利用P2P組建WIFI移動共享網(wǎng)絡(luò)

利用P2P組建WIFI移動共享網(wǎng)絡(luò)

第一章緒論1.1研究背景近年來，對等網(wǎng)絡(luò)(PeertoPeer:Network,簡稱P2P)因其具有大規(guī)模數(shù)據(jù)共享、并行計(jì)算以及協(xié)同合作等能力，并有自適應(yīng)性、自組織性、可擴(kuò)展性、魯棒性、容錯性以及負(fù)載均衡性等優(yōu)點(diǎn)，從而在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。P2P目前已成為互聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用之一，許多文獻(xiàn)紛紛表明P2P文件共享系統(tǒng)在固定Internet網(wǎng)絡(luò)上所產(chǎn)生的流量己經(jīng)超過了http和emall的流量，可達(dá)主干網(wǎng)流量的60%。另據(jù)我國電信運(yùn)營商的統(tǒng)計(jì)，P2P數(shù)據(jù)流量白天占總流量的35%—60%，晚上甚至高達(dá)50%—90%。另一方面，隨著藍(lán)牙、WIFi、WIMax以及衛(wèi)星通信等無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫、分布式計(jì)算等各領(lǐng)域的發(fā)展，移動計(jì)算技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，從而大大地?cái)U(kuò)展了計(jì)算設(shè)備的通信功能如：智能手機(jī)和筆記本電腦，并逐步解決了不同網(wǎng)絡(luò)的接入和無縫計(jì)算問題，提供隨時(shí)隨地能夠交換和處理信息的能力"隨著移動無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本以及移動終端設(shè)備價(jià)格的下降、使用范圍的普及，基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用正廣泛地進(jìn)入到我們的日常生活中。據(jù)英國廣播公司(BBC)報(bào)道稱，聯(lián)合國有關(guān)機(jī)構(gòu)調(diào)查顯示，在2014年底，世界上移動通信設(shè)備用戶總數(shù)將會超過世界總?cè)丝跀?shù)。另外，不需任何基礎(chǔ)設(shè)施就能快速部署，幾乎不用任何管理中心支持的移動自組網(wǎng)(MANET)，作為基于基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要補(bǔ)充也開始閃亮登場?？梢哉f，我們正在進(jìn)入一個(gè)無處不在的移動計(jì)算時(shí)代。P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)以及移動計(jì)算這兩大技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用的普及就為在移動環(huán)境下構(gòu)建P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)，滿足人們“隨時(shí)隨地，移動共享”的P2P應(yīng)用需求提供了極大的可能，也為在不存在基礎(chǔ)設(shè)施或基礎(chǔ)設(shè)施已被破壞的一些特殊環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)P2P資源共享帶來了希望，比如為在海洋上漂泊的船員!在高空翱翔的乘客以及在戰(zhàn)場作戰(zhàn)的戰(zhàn)士們提供了P2P資源共享的可能。移動計(jì)算將給P2P應(yīng)用提供一個(gè)新的平臺，而P2P技術(shù)也將進(jìn)一步促進(jìn)移動計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，給移動通信網(wǎng)絡(luò)注入了新的生機(jī)和活力。因此，可以預(yù)見在移動環(huán)境下實(shí)現(xiàn)P2P覆蓋網(wǎng)絡(luò)將具有重大的研究意義和廣闊的應(yīng)用前景。然而，P2P技術(shù)和移動計(jì)算技術(shù)的結(jié)合并非是渾然天成的機(jī)械式組合，而需要系統(tǒng)地兼并考慮各自的技術(shù)特點(diǎn)及其帶來的影響。比如，移動環(huán)境的特殊性將可能給P2P構(gòu)建帶來這幾個(gè)問題:高度動態(tài)性、帶寬有限性、連接的不可靠性以及移動設(shè)備的能力受限性等。而這些特性都將可能給構(gòu)建移動P2P網(wǎng)絡(luò)帶來諸多的挑戰(zhàn)，包括移動環(huán)境下的P2P網(wǎng)絡(luò)的高效資源定位與獲取、網(wǎng)絡(luò)安全以及如何適應(yīng)一些具體的應(yīng)用場景等問題，這些問題都有待我們深入研究和解決。第二章P2P網(wǎng)絡(luò)簡介2.1P2P網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)PZP打破了傳統(tǒng)的client/server(C/S)模式，在網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位都是對等的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)服務(wù)器，為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，同時(shí)也享用其他節(jié)點(diǎn)提供的服務(wù)。P2P與C/S模式的對比如圖1.1所示圖1.1C/S模式與P2P模式的比較P2P相應(yīng)地具有如下特點(diǎn)：?非中心化。網(wǎng)絡(luò)中的資源和服務(wù)分散在所有節(jié)點(diǎn)上，信息的傳輸和服務(wù)的實(shí)現(xiàn)都直接在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載；?可擴(kuò)展性較好。在P2P網(wǎng)絡(luò)中，用戶數(shù)量越大，系統(tǒng)整體的資源和服務(wù)能力越強(qiáng)，始終能較容易地滿足用戶的需要；?健壯性。P2P架構(gòu)具有高度抗攻擊!高容錯的優(yōu)點(diǎn)。由于服務(wù)是分散在各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行的，部分節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)遭到破壞對其它部分的影響較?。?較高的性價(jià)比。性能優(yōu)勢是P2P被廣泛關(guān)注的一個(gè)重要原因。采用P2P架構(gòu)可以有效地利用互聯(lián)網(wǎng)中散布的大量普通節(jié)點(diǎn)，將計(jì)算任務(wù)或存儲資料分布到所有節(jié)點(diǎn)上"利用其中閑置的計(jì)算能力或存儲空間，達(dá)到高性能計(jì)算和海量存儲的日的"通過利用網(wǎng)絡(luò)中的大量空閑資源，可以用更低的成本提供更高的計(jì)算和存儲能力；?隱私保護(hù)"在PZP網(wǎng)絡(luò)中，由于信息的傳輸分散在各節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行而無需經(jīng)過某個(gè)集中環(huán)節(jié)，用戶的隱私信息被竊聽和泄漏的可能性大大縮小"這一點(diǎn)也是手機(jī)上信息服務(wù)選擇PZP的原因之一；?負(fù)載均衡"PZP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是服務(wù)器又是客戶機(jī)，減少了對傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)服務(wù)器計(jì)算能力!存儲能力的要求，同時(shí)因?yàn)橘Y源分布在多個(gè)節(jié)點(diǎn)，更好的實(shí)現(xiàn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。2.2P2P網(wǎng)絡(luò)的分類首先根據(jù)P2P發(fā)展的不同階段及相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)將其分為:第一代集中式P2P網(wǎng)絡(luò)!第二代分布式P2P網(wǎng)絡(luò)和第三代混合式PZP網(wǎng)絡(luò)，如圖2.1所示某一代填申式It..Jt井布式地三代愜合宜圖2.1P2P體系結(jié)構(gòu)分類集中式PZP有利于網(wǎng)絡(luò)資源的快速檢索，并且只要服務(wù)器能力足夠強(qiáng)大就可以無限擴(kuò)展,但是其中心化的模式容易遭到直接的攻擊;分布式PZP解決了抗攻擊問題，但是又缺乏快速搜索和可擴(kuò)展性"混合式PZP結(jié)合了集中式和分布式PZP的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)思想和處理能力上都得到了進(jìn)一步的優(yōu)化"它在分布式模式的基礎(chǔ)上，將用戶節(jié)點(diǎn)按能力進(jìn)行分類，使某些節(jié)點(diǎn)擔(dān)任特殊的任務(wù)"其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如前面的圖1.2右圖所示"這些節(jié)點(diǎn)共分為3種?用戶節(jié)點(diǎn):普通節(jié)點(diǎn)，它不具有任何特殊的功能"?搜索節(jié)點(diǎn):處理搜索請求，從它們的“孩子”節(jié)點(diǎn)中搜索文件列表，這些節(jié)點(diǎn)必須有較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，需要高性能的處理器"?索引節(jié)點(diǎn):連接速度快!內(nèi)存充足的節(jié)點(diǎn)可以作為索引節(jié)點(diǎn)"索引節(jié)點(diǎn)用于保存可利用的搜索節(jié)點(diǎn)信息,并搜集狀態(tài)信息，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息.一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以既是搜索節(jié)點(diǎn)又是索引節(jié)點(diǎn)。用戶節(jié)點(diǎn)可以選擇幾個(gè)搜索節(jié)點(diǎn)作為它的“父”節(jié)點(diǎn)，如果父節(jié)點(diǎn)接受該用戶節(jié)點(diǎn)作為它的“孩子”的話，那么該用戶節(jié)點(diǎn)就可以提交其所要共享的列表給它的“父”節(jié)點(diǎn)。搜索節(jié)點(diǎn)可以維護(hù)多個(gè)“孩子”節(jié)點(diǎn)。在第三代PZP的軟件體系結(jié)構(gòu)中，采用了這種混合式PZP結(jié)構(gòu)。這種模式的關(guān)鍵之一是引入了索引節(jié)點(diǎn),索引節(jié)點(diǎn)不會直接連接到有版權(quán)的資料上，它就像搜索引擎一樣，只是搜索和所需資料相關(guān)的地址，至于用戶到底連接下載了什么內(nèi)容則和它無關(guān)"這種模式的關(guān)鍵之二是引入搜索節(jié)點(diǎn)，搜索節(jié)點(diǎn)管理著所屬用戶的文件列表"用戶節(jié)點(diǎn)通過索引節(jié)點(diǎn)獲得搜索節(jié)點(diǎn)信息，之后用戶節(jié)點(diǎn)就與獲得的搜索節(jié)點(diǎn)相連，每一次查詢都通過該搜索節(jié)點(diǎn)進(jìn)行"當(dāng)用戶發(fā)出搜索請求后，如果和用戶節(jié)點(diǎn)直接相連的搜索節(jié)點(diǎn)查詢結(jié)果達(dá)到200個(gè)（這里的200個(gè)搜索結(jié)果,可以由用戶自己來設(shè)定）就停止;如果不足200個(gè)，就向相鄰的搜索節(jié)點(diǎn)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(diǎn)都被搜索到為止"若所有的搜索節(jié)點(diǎn)都被訪問過，就意味著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)都被搜索到了，其速度要比純PZP模式快得多"混合式結(jié)構(gòu)也是一個(gè)層次式結(jié)構(gòu)，超級點(diǎn)之間構(gòu)成一個(gè)高速轉(zhuǎn)發(fā)層，超級節(jié)點(diǎn)和所負(fù)責(zé)的普通節(jié)點(diǎn)構(gòu)成若干層次"最典型的案例就是Kazaa結(jié)合了Napster和Gnutella共同的優(yōu)點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)上來說，它使用了Gnutella的全分布式的結(jié)構(gòu),具有良好的可擴(kuò)展性"它自動選舉性能好的機(jī)器成為超點(diǎn)，超級節(jié)點(diǎn)存儲著離它最近的葉子節(jié)點(diǎn)的文件信息"超級節(jié)點(diǎn)之間形成一個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)"由于超級節(jié)點(diǎn)具有索引功能，搜索效率大大提高"混合式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是性能!可擴(kuò)展性較好，較容易管理，但普通節(jié)點(diǎn)對超級節(jié)點(diǎn)依賴性大，容錯性受到一定影響。第三章移動自組織網(wǎng)絡(luò)3.1自組織網(wǎng)絡(luò)概述移動自組織(AdHoc)網(wǎng)絡(luò)是一種多跳的臨時(shí)性自治系統(tǒng)，它的原型是美國早在1968年建立的ALOHA網(wǎng)絡(luò)和之后于1973提出的PR(PacketRadio)網(wǎng)絡(luò)。ALOHA網(wǎng)絡(luò)需要固定的基站，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須和其它所有節(jié)點(diǎn)直接連接才能互相通信，是一種單跳網(wǎng)絡(luò)。直到PR網(wǎng)絡(luò)，才出現(xiàn)了真正意義上的多跳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要直接連接，而是能夠通過中繼的方式，在兩個(gè)距離很遠(yuǎn)而無法直接通信的節(jié)點(diǎn)之間傳送信息。PR網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。IEEE在開發(fā)802.11標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，提出將PR網(wǎng)絡(luò)改名為AdHoc網(wǎng)絡(luò)，也即今天我們常說的移動自組織網(wǎng)絡(luò)。移動自組織網(wǎng)絡(luò)。一方面，網(wǎng)絡(luò)信息交換采用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機(jī)制，而不是電話交換網(wǎng)中的電路交換機(jī)制；另一方面，用戶終端是可以移動的便攜式終端，如筆記本、PDA等，用戶可以隨時(shí)處于移動或者靜止?fàn)顟B(tài)。無線自組網(wǎng)中的每個(gè)用戶終端都兼有路由器和主機(jī)兩種功能。作為主機(jī)，終端可以運(yùn)行各種面向用戶的應(yīng)用程序；作為路由器，終端需要運(yùn)行相應(yīng)的路由協(xié)議，這種分布式控制和無中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠在部分通信網(wǎng)絡(luò)遭到破壞后維持剩余的通信能力，具有很強(qiáng)的魯棒性和抗毀性。作為一種分布式網(wǎng)絡(luò)，移動自組織網(wǎng)絡(luò)是一種自治、多跳網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有固定的基礎(chǔ)設(shè)施，能夠在不能利用或者不便利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如基站、AP)的情況下，提供終端之間的相互通信。由于終端的發(fā)射功率和無線覆蓋范圍有限，因此距離較遠(yuǎn)的兩個(gè)終端如果要進(jìn)行通信就必須借助于其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，這樣節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成了一種無線多跳網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的移動終端具有路由和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，可以通過無線連接構(gòu)成任意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｒ苿幼越M織網(wǎng)絡(luò)既可以作為單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立工作，也可以以末端子網(wǎng)的形式接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，如Internet網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)。3.2自組織網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)移動自組織網(wǎng)絡(luò)能夠利用移動終端的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，在無基礎(chǔ)設(shè)施的情況下進(jìn)行通信，從而彌補(bǔ)了無網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施可使用的缺陷。自組網(wǎng)技術(shù)為計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作系統(tǒng)提供了一種解決途徑，主要特點(diǎn)有：?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化在移動自組織網(wǎng)絡(luò)中，由于用戶終端的隨機(jī)移動、節(jié)點(diǎn)的隨時(shí)開機(jī)和關(guān)機(jī)、無線發(fā)信裝置發(fā)送功率的變化、無線信道間的相互干擾以及地形等綜合因素的影響，移動終端間通過無線信道形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)可能發(fā)生變化，而且變化的方式和速度都是不可預(yù)測的。?自組織無中心網(wǎng)絡(luò)移動自組織網(wǎng)絡(luò)沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，是一種對等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障都不會影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。?多跳網(wǎng)絡(luò)由于移動終端的發(fā)射功率和覆蓋范圍有限，當(dāng)終端要與覆蓋范圍之外的終端進(jìn)行通信時(shí)，需要利用中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。值得注意的是，與一般網(wǎng)絡(luò)中的多跳不同，無線自組網(wǎng)中的多跳路由是由普通節(jié)點(diǎn)共同協(xié)作完成的，而不是由專門的路由設(shè)備完成的。?無線傳輸帶寬有限無線信道本身的物理特性決定了移動自組織網(wǎng)絡(luò)的帶寬比有線信道要低很多，而競爭共享無線信道產(chǎn)生的碰撞、信號衰減、噪音干擾及信道干擾等因素使得移動終端的實(shí)際帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值。?移動終端的局限性自組織網(wǎng)絡(luò)中的移動終端（如筆記本電腦、手機(jī)等）具有靈巧、輕便、移動性好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其電源有限、內(nèi)存小、CPU性能低等限制，使得我們在開