(xì)介紹。

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