Нашли ошибку или опечатку? Выделите текст и нажмите

Поменять цветовую

гамму сайта?

Поменять
Обновления сайта
и новые разделы

Рекомендовать в Google +1

Сеть P2P

93

Технология организации одноранговых сетей (peer-to-peer networking), часто называемая технологией P2P, является одной из самых полезных и при этом часто неправильно понимаемых среди средств, появившихся в последние несколько лет. Когда люди думают о P2P, им на ум, как правило, приходит лишь одна вещь: возможность обмена музыкальными или видео файлами, зачастую незаконным образом. Это связано с тем, что приложения для обмена файлами наподобие BitTorrent стали очень популярными, а в них для работы используется именно технология P2P.

Однако, хотя технология P2P применяется в приложениях для обмена файлами, это вовсе не означает, что она не может использоваться в других приложениях. На самом деле эта технология может применяться в целом ряде других приложений, и она становится все более и более важной в современном мире повсеместных коммуникаций.

В Microsoft тоже не обошли стороной появление технологии P2P и стали разрабатывать собственные инструменты и средства для ее применения. Так появилась платформа Microsoft Windows Peer-to-Peer Networking, исполняющая роль своего рода каркаса для коммуникаций в приложениях P2P. В состав этой платформы входят такие важные компоненты, как PNRP (Peer Name Resolution Protocol — протокол преобразования имен членов) и PNM (People Near Me — соседние пользователи).

Кроме того, в версию .NET Framework 3.5 было включено новое пространство имен System.Net.PeerToPeer и несколько новых типов и средств, позволяющих создавать приложения P2P с минимальными усилиями.

Обзор технологии P2P

Технология P2P представляет собой альтернативный подход к организации сетевых коммуникаций. Для того чтобы понять, чем P2P отличается от "стандартного" подхода к обеспечению коммуникаций, не помешает сделать шаг назад и вспомнить, что собой представляет связь типа "клиент-сервер". Коммуникации такого типа очень часто применяется в современных сетевых приложениях.

Архитектура типа "клиент-сервер"

Традиционно взаимодействие с приложениями по сети (в том числе Интернет) организуется с использованием архитектуры типа "клиент-сервер". Прекрасным примером могут служить веб-сайты. При просмотре веб-сайта происходит отправка по Интернет соответствующего запроса веб-серверу, который затем возвращает требуемую информацию. Если необходимо загрузить какой-то файл, это делается напрямую с веб-сервера.

Аналогично, настольные приложения, имеющие возможность подключения к локальной или глобальной сети, обычно устанавливают соединение с каким-то одним сервером, например, сервером баз данных или сервером, предоставляющим набор служб.

На рисунке ниже показан простой вариант архитектуры типа "клиент-сервер":

Простой вариант архитектуры клиент-сервер

Ничего по сути неправильного в такой архитектуре нет, и на самом деле во многих случаях она будет оказываться именно тем, что нужно. Однако ей присуща проблема с масштабируемостью. На следующем рисунке показано, как она будет масштабироваться при добавлении дополнительных клиентов:

Масштабирование архитектуры клиент-сервер при добавлении дополнительных клиентов

С добавлением каждого клиента нагрузка на сервер, который должен взаимодействовать с каждым клиентом, будет увеличиваться. Если снова взять пример с веб-сайтом, то такое увеличение нагрузки может стать причиной выхода веб-сайта из строя. При слишком большом трафике сервер просто перестанет реагировать на запросы.

Конечно, существуют варианты масштабирования, с помощью которых можно смягчить подобную ситуацию. Один из них предусматривает масштабирование "вверх" за счет увеличения мощи и ресурсов сервера, а другой — масштабирование "вширь" путем добавления дополнительных серверов. Первый способ, естественно, ограничивается доступными технологиями и стоимостью более мощного оборудования. Второй способ потенциально более гибкий, но требует добавления дополнительного уровня в инфраструктуру для обеспечения клиентов возможностью либо взаимодействовать с отдельными серверами, либо поддерживать состояние сеанса независимо от сервера, с которым осуществляется взаимодействие. Для этого доступна масса решений, таких как продукты, позволяющие создавать веб-фермы или фермы серверов.

Архитектура типа P2P

Одноранговый (peer-to-peer) подход полностью отличается от подхода с масштабированием "вверх" или "вширь". В случае применения P2P вместо того, чтобы сосредоточить усилия на попытках улучшить коммуникации между сервером и его клиентами, все внимание уделяется поиску способов, которыми клиенты могут взаимодействовать между собой.

Давайте для примера представим, что веб-сайтом, с которым взаимодействуют клиенты, является www.williamspublishing.com, а издательство Williams объявило о выходе новой книги на этом сайте и предоставлении его для бесплатной загрузки всем желающим, но лишь на протяжении одного дня. Не трудно догадаться, что при таком положении дел накануне появления книги веб-сайт начнет просматривать масса людей, которые будут постоянно обновлять его содержимое в своих браузерах и ожидать появления файла. Как только файл станет доступным, все они одновременно начнут пытаться загрузить его и, скорее всего, веб-сервер, который обслуживает веб-сайт, не выдержит такого натиска и выйдет из строя.

Чтобы предотвратить выход веб-сервера из строя, можно воспользоваться технологией P2P. Вместо отправки файла прямо с сервера сразу всем клиентам он может быть отправлен только определенному числу клиентов. Несколько остальных клиентов могут далее загрузить его у тех клиентов, у которых он уже есть. После этого еще несколько клиентов могут загрузить его у клиентов, получивших его вторыми, и т.д. По сути, этот процесс может происходить даже быстрее благодаря разбиению файла на куски и распределению этих кусков среди клиентов, одни из которых будут загружать их прямо с сервера, а другие — из других клиентов. Именно так и работают технологии файлообменных систем вроде BitTorrent, как показано на рисунке:

Пример архитектуры P2P

Особенности архитектуры P2P

Тем не менее, в описанной здесь архитектуре обмена файлами все равно остались кое-какие проблемы, которые должны быть решены. Для начала, каким образом клиенты узнают о том, что существуют другие клиенты, и как они будут обнаруживать фрагменты файла, которые, возможно, имеются у других клиентов? Кроме того, каким образом гарантировать оптимальное взаимодействие между клиентами, если их могут отделять друг от друга континенты?

Каждый клиент, участвующий в работе сетевого приложения P2P, для преодоления этих проблем должен быть способен выполнять следующие операции:

  1. обнаруживать других клиентов;

  2. подключаться к другим клиентам;

  3. взаимодействовать с другими клиентами.

В том, что касается способности обнаруживать других клиентов, возможны два очевидных решения: поддержка списка клиентов на сервере, чтобы клиенты могли получать его и связываться с другими клиентами (называемыми peers— равноправными участниками), либо использование инфраструктуры (например, PNRP), которая позволяет клиентам обнаруживать друг друга напрямую. В большинстве файлообменных систем применяется решение с поддержкой списка на сервере и используются серверы, называемые "трекерами" (trackers).

В файлообменных системах в роли сервера может также выступать и любой клиент, как показано на рисунке выше, объявляя, что у него имеется доступный файл, и регистрируя его на сервере-трекере. На самом деле в чистой сети P2P вообще не нужны никакие серверы, а лишь равноправные участники.

Проблема подключения к другим клиентам является более тонкой и распространяется на всю структуру используемой приложением P2P сети. При наличии одной группы клиентов, в которой все должны иметь возможность взаимодействовать друг с другом, топология соединений между этими клиентами может приобретать чрезвычайно сложный вид. Зачастую производительность удается улучшать за счет создания нескольких групп клиентов с возможностью установки подключения между клиентами в каждой из них, но не с клиентами в других группах.

В случае создания этих групп по принципу локальности можно добиться дополнительного повышения производительности, поскольку в таком случае клиенты получают возможность взаимодействовать друг с другом по более коротким (с меньшим числом прыжков) сетевым путям между машинами.

Способность взаимодействовать с другими клиентами, пожалуй, не так важна, поскольку существуют хорошо зарекомендовавшие себя протоколы вроде TCP/IP, которые вполне могут применяться и здесь. Конечно, допускается привносить свои улучшения, как в высокоуровневые технологии (например, использовать службы WCF, получая в распоряжение все предлагаемые ими функциональные возможности), так и в низкоуровневые протоколы (например, применять протоколы многоадресной рассылки и тем самым обеспечивать отправку данных во множество конечных точек одновременно).

Обеспечение клиентов возможностью обнаруживать, подключаться и взаимодействовать друг с другом играет центральную роль в любой реализации P2P.

Терминология P2

В предыдущих разделах уже было представлено понятие равноправного участника (peer) — именно так называют клиентов в сети P2P. Слово "клиент" в сети P2P не имеет никакого смысла, потому что здесь нет обязательного сервера, клиентом которого нужно быть.

Группы равноправных участников, которые соединяются друг с другом, называются ячейками (meshes), облаками (clouds) или графами (graphs). Каждая отдельная группа считается хорошо соединенной, если соблюдено хотя бы какое-то одно из следующих условий:

  • Между каждой парой равноправных участников существует путь соединения, позволяющий каждому участнику подключаться к другому равноправному участнику требуемым образом.

  • Между каждой парой равноправных участников существует относительно небольшое количество соединений, по которым они могут связываться.

  • Удаление одного равноправного участника из группы не лишает остальных равноправных участников возможности взаимодействия друг с другом.

Обратите внимание, что это вовсе не означает, что каждый равноправный участник должен обязательно иметь возможность подключаться к каждому другому равноправному участнику напрямую. На самом деле, если проанализировать сеть с математической точки зрения, то можно обнаружить, что для соблюдения упомянутых выше условий равноправным участникам необходимо иметь возможность подключаться к относительно небольшому количеству других равноправных участников.

Еще одним понятием в технологии P2P, о котором следует знать, является волновое распространение(flooding). Под волновым распространением подразумевается способ, которым один фрагмент данных может передаваться по сети всем равноправным участникам и которым может производиться опрос других узлов в сети для обнаружения конкретного фрагмента данных. В неструктурированных сетях P2P этот процесс протекает довольно произвольно; при этом сначала устанавливается связь с ближайшими соседними равноправными участниками, которые затем, в свою очередь, связываются со своими ближайшими соседями, и т.д. до тех пор, пока не будет охвачен каждый равноправный участник в сети.

Также допускается создавать и структурированные сети P2P с четко определенными путями, по которым должно происходить распространение запросов и данных среди равноправных участников.

Решения P2P

При наличии подходящей инфраструктуры для P2P можно начинать разрабатывать не просто улучшенные версии клиент-серверных приложений, но и совершенно новые приложения. Технология P2P особенно подходит для приложений следующих классов:

  • приложения, предназначенные для распространения содержимого, в том числе упоминавшиеся ранее приложения обмена файлами;

  • приложения, предназначенные для совместной работы, такие как приложения, позволяющие открывать общий доступ к рабочему столу и "белой доске" (whiteboard);

  • приложения, предназначенные для обеспечения многопользовательской связи и позволяющие пользователям общаться и обмениваться данными напрямую, а не через сервер;

  • приложения, предназначенные для распределения обработки, как альтернатива приложениям для суперкомпьютеров, которые обрабатывают огромные объемы данных;

  • приложения Web 2.0, объединяющие в себе некоторые или все перечисленные выше приложения и превращающие их в динамические веб-приложения следующего поколения.

Пройди тесты