در دنیای شبکههای کامپیوتری، معماریهای مختلفی برای تسهیل ارتباط و اشتراک منابع وجود دارد که در این میان، شبکه P2P یا شبکه نظیر به نظیر به عنوان یک مدل غیرمتمرکز، جایگاه ویژهای دارد. برخلاف سیستمهای سنتی کلاینت-سرور که متکی بر یک مرجع مرکزی هستند، در شبکههای P2P هر شرکتکننده یا همتا به طور مستقیم با دیگران متصل شده و به عنوان یک سرور و کلاینت به طور همزمان عمل میکند. این ویژگی مهم، مقاومت و کارایی بالایی را در توزیع منابع، از اشتراک فایلهای ساده گرفته تا پشتیبانی از فناوریهای پیشرفتهای مانند بلاکچین به همراه میآورد. این مقاله به طور جامع به بررسی تعریف، نحوه عملکرد، انواع ساختار، سیر تاریخی و مهمترین کاربردها و مزایای شبکه P2P میپردازد.
شبکه Peer to Peer چیست؟
شبکه همتا به همتا یا Peer‑to‑Peer network (P2P) یک معماری شبکه کامپیوتری است که در آن هر گره یا دستگاه شرکتکننده، هم عملکرد سرویسدهنده (server) را دارد و هم عملکرد سرویسگیرنده (client). یعنی همه گرهها در سطحی برابر و همتا با یکدیگر در ارتباطند و نیازی به سرور مرکزی نیست. در این نوع شبکه، به جای آن که یک کامپیوتر مرکزی منابع را کنترل کند و بقیه درخواست دهندگان باشند، هر گره میتواند منابع (مثل پهنای باند و قدرت پردازش) را با دیگر گرهها به اشتراک بگذارد.
این مدل مزایای متعددی دارد: چون بار سرویسدهی بر چندین گره توزیع شده است، نقطهی شکست واحد ندارد و وقتی تعداد گرهها بیشتر میشود، ظرفیت کلی شبکه میتواند افزایش پیدا کند؛ یعنی مقیاسپذیری بهتری دارد. بهعلاوه، راهاندازی شبکههای کوچک، حتی بدون زیرساخت کامل سرور، امکانپذیر است؛ برای مثال دو یا چند کامپیوتر در یک دفتر میتوانند مستقیما به هم وصل شوند و منابع را با هم به اشتراک بگذارند. با این حال، این معماری چالشهایی مثل امنیت، کنترل دسترسی، اعتماد بین گرهها و پیدا کردن گرههای دارای منابع مطلوب نیز دارد، چون نظارت متمرکزی وجود ندارد.
تاریخچه شبکه P2P
تاریخچه شبکه Peer‑to‑Peer (P2P) را میتوان به چند دوره اصلی طبقهبندی کرد:
دورهی ابتدایی (۱۹۶۰ها تا ۱۹۸۰ها)
در این دوره، مفاهیم اولیه اشتراک منابع میان کامپیوترها مطرح شد؛ برای مثال شبکهی ARPANET که در حدود سال ۱۹۶۹ راهاندازی شد، پایهای برای ارتباط بین کامپیوترها بود. سپس در سال ۱۹۷۹، شبکهی USENET ظاهر شد که به کاربران امکان میداد پیامها را در میان سرورها منتشر کنند و ساختار متمرکز نداشت؛ به عبارتی، روشی ابتدایی برای اشتراک اطلاعات میان همتاها بود. با ورود کامپیوترهای شخصی در دهه ۸۰ و دسترسی بیشتر کاربران به اینترنت، نیاز به اشتراکگذاری منابع به صورت همتا‑به‑همتا بیشتر احساس شد.
دورهی محبوبشدن و گسترش (۱۹۹۰ها تا اوایل ۲۰۰۰)
در این دوره، شبکههای P2P به عموم شناختهتر شدند، به خصوص با ظهور سرویس Napster در سال ۱۹۹۹ که به کاربران اجازه میداد موسیقی را مستقیما با هم به اشتراک بگذارند. پس از آن، تعاریف شبکههای غیرمتمرکز نیز مطرح شدند؛ از جمله پروتکل Gnutella در سال ۲۰۰۰ که بدون سرور مرکزی طراحی شد و نمونهی برجستهای از نسل دوم شبکههای P2P به شمار میآید. یکی دیگر از توسعههای مهم، پروتکل FastTrack بود که با نرمافزارهایی مانند Kazaa در اوایل دههی ۲۰۰۰ محبوب شد.
دورهی چالشها، تغییر مسیر و تحول (۲۰۱۰ و بعد)
پس از اوج انتشار شبکههای اشتراک فایل P2P، چالشهایی مثل مسائل حقوقی، امنیتی، کنترل محتوا و زیرساختهای مصرف بالا پدید آمدند. بهطور مثال، مقالههای پژوهشی اشاره میکنند که مدل P2P در دههی ۲۰۱۰ با کاهش علاقه عمومی مواجه شد و بسیاری از کاربردها به سمت مدلهای ترکیبی یا متمرکزتر حرکت کردند. همراه با این روند، فناوریهای جدیدی مانند شبکههای بلاک چین، سیستمهای ذخیرهسازی توزیعشده و مدلهای ترکیبی CDN‑P2P بهعنوان راهکارهای جدید مطرح شدند.
مزایای شبکههای P2P
در ادامه به برخی از کلیدیترین مزایای استفاده از شبکههای نظیر به نظیر اشاره میکنیم:
هزینه پایینتر و سادگی راهاندازی
در معماری P2P نیازی به سرور مرکزی قوی یا زیرساخت پیچیده نیست؛ هر گره (Peer) هم مصرفکننده است هم ارائهدهنده منابع. این یعنی هزینه سرویسدهنده مرکزی حذف یا بسیار کاهش مییابد. همچنین تنظیم و راهاندازی این شبکهها برای شبکههای کوچکتر معمولا سادهتر از معماریهای client‑server است.
توزیع بار و مقیاسپذیری بهتر
چون هر گره میتواند منابعی مثل ذخیرهسازی، پهنای باند یا قدرت پردازش را با دیگران به اشتراک بگذارد، با افزایش تعداد گرهها، ظرفیت کل شبکه نیز میتواند افزایش یابد. همچنین در مدل P2P، حذف سرور مرکزی به معنی حذف نقطه شکست واحد است؛ اگر یکی از گرهها از دسترس خارج شود، کل سیستم معمولا از کار نمیافتد.
اشتراک منابع و دسترسی مستقیم
در یک شبکه P2P میتوان فایلها، منابع ذخیرهسازی، قدرت پردازش یا پهنای باند را بدون نیاز به واسطه میان گرهها به اشتراک گذاشت. این امر میتواند منجر به افزایش سرعت انتقال داده، کاهش تاخیر و استفاده بهینهتر از منابع شود.
افزایش دسترسی به منابع توزیعشده
به جای اتکا به یک سرور مرکزی که ممکن است نقطه گلوگاه باشد، شبکه میتواند از تمام گرهها بهره ببرد، که برای کاربردهایی مثل انتقال فایلهای بزرگ یا سیستمهای توزیعشده مفید است.
استقلال از سرور مرکزی و استحکام بیشتر
اگر یک سرور در مدل کلاینت‑سرور از کار بیفتد، کل سرویس ممکن است مختل شود؛ اما در مدل P2P، گرهها به صورت همتای یکدیگر عمل میکنند و حذف یک گره تنها بخشی از منابع را تحت تاثیر قرار میدهد و کل شبکه مختل نخواهد شد.
نحوه کار شبکههای P2P
شبکهی P2P به شکلی طراحی شده که هر گره در آن هم توانایی کلاینت بودن را دارد و هم توانایی این که به عنوان سرور عمل کند. به عبارت دیگر، هیچ سرور مرکزی (یا حداقل نقش آن بسیار کم میشود) وجود ندارد و هر گره میتواند به طور مستقیم با گرههای دیگر ارتباط برقرار کرده و منابعی مثل فایل، پهنای باند یا خدمات پردازشی را اشتراک بگذارد. مراحل کلی نحوه کار P2P عبارتند از:
۱. شناسایی و اتصال گرهها: هر گره برای حضور در شبکه باید سایر گرهها را کشف کند و به آنها متصل شود. در برخی مدلها ممکن است از یک سرور bootstrap برای یافتن نقاط ورود استفاده شود، سپس گره به سایر گرههایی که آن سرور معرفی میکند، متصل میشود.
۲. اشتراکگذاری منابع و خدمات: وقتی گرهها متصل شدند، هر گره میتواند منابع خود را برای اشتراک اعلام کند (مثلا فایلها ) و هم میتواند از منابع دیگر گرهها استفاده کند (مثلا دانلود فایل). در این مسیر، درخواست به گرههایی که سرویسدهنده بودهاند ارسال میشود و پاسخ مستقیم از آن گرهها دریافت میشود.
۳. پردازش درخواستها و انتقال مستقیم داده: پس از شناسایی گره مناسب برای سرویس، انتقال داده به طور مستقیم و بدون عبور از سرور مرکزی میان گرهها انجام میشود.
۴. نگهداری ساختار شبکه و یافتن منابع: بسته به نوع شبکه P2P (ساختاریافته یا غیرساختاریافته)، فناوریهایی مثل DHT یا جدول هش توزیعشده برای یافتن سریع گرههایی که دارای منابع هستند، استفاده میشوند.
مثال ساده
فرض کنید گره A میخواهد فایلی را دانلود کند. ابتدا گره A از طریق فهرست یا سروری برای bootstrap دیگر گرهها، اتصال پیدا میکند. سپس در میان گرههای متصل شده، آنهایی که فایل موردنظر را در اختیار دارند شناسایی میشوند. درخواست فایل به طور مستقیم به آن گرهها ارسال میشود و داده به صورت تکهتکه (بخشهایی از فایل) از گرههای مختلف گرفته و در گره A ترکیب میشود. در تمامی این مسیر، گره A هم سرویسگیرنده است و هم ممکن است خودش به دیگر گرهها بخشهایی از فایل را ارائه کند.
کاربردهای اصلی شبکههای P2P
شبکههای همتا به همتا اولین بار در دهه ۱۹۹۰ ظاهر شدند و از آن زمان تاکنون تغییراتی اساسی را تجربه کردهاند. با شروع از برنامه محبوب نپستر، شبکههای P2P به معماریهای تصمیمگیری غیرمتمرکز تبدیل شدهاند و به کاربردهای مختلفی گسترش یافتهاند.
اشتراک فایل
شبکههای P2P معمولا برای اشتراک فایل استفاده میشوند. یک مثال آشنا، سرویس BitTorrent است که در آن کاربران میتوانند فایلها را به طور مستقیم از و به سایر کاربران دانلود و آپلود کنند. به جای تکیه بر یک سرور مرکزی برای توزیع فایلها، هر کاربر با دانلود و آپلود همزمان، به پهنای باند شبکه کمک میکند. فایلهای محبوب معمولا منابع بیشتری در دسترس دارند که دانلود را برای همه سریعتر میکند.
پیامرسانی فوری
شبکه P2P میتواند برای برنامههای پیامرسانی فوری استفاده شود. به عنوان مثال، واتساپ از ارتباط P2P استفاده میکند تا به کابران اجازه دهید مستقیم با یکدیگر چت کرده و تماسهای صوتی و تصویری برقرار کنند. پیامها و فایلها بین کاربران بدون نیاز به سرور مرکزی تبادل میشوند.
رمز ارزها
شبکه نظیر به نظر برای رمز ارزهایی مانند بیتکوین ضروری است. در این زمینه، یک شبکه P2P تراکنشها را بین کاربران بدون نیاز به بانک مرکزی یا موسسه مالی تسهیل میکند. هر گره در شبکه یک کپی از بلاکچین را نگهداری میکند که یک دفتر کل غیرمتمرکز بوده و تمام تراکنشها را ثبت میکند. کاربران میتوانند مستقیم مبالغ را ارسال و دریافت کنند، تراکنشها را تایید کنند و در مکانیسم اجماع شبکه شرکت کنند.
تحویل محتوا
شبکههای تحویل محتوا یا CDN نیز میتوانند از فناوری P2P برای توزیع کارآمد محتوا استفاده کنند. به جای تکیه صرف بر سرورهای متمرکز، CDNهای P2P به کاربرانی که به یک قطعه از محتوا دسترسی دارند اجازه میدهند آن را با دیگرانی که همان محتوا را درخواست میکنند، به اشتراک بگذارند. این رویکرد بار سرور را کاهش داده و سرعت تحویل محتوای محبوب را بهبود میبخشد، چرا که این محتول میتواند از چندین منبع بازیابی شود.
محاسبات مشارکتی
شبکههای P2P میتوانند محاسبات مشارکتی را امکانپذیر کنند. در این محاسبات، چندین همتا برای حل وظایف پیچیده با یکدیگر همکاری میکنند. به عنوان مثال، پروژه SETI@home از فناوری P2P برای توزیع دادهها از پروژه جستجوی هوش فرازمینی به کامپیوترهای کاربران استفاده میکند. کامپیوتر هر کاربر بخش کوچکی از دادهها را پردازش میکند و نتایج به پروژه ارسال میشود و به تحلیل کلی کمک میکند.
شبکههای خصوصی مجازی
برخی از خدمات شبکه خصوصی مجازی از اتصالات P2P برای برقراری ارتباط امن و خصوصی بین کاربران استفاده میکنند. در یک شبکه خصوصی مجازی مبتنی بر P2P، کاربران میتوانند مستقیم به یکدیگر متصل شوند و یک تونل رمزگذاری شده ایجاد کنند که ترافیک اینترنت آنها از طریق آن هدایت میشود. این رویکرد میتواند حریم خصوصی را تقویت کرده و محدودیتهای اعمال شده توسط ارائهدهندگان خدمات اینترنت یا دولتها را دور بزند.
انواع شبکههای Peer-to-Peer
بر اساس نحوه اتصال گرهها به یکدیگر در شبکه و نحوه ایندکس کردن و یافتن منابع، میتوان شبکهها را به صورت بدون ساختار یا ساختاریافته یا ترکیبی از این دو طبقهبندی کرد:
شبکههای بدون ساختار
شبکههای P2P بدون ساختار، ساختار خاصی برای شبکه ندارند و در عوض توسط گرههایی تشکیل میشوند که به صورت تصادفی با هم ارتباط برقرار میکنند. گنوتلا، Gossip و Kazaa نمونههایی از پروتکلهای P2P بدون ساختار هستند.
ساخت شبکههای بدون ساختار آسان است و استفاده از آنها، بهینهسازیهای محلی در مناطق مختلف پوشش شبکه را امکانپذیر میسازد. همچنین، چون نقش همه همتاها در شبکه یکسان است، شبکههای بدون ساختار در مواجهه با نرخ بالای تغییر و تحول (churn) بسیار مقاوماند؛ یعنی زمانی که تعداد زیادی از همتاها به طور مکرر به شبکه ملحق شده و آن را ترک میکنند.
با این حال، محدودیتهای اصلی شبکههای بدون ساختار نیز ناشی از همین عدم وجود ساختار است. مثلا اگر یک همتا بخواهد یک تکه از داده مورد نظر خود را در شبکه پیدا کند، باید جستجو برای آن را در سرتاسر شبکه انجام دهد تا بتواند بیشترین تعداد همتایی که داده مورد نظر را به اشتراک گذاشتهاند، پیدا کند. این حالت از جستوجو باعث ایجاد حجم بسیار بالایی از ترافیک در شبکه میشود، از CPU و حافظه بیشتری استفاده میکند (چرا که از هر همتا میخواهد تمام درخواستهای جستجو را پردازش کند) و تضمین نمیکند که جستجوها همیشه به نتیجه مطلوب برسند. علاوه بر این، از آنجایی که هیچ ارتباطی بین یک همتا و محتوای مدیریت شده توسط آن وجود ندارد، تضمینی نیست که جستوجو، همتایی را پیدا کند که داده مورد نظر را در اختیار دارد. محتوایی که بیشتر مورد درخواست باشد به احتمال زیاد در چندین همتا موجود است و هر همتایی که به دنبال آن باشد، به احتمال زیاد آن را پیدا میکند. اما اگر همتایی به دنبال دادههای کمیابی باشد که فقط توسط چند همتای دیگر به اشتراک گذاشته شده است، بسیار بعید است که جستجو موفقیتآمیز باشد.
شبکههای ساختاریافته
در شبکههای P2P ساختاریافته، شبکه در یک توپولوژی خاص سازماندهی میشود و پروتکل تضمین میکند که هر گره میتواند به طور کارآمد، شبکه را برای یک فایل یا منبع جستجو کند، حتی اگر آن منبع بسیار کمیاب باشد.
شبکههای P2P ساختاریافته بهطور معمول از جدول هش توزیعشده (Distributed Hash Table یا DHT) استفاده میکنند که در آن از یک نوع هشینگ مداوم (consistent hashing) برای اختصاص مالکیت هر فایل به یک همتای خاص استفاده میشود. این امر به همتاها اجازه میدهد تا منابع را در شبکه با استفاده از یک جدول هش جستجو کنند: یعنی جفتهای (کلید، مقدار) در DHT ذخیره میشوند و هر گره شرکتکننده میتواند به طور کارآمد مقدار مرتبط با یک کلید مشخص را بازیابی کند.
با این حال برای هدایت کارآمد ترافیک در شبکه، گرههای موجود در یک شبکه ساختاریافته باید فهرستی از همسایگان با ویژگیهای مشخص در اختیار داشته باشد. این نکته باعث میشود که آنها در شبکههایی با نرخ بالای تغییر و تحول مقاومت کمتری داشته باشند. مانند هزینه بالای تبلیغ و کشف منابع و عدم تعادل بار استاتیک و دینامیک از جمله ضعفهای شبکههای P2P ساختاریافته با DHT است.
شبکههای توزیعشده قابل توجهی که از DHT استفاده میکنند عبارتند از Tixati ، شبکه Kad و باتنت استورم. شبکههای مبتنی بر DHT همچنین به طور گسترده برای دستیابی به کشف منابع کارآمد برای سیستمهای محاسبات گرید استفاده میشوند، چرا که به مدیریت منابع و برنامهریزی برنامهها کمک میکنند.
شبکههای هیبریدی یا ترکیبی
این شبکهها مدلهای ترکیبی از مدلهای همتا به همتا و کلاینت-سرور هستند. یکی از رایجترین مدلهای ترکیبی، وجود یک سرور مرکزی است که به همتایان کمک میکند یکدیگر را پیدا کنند. سرویس استریم موسیقی اسپاتیفای تا سال ۲۰۱۴ نمونهای از یک شبکه ترکیبی بود. انواع مختلفی از مدلهای ترکیبی وجود دارد که همگی خوبیها و بدیهای عملکرد متمرکز شبکههای کلاینت-سرور و برابری گرهها در شبکههای P2P را با هم ادغام میکنند. در حال حاضر، مدلهای هیبریدی عملکرد بهتری نسبت به شبکههای بدون ساختار خالص یا شبکههای ساختاریافته خالص دارند؛ بهعنوان مثال عملکردهای خاصی مانند جستجو، به عملکرد متمرکز نیاز دارند اما از تجمع غیرمتمرکز گرهها که توسط شبکههای بدون ساختار ارائه میشود هم سود میبرند.
تفاوتهای بین شبکههای P2P و کلاینت-سرور
در یک شبکه کلاینت-سرور، نقشهای کلاینت و سرور به وضوح متمایز هستند؛ سرورهای خاصی منابع یا خدمات را ارائه میدهند، در حالی که کلاینتها آنها را درخواست میکنند. این نوع شبکه عمدتا بر اشتراک اطلاعات از طریق یک سرور متمرکز تمرکز دارد که دادهها را برای همه کلاینتهای متصل ذخیره و مدیریت میکند. سرور به درخواستهای کلاینت پاسخ میدهد و ثبات، کنترل و کارایی را حتی با مقیاسپذیری شبکه تضمین میکند. با این حال، این شبکه به دلیل نیاز به سختافزار اختصاصی و نگهداری، پرهزینهتر است.
در مقابل، یک شبکه P2P بین کلاینتها و سرورها تمایزی قائل نمیشود. در عوض، هر گره میتواند هم به عنوان درخواستکننده و هم به عنوان ارائهدهنده خدمات عمل کند. شبکههای P2P بر اتصال و غیرمتمرکزسازی تاکید دارند، زیرا هر همتا دادههای خود را حفظ کرده و به یک سرور مرکزی تکیه نمیکند. این نکته آنها را برای راهاندازی ارزانتر و آسانتر میکند، اما همچنین با افزایش تعداد همتاها، مدیریت آنها دشوارتر و ثبات آنها کمتر میشود. به طور کلی، شبکههای P2P برای تنظیمات کوچکتر با کمتر از ده کامپیوتر (مانند یک شبکه LAN کوچک) مناسبتر هستند، در حالی که معماریهای کلاینت-سرور برای سیستمهای بزرگتر و پیچیدهتر مناسباند.
جمعبندی
در نهایت،شبکههای P2P یک مدل توزیعشده و غیرمتمرکز قدرتمند هستند که در آن برابری نقش گرهها (هم به عنوان مصرفکننده و هم ارائهدهنده منابع) سنگ بنای معماری را تشکیل میدهد. شبکههای P2P ثابت کردهاند که یک زیرساخت انعطافپذیر و مقیاسپذیر برای اشتراک فایل و کاربردهای حیاتی دیگری در حوزههایی مانند رمز ارزها، پیامرسانی فوری و توزیع محتوا هستند. مزایای کلیدی این شبکهها همچون مقاومت در برابر خطا، استفاده کارآمد از منابع و صرفهجویی در هزینههای زیرساخت متمرکز، آنها را به انتخابی مناسب برای همکاریهای غیرمتمرکز و ایمن تبدیل میکند، اگرچه مدیریت و مسائل امنیتی مرتبط با عدم وجود کنترل مرکزی همچنان نیازمند توجه است.
