C#網(wǎng)絡(luò)編程系列八：P2P編程
引言：前面的介紹專題中有朋友向我留言說介紹下關(guān)于P2P相關(guān)的內(nèi)容的，首先本人對于C#網(wǎng)絡(luò)編程也不是什么大牛，因為能力的關(guān)系，也只能把自己的一些學(xué)習(xí)過程和自己的一些學(xué)習(xí)過程中的理解和大家分享下的，下面就進入正題——P2P（Peer to Peer）編程
一、P2P的介紹
首先，現(xiàn)在大家熟知的BT、電驢、迅雷、QQ、MSN和PPlive等都是基于P2P方式實現(xiàn)的軟件，并且對等聯(lián)網(wǎng)（Peer to Peer，P2P）將是互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，因此對于P2P技術(shù)的了解顯得非常的重要，下面就來介紹下P2P架構(gòu)：
在P2P技術(shù)之前，我們所有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用都采用C/S或者B/S架構(gòu)來實現(xiàn)的，然而在之前C/S架構(gòu)的應(yīng)用程序中，客戶端軟件向服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器然后對客戶端請求做出響應(yīng)，在這種情況下，如果客戶端越多，此時服務(wù)器的壓力就越大。然而采用P2P技術(shù)實現(xiàn)的每臺計算機既是客戶端，也是服務(wù)器，他們的功能都是對等的。對于安裝了P2P軟件（如迅雷，QQ等）的計算機加入一個共同的P2P網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點之間可以直接進行數(shù)據(jù)傳輸和通信。
1.1 P2P架構(gòu)和C/S架構(gòu)的比較
C/S架構(gòu)有下面的缺點（其實上面的簡單介紹中也講到過）：
1. 服務(wù)器負擔(dān)過重。當(dāng)大量用戶訪問C/S系統(tǒng)的服務(wù)器時，服務(wù)器常常會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞等現(xiàn)象，這時候，我們可能會通過增加投資提高服務(wù)器的硬件性能
2. 系統(tǒng)穩(wěn)健性和服務(wù)器關(guān)聯(lián)密切。指的是——如果服務(wù)器出現(xiàn)了問題時，整個系統(tǒng)的運行將會癱瘓（感覺是面向?qū)ο笾薪?jīng)常強調(diào)的原則——低耦合原則）
然而P2P具有下面的特點：
1.對等模式
P2P系統(tǒng)中的客戶端能夠同時扮演客戶端和服務(wù)器的角色，使兩臺計算機之間能夠不通過服務(wù)器直接進行信息分享（QQ中當(dāng)好友在線的時候發(fā)信息時，相信此時是不需要經(jīng)過服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的，只有當(dāng)給離線好友發(fā)送消息時，此時應(yīng)該會先把消息發(fā)送到服務(wù)器端存儲起來，當(dāng)好友再次登錄的時候，會和服務(wù)器進行連接，服務(wù)器會進行判斷是不是給這個用戶的信息來決定是否轉(zhuǎn)發(fā)，QQ軟件的實現(xiàn)屬于混合型P2P結(jié)構(gòu)的， 這個會在后面的P2P系統(tǒng)分類中介紹。）
注：括號中都是我個人的一些理解，如果有什么說錯的地方請大家及時更正我，這樣我會及時的更新以免誤導(dǎo)大家，謝謝大家監(jiān)督。
2. 網(wǎng)絡(luò)資源的分布式存儲
在C/S架構(gòu)中，所有客戶端都直接從服務(wù)器下載所有數(shù)據(jù)資源，這樣勢必會加重服務(wù)器的負擔(dān)，而P2P則改變了以服務(wù)器為中心的狀態(tài)，使每個節(jié)點可以先從服務(wù)器上個下載一部分，然后再相互從對方或者其他節(jié)點下載其余部分。采用這種方式，當(dāng)大量客戶端同時下載時，就不會形成網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象了。
1.2 P2P系統(tǒng)的分類
使用P2P技術(shù)的系統(tǒng)分為兩類：
（1）單純型P2P——沒有專用的服務(wù)器。安裝了P2P軟件的各個計算機可以直接通信
（2）混合型P2P——有專用的服務(wù)器，此時的服務(wù)器一般叫索引服務(wù)器，此服務(wù)器與C/S架構(gòu)下的服務(wù)器不同，在C/S架構(gòu)下所有資源都存儲在服務(wù)器中，所有傳遞的信息都要經(jīng)過服務(wù)器，而在混合型P2P系統(tǒng)中的索引服務(wù)器僅僅起到協(xié)調(diào)和擴展的功能，資源不是全部存儲在服務(wù)器上，而是分布在各個電腦上，安裝了P2P軟件的電腦開始全部和索引服務(wù)器連接，以便告知自己監(jiān)聽的IP地址和端口號，然后再通過索引服務(wù)器告訴其他與自己連接的電腦，每臺計算機的連接和斷開都通過服務(wù)器通知網(wǎng)絡(luò)上有聯(lián)系的計算機，這樣就減輕了每臺計算機搜索其他計算機的負擔(dān)，但是信息的傳遞還是通過點對點的方式來完成（這里可以以QQ為例，當(dāng)我們電腦上安裝了QQ這類P2P軟件時，安裝了QQ這類軟件的計算機就會加入一個P2P網(wǎng)絡(luò)，并且登陸的時候都會與索引服務(wù)器建立連接，通過連接來告訴服務(wù)器自己的IP地址和端口號，當(dāng)我們找一個好友聊天時，此時自己的計算機和好友的計算機都會與服務(wù)器端口連接，但是要互相發(fā)送消息，自己的計算機必須知道好友計算機的IP地址和端口號才可以通信，這樣的工作正是通過索引服務(wù)器來告知對方的--指的是告訴自己的計算機好友的計算機的IP地址和端口號，告訴好友的計算機自己的IP地址和端口號，這樣雙方就可以不通過服務(wù)器直接通信了。）
1.3 主流P2P應(yīng)用分類
P2P 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大致可以分為三類
1. 文件共享類，例如迅雷，BT等軟件都是文件共享類的應(yīng)用
2. 即時通信類，例如QQ，MSN等軟件都是屬于即時通信類
3. 多媒體傳輸類，例如在線視頻直播軟件，PPlive等軟件
從上面的分類可以看出，現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上流行的軟件都采用了P2P技術(shù)來實現(xiàn)的， 但是它們的實現(xiàn)肯定不是單純的只采用P2P技術(shù)來實現(xiàn)的， 而是采用多種技術(shù)來實現(xiàn)的， 在下一專題中將介紹利用TCP，UDP和P2P等技術(shù)來實現(xiàn)類似QQ的一個即時通信程序，希望通過此程序可以綜合前面專題介紹的內(nèi)容以及幫助大家對QQ等軟件的實現(xiàn)原理有了解。
二、P2P的基本原理
在前面我們對P2P的一些知識進行的簡單的介紹， 通過前面的介紹相信大家對P2P的技術(shù)有了一定的了解，但是要自己開發(fā)一個P2P的應(yīng)用當(dāng)然必須了解P2P技術(shù)的實現(xiàn)原理的，下面就介紹下P2P實施的基本原理。
安裝了P2P軟件后，首先雙方要進行通信，必須能夠發(fā)現(xiàn)對方（指的就是知道對方的IP地址和端口號），一旦發(fā)現(xiàn)了對方后才可以進行通信，所以P2P應(yīng)用程序一般分為發(fā)現(xiàn)、連接和通信3個階段。 發(fā)現(xiàn)階段負責(zé)動態(tài)定位通信方的網(wǎng)絡(luò)位置；連接階段負責(zé)在雙方建立網(wǎng)絡(luò)連接，通信階段負責(zé)在雙方之間傳輸數(shù)據(jù)。
2.1 發(fā)現(xiàn)階段
一臺計算機要和另外一臺計算機通信，必須知道對方的IP地址和監(jiān)聽端口，否則就無法向?qū)Ψ桨l(fā)送消息。在之前的C/S架構(gòu)中，服務(wù)器的IP地址一般固定不變的，并且提供服務(wù)的計算機域名也一般不會改變，所以為了方便客戶端訪問，一些Web服務(wù)器在DNS（DNS其實就是域名和IP地址的一個映射）中進行了注冊，客戶機可以利用域名解析機制將服務(wù)器域名解析為IP地址，然后在P2P應(yīng)用中，各個對等節(jié)點（計算機或資源）可以隨時加入和隨時離開，并且對等節(jié)點的IP地址也不是固定的，所以不能采用DNS的機制來獲取P2P架構(gòu)中的對等節(jié)點的信息。
目前，在單純型P2P中，針對如何發(fā)現(xiàn)對等節(jié)點，各種P2P技術(shù)采用的協(xié)議和標準都不一樣，微軟在.net 支持對等名稱解析協(xié)議（Peer name Resolution Protocol, PNRP）,該協(xié)議可以發(fā)現(xiàn)對等節(jié)點的信息，通過無服務(wù)器的解析功能將任何資源解析為一組ＩＰ地址和端口號，在后面的實現(xiàn)的簡單程序用的就是這個協(xié)議來完成發(fā)現(xiàn)階段的。
2.2 連接和通信階段
完成對等節(jié)點的發(fā)現(xiàn)后，接下來就可以根據(jù)需要，選擇TCP、UDP或者其他協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸。如果選擇TCP，則需要先建立連接，再利用該連接傳輸數(shù)據(jù)，關(guān)于TCP的內(nèi)容可以查看我之前的專題；如果選擇UDP，則無須建立連接，直接在對等節(jié)點之間通信就可以了。
三、.net平臺對P2P編程的支持
之前在發(fā)現(xiàn)階段也介紹了.Net平臺對P2P編程的支持的，然后微軟幫我們已經(jīng)封裝好了對PNRP協(xié)議的實現(xiàn)，這些類在System.Net.PeerToPeer命名空間里（微軟現(xiàn)在很多東西都幫我們封裝了，這樣可以方便我們開發(fā)應(yīng)用程序，感覺微軟的做的東西都是這樣，把程序的實現(xiàn)都幫我們做好了，我們開發(fā)程序的時候只要關(guān)注業(yè)務(wù)邏輯就好了的， 這樣做當(dāng)然有好處也有壞處的， 我覺得好處就是縮短軟件的開發(fā)周期，讓花更多的時間去實現(xiàn)軟件真真的業(yè)務(wù)邏輯方面的東西，不好的地方就是現(xiàn)在的程序員就不能叫程序員，所以園子里面有很多人都稱碼農(nóng),這些我自己的觀點了）
3.1 對等名稱解析協(xié)議（PNRP）
PNRP可以完成對等名稱的注冊和解析（可以和DNS對比來理解）。
3.1.1 基本概念
第一個介紹的是對等名稱的概念，我們將每一個網(wǎng)絡(luò)資源（包括計算機，P2P應(yīng)用程序、視頻、Mp3或其他文檔等資源）抽象為對等節(jié)點，對等節(jié)點名稱當(dāng)然就是對等節(jié)點的名稱。對等節(jié)點名稱簡稱為對等名，分為安全的和不安全的兩種形式，不安全的名稱僅由文本字符串組成，任何人都可以注冊一個相同的不安全對等名稱；安全的由一個公鑰/私鑰（代表唯一）對支持，所以使用PNRP注冊時，不會受到欺騙，對等名稱的格式如下：
Authority.Classifier
Authority的值取決于該名稱的安全類型。對于不安全的類型，Authority為單字符“0”，而對于安全的對等名稱，Authority由40個十六機制字符組成
Classifier是用戶定義的用于標志對等節(jié)點的字符串，最大長度為150個Unicode字符。例如，對等名稱0.PeerNametest1就是一個不安全的對等名稱。
第二個概念就是云（Cloud）的概念，安裝了相同P2P軟件的計算機會加入一個共同的P2P網(wǎng)絡(luò)中，才能相互識別各自擁有的資源并順利進行P2P通信。微軟PNPR協(xié)議將這個P2P網(wǎng)絡(luò)稱為“云”。云是指一組可以通過P2P網(wǎng)絡(luò)相互識別的對等節(jié)點及其上資源的集合。云中的所有對等節(jié)點都可以解析注冊到該云中的其他任何資源所在的位置（IP+Port),一個對等節(jié)點上的某個資源可以同時注冊到多個云中。
PNPR目前使用了兩種云——本地云和全局云。一個對等名稱若注冊到鏈接一本地云，就意味著只有同一本地網(wǎng)絡(luò)上的其他對等節(jié)點可以解析該名稱。而注冊到全局云上的對等名稱則允許IPv6互聯(lián)網(wǎng)的任何對等節(jié)點解析。
注：全局云是基于IPv6協(xié)議的，并不支持IPv4，如果不存在IPv6地址，則不會出現(xiàn)全局云，也無法加入全局云。由于現(xiàn)在網(wǎng)上絕大多數(shù)應(yīng)用使用的仍然是IPv4的地址，所以我們通常的P2P編程還用不到全局云，而只能使用默認的本地云。
3.1.2 名稱注冊
任何資源要被網(wǎng)絡(luò)上的其他計算機識別到，首先必須注冊進P2P網(wǎng)絡(luò)，名稱注冊就是將包含對等節(jié)點信息的對等名稱發(fā)布到云中，以便其他對等節(jié)點解析。一個資源如果注冊到云中后，就可以被云中的其他對等節(jié)點解析和訪問。
關(guān)于名稱注冊的具體內(nèi)容，在后面的P2P的程序中也會使用的， 相信大家可以通過代碼來進一步理解名稱的注冊，這里就先介紹到這里的
3.1.3 名稱解析
名稱解析是指利用對等名稱獲取到云中資源所在對等節(jié)點的IP地址和端口號的過程（和DNS解析原理一樣）。PNPR名稱解析僅能夠注冊到云中的其他對等節(jié)點資源，而不能發(fā)現(xiàn)自身注冊的資源
PNPR協(xié)議沒有使用索引服務(wù)器，所以為了完成解析，云中的每個對等節(jié)點都存儲一些PNRP ID的緩存記錄。PNPR緩存中的都含有PNPR ID和應(yīng)用程序的IP地址和端口號。名稱解析的步驟為——首先在本地計算機對等節(jié)點的緩存中查找目標資源，如果沒有，則在緩存中的臨近節(jié)點查看，這樣循環(huán)下去，直到找到目標資源所在的對等節(jié)點位置。
3.2 PeerToPeer命名空間
上面主要介紹了PNPR協(xié)議的工作過程（相當(dāng)于是理論部分了），下面就介紹下.net 為我們封裝好PNPR的類的使用。這里就簡單指明幾個常用類的使用，并附上MSDN的鏈接，大家可以直接點鏈接進行查看詳細內(nèi)容，因為后面的P2P程序中也有具體的使用，所以這里就不一一列出來了。
這些類基本上從類名都可以大致知道他們的用途的，所以在這里就沒有一一介紹的，只是附上了MSDN的鏈接。
四、實現(xiàn)P2P應(yīng)用程序
以上介紹了那么多P2P的相關(guān)的知識，主要是為了實現(xiàn)一個自定義的P2P應(yīng)用程序做準備的，這里就簡單實現(xiàn)了資源發(fā)現(xiàn)的一個程序。
核心代碼：
對等名稱的注冊代碼：
- // 注冊資源
- private void btnRegister_Click(object sender, EventArgs e)
- {
- if (tbxResourceName.Text == "")
- {
- MessageBox.Show("請輸入發(fā)布的資源名！", "提示");
- return;
- }
- // 將資源名注冊到云中
- // 具體資源名的結(jié)構(gòu)在博客有介紹
- PeerName resourceName = new PeerName(tbxResourceName.Text, PeerNameType.Unsecured);
- // 用指定的名稱和端口號初始化PeerNameRegistration類的實例
- resourceNameReg[seedCount] = new PeerNameRegistration(resourceName, int.Parse(tbxlocalport.Text));
- // 設(shè)置在云中注冊的對等名對象的其他信息的注釋
- resourceNameReg[seedCount].Comment =resourceName.ToString();
- // 設(shè)置PeerNameRegistration對象的應(yīng)用程序定義的二進制數(shù)據(jù)
- resourceNameReg[seedCount].Data = Encoding.UTF8.GetBytes(string.Format("{0}", DateTime.Now.ToString()));
- // 在云中注冊PeerName(對等名)
- resourceNameReg[seedCount].Start();
- seedCount++;
- comboxSharelist.Items.Add(resourceName.ToString());
- tbxResourceName.Text = "";
- }
名稱解析代碼（搜索資源）：
- // 搜索資源
- private void btnSearch_Click(object sender, EventArgs e)
- {
- if (tbxSeed.Text == "")
- {
- MessageBox.Show("請先輸入要尋找的種子資源名", "提示");
- return;
- }
- lstViewOnlinePeer.Items.Clear();
- // 初始化要搜索的資源名
- PeerName searchSeed = new PeerName("0." + tbxSeed.Text);
- // PeerNameResolver類是將節(jié)點名解析為PeerNameRecord的值（即將通過資源名來查找資源名所在的地址,包括IP地址和端口號）
- // PeerNameRecord用來定于云中的各個節(jié)點
- PeerNameResolver myresolver = new PeerNameResolver();
- // PeerNameRecordCollection表示PeerNameRecord元素的容器
- // Resolve方法是同步的完成解析
- // 使用同步方法可能會出現(xiàn)界面“假死”現(xiàn)象
- // 解決界面假死現(xiàn)象可以采用多線程或異步的方式
- // 關(guān)于多線程的知識可以參考本人博客中多線程系列我前面UDP編程中有所使用
- // 在這里就不列出多線程的使用了，朋友可以自己實現(xiàn)，如果有問題可以留言給我一起討論
- PeerNameRecordCollection recordCollection = myresolver.Resolve(searchSeed);
- foreach (PeerNameRecord record in recordCollection)
- {
- foreach(IPEndPoint endpoint in record.EndPointCollection)
- {
- if (endpoint.AddressFamily.Equals(AddressFamily.InterNetwork))
- {
- ListViewItem item = new ListViewItem();
- item.SubItems.Add(endpoint.ToString());
- item.SubItems.Add(Encoding.UTF8.GetString(record.Data));
- lstViewOnlinePeer.Items.Add(item);
- }
- }
- }
- }
運行結(jié)果截圖：
為了演示資源發(fā)現(xiàn)的效果，所以同時開啟了本程序的3個進程來模擬網(wǎng)絡(luò)上對等的3個計算機節(jié)點，當(dāng)在資源名中輸入資源后會在分享下列表中顯示出本地分享的資源，同時在P2P網(wǎng)絡(luò)上的其他計算機可以通過資源名稱搜索該資源，將得到的資源名稱和發(fā)布時間顯示在ListView控件中，下面是程序的運行結(jié)果：
五、總結(jié)
到這里P2P編程的介紹就結(jié)束了， 本專題只是簡單演示了一個資源發(fā)現(xiàn)的程序，資源發(fā)現(xiàn)是P2P的核心技術(shù)，正是因為P2P技術(shù)實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)范圍的資源發(fā)現(xiàn)，才使得它被廣泛應(yīng)用，像我們經(jīng)常用的下載工具——迅雷，迅雷就是典型采用P2P技術(shù)的應(yīng)用程序，當(dāng)我們在迅雷頁面中輸入“愛情公寓3”（相當(dāng)于本專題中種子文本框填的資源名）然后點擊搜索后迅雷會自動啟動“狗狗搜索”并顯示資源鏈接列表，當(dāng)我們點擊連接就可以進行下載了。不過迅雷肯定不是使用微軟的PNPR，而是迅雷自主研發(fā)的與PNPR作用一樣的協(xié)議——都是完成解析網(wǎng)絡(luò)資源的地址的作用，當(dāng)然，迅雷軟件中也采用了其他的一些技術(shù)，如搜索引擎等。
希望本專題可以幫助大家對P2P技術(shù)有所了解，如果有任何的問題都可以通過留言的方式來一起討論，在下一個專題中將介紹實現(xiàn)一個類似QQ的程序。
源碼附上：http://files.cnblogs.com/zhili/P2PResourceDiscovery.zip ，希望覺得有幫助的朋友可以推薦下。謝謝支持
原文鏈接：http://www.cnblogs.com/zhili/archive/2012/09/14/P2P_PNPR.html
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