区块链导论 课件 第三章：对等网络

第三章：对等网络Peer-to-PeerNetworks作者:北京大学汇报时间:2024/07/041.引言01Contents目录3.分布式哈希表（DHT）035.对等网络的应用052.对等网络的类型024.结构化对等网络协议046.对等网络的挑战与未来067.对等网络的性能优化07011.引言Introduction1.1定义和基本概念P2P，即PeertoPeer，常翻译为点对点。是一种没有中心服务器、依靠用户群交换信息的互联网体系。与有中心服务器的中央网络系统不同，对等网络的每个用户端既是一个节点，也有服务器的功能。对等计算机网络(PeertoPeerNetwworkingP2P网络)中的每一个网络节点，所具有的功能，在逻辑上是完全对等的，全网无特殊节点，不存在谁是服务端，谁是客户端;每一个节点在对外提供服务的时候，也在使用别的节点为自己提供类似的服务P2P网络的运行原理1、可拓展性2、健壮性3、高性价比4、隐私保护5、负载均衡P2P网络的特点1.1定义和基本概念对等网络是一种无需中央服务器，节点间直接通信的网络架构，具有去中心化、自组织、高容错性等特点。据研究，对等网络在文件分享领域占有重要地位，如BitTorrent协议，通过节点间共享文件片段，显著提高了文件下载速度。对等网络在实时通信中表现出色，如Skype和WhatsApp，通过直接连接用户，降低了延迟，提高了通信质量。对等网络定义与特点对等网络在文件分享的应用对等网络在实时通信的优势010203对等网络虽然提供了去中心化的优势，但也面临着安全挑战，如恶意节点攻击、数据泄露等问题，需要有效的安全机制来保障。对等网络的安全挑战04传统下载BT下载对等网络的概念可追溯至20世纪60年代的ARPANET，最初为文件共享和分布式计算提供支持。对等网络起源较早随着互联网技术的迅速发展，如Napster、BitTorrent等对等网络应用的出现，极大地推动了对等网络技术的革新和应用范围的扩展。技术革新推动对等网络发展1.2对等网络的历史背景022.对等网络的类型2.Typesofpeer-to-peernetworks节点之间通过广播方式进行查询，如Gnutella。虽然实现简单，但扩展性差，容易出现网络拥塞问题。非结构化对等网络采用分布式哈希表（DHT）技术，节点按照一定规则组织和查找资源，如Chord、Kademlia等。这种方式具有较高的扩展性和查询效率。适用于大规模、稳定的数据存储和共享。结构化对等网络2.1非结构化对等网络2.2结构化对等网络结构化对等网络通过分布式哈希表等技术，确保数据查询与传输的高效性，提升了网络整体性能。由于其分布式的特性，结构化对等网络能够轻松扩展，支持大量节点的加入和数据的增长。结构化对等网络通过加密通信和身份验证机制，提供了更高的数据传输和存储安全性。结构化网络的高效性结构化网络的扩展性结构化网络的安全性结构化对等网络不依赖于中心化的服务器，每个节点都具有同等的权力和责任，提高了网络的鲁棒性和抗毁性。结构化网络的去中心化集中式对等网络利用中心目录服务器进行资源的索引和查找，节点之间直接进行数据传输。这种结构在早期的对等网络应用中比较常见，如Napster。尽管其查询效率较高，但容易出现单点故障问题。集中式对等网络混合式对等网络结合了集中式和分布式的优点，一部分节点充当超级节点，负责索引和查询，其他普通节点通过超级节点进行交互，如迅雷。这样既提高了查询效率，又避免了单点故障问题。混合式对等网络2.3集中式对等网络033.分布式哈希表（DHT）3.DistributedHashTable(DHT)3.1DHT的基本概念1.DHT提高数据检索效率分布式哈希表（DHT）通过将数据存储在网络中的多个节点上，并使用哈希函数快速定位数据，显著提高了数据检索的效率和速度。2.DHT实现去中心化存储DHT作为对等网络的核心技术之一，其去中心化的特性使得数据存储不再依赖于单一的中心服务器，提高了系统的鲁棒性和安全性。3.DHT具有高效的数据更新机制DHT允许数据在节点间进行高效的更新和传播，通过分布式的验证和同步机制，确保数据的完整性和一致性。4.DHT减少网络带宽消耗DHT通过智能路由和缓存技术，减少了对网络带宽的依赖，有效降低了数据传输的成本和开销，提升了整体网络的性能和可扩展性。3.2DHT的实现1.DHT提高网络效率DHT利用节点间直接通信，无需中央服务器，数据查询更快，减少了网络拥塞和延迟。2.DHT实现去中心化存储DHT通过将数据存储在网络中的多个节点上，实现了数据的去中心化存储，提高了数据的安全性和可靠性。3.3DHT的优点1.DHT提高数据可用性DHT通过分布式存储和冗余备份，确保数据在多个节点上存储，从而提高数据的可靠性和可用性。2.DHT增强网络可扩展性DHT无需中央服务器，每个节点均可参与数据路由和存储，使网络能够轻松扩展至数百万节点，满足大规模应用需求。3.4分布式哈希表（DHT）技术Chord协议哈希函数：使用一致性哈希将节点和数据映射到一个环上，减少节点动态加入和离开时的影响。路由算法：通过维护前继和后继节点，确保数据在O(logN)时间内找到。Kademlia协议XOR度量：使用异或操作计算节点和数据的距离，形成二进制树结构。桶（Buckets）：节点维护k个桶，每个桶存储相同距离范围内的节点信息，优化查找效率。044.结构化对等网络协议4.Structuredpeer-to-peernetworkprotocol4.1Chord协议1.结构化P2P网络高效性结构化对等网络协议通过分布式哈希表（DHT）等技术，实现数据的高效路由和查找，降低了网络延迟。2.结构化P2P网络扩展性强结构化对等网络协议具备强大的可扩展性，通过动态调整节点间的连接关系，可以容纳大量节点的加入和退出。4.2Pastry协议1.Pastry协议的高效路由Pastry协议通过其分布式哈希表结构实现了高效的路由机制，确保数据请求能在对数时间复杂度内定位到目标节点。2.Pastry的容错能力强Pastry协议设计有容错机制，允许网络中存在故障节点，仍能保持整体网络的高效运行和数据的完整性。3.Pastry的扩展性好随着网络规模的增大，Pastry协议可以保持较低的网络延迟和通信开销，适应大规模对等网络的需求。4.Pastry协议的安全性高Pastry协议通过加密技术保护数据传输，同时结合节点认证机制，提高了对等网络的安全性和可信度。Pastry路由表局部性关系4.3Tapestry协议1.Tapestry协议高效性Tapestry协议通过减少路由表大小和路由查询的复杂性，提高了对等网络中的信息传输效率，降低了网络负载。2.Tapestry协议可扩展性Tapestry协议采用分布式哈希表（DHT）技术，支持网络规模的动态扩展，适用于大规模对等网络应用。4.4

Gossip协议1.基本概念Gossip，单词本身就是流言、八卦的意思。正如名字一样，Gossip协议也被称为“流言协议”。它是一种分布式算法，用于在节点之间传递信息。在Gossip协议中，每个节点都可以将信息广播给它所知道的其他节点，这些节点又将该信息广播给它们所知道的其他节点，以此类推，直到整个网络都知道了这个信息。这种广播方式可以保证整个网络中的所有节点都能够及时地了解到最新的信息，并确保整个网络的一致性。2.工作过程种子节点在Gossip周期内散播消息被感染节点随机选择N个邻接节点散播消息每次散播消息都选择尚未发送过的节点进行散播。这个协议是建立在一定概率的情况下进行的，因为并不是所有节点都时时的能拿到数据，所以这个协议是一种最终一致性算法。协议简易动画4.5经典对等网络协议1、Napster采用集中式索引服务器，通过服务器进行文件的查找和下载。提供高效的文件搜索功能，但服务器成为单点故障和性能瓶颈。2、Gnutella采用全分布式非结构化网络，无需中心服务器。使用洪泛查询方法，容易造成网络拥塞，扩展性差。3、BitTorrent采用混合式模型，Tracker服务器负责管理节点信息和协调下载。引入“种子”节点和“文件块”概念，提高文件传输效率和可靠性。4、Kademlia基于分布式哈希表的结构化对等网络，节点通过Kademlia协议进行路由和数据查找。使用XOR度量计算距离，实现高效的键值对存储和查询。055.对等网络的应用5.Applicationofpeer-to-peernetworks文件分享应用广泛对等网络使文件分享更加便捷，如BT、eMule等，据统计，每年通过P2P网络分享的文件量超过数十亿TB。对等网络在直播流媒体领域应用显著，如PPLive、UUSee等，这些平台利用P2P技术减少带宽消耗，降低了直播成本。直播流媒体效益显著5.1文件共享分布式计算无需昂贵的超级计算机，仅通过利用普通计算机组成网络，即可高效完成复杂计算，从而降低了计算成本。降低成本分布式计算利用对等网络中的多台计算机同时处理任务，显著提高了数据处理速度和计算效率。分布式计算提高效率5.2分布式计算5.3区块链与加密货币1.区块链增强数据安全性区块链技术通过其分布式账本和加密机制，实现了数据不可篡改和高度安全，有效保护了用户隐私和交易安全。2.加密货币促进去中心化加密货币基于区块链的去中心化特性，减少了第三方干预，提高了金融交易的效率和透明度，推动了全球金融体系的创新。比特币网络使用PoW共识算法，保证网络中交易数据的一致性。节点通过广播和验证进行交易确认，去中心化和安全性较高。采用PoW和即将引入的PoS共识算法，支持智能合约的执行。节点之间通过DHT进行数据存储和查找，提供高效的去中心化应用平台。以太坊网络5.4区块链中的对等网络应用066.对等网络的挑战与未来6.Challengesandfutureofpeer-to-peernetworks6.1对等网络的挑战与未来:安全性问题1.对等网络的安全挑战对等网络面临的安全挑战日益严峻，据统计，P2P网络中约30%的节点曾受到过DDoS攻击，因此安全性是对等网络持续发展的关键因素。2.对等网络的带宽优化随着高清视频和大数据的普及，对等网络需进一步优化带宽分配和传输效率，以确保用户能够享受流畅的网络体验。6.2对等网络的挑战与未来:可扩展性问题1.P2P网络规模受限对等网络(P2P)的可扩展性受限于其节点数量和网络带宽，大型P2P网络可能导致通信延迟和节点负载不均。2.数据同步效率问题随着网络规模的扩大，P2P网络中的数据同步变得困难，需要高效的算法和协议支持，以保证数据的一致性和完整性。3.安全性挑战加剧P2P网络中的可扩展性需求增加了安全管理的难度，如DDoS攻击、数据篡改等安全问题频发，需要更强大的安全机制来应对。4.维护成本增长迅速随着P2P网络节点的增加，维护网络稳定运行的成本也随之增长，包括硬件投入、软件升级以及人力资源等。1.法律框架的滞后性对等网络的快速发展导致法律框架难以迅速适应，出现了许多法律空白和争议点。2.隐私保护的挑战对等网络中的节点通信和数据交换难以追踪，给个人隐私保护带来了前所未有的挑战。3.版权侵权的争议对等网络被指涉嫌促进版权内容的非法分享，导致版权所有者与对等网络用户之间的法律纠纷频发。6.3法律与伦理问题6.4未来发展趋势与研究方向1.P2P安全性增强随着加密技术的进步，对等网络中的数据传输和节点通信将得到更强大的安全保障，减少数据泄露风险。2.分布式存储应用扩展P2P网络将成为分布式存储技术的重要基础，支撑云存储、大数据分析等应用，实现更高效的数据访问和管理。3.物联网与P2P融合物联网设备通过P2P网络实现直接通信和数据交换，无需中央服务器，提升系统鲁棒性和数据实时性。4.区块链与P2P深度融合区块链技术中的去中心化特性与P2P网络高度契合，二者的结合将推动数字资产交易、智能合约等领域的创新发展。07对等网络的性能优化Performanceoptimizationforpeer-to-peernetworks网络拓扑优化超对等拓扑：引入超级节点，优化网络的健壮性和查询效率。小世界网络：通过增加长距离连接，减少查询路径长度，提高网络性能。负载均衡哈希环负载均衡：通过一致性哈希算法实现节点和数据的均匀分布，避免负载集中。动态负载均衡：节点根据当前负载情况，动态调整数据分配策略，提高资源利用率。7.1对等网络的性能优化08思考题Reflectionquestions1.什么是对等（P2P）网络？其与C/S模式网络有哪些区别？试讨论常见互联网应用分别属于哪种类型。1.对等网络节约成本对等网络结构消除了对中心服务器的依赖，显著减少了服务器硬件和维护成本。2.对等网络具有扩展性P2P网络允许节点动态加入和离开，支持大规模用户同时在线，具有出色的扩展性和容错性。3.对等网络资源共享快由于对等网络中文件可直接从邻居节点下载，传输速度显著提升，促进了资源快速共享和下载。2.对等网络有哪些独特特点？为什么目前的大量互联网应用并不基于P2P方式实现？试探讨其中的原因。1.P2P网络去中心化P2P网络允许直接点对点通信，无需中央服务器，提供高度去中心化。但维护全局目录困难，导致资源定位复杂。2.P2P网络安全性问题P2P网络易受恶意攻击和数据泄露威胁，因缺乏中心化管控和统一的安全标准，限制了其在大规模应用中的部署。3.有哪些常见的对等网络结构？试比较其异同。1.中心化P2P网络中心化P2P网络具有一个或多个中央节点用于路由和索引，如Napster，其能有效管理网络但易受单点故障影响。2.分布式哈希表P2P分布式哈希表P2P如BitTorrent，使用哈希表技术分布数据和查询，提高了数据检索效率和系统鲁棒性。3.结构化P2P网络结构化P2P网络如Chord和Pastry，通过严格的拓扑结构来维护节点信息，实现高效路由，但灵活性较差。4.非结构化P2P网络非结构化P2P网络如Gnutella，节点间随机连接，结构简单但查询效率低，适用于大规模网络中的文件共享。比特币和以太坊依赖的区块链结构基于去中心化原则，没有中央管理机构，节点间直接通信，体现对等网络特性。比特币等属于去中心化网络区块链网络采用分布式账本技术，每个节点拥有完整或部分的账本数据，确保信息对等和共享。基于分布式账本技术比特币等区块链通过工作证明（如PoW）和共识机制，确保节点间行为一致，维护网络的对等和安全性。工作证明和共识机制4.比特币、以太坊等依赖的底层区块链网络结构可以被认为属于哪类对等网络结构？探讨其中的原因。1.BitTorrent与GnutellaBitTorrent以高效的文件分发和下载闻名，通过Tracker服务器协调节点，而Gnutella则采用纯P2P模式，无需中央服务器，但文件搜索效率较低。2.IPFS与BitTorrentIPFS（InterPlanetaryFileSystem）是分布式文件系统，专注于持久性存储和版本控制，而BitTorrent则更专注于文件传输的速度和效率。3.DHT与FreenetDHT（分布式哈希表）在Kademlia等协议中用于定位节点和资源，而Freenet则通过多层次的加密和路由隐藏内容提供者身份，提供匿名性。5.经典的对等网络协议有哪些？试比较其异同。6.完全去中心化网络结构和多中心化网络结构有哪些区别？联盟链一般采用哪类对等网络结构？1.去中心化强调无权威节点完全去中心化网络结构中，所有节点地位平等，无中心权威节点，数据存储和传输分散于网络。而多中心化存在部分中心节点，用于协调网络活动。2.联盟链多采用多中心化结构由于联盟链成员间需要信任机制，且追求高效和可控性，多中心化网络结构成为首选，通过预设的验证节点群来保障网络安全和数据一致性。3.数据分布影响网络性能在完全去中心化网络中，数据分散存储提高了安全性