CN101159745A - 具有版权管理功能的p2p应用的智能节点弹性重叠网 - Google Patents

Abstract

本发明属于通讯网络技术领域。本发明包括中央服务器，超级节点，一般用户节点Peer；中央服务器：用于提供所有的超级节点和一般用户节点Peer注册功能；中央服务器存有所有用户的列表以及该用户的资金帐户；超级节点包括内容管理服务器、智能节点服务器和授权服务器；内容管理服务器提供原始视音频资料；智能节点服务器提供网络流量探测，检索功能，并据网络流量提供路径选择；授权服务器对内容管理服务器中的内容向用户授权；一般用户节点Peer，网络层次上由所属的智能节点管理，应用层次上由中央服务器管理。本发明具备第二代P2P的优点、改善网络的安全性、QoS和管理性；解决目前互联网跨自治区路径选择方面存在的问题。实现QoS选路。

Description

具有版权管理功能的P2P应用的智能节点弹性重叠网

技术领域：

本发明是一种面向P2P应用的、具有数字版权管理功能的、良好的认证计费能力的，支持大规模部署应用的可运营、可扩展的智能节点弹性重叠网络设计及系统级实现方法，属于通讯网络技术领域。

背景技术：

P2P技术存在三种结构模式的体系结构，即以Napster为代表的集中目录式结构、以Gnutella为代表的纯P2P网络结构和混合式P2P网络结构。从P2P技术的分代来说，到目前为止的P2P技术可分为四代：第一代P2P(中央控制网络体系结构)，第二代P2P(分散分布网络体系结构)，第三代P2P(混合网络体系结构)，第四代P2P(目前发展中P2P技术)。

第一代P2P(中央控制网络体系结构——集中目录式结构)

集中目录式结构采用中央服务器管理P2P各节点，P2P节点向中央目录服务器注册关于自身的信息(名称、地址、资源和元数据)，但所有内容存贮在各个节点中而非并服务器上，查询节点根据目录服务器中信息的查询以及网络流量和延迟等信息来选择与定位其它对等点并直接建立连接，而不必经过中央目录服务器进行。集中式服务模型是最早出现的P2P应用模式，Napster软件就是典型的集中式P2P应用。这种服务模型继承了C/S计算模式的特点，由于存在中央服务器，具有集中化的特点，因此这种类型的服务模型算不上正在意义的P2P网络结构。例如，在Napster软件里，用户注册与文件检索过程类似于传统的C/S模式。他们之间的区别在于所有共享的资料并非存储在中央服务器上，而是存贮在连入各个节点中。发起请求的节点可以根据网络流量和延迟等信息选择合适的节点建立直接连接，而不必经过中央服务器。

这种网络结构相对非常简单，它展示了P2P系统巨大的优势和吸引力。在集中式模型中，中心服务器可以有一台或多台部署特殊应用的服务器构成对等节点提供相应的服务。加入网络中的节点分担部分中心服务器的计算负担，从而提高了整个应用系统的计算能力与扩展能力。

集中式服务模型体系结构，网络使用中央服务器来进行P2P服务协调与控制，所有的客户机节点都是通过中央服务器登录到网络，重要服务器负责管理所有客户机的资源和用户数据库。客户机节点将资源的搜索请求发送到中央服务器，如果找到该资源，那么节点就可以从拥有该资源的对等节点上直接下载。由于网络中的中央服务器维护一个所有对等节点的资源数据库，因此基于该服务模型的体系结构碰到了资源版权问题，版权问题对集中式服务模型的打击是致命的，这也导致了Napster系统的瓦解。

集中式服务模型具有如下优点：网络结构比较简单，系统便于管理。并且资源检索响应速度比较快，对共享资源的查找和更新非常方便，管理维护整个网络所需的带宽开销比较小。集中式服务模型能够满足早期P2P应用的需要，对小型网络而言，集中式服务模型在管理和控制方面占一定优势，但该模型并不适合大型网络应用。随着技术的发展，集中式服务模型固有的缺点也是不能克服的，尽管中央服务器可以通过部署多个节点提供服务，但是服务器基本上承担了所有的计算工作，中央服务器负载过重，从一定意义上来说，这种模式不符合P2P的原则。并且如果中央服务资源索引更新不及时，将导致搜索结果不准确。集中式服务模型还存在网络不稳定，数据安全，以及资源版权问题等问题。

第二代P2P(分散分布网络体系结构——纯P2P网络结构)

纯P2P网络结构也称完全分布式服务模型，即为广播式的P2P服务模型。完全分布式的P2P网络没有集中的中央服务器，每个节点可以随机接入P2P网络，并与自己相邻的节点通过端到端连接构成一个逻辑重叠的网络。在网络中，对等节点之间数据交换与消息传递都是直接采取相邻节点广播的方式进行，并且每个节点通常设置标记标识是否消息已传递的，以防止产生搜索环路以及消息广播风暴。

Gnutella就是采用完全分布式服务模型。在Gnutella网络中，节点组织采用分布式的方法连接，不存在中央服务器，节点也不需要向中央服务器发送共享信息，而是在节点之间互相发送信息获取资源。完全分布式服务模型不存在传统C/S计算模式存在的问题，它解决了网络结构中心化的问题，网络的扩展性和容错性得到提高，但是Gnutella网络中的节点路由算法以泛洪(Flooding)的方式进行，由于节点之间相互发送的大量无目的的信息，这种模型极易消耗网络的带宽，并导致网络拥塞与不稳定。Gnutella比较适合小型网络的使用。采用泛洪方式进行路由通常带来了一些不必要的流量，增加了网络的负担。

完全分布式服务模型体系结构，网络不存在中央服务器，所有的客户机节点都可以随机加入或退出网络，并且由各个客户节点负责资源管理与共享，P2P服务由所有加入网络中的节点共同提供，所有节点都是平等的，节点除了提供内容共享服务之外，还提供了内容索引与搜索服务，具有集中式服务模型中的中央服务器的功能。例如，客户机节点按照路由策略将资源的搜索请求发送到相邻的其他节点，如果找到该资源，那么节点就可以从拥有该资源的对等节点上直接下载。资源数据不通过中央服务器，因此共享资源版权问题由各个节点自己负责，相比集中式服务模型来说，这是一个重要的改进。但是，随着基于完全分布式服务模型的网络中客户节点的不断增多，网络规模不断扩大，资源发现的准确性和扩展性是该类型网络面临的重要问题。

完全分布式服务模型具有如下优点：网络结构比较简单，系统便于管理，所有节点都参与服务，不存在中央服务器，避免了服务器性能问题与单点故障，而且在这种网P2P络的中，资源管理与版权问题归于各自的客户节点，具有很强的匿名性，避免了Napster碰到的版权问题。完全分布式服务模型还能承受部分节点的服务攻击与安全问题，即使网络中存在部分节点不能提供服务也不会影响到整个网络的服务能力。此外，该服务模型还具有较高的内容搜索速度，信息更新比较及时等特点。但完全分布式服务模型存在的问题也是明显的，基于泛洪的方式的路径选择会导致网络性能降低，而且通过这种模型想回去完整的资源列表是比较困难的。由于节点的随机加入或退出导致网络结构经常变化，对于资源索引性能改进也是一个挑战。

尽管完全分布式服务模型存在一些缺点，但目前互联网上大部分流行的P2P应用都是基于该模型，因为它有更好的可扩展性，更快的查找速度，控制层面上需要更少的额外开销。因此研究基于改进的完全分布式服务模型的P2P也是P2P应用研究的一个方向，文献则进一步研究完全分布式服务模型的路径选择优化。

第三代P2P(混合网络体系结构——混合式网络结构)

混合式服务模型综合了集中式服务模型与完全分布式服务模型的特点。它在完全分布式服务模型中引入了与其他节点有些不一样的节点，即超级节点。在混合式服务模型里，按节点性能不同，如计算能力、内存大小、连接带宽、网络滞留时间等，将所有节点区分为普通节点和超级节点。一个超级节点与连接超级节点的若干普通节点之间构成一个自治的簇，在一个自治簇内，网络结构采用于集中式的服务模型，而在整个P2P网络内，各个不同的自治簇互相在以完全分布式的服务模型将超级节点相连起来。当然，也可以将相邻的各个超级节点组成更高级的超级节点来保存整个网络中可以利用的超级节点信息。

在混合式服务模型里，普通节点的先向本地所属的自治簇请求服务，只有未查询到结果或者结果不充分的时候，再通过超级节点之间进行有限的泛洪。这样有效地消除分布式服务模型结构中使用泛洪算法带来的网络拥塞、搜索迟缓等不利影响。而且在每个自治簇内部，超级节点负责管理自治簇内部的所有普通节点的行为，这样确保可以在一定的范围内控制节点的恶意攻击行为，防止服务攻击扩散到整个网络中，在一定程度上提高整个网络的可用性以及负载平衡。例如，eMule文件共享软件就是混合式服务模型的典型案例。在eMule里，存在一系列的服务器列表，eMule客户端首先登陆上服务器列表中的某台服务器，通过服务器获取其他客户节点的信息，并且在服务器之间也进行节点信息交换。同一个服务器下的eMule客户端形成了集中式服务模型，而服务器之间形成了完全分布式服务模型。如果eMule登陆某个服务器失败，则自动在别的服务器登陆防止因服务器出故障而不能提供服务。

混合式服务模型体系结构，网络存在超级节点，所有的客户机节点可以选择加入某个超级节点所管辖的自治簇，并且由自治簇的超级节点负责资源管理与共享，在一个自治簇内部，所有普通节点都是平等的，普通节点除了提供内容共享服务之外，还提供了内容索引与搜索服务，而超级节点则具有集中式服务模型中的中央服务器的功能，如节点路径选择，节点管理与资源管理。混和式模型的基本思想是，把整个P2P网络划分为超级节点与普通节点，一个超级节点管理多个普通节点，超级节点之间构成完全分布式服务模型，而自治簇内部的普通节点构成集中式服务模型。混合式模型吸收了集中式与分布式服务模型的优点，特别是混合式模型充分利用了完全分布式模型在节点数量不是很多时候实现的高分散性，鲁棒性以及高覆盖率。混合式模型也为大规模的P2P网络提供了可扩展性。

混合式服务模型具有如下特点：网络结构分层明确，系统便于管理，混合式服务模型不因为某个超级节点不能提供服务而导致整个网络的崩溃。混合式服务模型中将完全分布式服务模型的思想应用于超级节点，可以大大减少超级节点数据与信息交换导致的网络消耗，克服了完全分布式泛洪算法的缺点。但是超级节点本身的脆弱性也可能导致其节点簇内的节点处于孤立状态，因此基于超级节点的混合模型方法仍然存在一定的局限性。提高超级节点的抗压能力与高稳定性是P2P混合式服务模型研究的热点。提高超级节点性能，增加基于混合式模型的网络的重叠网络能力是目前研究方向之一。

第四代P2P(发展中的P2P技术)

应该说第四代P2P并没有形成真正的代，而是在原有技术的基础上作了改进，提出和应用了一些新技术措施。典型的有：

(1)动态口选择之一。目前的P2P应用一般使用固定的端口，但是一些公司已经开始引入协议可以动态选择传输口，一般说口的数目在1024~4000之间。甚至P2P流可以用原来用于HTTP(SMTP)的口80(25)来传输以便隐藏。这将使得识别跨运营商网络的P2P流，掌握其流量变得更困难。

(2)双向下载。eD和BT等公司进一步发展引入双向流下载。该项技术可以多路并行下载和上载一个文件和/或多路并行下载一个文件的一部分。而目前传统的体系结构要求目标在完全下载后才能开始上载。这将大大加快文件分发速度。

(3)智能结点弹性重叠网络。智能结点弹性重叠网络是系统应用P2P技术来调度已有的IP承载网资源的新技术，在路由器网络层上设置智能结点用各种链路对等连接，构成网络应用层的弹性重叠网。可以在保持互联网分布自治体系结构前提下、改善网络的安全性、QoS和管理性。智能结点可以在路由器之间交换数据，能够对数据分类(分辩病毒、垃圾邮件)保证安全。通过多个几何上分布的结点观察互联网，共享信息可以了解互联网蠕虫感染范围和性质。提供高性能、可扩张、位置无关消息选路，以确定最近的本地资源位置。改进内容分发。使用智能结点探测互联网路径踪迹并且送回关于踪迹的数据；解决目前互联网跨自治区路径选择方面存在的问题。实现QoS选路，减少丢包和时延，快速自动恢复等。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有版权管理功能的P2P应用的智能节点弹性重叠网，在弹性重叠网中设计一种可以与数字版权管理DRM相结合的智能节点，该智能节点能够实现网络资源分布式检索，能够通过探测网络流量，提供P2P路选，通过为不同级别的用户提供不同级别的P2P路径，达到为不同级别用户提供不同级别的QoS的目的。

本发明提供了一种具有版权管理功能的P2P应用的智能节点弹性重叠网，其网络和硬件分布拓扑示意图见图1，其特征在于，包括中央服务器，超级节点，一般用户节点Peer；

所述的中央服务器：用于提供所有的超级节点和一般用户节点Peer注册功能；所有用户也需要在中央服务器注册，中央服务器存有所有用户的列表以及该用户的资金帐户；

所述的超级节点：超级节点包括内容管理服务器、智能节点服务器和授权服务器三个功能；内容管理服务器提供整个网络中的原始视音频资料；智能节点服务器提供网络流量探测，检索功能，并能根据网络流量提供给P2P多项路径供选择；授权服务器在需要时对内容管理服务器中的内容向某个用户授权；

在网络层面：除在初始化阶段需要向中央服务器注册以外，一个超级节点与连接该超级节点的若干一般用户节点Peer之间构成一个自治的簇，在一个自治簇内，网络结构采用集中式的服务模型，而在整个P2P网络内，各个不同的自治簇互相在以完全分布式的服务模型将超级节点相连起来；

在应用层面：一般用户节点Peer需要在中央服务器注册，并由中央服务器做身份认证，管理帐户资金；超级节点的授权服务器在向用户对某个内容授权时，需要得到中央服务器的身份认证，并从中央服务器的帐户中扣除资金，然后发给用户证书，用户得到证书后才可以播放相应的内容；

一般用户节点Peer，网络层次上由所属的智能节点管理，应用层次上由中央服务器管理。

该网络方案的优点：

1.具备第二代P2P(分散分布网络体系结构——纯P2P网络结构)的优点。智能节点除了提供内容共享服务之外，还提供了内容索引与搜索服务，除初始化时，需要向中央服务器请求身份确认以外，普通节点先向本地所属的自治簇请求服务，只有未查询到结果或者结果不充分的时候，再通过超级节点之间进行有限的泛洪。这样有效地消除分布式服务模型结构中使用泛洪算法带来的网络拥塞、搜索迟缓等不利影响。而且在每个自治簇内部，超级节点负责管理自治簇内部的所有普通节点的行为，这样确保可以在一定的范围内控制节点的恶意攻击行为，防止服务攻击扩散到整个网络中，在一定程度上提高整个网络的可用性以及负载平衡。

2.智能结点弹性重叠网络的应用。智能结点弹性重叠网络是系统应用P2P技术来调度已有的IP承载网资源的新技术，在路由器网络层上设置智能结点用各种链路对等连接，构成网络应用层的弹性重叠网。可以在保持互联网分布自治体系结构前提下、改善网络的安全性、QoS和管理性。智能结点可以在路由器之间交换数据，能够提供高性能、可扩张、位置无关消息选路，以确定最近的本地资源位置，改进内容分发。使用智能结点探测互联网路径踪迹并且送回关于踪迹的数据；解决目前互联网跨自治区路径选择方面存在的问题。实现QoS选路。

3.中央服务器管理所有的用户，用户需要在中央服务器注册，并由中央服务器做身份认证，管理帐户资金。超级节点的授权服务器在向用户对某个内容授权时，需要得到中央服务器的身份认证，并从中央服务器的帐户中扣除资金，然后发给用户证书，用户得到证书后才可以播放相应的内容。授权服务器只对本节点的资源对相应的用户授权。这样的优点是：为分布在不同超级节点的资源授权，有利于超级节点的自治管理，同时又可以通过中央服务器对用户身份的确认和帐户资金进行管理。

附图说明

图1其网络和硬件分布拓扑示意图

图2基于IPv6的广播影视资料P2P内容存取中间件系统智能节点弹性重叠网

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

一种具有版权管理功能的P2P应用的智能节点弹性重叠网，其网络和硬件分布拓扑示意图见图1，包括中央服务器，超级节点，一般用户节点Peer。

具有版权管理功能的P2P应用的智能节点弹性重叠网，其特征在于，包括中央服务器，超级节点，一般用户节点；

所述的中央服务器：用于提供所有的超级节点和一般用户节点注册功能；所有用户也需要在中央服务器注册，中央服务器存有所有用户的列表以及该用户的资金帐户；

所述的超级节点：超级节点包括内容管理服务器、智能节点服务器和授权服务器三个功能；内容管理服务器提供整个网络中的原始视音频资料；智能节点服务器提供网络流量探测、检索功能，并能根据网络流量提供给P2P多项路径供选择；授权服务器在需要时对内容管理服务器中的内容向某个用户授权；

在网络层面：除在初始化阶段需要向中央服务器注册以外，一个超级节点与连接该超级节点的若干一般用户节点之间构成一个自治的簇，在一个自治簇内，网络结构采用集中式的服务模型，而在整个P2P网络内，各个不同的自治簇互相再以完全分布式的服务模型将超级节点相连起来；

在应用层面：一般用户节点需要在中央服务器注册，并由中央服务器做身份认证，管理帐户资金；超级节点的授权服务器在向用户对某个内容授权时，需要得到中央服务器的身份认证，并从中央服务器的帐户中扣除资金，然后发给用户证书，用户得到证书后才可以播放相应的内容；

一般用户节点，网络层次上由所属的智能节点管理，应用层次上由中央服务器管理。

一般用户节点登录后，首先在自己归属的智能节点查询内容，若本智能节点查询不到，可以泛洪到其他智能节点检索，并把结果返回给用户节点。用户节点选中某个内容后，智能节点可以根据已探测的网络流量状况，根据P2P路径中的跳转数、路径带宽因素，计算P2P传输路径的优先级，并根据优先级提供多个P2P路选，通过为不同级别的用户提供不同级别的P2P路径，达到为不同级别用户提供不同级别的QoS的目的。

本发明运行在CNGI IPv6网络上，部署1个中央服务器、20个超级节点和200个一般用户节点Peer，如图2所示，经过大量测试，表明本发明中在网络层次能够实现分布式搜索、网络探测、P2P路径选择以提高Qos以及自治式管理等功能。在应用层次上，能够在每个超级节点对本节点内容向不同用户实施授权，起到权限管理的作用，并和帐户管理相结合，实现与数字版权管理相关的运营管理机制。

该发明把P2P传输机制和数字版权管理机制有效结合，使用户既能通过P2P机制快速分发资源，并且根据用户的级别提供Qos，而且还通过版权机制实现了对用户播放权限的管理，有效地保护了超级节点的资源。

Claims (1)

1.具有版权管理功能的P2P应用的智能节点弹性重叠网，其特征在于，包括中央服务器，超级节点，一般用户节点；

所述的中央服务器：用于提供所有的超级节点和一般用户节点注册功能；所有用户也需要在中央服务器注册，中央服务器存有所有用户的列表以及该用户的资金帐户；

所述的超级节点：超级节点包括内容管理服务器、智能节点服务器和授权服务器三个功能；内容管理服务器提供整个网络中的原始视音频资料；智能节点服务器提供网络流量探测、检索功能，并能根据网络流量提供给P2P多项路径供选择；授权服务器在需要时对内容管理服务器中的内容向某个用户授权；

在网络层面：除在初始化阶段需要向中央服务器注册以外，一个超级节点与连接该超级节点的若干一般用户节点之间构成一个自治的簇，在一个自治簇内，网络结构采用集中式的服务模型，而在整个P2P网络内，各个不同的自治簇互相再以完全分布式的服务模型将超级节点相连起来；

在应用层面：一般用户节点需要在中央服务器注册，并由中央服务器做身份认证，管理帐户资金；超级节点的授权服务器在向用户对某个内容授权时，需要得到中央服务器的身份认证，并从中央服务器的帐户中扣除资金，然后发给用户证书，用户得到证书后才可以播放相应的内容；

一般用户节点，网络层次上由所属的智能节点管理，应用层次上由中央服务器管理。

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