一種可控P2P文件下載算法*

龐 濤，黃 海，龍 斌，武 娟

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

一種可控P2P文件下載算法*

龐 濤，黃 海，龍 斌，武 娟

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州 510630）

以BitTorrent為代表的對等網絡文件下載時存在帶寬吞噬的難題，如何實現可控傳輸是這類應用可持續發展的必要條件。本文基于電信新業務平臺——媒體電信網對可控傳輸的需求，提出一種可控性對等網絡文件下載算法，采用集中式目錄服務器傳輸調度有效限制骨干網負載流量；同時利用基于對等技術的分布式傳輸，采用空閑終端和補償服務器相結合的策略進行補償傳輸，以保持不低于BitTorrent的下載速率?；赑DNS的數據包級大規模網絡并行仿真結果證明了所提出算法的有效性，其綜合性能優于BitTorrent算法。

可控對等網；P2P文件下載；BitTorrent協議；對等節點

*國家發改委CNGI示范工程2006年產業化及應用試驗資助項目

1 引言

以BitTorrent[1]（BT）為典型代表的P2P文件下載算法帶給了用戶高速下載的體驗，但其存在的不可控性造成“帶寬吞噬”問題，其造成的擁塞極大降低其他未使用P2P業務的上網速度。同時，由于BT基于應用層，缺少對物理拓撲的意識，容易造成骨干網上大量重復流量，對資源的利用率造成極大的浪費，對網絡運營商而言極大降低產出投入比。

為解決BT的不可控性，急需提出具有“可控性”的P2P文件下載新算法。可控性的含義主要包括：（1）流量可控，指對P2P流量實施合理調度，尤其是減少骨干網中不必要的重復流量；（2）下載速率可控，即新算法的性能不能低于BT，否則用戶不會選擇；（3）版權可控；（4）計費可控。后二者是P2P能否大規模商業化應用的關鍵。

本文以CNGI實際項目為背景，基于電信新業務平臺的網絡架構——媒體電信網 （media telecom network，MTN）[2]，提出一種基于MTN具有可控性的P2P文件下載新算法（簡稱MTN算法）。MTN分層框架如圖1所示，主要包括運營支撐層、業務應用層、業務控制層和網絡承載層。業務應用層中包括數字版權管理系統，負責解決困擾P2P商業化應用的版權問題，同時支持可控P2P下載、可控P2P直播和可控P2P點播算法；業務控制層負責資源的調度和管理，比如在本算法中要用到的服務器的管理；運營支撐層負責統計、計費等管理；網絡承載層則負責網絡接入。MTN框架中已充分考慮版權和計費可控問題，本文算法重點解決可控性前兩個方面的問題。

對可控性第一方面的研究比較多（見§2），主要集中在P2P流量局域化方面，但未兼顧可控性的第二方面。若僅考慮P2P流量局域化，可能會降低P2P文件下載的平均速率，其原因分析如下：P2P流量局域化主要是控制對等節點（Peer）盡量從本域的鄰居對等節點獲取消息，當域內含有文件所有分塊（Block或Piece）的時候，域內的對等節點的下載速率顯然會比較快；但當局域內無法提供所有分塊的時候，有一部分分塊需要從外域鄰居節點獲取，但為了流量局域化，會限制一部分本域的對等節點從外域獲得分塊。這樣從整體來看，存在對等節點可能獲取分塊的范圍比原始BT協議中的對等節點獲取分塊的范圍小，所以其帶寬利用率沒有得到充分的利用，從而局域化后的整個P2P會話的平均速率會有所降低，所以需要采取新的策略對下載速率進行有效補償。

綜上所述，本文提出的可控P2P文件下載新算法不僅考慮流量的局域化，而且利用空閑資源來進行速率補償，其中對物理拓撲的信息可以直接利用電信運營商的數據庫獲得，電信的CDN網絡中已經部署很多服務器，這些服務器資源可以用于控制和調度的目錄服務器，而結合MTN的具體要求，電信運營商需要提供一個特別設計的MTN客戶端程序，當MTN終端處于空閑狀態的時候，可以被目錄服務器加以調度，從而對下載速率進行補償。同時，電信的服務器也可以用作補償服務器，即當空閑終端資源不足于調度的時候，補償服務器加入到調度補償的任務中。這樣也可以充分利用網絡的資源，減少服務器的壓力。另外，MTN網絡中有相應的激勵機制（如積分機制），可以保證當某個節點作為空閑終端使用后，其積分會隨著上傳速率相應增加，當該節點進行P2P下載時，可以獲得較大的概率（以相應比例）被疏通。

2 相關工作

對可控性第一方面（即流量局域化）的研究，是針對網絡層和應用層的拓撲不一致問題（也稱為拓撲失配問題[3～4]），可分兩類：P2P 文件下載和 P2P 流媒體，雖本文側重P2P文件下載，但流量局域化的技術是可以通用的。

P2P流媒體中流量局域化技術：Anysee和Nearcast等[5]采用地標（Landmark）的機制解決流量局域化的問題，地標是一個56位數據類型的值，由地理位置與IP的對應關系和一定的編碼規則產生，作為調度路徑上的“路標”。Li[6]提出4層分層的相鄰關系，通過各自級別的目錄服務器來控制流量的局域化。

P2P文件下載中流量局域化的研究也可分為以下兩類。（1）針對有結構化的研究，例如Plethora是針對分布式哈希表（DHT）查找的改進[7]，分2個覆蓋層：全局和局部覆蓋層，其中局部覆蓋層是相當于全局覆蓋層的一個緩存，該緩存根據地理遠近特征進行聯合調度。（2）針對無結構化的 P2P，例如針對 BT、Gnutella 等協議的改進[8～12]。當前由運營商推出的P2P流量局域化改進是P4P[8]，利用本地iTracker和統一的appTracker來負責對等節點的選擇，以保證流量的局域化以及系統的信息傳遞。Bindal等[9]提出有偏向的對等節點選擇算法，其主要思想是：若有N個鄰居，N－k個從同一個ISP中選擇，而其余k個從外面隨機選擇。參考文獻[10]計算所有的近鄰對等節點之間的片段融合度，一旦發現它們可以構成一個完整的對等節點群時，馬上停止從外網下載片段，從而實現流量局域化。參考文獻[11]提出基于鄰近節點聚類方法，并利用基于馬爾可夫鏈的流體數學模型從理論上證明了層次化結構的BT系統比原BT系統具有更好的文件共享性能。參考文獻[12]將網絡編碼（network coding）新技術應用到P2P文件下載，并且采用時延探測的流量局域化技術，仿真結果顯示優于未采用網絡編碼的Narada，但局限于一類特殊的組合網絡（combination network）。

本文設計的具有可控性的P2P文件下載算法，與現有研究的不同之處如下。

·相關研究關于流量局域化的工作，主要闡述如何獲得局域的物理拓撲意識，僅限于可控性的第一個方面；而本文基于MTN，可直接從電信網絡數據庫獲得物理拓撲的相關信息，因此本文重點探討如何從域外取分塊和從域內取分塊最優動態調度，達到既控制骨干網的流量，又盡量減少因對P2P施控造成的速率下降。

·現有研究未考慮可控性的第二個方面，本文則利用帶有激勵機制的空閑終端并結合補償服務器來共同補償因對P2P施控造成的速率下降問題，該補償可以使得MTN算法在保證流量局域化基礎上，下載速率可以比BT性能更好，該算法有效支持對等節點高動態加入/離開。

·本文算法基于MTN框架，可支持版權管理和流量計費，雖然后者超出本文討論范圍，但與本文算法結合后可以實現較完整意義上的可控P2P文件下載。

3 算法詳述

本文算法基于MTN的分層框架，在對用戶資源管理時，采用了對等組（group）、域（area）兩級管理方式。

對等組：針對某一特定內容源、由對等節點建立的共享團體，形成的一個傳遞特定內容源的虛擬的交互平臺。一個有用戶使用著的內容源通常對應著一個對等組號。比如，當所有對等節點下載某個文件時，則這些對等節點將具有一個相同的對等組號。若某對等節點沒有任何一個對等組號，意味著這個節點暫時沒有下載任何的文件，稱為“空閑MTN終端”。

域：由于同一時間共享一個內容的用戶數量可能很多，為了進一步減輕目錄服務器的壓力，提供用戶間共享的效率，將對等組內對等節點根據一定規則（如地域、加入次序等）組成更小粒度的通信團體。不同范圍的域由不同級別的服務器來管理。

基于MTN的分層網絡結構如圖2所示。主要的網絡元素包括：二層目錄服務器，包括RM（resource manager）和DR（designed RM），RM是第一級的資源管理中心，負責全局的資源管理、控制和負載均衡；DR是第二級的資源管理節點，負責局部域內的資源管理、控制和負載均衡。補償服務器，由電信運營商廣泛部署的CDN資源構成，可以在MTN中作為下載速率補償。MTN終端（活躍MTN終端和空閑MTN終端，前者具有某個對等組號，而后者沒有對等組號）。RM通過和DR交互獲取MTN所有范圍內的內容信息，而DR通過與MTN終端交互獲得局部的內容信息。下載內容是分布式存儲在中心服務器和邊緣服務器以及所有MTN終端上?？臻eMTN終端在一定激勵機制下，共享一部分資源（CPU計算資源、存儲資源、帶寬等），由RM/DR統一調度和管理，共同實現高速下載的目的。

本算法的詳細設計思想包括以下三點。

（1）流量局域化和內容均衡聯合設計的P2P傳輸可控機制

其一，流量局域化是通過充分利用電信所擁有的IP數據庫信息得到的，與BT不同的是本算法中目錄服務器需要增加位圖（BitField，位圖中的每個比特用于標記分塊的擁有情況）來掌握域內的分塊內容的擁有情況，從而有效地進行調度。仿真實驗證明對RM/DR的壓力是在合理范圍內。其二，單獨保證流量局域化可能會降低下載速度，而單獨考慮基于稀有優先（即采用純BT機制）的內容均衡又會導致流量在骨干網上的對沖，針對此矛盾，將二者結合起來考慮，在目錄服務器中采用自適應多階段的推送機制，可分為非穩定階段和穩定階段，在穩定階段采用流量局域化原則，而在非穩定階段則可以采用快取原則，即不一定遵循流量局域化的原則，只要能夠盡快獲取內容即可。這兩個階段由中心服務器控制自適應地切換。中心目錄服務器管理網絡中所有對等節點獲取其他對等節點信息來控制MTN骨干網流量；管理和調度網絡中的空閑資源，實施相應的積分激勵機制，并利用空閑資源和補償服務器結合來補償下載速率的下降。目錄管理服務器一般采用分級分層結構。

（2）基于空閑終端和補償服務器的補償加速技術

通過目錄服務器發現、更新和管理空閑資源，并調度空閑終端和補償服務器來補償和加速MTN的下載速度，具體調度原則是盡量利用空閑資源來補償下載速率，當空閑資源不足時才調用電信部門部署的補償服務器的資源，以盡量減少補償服務器的壓力，有效改善資源投入產出比。

（3）基于積分激勵機制的阻塞和疏通技術

采用積分機制來激勵對等用戶提供出盡可能多的空閑資源，而且將積分機制設計到MTN下載算法的阻塞和疏通算法中。其中積分機制是由目錄服務器實現。

3.1 目錄服務器端算法

首先介紹目錄服務器中的算法細節。

為便于查找和推送，在目錄服務器中的對等節點清單（Peerlist，某個對等節點的所有鄰居對等節點IP列表）的結構為：對等組號→種子IP→非種子節點IP→空閑節點IP。其中種子節點定義為含有所有的文件分塊，其位圖中比特均為1。目錄服務器中設置“域位圖”，用于監控本域分塊的分步情況。

目錄服務器中的流程如下。

①對首次加入的節點，分配目錄服務器DR。

②將對等節點的位圖與目錄服務器的位圖進行 “或”操作，并將收到的注冊IP分類加入對等節點清單。

③對客戶端的請求，根據最優原則（該子網對等節點清單中種子和非種子IP清單中隨機選?。┻x10個回復給客戶端。當域位圖非全1階段（意味著本域沒有所有的分塊，需要從外域請求一部分分塊），分二個階段，啟動階段先隨機推送對等節點清單，然后按域位圖中1的比例推送；穩定階段，當域位圖全1后采用本地優先。其中，當域位圖出現空缺（如有節點離開）則利用空閑終端和補償服務器結合的機制來補償。

④對離開網絡的客戶端離開消息，將客戶端IP從對等節點清單中刪除；若此時該客戶端的子網對等節點清單中不存在種子，則將該子網中的位圖相應離開的分塊位置上清零。

⑤若定時（30 s）重連目錄服務器時間到，執行②。

⑥對稀有分塊的處理：定時（180 s）檢查域位圖，如果某個分塊為零的時間超過某個閾值（30 s），啟動到鄰域的目錄服務器中去取10個IP（可能包括種子），將該IP主動推送給空閑終端，由空閑終端負責下載該分塊（若沒有空閑終端，則推送給補償服務器加以實施）。空閑終端在10個鄰域的對等節點清單中直接去申請所需的稀有片斷（此處就是要求目錄服務器給空閑終端發位圖）。

3.2 MTN客戶端算法

每個對等節點的下載算法細節（如圖3所示）如下。

①MTN客戶端進入網絡，向中心服務器注冊并發送下載請求，其中包括客戶端ID、端口號、需要下載的文件名等，中心服務器將這個新加入的節點的信息添加到對等節點列表中，然后根據最優原則（包括本地化最優原則、負載均衡原則等）回復MTN客戶端請求。中心服務器為該MTN客戶端提供具有最優的對等節點清單來回復請求。

②MTN客戶端找出對等節點清單中擁有自己所需要下載文件的鄰居節點，并向它們發送下載請求。

③收到請求的對等節點向MTN客戶端發送握手信息以及它擁有的文件的位圖。MTN客戶端通過隨機優先算法開始下載，其間它每30 s向DR發送一次信息，匯報自己的下載情況。中心服務器也即時更新其對等節點清單。在下載過程中，要用到稀有優先算法、嚴格優先算法、抵制怠慢算法和Tit-for-Tat激勵機制，其原則同BT算法。但阻塞算法、樂觀疏通算法有較大改進，通過利用積分機制，當空閑終端在傳輸的時候，其積分將增加。在樂觀疏通的時候，對空閑終端的不同積分進行不同的樂觀疏通。在阻塞的時候，當上傳下載速率相同時，積分多的優先被疏通，反之則被阻塞。

④當尚未下載的分塊數小于連接的對等節點數時，MTN客戶端進入最后模式，并繼續下載直至下載完畢。

⑤下載完畢后，MTN客戶端向中心服務器發送下載完畢信息，開始做種子。中心服務器則更新對等節點清單，將客戶端設為種子節點。當MTN客戶端將離開網絡，向中心服務器發送離開信息，中心服務器則將此節點信息從對等節點清單中刪除，并更新其域位圖信息。

為了保證空閑終端愿意貢獻資源，需要相應的激勵機制，本文提出一種積分機制，通過修正阻塞算法和樂觀疏通算法來實現，由中心服務器負責管理：為每一個分塊的請求分配一個優先級，空閑終端的分塊請求消息為高優先級，其余的為低優先級。對等節點在執行樂觀疏通算法時，高優先級的請求將會有兩倍于低優先級的請求機會被響應。

在每10 s執行一次的阻塞算法中，在被阻塞的對等節點中找出貢獻比最大的對等節點（記為P1），其中貢獻比定義為一個對等節點的總上傳量與總下載量的比；在被疏通的4個對等節點中找出貢獻比最小的對等節點（記為P2）；比較P1和P2的貢獻，疏通貢獻比較大者，阻塞貢獻較小者。

在每30 s執行一次的樂觀疏通算法中分為3步：①鄰居對等節點分類。根據分塊請求隊列將鄰居對等節點分成三類，第一類是請求隊列為空的鄰居對等節點，請求隊列為空說明本地對等節點沒有對方對等節點感興趣的數據；第二類是低優先級的普通對等節點，這些對等節點目前可以從其他的鄰居處獲得數據，因此它們發出的請求消息是低優先級的；第三類是空閑終端，即對應分塊請求隊列中的消息為高優先級。②為上述三類節點分配樂觀疏通的概率。對于第一類對等節點，直接阻塞，不參加樂觀疏通的競爭，依照規模和消息的優先級分配第二類和第三類對等節點獲得樂觀疏通的概率，擁有高優先級的第三類對等節點獲得樂觀疏通的平均幾率是第二類的2倍。③為每類中的對等節點分配樂觀疏通的概率。第二類對等節點中優先級相同，因此等概率地分配第二類中的每一個對等節點；在第三類對等節點中引入積分機制，按照第三類中每一個對等節點的貢獻在所有第三類對等節點的貢獻中所占的比例，分配每一個對等節點獲得樂觀疏通的概率。

4 網絡仿真結果及分析

仿真的網絡場景包括：均勻加入和突發加入，節點下載完畢后在0～600 s中隨機離開，6種不同節點規模。仿真拓撲采用現網拓撲和隨機拓撲。仿真下載文件大小為25 MB，共采用8臺仿真服務器，最大為4 800個對等節點。

現網拓撲是為了仿真基于MTN網絡的分層拓撲結構。第一層：模擬MTN網絡的核心層，帶寬10 Gbit/s，8個路由節點，采用全連接（full-mesh）結構相連；第二層：模擬MTN網絡的匯接層，與第一層路由節點之間相連的鏈路帶寬為2.5 Gbit/s，每個第一層路由節點連接4～6個第二層路由節點，第二層路由節點以第一層路由節點為核心采用星型拓撲相連；第三層：與第二層節點相連的鏈路為10 Mbit/s的 Ethernet或者 ADSL 鏈路（1 Mbit/s/512 kbit/s），每個第二層路由節點連接100個第三層主機節點，ADSL鏈路的比例為70%。特殊節點包括：目錄服務器（Tracker）（以1 Gbit/s的帶寬與第二層路由節點之間相連）；種子節點（Seed）（從第三層的主機節點中隨機選擇一個）。隨機拓撲則是由8臺仿真服務器采用GT-ITM或BRITE隨機生成，每臺服務器仿真的子網之間采用全連接方式。

具體的性能參數包括：平均下載時間、骨干鏈路吞吐量和目錄服務器的壓力。平均下載時間的定義為：∑Peer下載時間/對等節點總數；骨干鏈路吞吐量定義為骨干網上所有匯聚節點的流出流量之和；目錄服務器壓力是采用目錄服務器的流量來定義的。

4.1 平均下載時間

由圖4可以看出MTN下載算法在對等節點均勻加入的情況下，完成下載的平均時間在310 s到330 s之間，隨著總節點數從2 800到4 800呈現略有下降的趨勢，反映P2P下載在一定規模下，節點越多下載越快的特性；而BT算法完成下載的平均下載時間在340 s到430 s之間，其下載時間在2 800到3 600、4 000到4 400節點期間是下降趨勢，反映在一定規模下BT下載節點越多下載越快的特性，其呈現上升的情況是因為到一定節點數目，會有一定的擁塞情況，下載時間會有一定上升。對比MTN算法和BT算法，MTN下載的完成時間比BT算法少了近15%。

圖5是MTN下載算法和BT算法在隨機拓撲網絡（突發加入）場景中的對等節點完成下載的平均時間隨總節點數變化的曲線。從圖5可以看出在隨機網絡中，MTN的平均下載時間與BT的相比要快20%左右，其原因是：在隨機網絡中，從源對等節點傳送的數據包需要經過多個路由節點才能到達目的對等節點，傳輸路徑中經過的路由節點越多，傳輸的時延也就越大，這樣一來MTN下載算法的本地流量優先策略將會極大增強文件下載的速度，由于本地網絡中的對等節點一般只通過1個或者少數幾個路由節點相連接，所以只要本地網絡內存在一份完整的文件拷貝，本地網絡的所有對等節點可以在很短的時間內得到文件的所有片斷。可見，在隨機拓撲中本地化的優勢更明顯一些。在現網拓撲中，MTN和BT的跳數比較接近，所以本地化的優勢沒有隨機拓撲中明顯。

4.2 骨干網鏈路吞吐量

圖6是BT和MTN 在有隨機離開的場景中骨干網吞吐量與節點規模的變化關系。比較在均勻加入和突發加入兩種場景下的BT骨干網吞吐量，前者要遠小于后者（前者約為后者的1/10）；而對于MTN而言，兩種場景下的骨干網鏈路吞吐量相差不大（前者約為后者的1/2），且在均勻加入和突發加入兩種場景下，MTN骨干網鏈路吞吐量均小于BT骨干網鏈路的吞吐量，這些結果驗證了MTN下載算法與BT協議相比能夠在很大程度上減少骨干鏈路的吞吐量，尤其值得一提的是，當節點加入網絡的突發程度越高，MTN對骨干鏈路吞吐量的優化效果就越好。骨干鏈路的吞吐量基本不隨網絡節點規模的增加而變化，吞吐量的波動均在10%以內，這是因為當節點規模在不停增加時，單位時間內加入節點的數目保持不變，所以骨干網的流量基本保持不變。

圖7是網絡規模為4 800個對等節點的現網拓撲下，骨干網鏈路流量隨時間變化的曲線。由圖7可以看出，在4 800個對等節點均勻加入隨機離開的場景中，BT算法的骨干鏈路流量最高到達25 Mbit/s，平均在20 Mbit/s；而MTN下載算法的骨干鏈路流量在10 Mbit/s以內，且在1 000 s后維持在5 Mbit/s左右?？梢奙TN下載的本地流量化得到很顯著的效果。

圖8給出現網拓撲中BT和MTN分別在突發加入方式下的骨干網鏈路流量變化情況，對等節點在完成下載后0～600 s隨機離開，由圖8可以看出，在4 800個對等節點突發加入隨機離開的場景中，BT算法的骨干鏈路流量最高到達200 Mbit/s；而MTN文件共享算法的骨干鏈路流量在50 Mbit/s以內，且在250 s后維持在30 Mbit/s左右。MTN文件共享的本地流量化得到很顯著的效果。

4.3 目錄服務器壓力

圖9和圖10是4 800個對等節點突發加入、隨機離開時，拓撲結構分別為現網拓撲和隨機拓撲的目錄服務器的壓力情況?？梢钥闯鲈? 800個對等節點突發加入并在0到600 s內隨機離開的場景下，在現網和隨機拓撲中，MTN下載算法對目錄服務器的壓力比BT算法高，因為在MTN下載算法中，目錄服務器和對等節點間交互的信息更多。MTN下載算法中，目錄服務器壓力最高數量級只是2 kbit/s級別，仿真實驗的文件大小是25 MB，此處采用了一個DR服務器，按一般DVD質量的視頻文件800 MB大小來計算，4 800節點服務器的壓力約64 kbit/s的級別，按一般一個服務器支持2 400并發節點計算，壓力為32 kbit/s，一般服務器的帶寬至少是1 Gbit/s，可以計算得每個服務器在支持2 400并發節點的下載文件數為1 Gbit/s/32 kbit/s=4 000個文件，對電信的高性能服務器來說是可以接受的范圍，符合設計的需求。

5 結束語

本文針對媒體電信網（MTN）框架和需求，提出具有骨干流量可控、下載速率可控的可控P2P下載新算法，基于PDNS的大規模仿真結果證實了算法的有效性。與MTN框架中的版權管理和流量計費相結合后可以實現較完整意義上的可控P2P文件下載。

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An Algorithm for Controllable P2P File Downloading

Pang Tao,Huang Hai,Long Bin,Wu Juan
(China Telecom Guangzhou Research Institute,Guangzhou 510630,China)

Bandwidth devouring has become a significant problem with P2P file downloading applications represented by BitTorrent(BT).Implementing controllable P2P transfer is a key for sustainable deployment of this type of service.This paper proposes a novel controllable P2P file downloading algorithm based on requirements of new Telecom service platform—Media Telecom Network (MTN).This algorithm adoptes centralized directory servers to effectively decrease traffic load of backbone networks.Meanwhile,taking advantage of distributed P2P transfer,the algorithm combines idle terminals and compensation servers to improve downloading rate,which is not worse than BT.Finally,large-scale simulations at packet level based on PDNS prove the effectiveness of the proposed algorithm and show its improvement in terms of overall performance upon BT.

controllable P2P network,P2P file downloading,BitTorrent,peer

2010-05-31）