点对点技术

定义

点对点技术指的是一种让不同计算机之间不经过中继设备直接交换数据或服务的网络技术，它打破了传统的客户端—服务器模式。在对等网络中，各个节点的地位相同，同时具备客户端和服务器的双重特性，既可以作为服务的使用者，也可以作为服务的提供者。^[1]

英文中 peer 一词表示地位、能力相当的同等人，因此点对点技术也被译作对等式网络或对等网络。学术界对它的界定并不完全统一，例如英特尔将其理解为通过系统之间的直接交换实现计算机资源与信息共享，IBM 则把它看作由若干互联协作的计算机构成的系统，成员直接从其他成员的参与中受益。^[1]

有观点认为，对等计算并非完全新生的技术，从某种意义上说是对互联网早期设计目标的回归，因为互联网最初的目标就是让联网计算机之间可以直接通信而不需要中介。^[1]

原理

对等网络运行在物理互联网之上，是一种覆盖网络，即由逻辑通信关系构成的图。每个节点只与一部分其他节点保持连接，这些连接共同组成网状结构，查询和数据便沿着这一结构传播。^[2]

按照覆盖网的组织方式，对等网络可以分为结构化与非结构化两类。结构化覆盖网依照某种数学方案安排节点，通常采用分布式哈希表，查找内容时把查询请求朝负责相应键值的节点路由；非结构化覆盖网不设定这种放置规则，改用广播或随机游走的方式寻找内容，实现较简单，但在规模较大时效率较低。^[2]

数据交换层面的关键是节点发现、传输协商和内容校验。以应用最广的 BitTorrent 为例，内容被切成固定大小的数据块，正在下载的节点同时向其他节点上传已获得的数据块，因此整个网络的上传能力会随参与者的增加而增长，而不受单一主机带宽的限制；数据完整性借助对每个数据块计算的密码学哈希来验证，节点因此可以接收来自任意来源的数据而不必无条件信任对方。^[2]

由于取消了中央服务器，协调工作转由节点自身完成。对等系统需要处理节点发现、节点频繁加入和退出导致的拓扑一致性问题，也要应对搭便车和女巫攻击等对抗行为，信誉机制、密码学身份凭据和阈值协商协议在不同程度上用于应对这些挑战。^[2]

发展历程

对等通信的思想早于互联网时代就已出现，早期分时系统允许用户在相连的终端之间传送文件和消息，无需经过中央主机中转。20 世纪 70 年代出现了 USENET 和 FidoNet 这类分散的、分布式的信息交换系统，被视为对等计算的前身，其中 USENET 产生于 1979 年，FidoNet 创建于 1984 年。^[3]

1999 年成为对等计算受到广泛关注的节点年份，当年出现了 Napster 音乐共享系统、Freenet 匿名数据存储和 SETI@home 志愿科学计算三个有影响力的系统。Napster 让用户可以经由互联网直接从彼此的计算机下载音乐，由于带宽消耗大的音乐下载发生在用户计算机之间，它规避了高额运营成本，得以向数百万用户免费提供服务。^[4]

Napster 采用集中式对等网络，由一个中心服务器记录共享信息并响应查询，文件本身存放在用户机器上。这种模式存在中心服务器容易成为瓶颈和单点故障、目录维护成本随规模上升、缺乏有效强制共享机制等问题。在 2001 年被追究版权侵权责任后，Napster 关闭了服务。此后流行的对等文件共享服务转为 Gnutella 和 Kazaa 等，它们能够在没有中央服务器的条件下运行。^[5]

2001 年前后提出的结构化覆盖网和分布式哈希表引发了研究热潮，在此基础上出现了存储系统、域名系统、在线游戏、网页缓存等多种大规模分布式系统。2003 年，软件工程师布拉姆·科恩设计出 BitTorrent 协议，该协议把文件虚拟切分成大小相等的块，并把块索引和哈希校验码写入种子文件，节点依据种子文件从多个对等方并行获取数据。^[6]

此后对等技术逐步从单纯的文件共享扩散到更多场景。有文献指出，科学家、企业和开源组织使用 BitTorrent 分发软件更新、数据集和媒体文件，Skype 被数百万人用于视频和电话通话，PPLive、CoolStreaming 以及英国广播公司的 iPlayer 等直播应用则支撑了数百个电视频道。^[4]

应用

文件共享与内容分发是对等技术最早也最普遍的应用，共享对象涵盖音频、视频、数据和各种格式的文件，即时数据例如网络电话通信也可以借助对等技术传送。^[7]

在企业与科研场景中，同一技术被用于降低单一来源分发的带宽开销。微软在 Windows 10 更新分发以及在线游戏内容分发中采用对等下载，以大规模传输数据而不承担单一来源固有的高带宽成本；亚马逊内部的 Dynamo 存储底座使用了分布式哈希表，阿卡迈的客户端也用对等下载提升流媒体交付性能并降低成本。^[5]

对等结构还用于实时通信和分布式计算等领域。Skype 属于兼具纯对等和带中心索引特点的混合模式，网络电话等实时媒体业务的数据通信使用了 P2P 技术；使用纯 P2P 技术的系统包括比特币、Gnutella 和自由网等。^[7]

在教学内容组织方面，P2P 技术也被引入网上协作式学习环境的创设，用于支持多种协作式学习模式下的资源共享与交互。^[8]

局限

对等网络的独立性既是优势也是弱点。由于不依赖专用基础设施和集中控制，它在技术、商业和法律层面都面临新的挑战。^[4]

网络地址转换给对等连接造成困难。IPv4 地址耗尽导致网络地址转换网关被大量部署，多数无线路由器兼作这类网关，不少移动运营商只分配私有地址，因此移动设备很可能处于地址转换之后。这类网关限制连通性，建立通往转换后节点的连接本身就有难度，当通信双方同时位于转换之后时更加困难，对等系统至今仍把地址转换视为主要挑战之一。^[9]

部分集中式对等模式存在结构性缺陷。集中式 P2P 由中心服务器记录共享信息并反馈查询结果，中心服务器的瘫痪容易导致整个网络崩溃，可靠性和安全性较低；随着网络规模扩大，中央目录服务器的维护和更新费用会急剧增加。^[1]

对等网络在安全与身份方面问题突出。公共互联网上的对等应用，地址转换和私有地址隐藏了节点的真实身份，而身份不明难以构成可信运行环境，因而在知识产权保护和防病毒抗攻击等网络安全方面都存在较多问题，其发展也受到制约。^[10]

管理上的复杂性同样明显。对等网络的成员关系开放且缺乏统一的目录服务，文件共享能力会通过暴露网络地址带来隐私和安全风险；关闭应用程序未必能阻止其他节点访问，因为部分程序会在后台继续运行，共享设置又常常仅仅名义上得到支持，风险在很大程度上取决于使用者的技术水平。^[11]

参见

• BitTorrent —— 建立在对等技术之上的文件分发协议，把内容切块并在下载者之间互相上传，是对等技术最成功的应用之一。

• 分布式哈希表 —— 结构化对等网络常用的寻址方案，使系统能在大量节点中定位某条内容对应的节点。

• 客户端-服务器架构 —— 与对等网络相对的网络设计模型，通信通常来往于一个中央服务器。

• Napster —— 最早大规模流行的对等文件共享服务，采用中心索引服务器加节点直接传输的集中式模式。

• 覆盖网络 —— 建立在物理互联网之上的逻辑通信图，是对等网络运行的拓扑基础。

• 内容分发网络 —— 与对等分发解决同类问题的另一种内容交付体系，部分实现借用了对等下载技术。