Peer-to-Peer Architecture

Peer-to-Peer Architecture

피어 투 피어 아키텍처 (Peer-to-Peer Architecture) 는 네트워크 내 모든 참여자가 동등한 역할을 하며, 중앙 집중형 서버 없이 각 노드가 직접적으로 데이터를 송수신하는 분산 시스템 구조이다. 각 노드는 클라이언트이자 서버로 동작하며, 자원 (파일, 처리능력 등) 을 상호 공유한다. 이 구조는 확장성, 장애 내성, 자원 분산 측면에서 강점을 가지며, P2P 파일 공유, 블록체인, 분산 컴퓨팅 등 다양한 실무 환경에 적용된다.

배경

P2P 아키텍처는 1990 년대 말 Napster 와 같은 파일 공유 시스템의 등장으로 주목받기 시작했다. 전통적인 클라이언트 - 서버 모델의 중앙 집중식 구조가 가지는 단일 실패점 (Single Point of Failure), 확장성 한계, 높은 서버 비용 등의 문제를 해결하기 위해 발전했다.

목적 및 필요성

1. 확장성 향상: 서버 부하 분산을 통한 시스템 확장성 개선
2. 내결함성 제공: 중앙 집중식 구조의 단일 실패점 제거
3. 비용 효율성: 서버 인프라 비용 절감
4. 자원 활용 최적화: 네트워크 참여자들의 유휴 자원 활용
5. 검열 저항성: 중앙 권한 없는 분산 구조를 통한 검열 회피

핵심 개념

• 피어 (Peer): 네트워크에서 동등한 권한을 가진 개별 노드
• 분산 네트워크 (Distributed Network): 중앙 서버 없이 각 노드가 직접 연결되어 통신.
• 자원 공유 (Resource Sharing): 각 노드가 자신의 자원 (파일, 대역폭, 연산능력 등) 을 공유.
• 탈중앙화 (Decentralization): 중앙 집중형 제어 없이 네트워크가 자율적으로 운영.
• 분산 해시 테이블 (DHT, Distributed Hash Table): 데이터의 분산 저장 및 검색을 위한 자료구조
• 오버레이 네트워크 (Overlay Network): 기존 네트워크 위에 구성되는 가상 네트워크
• 슈퍼노드 (Supernode): 일부 P2P 시스템에서 중계 역할을 수행하는 특별한 노드

실무 구현 관련 개념

• 확장성: 노드 추가만으로 네트워크 확장 가능.
• 장애 내성: 일부 노드 장애 시에도 네트워크 전체 운영에 영향 최소화.
• 자원 활용: 네트워크 참여자 모두가 자원을 제공·활용하여 효율적 분산 처리 가능.
• 네트워크 주소 변환 (NAT, Network Address Translation) 우회: 방화벽 뒤의 피어 간 직접 통신 기법
• 피어 발견 (Peer Discovery): 네트워크에서 다른 피어를 찾는 메커니즘
• 라우팅 알고리즘: 목적지 노드까지의 최적 경로를 찾는 알고리즘
• 복제 및 일관성 관리: 데이터의 신뢰성과 가용성을 보장하는 메커니즘

주요 기능 및 역할

• 자원 공유: 파일, 컴퓨팅 파워, 저장 공간 등의 분산 공유
• 통신 중계: 피어 간 직접 통신 및 메시지 라우팅
• 데이터 검색: 분산 환경에서의 효율적인 데이터 검색 및 색인
• 네트워크 관리: 피어의 참여/이탈 관리 및 네트워크 토폴로지 유지

특징

• 분산성 (Decentralization): 중앙 제어 없는 분산 구조
• 자율성 (Autonomy): 각 피어의 독립적 운영
• 동등성 (Equality): 모든 피어의 동등한 권한
• 동적성 (Dynamism): 피어의 동적 참여/이탈 지원
• 확장성 (Scalability): 피어 수 증가에 따른 성능 향상

핵심 원칙

1. 자기 조직화 (Self-Organization): 중앙 제어 없이 네트워크 구조 형성
2. 분산 제어 (Distributed Control): 제어권의 분산 배치
3. 자원 공유 (Resource Sharing): 참여자 간 자원의 상호 공유
4. 내결함성 (Fault Tolerance): 일부 노드 실패 시에도 시스템 정상 동작

주요 원리

P2P 시스템의 핵심 원리는 다음과 같다:

graph TB
    A[피어 발견] --> B[연결 설정]
    B --> C[자원 공유]
    C --> D[분산 라우팅]
    D --> E[데이터 검색]
    E --> F[복제 및 일관성]
    F --> G[네트워크 유지]
    G --> A
    
    H[DHT] --> D
    I[오버레이 네트워크] --> B
    J[슈퍼노드] --> A

• 각 노드는 네트워크에 참여하며, 필요 시 다른 노드와 직접 연결하여 데이터 전송 및 자원 공유.
• 데이터 검색, 파일 분배, 메시지 전달 등 모든 작업이 분산적으로 이루어짐.

작동 원리 및 방식

P2P 시스템의 작동 과정:

sequenceDiagram
    participant P1 as 피어 1
    participant P2 as 피어 2
    participant P3 as 피어 3
    participant DHT as 분산 해시 테이블
    
    P1->>DHT: 자원 등록
    P2->>DHT: 자원 검색 요청
    DHT->>P2: 피어 정보 반환
    P2->>P1: 직접 연결 시도
    P1->>P2: 자원 전송
    P2->>P3: 자원 공유 알림
    P3->>P1: 자원 요청
    P1->>P3: 자원 전송

구조 및 아키텍처

graph TD
    subgraph "P2P 네트워크 구조"
        P1[피어 1]
        P2[피어 2]
        P3[피어 3]
        P4[피어 4]
        P5[피어 5]
        P6[피어 6]
        
        P1 -.-> P2
        P1 -.-> P3
        P2 -.-> P4
        P3 -.-> P5
        P4 -.-> P6
        P5 -.-> P6
        P2 -.-> P5
        P3 -.-> P4
    end
    
    subgraph "구성 요소"
        A[피어 발견 서비스]
        B[라우팅 엔진]
        C[데이터 관리]
        D[보안 모듈]
        E[네트워크 관리]
    end

구성요소

구현 기법

장점

단점과 문제점 및 해결방안

단점

문제점

도전 과제

분류 기준에 따른 종류 및 유형

실무 사용 예시

활용 사례

사례 1: BitTorrent 기반 파일 공유 시스템

시스템 구성: 여러 피어가 파일 조각을 분산 저장·공유, 트래커 서버는 피어 목록 관리

graph TD
    Tracker(트래커 서버) -- 피어 목록 제공 --> Peer1(피어 1)
    Tracker -- 피어 목록 제공 --> Peer2(피어 2)
    Peer1 -- 파일 조각 전송 --> Peer2
    Peer2 -- 파일 조각 전송 --> Peer3(피어 3)
    Peer3 -- 파일 조각 전송 --> Peer1

워크플로우: 파일 요청 → 트래커에서 피어 목록 획득 → 각 피어에서 파일 조각 다운로드 → 조각 합성

sequenceDiagram
  User --> Tracker: Torrent 파일 정보 요청
  Tracker --> User: Peer 목록 전달
  User --> PeerA: 조각 요청
  PeerA --> User: 파일 데이터

역할: 각 피어는 파일 조각 제공자이자 수신자, 트래커는 연결 정보만 관리

차이점: P2P 미적용 시 서버 과부하, 적용 시 네트워크 부하 분산 및 다운로드 속도 향상

구현 예시

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# 간단한 P2P 파일 조각 전송 시뮬레이션 예시
# 각 피어는 파일 조각을 저장하고, 요청 시 다른 피어에게 조각을 전송

class Peer:
    def __init__(self, peer_id, pieces):
        self.peer_id = peer_id
        self.pieces = set(pieces)  # 보유한 파일 조각 번호

    def has_piece(self, piece):
        return piece in self.pieces

    def request_piece(self, piece, other_peer):
        # 다른 피어에게 조각 요청
        if other_peer.has_piece(piece):
            self.pieces.add(piece)
            print(f"{self.peer_id}가 {other_peer.peer_id}로부터 조각 {piece}를 받음.")

# 예시 사용
peer1 = Peer('Peer1', [1, 2])
peer2 = Peer('Peer2', [2, 3])
peer1.request_piece(3, peer2)  # Peer1이 Peer2에게 조각 3 요청

사례 2: IPFS (InterPlanetary File System)

시스템 구성:

graph LR
  UserA --> IPFS_NodeA[Node A]
  IPFS_NodeA --> DHT
  DHT --> IPFS_NodeB[Node B]
  IPFS_NodeB -->|File Chunk 전달| IPFS_NodeA

워크플로우:

1. 사용자가 파일 업로드 → 노드는 파일을 청크 단위로 해싱해 주소화.
2. 청크를 P2P DHT 네트워크에 저장.
3. 요청 시, IPFS 는 파일 해시를 기반으로 DHT 에 있는 노드에서 청크를 조회.
4. 여러 노드로부터 청크를 병렬로 받기 때문에 성능 및 네트워크 활용 강화.

IPFS 적용 전/후 비교

구현 예시

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from ipfshttpclient import connect

client = connect('/dns/localhost/tcp/5001/http')
res = client.add('example.pdf')
print('Added CID:', res['Hash'])

cat = client.cat(res['Hash'])
with open('downloaded.pdf', 'wb') as f:
    f.write(cat)
print('파일 다운로드 완료')

• ipfshttpclient 사용: 파일 업로드 → CID 반환 → 다운로드 가능
• P2P DHT 네트워크 기반으로 청크를 분산 저장 및 조회

실무에서 효과적으로 적용하기 위한 고려사항 및 주의할 점

최적화하기 위한 고려사항 및 주의할 점

주제와 관련하여 주목할 내용

반드시 학습해야할 내용

용어 정리

참고 및 출처

• Peer-to-Peer Architecture – Wikipedia
• BitTorrent Protocol Specification (BEP 0003)
• Kademlia: A Peer-to-Peer Information System Based on the XOR Metric
• Chord: A Scalable Peer-to-peer Lookup Service for Internet Applications
• STUN - NAT Traversal (RFC 3489)
• P2P Network Security Issues – IEEE Xplore
• P2P and DHT Explained – GeeksforGeeks
• Patterns of Distributed Systems – Martin Fowler
• Designing Data-Intensive Applications – Martin Kleppmann
• Peer-to-Peer Architecture – Dremio
• A Survey and Comparison of Peer-to-Peer Overlay Network Schemes – Stanford CS224W
• Decentralized Networks: A Deep Dive into Peer-to-Peer Architecture – Dcentralab
• Interlaced: Fully Decentralized Churn Stabilization for Skip Graph-based DHTs – arXiv
• Functional Architecture of P2P DHT Systems – ResearchGate