BitTorrent原理分析及改進(jìn)

第30卷增刊計算機工程2004年12月VoL30 Supplementary IssueComputer EngineeringDecember 2004●網(wǎng)絡(luò )與通信●文章編號: 1000 -3428(200)增刊- 0257- 03文獻標識碼: A中團分類(lèi)號: TP393BitTorrent原理分析及改進(jìn)孔彬',徐良賢'(1.上海交通大學(xué)軟件學(xué)院，上海200240; 2. 上海交通大學(xué)計算機系，上海200240)摘要: 通過(guò)對P2P技術(shù)現狀的介紹，與傳統的C/S模型比較,分析了P2P軟件BitTorrent的工作原理,指出了BirToren相對于CIS模式和純P2P軟件的優(yōu)勢和不足之出,給出了改進(jìn)方案和商業(yè)化應用的前途。關(guān)健詞: P2P; BitTorrent; C/SAnalysis and Improvement of BitTorrentKONG Bin', XU Liangxian'(1.School of Software of Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240;2.Computer Science Dept. of Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)[Abstract ] The paper introduces the present status ofP2P technology, compares with traditinal Client/Server model, analyzes the key technology ofBitTorrent, points out the diference between Bitorrent， CIS model and the other P2P software and the lack of BitTorrent. Then in gives theimprovement of the software and the commercial application.[Key words] P2P; BitTorrent; C/S1 P2P簡(jiǎn)介2 P2P模式與CIS模式的比較對等互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)(點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù))(Peer-to peer, P2P),目前流行的信息流模式是C/S模式，具有如下特點(diǎn):是一種網(wǎng)絡(luò )模型，在這種網(wǎng)絡(luò )中所有的節點(diǎn)是對等的(稱(chēng)為(1)信息和數據都保存在服務(wù)器端。只有服務(wù)器端具有對等點(diǎn)) ,各節點(diǎn)具有相同的責任與能力并協(xié)同完成任務(wù)?？刂颇芰?，客戶(hù)端基本上只是一一個(gè)高性能的終端設備。對等點(diǎn)之間通過(guò)直接互聯(lián)共享信息資源、處理器資源、存儲(2)服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò )的帶寬決定了網(wǎng)絡(luò )的性能。每臺服務(wù)資源甚至高速緩存資源等,無(wú)須依賴(lài)集中式服務(wù)器或資源就器所能提供的信息數量受到自身存儲空間的限制，而任意時(shí)可完成。它讓用戶(hù)可以直接連接到其他用戶(hù)的計算機，進(jìn)行刻它所能支持的客戶(hù)端訪(fǎng)問(wèn)數量則既受到自身處理能力的限文件共享與交換，另外P2P在深度搜索、分布計算、協(xié)同工制，也受到服務(wù)器所在網(wǎng)絡(luò )吞吐能力的限制。作等方面也大有用途。其實(shí)P2P并不是互聯(lián)網(wǎng)出現后才被引(3)URL用來(lái)表示信息資源的地址，但是URL 很少能直申出來(lái)的一-項全新網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，早在幾年前互聯(lián)網(wǎng)出現的時(shí)候接體現所定位的信息的內容，甚至不能直接鏈接到具體的內P2P就已經(jīng)應運而生，但是由于當時(shí)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展并不是像容上。今天這樣普及，而且在網(wǎng)絡(luò )建設(如帶寬、處理能力)和相關(guān)(4)被發(fā)布信息的分布與生存期十分穩定。服務(wù)器只發(fā)的硬件器材上并不能夠滿(mǎn)足P2P的需求，因此在幾年的互聯(lián)布機器所有者公之于眾的信息，這些信息將會(huì )在該服務(wù)器上網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中也衍生出來(lái)了許多中間產(chǎn)物。穩定地保存-一段時(shí)間， 并且該服務(wù)器通常也不間斷地運行在限于PC機的性能，并基于易管理性和安全性考慮，后網(wǎng)絡(luò )上。來(lái)發(fā)展的那些架構在TCPIP之上的軟件大多采用了CIS(客(5)被發(fā)布信息的存儲與管理比較集中、規范?；ヂ?lián)網(wǎng)戶(hù)端/服務(wù)器)模式的結構，比如瀏覽器和Web服務(wù)器，郵件上所有可以公開(kāi)訪(fǎng)問(wèn)的信息基本上都保存在服務(wù)器上,服務(wù)客戶(hù)端和郵件服務(wù)器等。隨著(zhù)Web服務(wù)需求的增長(cháng)，人們感器根據適當的算法和規則管理本地信息，應答客戶(hù)端的訪(fǎng)問(wèn)到有必要直接控制、改變和共享資源。20世紀90年代后期,請求或進(jìn)行管理。PC機的性能在速度和處理能力上突飛猛進(jìn)，人們開(kāi)始意識P2P模式是非中心結構,它與C/S模式有明顯的差別: .到可以將服務(wù)器軟件放在單獨的PC.上,而且可以在PC機之(1)每一個(gè)對等點(diǎn)具有相同的地位，既可以請求服務(wù)也間初始化全雙工的信息流,這就導致了P2P技術(shù)的復興?？梢蕴峁┓?wù),同時(shí)扮演著(zhù)P2P模式中的服務(wù)器和客戶(hù)端兩如果回顧一下，就會(huì )發(fā)現在WWW(World Wide Web)剛個(gè)角色，還可以具有路由器和高速緩沖存儲器的功能，從而剛出現時(shí)，P2P就是互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)特征之一一. 人們各自建立弱化了服務(wù)器的功能，甚至取消了服務(wù)器。網(wǎng)頁(yè)、互相做鏈接，而上網(wǎng)是沿著(zhù)鏈接沖浪。那時(shí)的Web(2) P2P技術(shù)可以使得非互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)很容易地加入到是真正的“網(wǎng)”。但是當Yahoo和Lycos建立了搜索引擎和系統中。在P2P的計算環(huán)境中任何設備，從大型機到移動(dòng)電門(mén)戶(hù)站點(diǎn)后，人們上網(wǎng)的方式被改變了，從此到一個(gè)地方去話(huà)，其至縣傳呼機.均可以在懷何地點(diǎn)方便地加入進(jìn)來(lái)。獲取所有信息。這些站點(diǎn)控制了信息的流動(dòng)、充斥了過(guò)時(shí)的P2P中國煤化工互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)該技術(shù)信息、阻礙了真正的交流，或者對于很多人來(lái)說(shuō)，另外還有還可:fYHCNMHG太多的廣告。而P2P就是把控制權重新還到用戶(hù)手中去。他作者簡(jiǎn)介:孔彬(1980--)，男，碩士生，研究方向:軟件工們通過(guò)P2P可以共享硬盤(pán)上的文件、目錄甚至整個(gè)硬盤(pán)。這程;徐良賢，教授將使互聯(lián)網(wǎng)上信息的價(jià)值得到極大提升。收稿日期: 2004-08-15 E-mail: kongfirstsjtu.cdu.cn- _257-(3)在P2P模式的網(wǎng)絡(luò )中，每一個(gè)對等體可以充分利用網(wǎng)絡(luò )上其他對等體的信息資源、處理器周期、高速緩存和磁3-旦盤(pán)空間。(4) P2P是基于內容的尋址方式，這里的內容不僅包括信息的內容，還包括空閑機時(shí)、存儲空間等。P2P 網(wǎng)絡(luò )中,用戶(hù)直接輸入要索取的信息的內容，而不是信息的地址，P2P軟件將會(huì )把用戶(hù)的請求翻譯成包含此信息的節點(diǎn)的實(shí)際地址，而這個(gè)地址對用戶(hù)來(lái)說(shuō)是透明的。(5) P2P中的每一個(gè)對等體通常沒(méi)有固定的IP地址，并且可常常從網(wǎng)絡(luò )上斷開(kāi)。(6)信息的存儲及發(fā)布具有隨意性，缺乏集中管理。通過(guò).上:面的比較，可以看出P2P模式相對于CIS模式的一些主要優(yōu)點(diǎn)。(1) P2P模式最主要的優(yōu)點(diǎn)就是資源的高度利用率。在P2P 網(wǎng)絡(luò )上，閑散資源有機會(huì )得到利用，所有節點(diǎn)的資源總和構成了整個(gè)網(wǎng)圈2 BitTorrent 的傳輸模式絡(luò )的資源，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )可以被用作具有海量存儲能力和巨大計算處理BT將文件分成每塊0.25MB~IMB的塊，將文件大小，能力的超級計算機。CIS模式下，縱然客戶(hù)端有大量的閑置資源，文件分割情況，Tracker(Tracker是 主要負責幫助下載者互相也無(wú)法被利用。(2) 隨著(zhù)節點(diǎn)的增加，cIs 模式下，服務(wù)器的負載就越來(lái)越重，尋找對方的服務(wù)器,只占用極少的帶寬和機器資源)的URL地形成了系統的瓶頸，-旦服務(wù)器崩演，整個(gè)服務(wù)也隨之癱瘓。而在.址等所要下載文件的基本文件信息，生成擴展名為torent的P2P網(wǎng)絡(luò )中，每個(gè)對等體都是一-個(gè)活動(dòng)的參與者，每個(gè)對等點(diǎn)都向種子文件。網(wǎng)絡(luò )貢獻- - 些資源，如存儲空間、CPU 周期等。所以，對等點(diǎn)越文件發(fā)布者首先用Btmakemetafile生成種子文件(Seed),多，網(wǎng)絡(luò )的性能越好，網(wǎng)絡(luò )隨著(zhù)規模的增大而越發(fā)穩固。生成時(shí)填入Tracker的地址。生成的Seed-- 般只有幾十k字節(3)基于內容的導址方式處于一個(gè)更高的語(yǔ)義層次，因為用戶(hù)到幾百k字節，將種子放到Web服務(wù)器上，之后運行BT,將在搜索時(shí)只需指定具有實(shí)際意義的信息標識而不是物理地址,每個(gè)路徑指向要發(fā)布的文件所在目錄就可以了。需要下載的用標識對應著(zhù)包含這類(lèi)信息的節點(diǎn)的集合。這將創(chuàng )造一個(gè)更加精煉的戶(hù)安裝了BT軟件后從Web上點(diǎn)擊Seed, BT就會(huì )自動(dòng)運行，信息倉庫和- -個(gè)更加統- - 的資源標識方法。(4)信息在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間直接流動(dòng),高速及時(shí)，降低中轉服務(wù)成本。只要選擇保存的目錄就行了。如果停止下載,下次只要再指(5)C/S模式下的互聯(lián)網(wǎng)是完全依賴(lài)于中心點(diǎn)一服務(wù)器的， 沒(méi)向同一文件就可以續傳。有服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò )就沒(méi)有任何意義。而P2P 網(wǎng)絡(luò )中，即使只有一個(gè)對當文件通過(guò)HTTP協(xié)議進(jìn)行傳輸所有的文件傳輸都通過(guò)等點(diǎn)存在，網(wǎng)絡(luò )也是活動(dòng)的，節點(diǎn)所有者可以隨意地將自己的信息主機。而使用BT,當有很多人同時(shí)下載同一文件時(shí)部分Peer發(fā)布到網(wǎng)絡(luò )上”。從發(fā)布者處下載文件的某- - 部分,之后通過(guò)Tracker找到其他3 BitTorrent工作原理當我們有許多文件要向眾多客戶(hù)發(fā)布時(shí),發(fā)現網(wǎng)絡(luò )帶寬的Peer,互相交換文件的其他- - 部分。通過(guò)對下載者上載能力的使用(一般情況下,這一-資源是沒(méi)有被利用的)，將主機流量總是有限的,在提高帶寬的同時(shí),費用也大幅上升,這幾乎是一-的負擔轉移到了下載者身上。因此同時(shí)下載的人數是不受限個(gè)惡性循環(huán)。BitTorrent是- -個(gè)能解決這-問(wèn)題 的軟件,其中制的。很早就有人提出這一想法，進(jìn)行研究,但由于算法上的的關(guān)鍵就是充分利用下載者的上傳能力,而這是免費的。復雜性,這一軟件不久前才誕生”。Bitorrent是現今互聯(lián)網(wǎng)上最流行的P2P軟件，但又與當一個(gè)下載者下載完畢后，如果不立即關(guān)閉BT(這正是之前的P2P軟件有很大不同，突破性的工作原理使其在占用BT所鼓勵的),他將成為另一個(gè)Seed為其他下載者服務(wù)。文件發(fā)布者極少的帶寬資源的情況下，快速發(fā)布文件。事實(shí)4 BT軟件與C/S模式，純P2P模式比較上所有遵守BitTorrent協(xié)議編寫(xiě)的軟件是通用的，以下簡(jiǎn)稱(chēng)同C/S模式及之前的P2P模式相比較，BT幾乎集中了二BT"傳統的模式:更多的用戶(hù)需要更多的帶寬，見(jiàn)圖1。BT者的優(yōu)點(diǎn):(1) BT是通過(guò)Web發(fā)布的是極小的Seed,接收數據也極的解決方法:使用戶(hù)互相傳遞信息，見(jiàn)圖2。其簡(jiǎn)單。集成了二者的優(yōu)點(diǎn)。(2)BT的發(fā)布者是眾多的網(wǎng)絡(luò )用戶(hù),使信息隨時(shí)更新,數據覆蓋的面廣,內容豐富。(3) BT占用的發(fā)布者的網(wǎng)絡(luò )資源少,即使是普通的寬帶用琶目戶(hù)也能使眾多下載者都以高速下載,不需要C/S模式的高額投入,又能使傳輸速度遠大于C/S模式。最、(4)試去的P7P的孰據的管理較為困難，而B(niǎo)T需要將Seed發(fā)中國煤化工理,即使有人發(fā)布不良內容(YHCNMHG貴及時(shí)處理。(5)數據時(shí)傳犏速度叮以況是哭破性的提高，眾多的下載者只會(huì )帶來(lái)更快的速度(理論上是Per越多速度越快)不會(huì )受服務(wù)器帶寬限制。圈1傳統的文件傳輸模式-258-BT也有自身的缺點(diǎn):5 BT改進(jìn)方案(1)對硬盤(pán)的損害。BT下載前首先會(huì )在硬盤(pán)寫(xiě)入與下載針對BT的缺點(diǎn),可以進(jìn)行如下的改進(jìn):文件容量相同的一個(gè)鏡像文件,然后通過(guò)填充的方法寫(xiě)入數(1)增設硬盤(pán)寫(xiě)緩存功能，有效減少下載時(shí)寫(xiě)入造成的據，當填充過(guò)程結束時(shí)，下載的過(guò)程也就完成了。每次下載硬盤(pán)頻繁交叉尋址，大幅提高硬盤(pán)使用壽命。時(shí)，軟件還需要對所有區塊進(jìn)行校驗計算，這是相當占用資(2)改善BT的連接能力。BT實(shí)際是隨機連接Peer列表中源和磨損硬盤(pán)的，如果下載上傳過(guò)程中再同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操的部分用戶(hù)，改善BT的連接能力，快速連接服務(wù)器，增強.作，那硬盤(pán)可能會(huì )出現壞道。.重連能力，當一些Peer斷開(kāi)連接時(shí)依然能夠快速下載。(2)嚴重占用帶寬。由于BT的工作原理是“多點(diǎn)下(3)設置下載文件優(yōu)先級。BT的使用者往往同時(shí)下載多載”，也就是說(shuō)參與進(jìn)來(lái)的用戶(hù)數量越多，單個(gè)用戶(hù)下載的個(gè)文件，而下載者的帶寬是有限的,因此可以設置下載文件速度也越快，但實(shí)際情況下，過(guò)多的連接也會(huì )占用大量系統優(yōu)先級，使用戶(hù)能夠選擇需要的文件下載。資源,不少用戶(hù)為了避免系統資源被過(guò)多占用以及基于安全.(4)顯示種子和下載者的詳細信息，進(jìn)行數據流控制。方面的考慮，- .般都對上傳速度進(jìn)行了相應的限制，有時(shí)甚BT的使用者往往會(huì )擔心BT占用過(guò)多系統資源和安全性問(wèn)至在自己下載結束后就立即關(guān)閉BT,這樣-來(lái)可用的“種題，顯示種子和下載者的詳細信息，讓用戶(hù)可以控制數據的子”數將越來(lái)越少，從而影響了其他用戶(hù)的下載速度，有時(shí)流向，切斷不必要的連接。甚至由于“種子”數為零而導致無(wú)法下載，這也是部分用戶(hù)6總結BT下載速度不快的原因所在。BT的眾多優(yōu)勢使其- -出現就受到網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的極大歡迎，(3)網(wǎng)絡(luò )安全。從根本上來(lái)說(shuō)，BT軟件還是屬于后臺操現在的BT種子發(fā)布的網(wǎng)頁(yè)已經(jīng)隨處可見(jiàn)，許多可供下載的作,無(wú)論是下載或上傳文件，都存在非法入侵、隱私泄露等方數據亦分門(mén)別類(lèi)，由專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)站發(fā)布。而網(wǎng)站也加大了管面的隱患，而且由于開(kāi)放端口還可能導致黑客程序或木馬的侵理力度，使數據更安全可靠。BT還未標準化,缺少實(shí)力廠(chǎng)襲，因此系統中安裝殺毒軟件和防火墻軟件是必不可少的。商支持，這決定了其發(fā)展是有很多隨機性和業(yè)余性，但其中(4)數據的互動(dòng)性差,只能下載已經(jīng)發(fā)布Seed的文件,如有也孕育著(zhù)商機。例如:儒要,只能在Web上發(fā)布需求信息以求有人能為其發(fā)布文件。(1)網(wǎng)絡(luò )低成本信息發(fā)布:適用于大體積的文件網(wǎng)上發(fā)由以上的分析可以得到表I。布，比如游戲demo、video片斷。特點(diǎn)就是服務(wù)器帶寬資源表1 P2P、 CIS、BT模式分析比較占用低，可用性高，不涉及版權控制等復雜問(wèn)題。| P2P模式 CS模式| BT模式(2)網(wǎng)上廣播數據量大，如果對實(shí)時(shí)性能要求不高可以數據發(fā)布差好考慮用BT建立鏡像服務(wù)器方案代替降低服務(wù)器帶寬成本。數據接收中.]好(3)技術(shù)上,或許可以成為Web標準的擴展，使FTP和[ 數據安全性HTTP建立在BT協(xié)議層之上,使網(wǎng)絡(luò )資源充分分布共享,提高數據更新|差網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量。數據質(zhì)量(價(jià)值)總之，BT對互聯(lián)網(wǎng)的影響將越來(lái)越大，相信BT技術(shù)的數據覆超事和數量(價(jià)值)I好研究將逐漸成為計算機領(lǐng)域的一個(gè)重要的熱點(diǎn)課題。數據成本控制文獻數據管理方便性1 Cohen B. BitTorrent Introduction. ht:tporret. com/introduction.I容錯性.」差html可擴展性2陳姝, 方濱興，周勇林. P2P技術(shù)的研究與應用[].計算機工程與數據互動(dòng)性應用，202.(13):20-23數據即時(shí)性(傳輸速度)3 Cohen B. Incentives Build Rustness in BitTorent. ht:tpornt.tcop/bitorrentecon. pdf, 2003-05(上接第256頁(yè))警作出反應。與過(guò)濾，用戶(hù)最關(guān)心的往往是最簡(jiǎn)潔的、不重復告警信息，5結論并且希望以最直觀(guān)的形式得到通知，例如告警燈的閃爍、警總而言之，基于Swing的Applet客戶(hù)端彌補了純HTML報聲的響起?？蛻?hù)端與用戶(hù)互動(dòng)性差的缺點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)網(wǎng)管系統實(shí)時(shí)性管理采用Java的事件模型，可以在服務(wù)器端運行觀(guān)察模塊工具的有效手段。相信隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )速度的提高、Java 技術(shù)進(jìn)(alert obsever),接收告警，并以事件的形式通過(guò)遠程方法步，基于Swing的Applet客戶(hù)端在網(wǎng)管系統中必將得到更為調用(RM)通知客戶(hù)端的Listener,利用Swing的圖形界面產(chǎn)廣泛的應用。生聲光效果。告警盤(pán)上設置代表不同級別的告警燈，當有新來(lái)的告參考文獻警，此級別的告警燈閃爍，警報聲晌起，直到用戶(hù)按確認按I楊家" 中國煤化]與實(shí)現技術(shù)北京:清華鈕，代表用戶(hù)已經(jīng)得到了告警通知。如果引起告警的故障沒(méi)大學(xué)有解決，則此告警燈會(huì )一直亮著(zhù)，提示用戶(hù)網(wǎng)絡(luò )中仍然有故2 AvedYHCNMHG南.北京:電子工業(yè)出版土, 2u障需要排除。如果所有此級別的告警都已經(jīng)解決，則燈滅。3 Weber JL. Java 2編程詳解.北京:電子工業(yè)出版社.1999告警盤(pán)還應具有用戶(hù)定制的功能，即只對用戶(hù)關(guān)心的某些告- -259-