基于P2P技術的PIS大文件傳輸研究

黃志威，王富章，闞庭明

（中國鐵道科學研究院，北京 100081）

軌道交通信息系統

基于P2P技術的PIS大文件傳輸研究

黃志威，王富章，闞庭明

（中國鐵道科學研究院，北京 100081）

多媒體文件分發是PIS中一個重要的部分。本文闡述了PIS中多媒體文件的傳輸方式，基于PIS網絡結構對PIS文件傳輸模型進行了研究。運用P2P文件傳輸技術實現PIS大文件傳輸的負載均衡。

對等網絡；乘客信息系統；P2P；BT；文件傳輸；負載均衡

現代化城市軌道交通系統中，乘客信息系統（PIS，Passenger Information System）以文字、音頻和圖像等多媒體形式為乘客提供了直觀的乘車信息、豐富的媒體內容和便捷的出行體驗。隨著PIS的逐漸完善，系統內媒體資源更加豐富，媒體播放的畫質更加清晰,PIS媒體文件從幾百M增長到幾G甚至幾十G的大小，這些媒體文件分發對PIS的文件傳輸能力提出了更高的要求。

1 PIS網絡結構

PIS依托于城市軌道交通線路的網絡拓撲結構構建而成，主要由中心子系統和各個車站子系統組成。各車站的播放控制器從中心系統取得車輛到發信息、文字廣播信息、媒體播放信息等資源，將這些信息整合成圖像和音頻輸出到位于站臺、站廳、出入口的LCD顯示設備，呈現給乘客。城市軌道交通的線路控制中心設有該線路PIS的中心服務器。中心服務器由多個具有不同功能的服務器組成，這些服務器實現了PIS后臺管理、設備控制、數據統計、計劃編播等功能，管理視頻信息，車輛到發信息，圖片文字信息等內容，將這些信息發布到播放控制器。

PIS中心子系統的PIS媒體編輯與發布平臺主要由媒體管理服務器、數據庫服務器、文件服務器組成。媒體管理服務器完成PIS的文件上傳、審核、發布以及播放計劃編輯的工作。文件服務器存儲PIS多媒體文件，提供媒體上傳和媒體分發。PIS車站子系統由播放控制器組成，播放控制器按照媒體管理平臺提供播放計劃下載指定媒體資源。PIS媒體編輯與發布系統的結構如圖1所示。

圖1 PIS媒體編輯與發布系統結構圖

2 PIS基于C/S模式文件傳輸的瓶頸

傳統PIS的媒體文件發布通常采用客戶端/服務器模式（C/S模式）。這種模式基于PIS集中式管理的特點，一般使用FTP文件傳輸協議或者WebDAV協議。其媒體文件傳輸模型如圖2所示。

圖2 PIS C/S傳輸模型

這種模式下，PIS中所有播放控制器各自連接到文件服務器下載媒體文件。顯然，隨著PIS對媒體播放質量要求的提高以及城市軌道交通線路車站的增加，文件服務器端的網絡傳輸壓力會隨之增加。整個系統中播放控制器的數量直接影響到PIS文件傳輸的性能。

由于C/S模型的傳輸特點，播放控制器數量增加對PIS的網絡要求也會增加，導致PIS帶寬固定時播放控制器不能隨意增加，很大的限制了PIS對于不同軌道線路的擴展的靈活性。

因此，在播放器數量較多時這樣的傳輸需求是無法實現的。這種模型下要改善PIS的傳輸性能就只能增加文件服務器以及網絡交換機性能。但是這樣增加了硬件成本，對傳輸性能的改善卻很有限。

綜上分析，基于C/S模式的文件傳輸，隨著PIS播放控制器數量增加會使文件服務器的負擔增加出現傳輸瓶頸。若播放控制器超過了限制，最終會導致下載速度過慢無法完成系統傳輸要求，長時間的占用網絡資源還會出現網絡阻塞甚至崩潰的情況。

3 PIS基于P2P技術的文件傳輸優勢

在文件交換領域有一種新的網絡傳輸模型，叫做對等網絡（P2P，Peer to Peer）。其根本思想是處于網絡中的所有節點是對等關系，某一節點不只可以從網絡中任一節點獲取資源，還要向其他節點提供已有資源。

觀察PIS網絡結構，每個播放控制器都是PIS網絡中的節點，那么就可以采用P2P模型利用播放控制器組成對等網絡。傳統結構中播放控制器全部從文件服務器下載媒體文件，導致文件服務器的傳輸負擔很大，但是播放控制器節點一端的網絡帶寬沒有完全利用，甚至播放控制器的上傳帶寬一直是閑置狀態，而文件服務器卻出現了文件上傳的傳輸瓶頸。通過對等網絡，可以使播放控制器不是單一從文件服務器下載資源，允許網絡中的播放控制器從對等網絡中任意一個節點獲取資源。每個播放控制器都能共享已下載的媒體資源同時利用了播放控制器上傳的網絡帶寬，克服文件服務器端的傳輸瓶頸。

如圖3所示，在基于P2P技術的分布式媒體文件傳輸中，所有節點是對等的關系，利用每個播放控制器節點的傳輸資源來分擔文件服務器的工作，文件服務器只要把文件隨機下發給一個或幾個媒體播放器即可，不需要向每個播放控制器都傳輸媒體文件就能夠完成所有播放控制器的傳輸，所以使得PIS的文件傳輸性能得到很大的改善。

圖3 基于P2P的PIS傳輸模型

C/S模式的PIS中，播放控制器增加，傳輸速度變慢，改善傳輸性能往往通過投入更多的硬件資源，比如增加服務器或者增加文件服務器帶寬來解決，但是對PIS文件傳輸時間的改善卻很有限。基于P2P技術的主要特點在于充分利用分布在PIS網絡中的邊緣性網絡資源，包括播放控制器的計算資源、帶寬資源、內容資源等，以降低對文件服務器資源的消耗。這種結構隨著播放控制器增多網絡的資源節點增加，服務能力也增加，不需額外投入硬件，具有可擴展性。

4 基于P2P文件傳輸的理論模型

4.1 樹狀結構模型

基于P2P傳輸模型的PIS將一個大文件分割成多個文件塊進行傳輸，當一個播放控制器下載完一個文件塊后，就可以將這個文件塊傳輸給其他沒有下載的播放控制器。播放控制器下載完所有文件塊之后，將這些文件還原成完整媒體文件。

基于該模型，文件服務器將文件塊傳給某幾個播放控制器，播放控制器接收完該文件塊再傳給其他的播放控制器，依次類推。這種結構類似于樹形稱為樹狀結構，如圖4所示，分支度為2的樹狀結構中，根節點同時向2個播放控制器傳輸文件塊，每個內部節點的播放控制器都有2個子節點。圖中設傳輸帶寬為B；一個完整文件的分塊數是C；帶寬B傳輸完整文件的時間是單位時間1。

圖4 樹狀結構圖

由這個樹狀結構圖分析PIS媒體文件的分發過程：在時間點t= 0時，文件服務器同時向播放控制器□1和播放控制器□2傳輸第1個文件塊，每個播放控制器的帶寬是B/2。在2/C時間點，□1 、□2播放控制器接收完第1個文件塊，分別向□3 、□4 、□5 、□6播放控制器提供第1個文件塊的傳輸服務，同時文件服務器向□1 、□2播放控制器傳輸第2個文件塊。依此類推，當t= 2時，文件服務器將完整的文件全部傳給□1 、□2播放控制器，每層的傳輸延遲了2/C個單位時間。

若該樹狀結構的分支度為k，則根節點的文件服務器下有k個子樹，每個子樹中有N/ k個播放控制器（N為播放控制器數量），樹的高度為，樹中每層的延遲k/C，所以末端節點在的時間點完成整個文件的下載，樹狀結構的文件分發所需時間：。

從樹狀結構的分發時間的公式可以看到通過對播放控制器數量N取對數（即），大大減少了N對時間t的影響，同時調節分支度k可以調節文件的分發時間。并且隨著傳輸媒體文件的增大，文件分塊數C可以進一步降低N的影響。通過這個公式可以推算出基于該模型的PIS的理論傳輸時間。

4.2 樹狀結構的優化，并行樹狀結構

在上述分支度k=2的樹狀結構中，至少需要2倍時間才能完成下載；而且，播放控制器的帶寬沒有被充分利用，樹狀結構最末端的播放控制器沒有上傳文件，幾乎占播放器總數的一半。隨著k增大，這種不對等的情況會更加嚴重，沒有充分體現P2P網絡中節點平等的原則。

并行樹狀結構是對樹狀結構的帶寬利用不均的改進，它是由k個延伸樹所組成的樹網，在每個樹中，都包含所有的播放器節點，如圖5是兩個延伸樹（k=2）的并行樹結構。通過圖5可以得出，并行樹狀結構有一個節點一直作為末端節點，其它節點都會在樹的內部節點中出現一次，作為內部節點服務其它節點。

圖5 并行樹狀結構圖

分析圖5的文件傳送過程：首先將文件分成k部分，每部分交給并行樹其中一棵延伸樹分發，如圖5中2個延伸樹，則把文件分為兩部分，每個樹各負責其中一部分的傳輸。如果把文件分成C塊，那么每個部分負責的文件塊數就是C/ k塊。

在C=4，k=2時，圖5并行樹傳輸分析如下：時間點0時，文件服務器將不同的兩部分文件分發2個播放控制器(每個播放控制器占B/2的帶寬)。第1部分文件的第1小塊發給，第2部分文件的第1小塊給。在時間點2/C時，、已經同時接收完第1個區塊文件，各自將其分發給另外2個新的播放控制器（發給、，同時發給、），同時文件服務器發送第1部分文件的第2塊給， 第2部分文件的第2塊給。在時間點4/C時，、接收完兩部分文件，、、、接收完各自文件，各自發給各自2個新的播放控制器，依次下去。從圖中可以看到除了之外，其它播放控制器都在一棵樹中做內部節點。

通過分析得出，外分支度為k的并行樹模型，樹的層數是logkN。每個節點的傳輸帶寬是B/k，樹中每一層的延遲是k/C，末端節點的時間點接收到文件。那么并行樹結構的文件傳輸時間是

這種結構有效改善了樹狀結構帶寬分配不均的缺點，通過比較這兩個公式，播放控制器數量小于文件的分塊數時，并行樹結構的傳輸模型優于樹狀結構。PIS傳輸大文件時，文件分塊數要遠遠大于播放控制器數量。所以在網絡環境穩定的PIS中，并行樹結構具有更好的數學模型。

觀察公式可以得出，在k=e時，并行樹結構的文件傳輸時間可以取得最小值。實際分支數k只能是正整數，所以k的最佳值是3。

當文件G=8 GB，文件分塊大小在256 KB，分支度k=3時，播放控制器數量在100～500之間的并行樹狀結構傳輸時間如圖6所示。隨著播放控制器數量增加，傳輸時間的曲線變得更加平滑，500個播放器時并行樹狀結構的增加時間不超過萬分之六。

圖6 并行樹狀結構文件傳輸時間

基于P2P技術的PIS傳輸大文件時，文件分片塊數C很大，播放控制器數量N相對很小，所以并行樹公式可以近似看成TpTree(C,k,N)≈1。例如，播放控制器數量增加時系統傳輸時間增加小于萬分之六，若文件傳輸為2 h，其萬分之六的增加僅為4.32 s，可以忽略。

通過P2P理論模型分析可見，即使媒體播放器大量增加時，PIS的文件傳輸性能基本保持不變。因此基于P2P技術的PIS具有很好的可擴展性，播放控制器數量對系統的傳輸影響極小。

5 基于P2P文件傳輸的實現

根據對P2P傳輸模型的分析，PIS中實際采用接近于并行樹傳輸模型的BitTorrent傳輸協議（簡稱BT協議）實現PIS的P2P網絡傳輸。BT協議是一套完善、成熟的基于P2P技術的文件傳輸協議。采用這種現有的成熟協議，可以節省PIS傳輸協議的開發成本，并且使系統更穩定可靠。

在媒體上傳階段，PIS媒體管理服務器根據上傳到文件服務器的媒體文件生成擴展名為.torrent的“元文件”，該文件中記錄著媒體文件的分塊信息。媒體資源發布時，文件服務器的完整的媒體文件作為原始的seed（即“種子”），播放控制器從媒體管理服務器獲取對應的.torrent文件。媒體管理服務器作為tracker服務器，幫助播放控制器互相尋找對方存儲的媒體文件，對文件服務器和所有播放控制器的信息進行維護。當媒體管理服務器收到一個播放控制器的請求時，記錄下該播放控制器的信息并將其他下載該文件的播放控制信息返回給它。播放控制器再根據這些信息與其他播放器建立連接下載文件片段。當一個播放控制器下載完成時，就成為一個種子，向其他播放控制器提供下載服務。所有的播放控制器自組織形成一個P2P網絡。

在這樣的網絡中，文件服務器不需要為所有播放控制提供媒體文件下載。每個播放控制器在下載文件片段后成為下載服務的提供者。大量文件下載負擔被均衡到所用參與下載的播放器中，隨著PIS播放控制器數量增加，下載媒體文件的節點增加，能夠提供下載的節點也增加了。播放控制器的增加使PIS中P2P網絡整體的硬件能力也增強了。那么負載均衡以后，PIS播放控制器的數量幾乎不會影響系統傳輸性能。基于P2P技術的PIS充分利用了系統用各個播放控制器的資源，使PIS的可擴展性有了本質的提高。

實際應用中需要注意的是：P2P文件傳輸時，每個節點網絡帶寬資源都被充分的利用，若BT不做限速，整體的網絡負載在文件傳輸時大大增加，而影響到網絡中其他系統。因此，為避免出現P2P網絡占用全部的帶寬資源，對P2P網絡做限速優化設置是必要的。

另外，PIS的P2P傳輸模型可以在現有PIS上進行升級。在原有網絡中構建P2P虛擬網絡，只需要對軟件的傳輸協議進行升級（例如將FTP或WebDAV改為P2P傳輸協議），不改變PIS的硬件設備，節省了系統升級的時間和成本，減小了系統升級對城市軌道交通運營的影響。

PIS的網絡結構固定、硬件資源穩定可靠的系統特性使得其非常適合P2P技術的應用；播放控制器作為網絡節點穩定地存在于系統網絡中，消除了P2P文件傳輸中種子資源不固定情況。

6 結束語

本文結合城市軌道交通乘客信息系統現有的網絡環境特征和P2P技術的網絡結構特點實現了PIS超大文件的傳輸。通過在PIS的基礎網絡上構建P2P虛擬網絡，合理利用邊緣網絡空閑的帶寬和計算資源，充分利用播放控制器的網絡資源，實現網絡傳輸的負載均衡。PIS基于P2P技術的文件傳輸打破了以傳統的C/S方式更新文件的思想，創新地將P2P技術應用于PIS的多媒體文件傳輸中，這種架構大大提升了PIS的文件傳輸能力和可擴展能力，并且降低了系統對網絡帶寬要求和網絡硬件要求，節省建設PIS 的成本。同時在大文件傳輸方面，本文也可以為其它與PIS網絡結構相似的系統提供參考。

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責任編輯 王 浩

Large fi le transfer for PIS based on P2P technology

HUANG Zhiwei, WANG Fuzhang, KAN Tingming
( China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

Multimedia files distribution was an important role in Passenger Information System(PIS). This paper expounded the transmission mode of the multimedia data in PIS, researched on the file transmission model of PIS based on its network architecture, implemented the load balancing of large fi le transfer for PIS based on P2P technology.

peer to peer network; Passenger Information System; P2P; BT; fi le transfer; load balancing

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2015）10-0059-05

2015-01-30

黃志威，在讀碩士研究生； 王富章，研究員。