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基于DHT的结构化P2P路由协议Chord的研究
摘要
P2P系统一直是互联网上的研究热点之一。Chord是一个基于散列表（DHT）的P2P路由协议，它能够在大规模网络环境下动态地管理和定位节点，使得系统成员可以通过一个分布式的算法维护有序的节点存储。本文对Chord协议的设计思想、工作流程、节点加入与离开管理、故障恢复等方面进行了详细的论述和分析。
关键词：DHT，Chord，P2P，路由协议
一、绪论
随着计算机技术的发展，计算机应用的规模和数量不断扩大，传统的集中式计算模式已经不能满足需要，一种新的计算模式即P2P逐渐成为研究的热点。P2P系统是在不需要任何中心服务器的情况下，使每个节点拥有相同的功能和地位，在互联网上组成一个大规模的分布式系统。为了实现P2P系统的高效性和健壮性，路由协议的研究变得至关重要。
基于散列表（DHT）路由协议是P2P系统中应用最广泛的路由协议之一。Chord是其中最有代表性的协议之一。Chord协议最早由MIT的一组研究人员提出，它采用了DHT的基本结构和一系列优化策略，实现了高效的路由和可扩展性。Chord协议已经被广泛应用于P2P系统中，包括BitTorrent、Kademlia、CAN等。
本文将对Chord协议的设计思想、工作流程、节点加入与离开管理、故障恢复等方面进行详细的论述和分析。
二、Chord协议设计思想
Chord协议的设计思想是通过散列表的方式将节点映射到一个环上，对各个节点进行有序整理，从而实现节点的高效路由和快速定位。Chord协议的核心是解决大规模P2P系统中节点与节点之间的路由和查找问题。
Chord协议采用了一种基于哈希映射（Hashing）技术的分布式哈希表，这种哈希表能够让每个节点在逻辑层面上拥有一个唯一的ID值，并能够解决节点地址的路由问题。每个节点根据自己的ID值与其它节点建立连接，并维护一组被指派给它的键值对。
三、Chord协议的工作流程
当一个节点需要查找一个键值对的时候，它将该键值对的键哈希到一个逻辑环上。每个节点的唯一ID值也被映射到同一个环上，环被分成了N等份，每个节点维护了从它的ID开始逆时针数第n个结点的信息，即它的n个后继结点，称为finger表。每个节点都维护了一个指向这个环上节点总数N次方级别的finger表，其中第i个记录的是该节点所知第i个后继节点的ID值。通过finger表中的信息，节点可以很快地取消息从自己到达目标节点的最短路径，并通过这条路径从网络中找到目标节点。
在Chord协议中，每个节点都有一个当前的维护者（successor）。当启动时，一个节点只知道它的维护者的地址，如果它需要查找一个键值对，它来询问它的维护者。一旦节点的维护者确定，那么后面再查询同一个节点或这个节点的后继节点，就不再需要问原来的维护者，而是直接去找那个节点的维护者。
四、Chord协议的节点加入与离开管理
我们现在考虑如何管理Chord环上的节点，特别是当节点加入和退出时，如何维护Chord环的连通性。为了保证Chord环的连通性，当一个节点加入Chord环时应该知道自己的维护者，并告诉那个节点它的存在，然后节点更新维护者列表和finger表。
当Chord环中的一个节点离开时，它的维护者在finger表和维护者列表中找到一个离它最近的节点作为新的维护者。离开的节点在它的维护者成功地接受了它的键值对之后就自行从网络中离开。
五、Chord协议的故障恢复
当一个节点在Chord环中出现了故障，由于节点维护表中只记录了每个节点在逆时针方向的后继节点，因此在节点故障时可能导致Chord环上某些指向该节点的其他指针无法立即更新，从而导致一些键值查找操作无法正常完成。为了解决这个问题，Chord协议采用了故障检测和修复机制。
对于失效的维护者节点，Chord环上的每个节点每3s向其n个后继节点之一发送畅通数据来检测失效的节点。如果没有收到维护者返回的畅通数据则表示对应的节点失效，其维护者向新的备份节点重新发送键值对信息。
当有新的节点加入Chord环的时候，对于可能存在的故障节点，它们的维护者会向新节点拥有的串查找每个键,并把这些键值对重新指向新节点。
六、结论
Chord协议是一个高效、可扩展的P2P路由协议。通过散列表的方式将节点映射到一个环上，对各个节点进行有序整理，实现节点的高效路由和快速定位。Chord协议采用DHT的基本结构和一系列优化策略，实现了高效的路由和可扩展性。在实际应用中，Chord协议得到了广泛的使用，并得到了较好的验证。