• 中心化拓扑（Centralized Topology）；
• 全分布式非结构化拓扑（Decentralized Unstructured Topology）；
• 全分布式结构化拓扑（Decentralized Structured Topology，也称作DHT网络）；
• 半分布式拓扑（Partially Decentralized Topology）。

其中，中心化拓扑最大的优点是维护简单，资源发现效率高。由于资源的发现依赖中心化的目录系统，发现算法灵活高效并能够实现复杂查询。最大的问题与传统客户机/服务器结构类似，容易造成单点故障，访问的“热点”现象和版权纠纷等相关问题，这是第一代P2P网络采用的结构模式，经典案例就是著名的MP3共享软件Napster[1].

Napster是最早出现的P2P系统之一，并在短期内迅速成长起来。它实质上并非是纯粹的P2P系统，而是通过一个中央索引服务器保存所有Napster用户上传的音乐文件索引和存放位置的信息。它的工作原理如图1所示。当某个用户需要某个音乐文件时，首先连接到Napster中央索引服务器，在服务器上进行检索，服务器返回存有该文件的用户信息，再由请求者直接连到文件的所有者传输文件。Napster首先实现了文件查询与文件传输的分离，有效地节省了中央服务器的带宽消耗，减少了系统的文件传输延时。

图1 Napster的拓扑结构

然而，这种对等网络模型存在以下这些问题：

• 中央索引服务器的瘫痪容易导致整个网络的崩溃，因此可靠性和安全性较低。
• 随着网络规模的扩大，对中央索引服务器进行维护和更新的费用将急剧增加，所需成本较高。
• 中央索引服务器的存在常引起版权问题上的纠纷，服务提供商容易被追究法律责任。

综合上述优缺点，对小型网络而言，中心化拓扑模型在管理和控制方面占一定优势。但鉴于其存在的上述缺陷，该模型并不适合大型网络应用。

全分布式非结构化拓扑的P2P网络是在重叠网络（Overlay Network）(见标注1)采用了随机图的组织方式，结点度数服从Power-law规律（幂次法则）[2]，从而能够较快发现目的结点，面对网络的动态变化体现了较好的容错能力，因此具有较好的可用性。同时可以支持复杂查询，如带有规则表达式的多关键词查询，模糊查询等，采用这种拓扑结构最典型的案例便是Gnutella（音译：纽特拉）。准确地说，Gnutella不是特指某一款软件，而是指遵守Gnutella协议[3]的网络以及客户端软件的统称。目前基于Gnutella网络的客户端软件非常多，著名的有Shareaza、LimeWire和BearShare等。

图2Gnutella的拓扑结构和文件检索方法

Gnutella和Napster最大的区别在于Gnutella是更加纯粹的P2P系统，因为它没有中央索引服务器，每台机器在Gnutella网络中是真正的对等关系，既是客户机同时又是服务器，所以被称为对等机(Servent，Server+Client的组合)。在文件检索方面，它与Napster也不相同。在Gnutella网络的发展初期，它主要采用基于完全随机图的Flooding搜索算法。图2 显示了Flooding的工作流程：当一台计算机要下载一个文件，它首先以文件名或者关键字生成一个查询，并把这个查询发送给与它相连的所有计算机，这些计算机如果存在这个文件，则与查询的机器建立连接，如果不存在这个文件，则继续在自己相邻的计算机之间转发这个查询，直到找到文件为止。为了控制搜索消息不至于永远这样传递下去，一般通过TTL (Time To Live)的减值来控制查询的深度。

但是，随着联网节点的不断增多，网络规模不断扩大，通过这种Flooding方式定位对等点的方法将造成网络流量急剧增加，从而导致网络中部分低带宽节点因网络资源过载而失效。所以在初期的Gnutella网络中，存在比较严重的分区，断链现象。也就是说，一个查询访问只能在网络的很小一部分进行，因此网络的可扩展性不好。所以，后来许多研究人员在Flooding的基础上作了许多改进，例如采用Random work [4]、Dynamic Query[5]等方法。

由于非结构化网络将重叠网络认为是一个完全随机图，结点之间的链路没有遵循某些预先定义的拓扑来构建。这些系统一般不提供性能保证，但容错性好，支持复杂的查询，并受结点频繁加入和退出系统的影响小。但是查询的结果可能不完全，查询速度较慢，采用Flooding查询的系统对网络带宽的消耗非常大，并由此带来可扩展性差等问题。

全分布式结构化拓扑的P2P网络主要是采用分布式散列表（Distributed Hash Table, 简写成DHT）技术来组织网络中的结点。DHT是一个由广域范围大量结点共同维护的巨大散列表。散列表被分割成不连续的块，每个结点被分配给一个属于自己的散列块，并成为这个散列块的管理者。通过加密散列函数，一个对象的名字或关键词被映射为128位或160位的散列值。分布式散列表起源于SDDS（Scalable Distribute Data Structures）[6]研究，Gribble等实现了一个高度可扩展，容错的SDDS集群。DHT类结构能够自适应结点的动态加入/退出，有着良好的可扩展性、鲁棒性、结点ID分配的均匀性和自组织能力。由于重叠网络采用了确定性拓扑结构，DHT可以提供精确的发现。只要目的结点存在于网络中DHT总能发现它，发现的准确性得到了保证，最经典的案例是Tapestry，Pastry，Chord和CAN。

Tapestry [7]提供了一个分布式容错查找和路由基础平台，在此平台基础之上，可以开发各种P2P应用(OceanStore[8]即是此平台上的一个应用)。Tapestry的思想来源于Plaxton。在Plaxton中，结点使用自己所知道的邻近结点表，按照目的ID来逐步传递消息。Tapestry基于Plaxton的思想，加入了容错机制，从而可适应P2P的动态变化的特点。OceanStore是以Tapestry为路由和查找基础设施的P2P平台。它是一个适合于全球数据存储的P2P应用系统。任何用户均可以加入OceanStore系统，或者共享自己的存储空间，或者使用该系统中的资源。通过使用复制和缓存技术，OceanStore可提高查找的效率。最近，Tapestry为适应P2P网络的动态特性，作了很多改进，增加了额外的机制实现了网络的软状态（soft state），并提供了自组织、鲁棒性、可扩展性和动态适应性，当网络高负载且有失效结点时候性能有限降低，消除了对全局信息的依赖、根结点易失效和弹性差的问题。

Pastry 是微软研究院提出的可扩展的分布式对象定位和路由协议，可用于构建大规模的P2P系统。如图3 所示，在Pastry中，每个结点分配一个128位的结点标识符号(nodeID) ，所有的结点标识符形成了一个环形的nodeID空间，范围从0到2128 - 1 ，结点加入系统时通过散列结点IP地址在128位nodeID空间中随机分配。网络结点的加入与退出，资源查询的过程可以参考文献[9]。

图3Pastry的消息路由

Chord [10]项目诞生于美国的麻省理工学院。它的目标是提供一个适合于P2P环境的分布式资源发现服务，它通过使用DHT技术使得发现指定对象只需要维护O(logN)长度的路由表。在DHT技术中，网络结点按照一定的方式分配一个唯一结点标识符(Node ID) ，资源对象通过散列运算产生一个唯一的资源标识符(Object ID) ，且该资源将存储在结点ID与之相等或者相近的结点上。需要查找该资源时，采用同样的方法可定位到存储该资源的结点。因此，Chord的主要贡献是提出了一个分布式查找协议，该协议可将指定的关键字(Key) 映射到对应的结点(Node) 。从算法来看，Chord是相容散列算法的变体。

图4 Chord的拓扑形状

CAN(Content Addressable Networks)[11] 项目采用多维的标识符空间来实现分布式散列算法。CAN将所有结点映射到一个n维的笛卡尔空间中，并为每个结点尽可能均匀的分配一块区域。CAN采用的散列函数通过对(key, value) 对中的key进行散列运算，得到笛卡尔空间中的一个点，并将(key, value) 对存储在拥有该点所在区域的结点内。CAN采用的路由算法相当直接和简单，知道目标点的坐标后，就将请求传给当前结点四邻中坐标最接近目标点的结点。CAN是一个具有良好可扩展性的系统，给定N个结点，系统维数为d，则路由路径长度为O(n1/d) ，每结点维护的路由表信息和网络规模无关为O(d) 。

上述四种基于DHT的P2P系统的性能比较可以参照[12]。DHT这类结构最大的问题是DHT的维护机制较为复杂，尤其是结点频繁加入退出造成的网络波动（Churn）会极大增加DHT的维护代价。DHT所面临的另外一个问题是DHT仅支持精确关键词匹配查询，无法支持内容/语义等复杂查询。

半分布式拓扑结构（有的文献亦称作混杂模式，英文表达为Hybrid Structure）吸取了中心化结构和全分布式非结构化拓扑的优点，选择性能较高（处理、存储、带宽等方面性能）的结点作为超级结点（英文表达为SuperNodes或者Hubs），在各个超级结点上存储了系统中其他部分结点的信息，发现算法仅在超级结点之间转发，超级结点再将查询请求转发给适当的叶子结点。半分布式结构也是一个层次式结构，超级结点之间构成一个高速转发层，超级结点和所负责的普通结点构成若干层次。采用这种结构的最典型的案例就是KaZaa。

图5 半分布式拓扑结构（网络中包含Super Node）

KaZaa是当前世界最流行的几款P2P文件共享软件之一。根据CA公司统计，全球KaZaa的下载量超过2.5亿次。使用KaZaa软件进行文件传输消耗了互联网40%的带宽。之所以它如此的成功，是因为它结合了Napster和Gnutella共同的优点。从结构上来说，它使用了Gnutella的全分布式的结构，这样可以是系统更好的扩展，因为它无需中央索引服务器存储文件名，它是自动的把性能好的机器成为SuperNode，它存储着离它最近的叶子节点的文件信息，这些SuperNode,再连通起来形成一个Overlay Network. 由于SuperNode的索引功能，使搜索效率大大提高。

图6 KaZaa的软件界面

半分布式结构的优点是性能、可扩展性较好，较容易管理，但对超级点依赖性大，易于受到攻击，容错性也受到影响。

在实际应用中，每种拓扑结构的P2P网络都有其优缺点，下表从可扩展性、可靠性、可维护性、发现算法的效率、复杂查询等方面比较了这四种拓扑结构的综合性能。