JXTA網(wǎng)絡(luò)中的P2P通信

劉班

摘 要：JXTA網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的通信問題是開發(fā)基于JXTA協(xié)議的應(yīng)用程序必須要解決的技術(shù)難題，本文針對JXTA網(wǎng)絡(luò)中的發(fā)現(xiàn)廣告和節(jié)點(diǎn)、穿越防火墻和NAT以及在節(jié)點(diǎn)之間路由消息等問題進(jìn)行了比較詳細(xì)的論述。

關(guān)鍵詞：JXTA;P2P;廣告;節(jié)點(diǎn);防火墻;NAT

在P2P網(wǎng)絡(luò)中要解決的基本問題是在聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間如何交換服務(wù)，而解決這個問題首先需要找到兩個問題的答案：一個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何才能找到P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和服務(wù);在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的一個聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何才能加入到P2P網(wǎng)絡(luò)中。第一個問題是非常重要的，因?yàn)槿绻荒苤谰W(wǎng)絡(luò)中一個節(jié)點(diǎn)或一個服務(wù)的存在，對于一個設(shè)備而言就不可能使用那個服務(wù)。第二個問題也是重要的，因?yàn)镻2P網(wǎng)絡(luò)中的很多設(shè)備都被一些專門設(shè)計(jì)用來阻止來自兩個不同內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行直接連接的網(wǎng)絡(luò)裝置隔離。

1 發(fā)現(xiàn)廣告

在基于JXTA構(gòu)建的P2P網(wǎng)絡(luò)中，幾乎任何一個JXTA網(wǎng)絡(luò)資源都可以表示為廣告，這個特性大大簡化了發(fā)現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)組、管道以及端點(diǎn)的問題，只需找到表示那些資源的廣告，就相當(dāng)于找到了對應(yīng)的資源。

P2P網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)能使用三種技術(shù)發(fā)現(xiàn)一個廣告：即，本地發(fā)現(xiàn)技術(shù)、直接發(fā)現(xiàn)技術(shù)以及間接發(fā)現(xiàn)技術(shù)。第一種發(fā)現(xiàn)技術(shù)不需要聯(lián)網(wǎng)，可以將其看作一種消極被動的發(fā)現(xiàn)技術(shù)。后兩種發(fā)現(xiàn)技術(shù)需連接網(wǎng)絡(luò)后才能執(zhí)行查詢操作，可將其看作是一種積極主動的發(fā)現(xiàn)技術(shù)。

1.1 本地發(fā)現(xiàn)

對于節(jié)點(diǎn)而言，最簡單的發(fā)現(xiàn)廣告技術(shù)是在本地緩存中發(fā)現(xiàn)廣告。盡管這種技術(shù)看起來很簡單，但該技術(shù)可以有效地減少由節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)流量，同時(shí)也可以使節(jié)點(diǎn)瞬間獲得結(jié)果。

在最簡單的情況下，節(jié)點(diǎn)本地緩存只包含一個文本文件，該文件中列出了該節(jié)點(diǎn)以前發(fā)現(xiàn)的集合節(jié)點(diǎn)的IP地址和端口號，以此提供一個積極發(fā)現(xiàn)的起點(diǎn)。而在較復(fù)雜的情況下，節(jié)點(diǎn)緩存中有一個包含了該節(jié)點(diǎn)以前發(fā)現(xiàn)的所有廣告的數(shù)據(jù)庫。節(jié)點(diǎn)緩存甚至可能是被硬編碼到P2P應(yīng)用中，盡管這會限制P2P應(yīng)用的靈活性。

使用節(jié)點(diǎn)本地廣告緩存的一個缺點(diǎn)是緩存中的廣告可能已經(jīng)過期，這種過期的廣告所描述的資源是不可用的，這時(shí)如果一個節(jié)點(diǎn)試圖去使用一個過期廣告對應(yīng)的資源就會出問題。盡管使用緩存發(fā)現(xiàn)廣告可能減少網(wǎng)絡(luò)的流量，但如果節(jié)點(diǎn)使用一個過期的廣告，反而會增加網(wǎng)絡(luò)的流量，這是因?yàn)楫?dāng)一個節(jié)點(diǎn)試圖去使用一個網(wǎng)絡(luò)上的資源，但發(fā)現(xiàn)那個資源不再可用，這個節(jié)點(diǎn)就會使用積極發(fā)現(xiàn)的方法，在這種情況下，這個節(jié)點(diǎn)就相當(dāng)于訪問了兩次網(wǎng)絡(luò)，而節(jié)點(diǎn)如果單純用積極發(fā)現(xiàn)的方法，則只需訪問一次網(wǎng)絡(luò)。

為了減少廣告過期的可能，緩存可以采用使廣告失效的方法將過期廣告從其中刪除。一種使廣告失效的方法是在每個廣告中加入一個時(shí)間標(biāo)記。當(dāng)一個廣告被發(fā)現(xiàn)后，就在其中加入時(shí)間標(biāo)記，同時(shí)設(shè)置廣告的最長有效期，這樣在使用一個廣告之前，緩存會檢查廣告的時(shí)間標(biāo)記，如果認(rèn)為其不再有效，就將其刪除。緩存會周期性地檢查其中過期的廣告，以此減少存儲消耗和提高響應(yīng)速度。緩存可能使用的另一種使廣告失效的技術(shù)是先進(jìn)先出的廣告棧技術(shù)，這種技術(shù)將廣告緩存看作是一個棧，當(dāng)該緩存裝滿了廣告之后，如果這時(shí)又有新發(fā)現(xiàn)的廣告要存入，則緩存會先刪除其中最老的廣告，然后再執(zhí)行新廣告存入操作。

1.2 直接發(fā)現(xiàn)

在同一個局域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)，能夠不依靠中間的集合節(jié)點(diǎn)的幫助而直接發(fā)現(xiàn)對方。直接發(fā)現(xiàn)技術(shù)需要節(jié)點(diǎn)使用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膹V播或多播能力。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)通過直接發(fā)現(xiàn)機(jī)制被發(fā)現(xiàn)后，節(jié)點(diǎn)就可以通過直接和這些被發(fā)現(xiàn)的節(jié)點(diǎn)通信的方式來發(fā)現(xiàn)其他的廣告，而不需要使用廣播或多播的能力。但是，這種發(fā)現(xiàn)技術(shù)要求節(jié)點(diǎn)必須限制在本地局域網(wǎng)內(nèi)，而且一般不能用于發(fā)現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)外的其它節(jié)點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)外的其它節(jié)點(diǎn)和廣告，需要使用基于集合節(jié)點(diǎn)的間接發(fā)現(xiàn)技術(shù)。

1.3 間接發(fā)現(xiàn)

間接發(fā)現(xiàn)技術(shù)需要借助集合節(jié)點(diǎn)代替節(jié)點(diǎn)執(zhí)行發(fā)現(xiàn)操作。本地局域網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)可以用該技術(shù)找到其它節(jié)點(diǎn)，而不需用廣播或多播能力，同時(shí)本地網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)也可用該技術(shù)去發(fā)現(xiàn)本地網(wǎng)絡(luò)外的節(jié)點(diǎn)。

集合節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)提供了兩種可能的方式執(zhí)行發(fā)現(xiàn)操作：傳播方式：集合節(jié)點(diǎn)發(fā)送發(fā)現(xiàn)請求給網(wǎng)絡(luò)上它知道的那些節(jié)點(diǎn)，其中包括其它的集合節(jié)點(diǎn)和一般的節(jié)點(diǎn);緩存廣告方式：和一般節(jié)點(diǎn)利用緩存廣告的機(jī)制來減少網(wǎng)絡(luò)流量一樣，集合節(jié)點(diǎn)也能夠利用緩存廣告機(jī)制響應(yīng)其它節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)請求。這兩種技術(shù)為集合節(jié)點(diǎn)緩存大量的廣告以及服務(wù)大量的一般節(jié)點(diǎn)提供了一種有效的解決方案。集合節(jié)點(diǎn)能夠?qū)碜砸话愎?jié)點(diǎn)或其它集合節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)廣告緩存起來方便以后使用，從而更進(jìn)一步減少了網(wǎng)絡(luò)流量、提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

盡管緩存廣告機(jī)制減少了發(fā)現(xiàn)資源所需的網(wǎng)絡(luò)流量，但如果沒有任何限制地傳播發(fā)現(xiàn)請求給其它集合節(jié)點(diǎn)，那么就會導(dǎo)致P2P網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)堵塞。為了防止發(fā)現(xiàn)請求的無限制地傳播，發(fā)現(xiàn)請求所在消息通常會包含一個TTL屬性，該屬性的含義是一個發(fā)現(xiàn)請求可在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間傳播的最大次數(shù)。當(dāng)一個集合節(jié)點(diǎn)接收到一個包含發(fā)現(xiàn)請求的消息后，這個集合節(jié)點(diǎn)會將該消息的TTL原值減1，如果減1后TTL值為0，則這個集合節(jié)點(diǎn)會將該消息丟棄，否則這個集合節(jié)點(diǎn)會將該消息繼續(xù)傳播到其它節(jié)點(diǎn)。

2 發(fā)現(xiàn)集合節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)

對于大多數(shù)內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)而言，找到集合節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)對于其能否加入P2P網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。由于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中防火墻的限制，一個內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)沒有能力利用直接發(fā)現(xiàn)機(jī)制發(fā)現(xiàn)位于內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之外的其它節(jié)點(diǎn)，然而該節(jié)點(diǎn)仍然能夠利用內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中的集合節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)執(zhí)行間接發(fā)現(xiàn)操作。

在大多數(shù)P2P應(yīng)用中，最容易使一個節(jié)點(diǎn)找到集合節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的方法是在該節(jié)點(diǎn)中植入固定的一套集合點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的地址，這些集合節(jié)點(diǎn)和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)通常都具有靜態(tài)的或可解析的IP地址，并且被其它節(jié)點(diǎn)用作進(jìn)入P2P網(wǎng)絡(luò)的入口。一個位于防火墻后的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以使這些靜態(tài)的集合節(jié)點(diǎn)作為發(fā)現(xiàn)其它節(jié)點(diǎn)和服務(wù)的起點(diǎn)，同時(shí)能夠使用一系列轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)穿越防火墻連接其它節(jié)點(diǎn)。

3 穿越防火墻/NAT

NAT和防火墻的聯(lián)合使用將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)P2P通信的不便。如果連接不是由內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主動發(fā)起的，那么外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)就無法和內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接通信，而且防火墻也可以基于連接使用的協(xié)議或目標(biāo)節(jié)點(diǎn)IP及端口號阻止該連接。

內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以用來解決這個問題的工具是其自身擁有的與防火墻/NAT外部的外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主動建立連接的能力。內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以使用防火墻允許的協(xié)議穿越防火墻，建立和外部網(wǎng)絡(luò)的連接。通過從內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)建立初始連接，在NAT路由表中必要的內(nèi)外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)IP地址及端口號的映射關(guān)系就會建立起來，從而使一個外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。然而，如果防火墻被配置成阻止所有的對外連接，那么內(nèi)外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間的通信就完全不能進(jìn)行了。

在大多數(shù)公司的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，幾乎所有的防火墻都允許內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)基于HTTP協(xié)議對外部網(wǎng)絡(luò)發(fā)送連接請求，但HTTP協(xié)議并沒有為外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)提供穿越防火墻去主動連接內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的功能。為了解決這個問題，防火墻后的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)利用位于防火墻外部或防火墻外部可見的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穿越防火墻的功能。一個試圖和防火墻后的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)主動連接的外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以先與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)連接，防火墻后的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)再周期性地連接轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并從中取出外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)傳入的消息。該技術(shù)必須使用防火墻和轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)可以都可以理解的協(xié)議進(jìn)行消息的傳輸。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)可以有效地在用于P2P通信的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議和用于穿越防火墻的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4 在節(jié)點(diǎn)間路由消息

在防火墻或NAT位于兩個節(jié)點(diǎn)之間的情況下，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)就必須用于在外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和位于防火墻后的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間代理一個連接。在只有一個防火墻分隔源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的簡單情況下，只需要一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。而在源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)各有一個防火墻或NAT保護(hù)的復(fù)雜情況下，就需要使用多個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)穿越雙方的防火墻/NAT的功能。

4.1 穿越單一防火墻/NAT

一個位于防火墻或NAT后面的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以通過三個步驟向另一個外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息：位于防火墻/NAT后的內(nèi)網(wǎng)源節(jié)點(diǎn)使用可以穿越防火墻的協(xié)議（比如HTTP協(xié)議）連接轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并請求轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)一個消息到外網(wǎng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn);轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)接受來自位于防火墻后的內(nèi)網(wǎng)源節(jié)點(diǎn)的連接，并代表該節(jié)點(diǎn)初始化和外網(wǎng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的連接，這個連接使用轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和外網(wǎng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)共同使用的協(xié)議;消息從內(nèi)網(wǎng)源節(jié)點(diǎn)經(jīng)由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到外網(wǎng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)充當(dāng)了內(nèi)網(wǎng)源節(jié)點(diǎn)的代理。

為了讓一個外網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送消息到位于防火墻/NAT后的內(nèi)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，外網(wǎng)源節(jié)點(diǎn)必須知道描述了能將消息路由到內(nèi)網(wǎng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的一個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的路由信息，該路由信息可以通過向P2P網(wǎng)絡(luò)發(fā)送發(fā)現(xiàn)請求獲得。

4.2 穿越兩個防火墻/NAT

大多數(shù)位于Internet邊緣的節(jié)點(diǎn)很可能被防火墻/NAT保護(hù)起來。因此，任何從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的消息可能需要穿越兩個防火墻/NAT邊界。穿越兩個防火墻的過程與穿越一個防火墻的過程非常相似，基本上就是兩個方向的單防火墻穿越方案的結(jié)合。

5 結(jié)語

在JXTA網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)現(xiàn)廣告和各類節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行P2P通信的基礎(chǔ)，而穿越防火墻和NAT在節(jié)點(diǎn)間路由消息是P2P通信過程中必須解決的技術(shù)難題，本文在原理上針對這些問題進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析，為基于JXTA協(xié)議的P2P應(yīng)用程序開發(fā)提供了理論依據(jù)。

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