基于BitTorrent的VOD系統(tǒng)分析與評估

摘要：網(wǎng)狀多播以其穩(wěn)定性、易操作性和健壯性被廣泛應(yīng)用，但高流暢性和低延遲策略始終是視頻點(diǎn)播技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。文章圍繞如何設(shè)計(jì)一個(gè)高流暢和低延遲的點(diǎn)播系統(tǒng)，對比研究了三種典型的基于BitTorrent的VOD解決方案Bass、Bitos、Give-to-Get和常用的基于BitTorrent協(xié)議的VOD系統(tǒng)的性能評估方式，總結(jié)了在基于BitTorrent的VOD系統(tǒng)的優(yōu)化過程中遇到的問題和解決思路。

關(guān)鍵詞：P2P；BitTorrent；VOD；對比；評估

0 引言

2009年7月份，第24次中國互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，截至2009年6月底，中國網(wǎng)民規(guī)模達(dá)到3.38億人，其中網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用的使用率已高達(dá)67.1％，且保持10％的增幅。目前的網(wǎng)絡(luò)視頻應(yīng)用大致可分為三種類型——第一種：線上下載線下觀看，也就是把完整的視頻文件下載到本地后再啟動(dòng)本地播放器觀看；第二種：直播，當(dāng)視頻內(nèi)容在廣播時(shí)，用戶收看，如電視頻道直播；第三種：點(diǎn)播，視頻內(nèi)容以流的形式到達(dá)用戶，用戶可以在任何時(shí)候觀看能夠獲取的任何一個(gè)節(jié)目，如優(yōu)酷，PPLIVE等。對于用戶而言，顯然點(diǎn)播是最方便的。

傳統(tǒng)的中心服務(wù)器，客戶機(jī)模式的視頻點(diǎn)播服務(wù)模式不具有可擴(kuò)展性，既不能讓大量用戶同時(shí)訪問系統(tǒng)，也不能為大量用戶同時(shí)提供足夠的帶寬以獲取流暢視頻服務(wù)。P2P網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槠涔?jié)點(diǎn)在作客戶機(jī)獲取數(shù)據(jù)的同時(shí)，也作為服務(wù)器為其他節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)，所以能夠快速高效地在網(wǎng)絡(luò)上傳遞數(shù)據(jù)。將P2P這種網(wǎng)絡(luò)特性引入視頻點(diǎn)播服務(wù)，能夠有效地地避免傳統(tǒng)服務(wù)器的上述不足。BitTorrent協(xié)議是P2P網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的仂議，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在多種以BitTorrent協(xié)議為基礎(chǔ)的P2P點(diǎn)播系統(tǒng)。但是，低延遲和高流暢性始終是P2P點(diǎn)播研究開發(fā)和布署的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

本文圍繞如何設(shè)計(jì)一個(gè)兼具低延遲和高流暢度且服務(wù)器負(fù)載低的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)，對比分析了以BitTorrent協(xié)議為基礎(chǔ)的三個(gè)具有代表性的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)，歸納了基于BitTorrent的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的常用的性能評估方式。

1 基于BitTorrent的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)

BitTorrent采用了優(yōu)秀的片選算法和“針鋒相對(Tit-For-Tat)”的節(jié)點(diǎn)阻塞機(jī)制。片選算法并沒有考慮對時(shí)間的敏感性，因此不能夠直接應(yīng)用于點(diǎn)播系統(tǒng)。據(jù)我們了解，研究界將BitTorrent協(xié)議引入視頻點(diǎn)播服務(wù)經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一個(gè)階段是BitTorrent網(wǎng)絡(luò)和中心服務(wù)器共存的模式，如BASS，Toast等，本文對BASS作了分析；第二個(gè)階段是將BitTorrent的片選算法改造為適應(yīng)于對時(shí)序有要求的點(diǎn)播模式，典型的代表有BiTos；第三個(gè)階段是在對片選算法改進(jìn)的基礎(chǔ)上對阻塞機(jī)制也做了改進(jìn)，典型的代表是Tribler系統(tǒng)。

1.1 BASS

如圖1所示，我們把BASS(由BitTorrent輔助的流媒體點(diǎn)播系統(tǒng))歸為第一代基于BitTorrent的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)。

該系統(tǒng)針對中心服務(wù)器的帶寬利用率對客戶節(jié)點(diǎn)數(shù)的線性增長關(guān)系，在傳統(tǒng)服務(wù)器旁再附加一個(gè)BitTorrent的tracker服務(wù)器，讓客戶機(jī)同時(shí)通過媒體服務(wù)器和BitTorrent網(wǎng)絡(luò)下載播放數(shù)據(jù)。該方案延用了傳統(tǒng)BitTorrent的tit-for-tat(針鋒相對)和rarest-piece-first(最少片斷優(yōu)先)機(jī)制，通過對傳統(tǒng)BitTorrent客戶端的修改，不下載當(dāng)前播放點(diǎn)之前的數(shù)據(jù)，減輕了傳統(tǒng)媒體服務(wù)器的壓力，使從Bifrorrcnt網(wǎng)絡(luò)上獲取的數(shù)據(jù)片斷不再從媒體服務(wù)器獲取，但沒有考慮BitTorrent下載的片斷和播放時(shí)間的同步。

1.2 BiTos

我們把BiTos歸為第二代基于BitTonrrnt的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)。BiTos的設(shè)計(jì)者借鑒了CoolStreaming的滑動(dòng)窗口策略，通過給即將播放的數(shù)據(jù)片斷更高的下載優(yōu)先級滿足了邊下載邊播放的需求；通過修改BitTorrent的機(jī)制，使得層疊網(wǎng)單獨(dú)使用BitTorrent網(wǎng)絡(luò)就能夠提供流媒體服務(wù)。

BiTos在下載片斷中執(zhí)行以下平衡策略：①播放順序優(yōu)先，保證平滑的播放效果。②稀有優(yōu)先原則，保證并行下載片段且在下載過程中丟棄已經(jīng)超過播放期限(deadlihe)的數(shù)據(jù)片段。

BiTos的平衡策略通過以下四種手段實(shí)現(xiàn)：①將媒體文件的片斷劃分為四個(gè)集合：當(dāng)前已接收到的所有的片斷屬于接收緩存區(qū)集合B；在當(dāng)前播放點(diǎn)后m時(shí)段內(nèi)的片斷屬于高優(yōu)先級集合H；經(jīng)預(yù)估在播放點(diǎn)到達(dá)之前不能夠下載到的片斷屬于放棄下載的集合D；屬于將要被播放的內(nèi)容，且不屬于前兩個(gè)集合的片斷歸為剩余片斷集合R。②添加一個(gè)專門的模塊用來檢測片斷能否及時(shí)地到達(dá)，不能夠到達(dá)的放入集合D。③以P的概率下載H中的片斷，以1-P的概率下載R中的片斷。在下載H和R時(shí)，均采用最少優(yōu)先策略；如果H中兩個(gè)片斷同樣稀少，則優(yōu)先選擇離播放點(diǎn)最近的片斷。④根據(jù)播放點(diǎn)與可供播放的緩沖區(qū)的長度之間的比例關(guān)系調(diào)控概率。通過實(shí)驗(yàn)評估，認(rèn)為當(dāng)集合H的大小為媒體文件的8％，P=80％時(shí)，整體下載性能最優(yōu)。

1.3 Tribler

我們把采用了Give-to-Get機(jī)制的Tdbler系統(tǒng)歸為第三代基于BitTorrent的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用獨(dú)立于視頻的編碼和重疊網(wǎng)的視頻點(diǎn)播服務(wù)機(jī)制。系統(tǒng)根據(jù)視頻點(diǎn)播對時(shí)序的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性和數(shù)據(jù)傳播的有序性，在阻塞機(jī)制上用基于鄰居節(jié)點(diǎn)累計(jì)轉(zhuǎn)發(fā)片斷數(shù)量的控制策略，替代傳統(tǒng)BitTorrent協(xié)議中基于鄰居節(jié)點(diǎn)上傳速率的控制策略，提高了視頻片斷在P2P網(wǎng)絡(luò)上的傳播效率。該機(jī)制中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都動(dòng)態(tài)地維護(hù)一個(gè)長度為10的鄰居列表，視頻片斷的上傳和下載都在節(jié)點(diǎn)和它和鄰居列表中的節(jié)點(diǎn)之間發(fā)生。假設(shè)使用了Give-to-Get機(jī)制的系統(tǒng)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)P，它的鄰居分別是P0，P1，P2……P9，Pi、Pi為P的鄰居中的任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)。對于上傳服務(wù)：P基于以下原則決定向哪些Pi提供服務(wù)：①把PO到P9按照從P中獲取的片斷被轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)量排序，對排在前3位的提供上傳服務(wù)。②如果P0到P9中存在Pi和Pj序位相同的情況，再按Pi和Pj轉(zhuǎn)發(fā)的總的片斷的數(shù)量排序，優(yōu)先為轉(zhuǎn)發(fā)片斷最多的鄰居提供上傳服務(wù)。③這樣的排序周期為A T。P對于它鄰居的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量的信息是從Pi的鄰居中獲取(不包括P)的。對于下載任務(wù)：P將需要下載的片斷分為如圖3所示三個(gè)集合：高優(yōu)先級，中優(yōu)選級，低優(yōu)先級。正在播放時(shí)，對于高優(yōu)先級中的片斷，使用實(shí)際播放順序下載；其余情況下，無論是哪個(gè)集合，部使用最少優(yōu)先原則下載。

1.4 分析對比

我們將從服務(wù)器帶寬消耗和播放延遲兩個(gè)維度對BASS系統(tǒng)和傳統(tǒng)服務(wù)器模式作一對比。文獻(xiàn)的第六部分，使用播放連續(xù)度考察了BiTos系統(tǒng)中的P和集合A對性能的影響；文獻(xiàn)的第四部分，借助離散事件仿真器對比了BiTos系統(tǒng)和Give-to-Get的性能。綜合上述分析對比，可得出表1所示結(jié)果。

由此可見，為提高流暢度和減小播放時(shí)延，對基于BitTorrent的VOD系統(tǒng)的研究應(yīng)主要集中在對片選算法和阻塞機(jī)制的改進(jìn)和優(yōu)化上。

2 基于BitTorrent協(xié)議的VOD系統(tǒng)的性能評估方式

常見的對基于BitTorrent協(xié)議的VOD系統(tǒng)性能的評估方式主要從兩個(gè)方面入手：其一是根據(jù)BitTorrent協(xié)議具體實(shí)現(xiàn)中的片選算法、阻塞機(jī)制等建模并仿真；其二是從宏觀角度入手，在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中通過對BitTorrent客戶端、Tracker服務(wù)器實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、日志文件、用戶行為等信息的獲取來評估其性能。

2.1 建模分析

BitTorrent協(xié)議的片選算法多種多樣，并且靈活多變，僅靠有限的測試、理想狀態(tài)的仿真和有限的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不足以評估一個(gè)算法或者機(jī)制的優(yōu)越性?？梢詫⑵x算法原則概括為兩種：第一種是傳統(tǒng)的最少優(yōu)先原則；第二種是貪婪原則，即前面提到的播放順序優(yōu)先原則(離播放點(diǎn)最近的片斷優(yōu)先級最高)。最少優(yōu)先原則能夠動(dòng)態(tài)地最大化網(wǎng)絡(luò)中數(shù)量較少片斷的分布，有利于整個(gè)BitTorrent重疊網(wǎng)處于一種帕累托最優(yōu)(Pareto Optimality)狀態(tài)。貪婪原則能夠最大地縮短播放時(shí)延。如何在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候使用恰當(dāng)?shù)钠x原則，使得視頻點(diǎn)播系統(tǒng)兼具高流暢度和低時(shí)延，是一個(gè)值得探討的問題。

2.2 基于統(tǒng)計(jì)歷史的性能評估

為了研究BitTorrent的特性，我們選取一個(gè)包含較大文件的種子，分別對tracker服務(wù)器和客戶端的行為做了長達(dá)5個(gè)月的跟蹤，分析了BitTorrent的一般行為，論證了BitTorrent協(xié)議在解決網(wǎng)絡(luò)上共享較大文件這一關(guān)鍵問題的優(yōu)越性。

首先，通過Tracker服務(wù)器的監(jiān)控獲取了5個(gè)月中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)、上傳者總數(shù)、下載者總數(shù)等，以及不同時(shí)間點(diǎn)下的上傳、下載字節(jié)數(shù)量，統(tǒng)計(jì)了不同地區(qū)的用戶節(jié)點(diǎn)數(shù)量等信息，詳盡地分析了5個(gè)月期間不同用戶產(chǎn)生的不同行為。其次，通過對校園網(wǎng)內(nèi)一個(gè)Client節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控，獲取了單個(gè)節(jié)點(diǎn)上傳、下載、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及對網(wǎng)絡(luò)突發(fā)流量的反應(yīng)等信息。

在研究基于BitTorrent協(xié)議的VOD系統(tǒng)時(shí)，我們通過修改BitTorrent協(xié)議中Tracker服務(wù)器和對等節(jié)點(diǎn)客戶端的日志模塊，來實(shí)現(xiàn)對VOD行為的完全監(jiān)控，由此獲取用戶點(diǎn)播過程中產(chǎn)生的大量有價(jià)值的信息，從而進(jìn)一步提高VOD系統(tǒng)的性能。

2.3 基于離散事件仿真的性能評估

離散事件的仿真是通過離散事件發(fā)生器來模擬網(wǎng)絡(luò)事件，從而對大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)行為做出理論上的分析。常見的離散事件仿真器有NS-2、Matlab和基于C++的Adevs。

傳統(tǒng)的P2P仿真器大體可以分為兩類：一是基于重疊網(wǎng)層次(Overlay-Level)的仿真器，如PeerSim、P2PSim等。它們側(cè)重于P2P重疊網(wǎng)(各種DHT網(wǎng)絡(luò)及非結(jié)構(gòu)P2P網(wǎng)絡(luò))層次上的查找算法的仿真，而沒有提供對BitTorrent中特有的文件下載過程的仿真。并且只關(guān)注網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層，沒有考慮底層網(wǎng)絡(luò)流量等因素。二是基于包層次(Packet-Level)的仿真，最典型的如NS-2。這一層次的仿真器優(yōu)點(diǎn)是可以提供較為真實(shí)的底層網(wǎng)絡(luò)流量仿真，且準(zhǔn)確率較高，通過二次開發(fā)，可以做到對BitTorrent協(xié)議的仿真。此類仿真器由于對網(wǎng)絡(luò)層以下仿真，較之重疊網(wǎng)層次的仿真器計(jì)算開銷大，對于擁有大量節(jié)點(diǎn)的P2P網(wǎng)絡(luò)便無能為力，而其提供的某些方面的準(zhǔn)確率并不是必須的，完全可以簡化。

在對BitTorrent協(xié)議的仿真中，文獻(xiàn)中提到了GPS(A General Peer-to-Peer Simulator)開源仿真器。GPS是一個(gè)消息級(Message-Level)的、事件驅(qū)動(dòng)的對等網(wǎng)絡(luò)仿真器，其關(guān)鍵技術(shù)是利用宏模型(Macro-Model)來仿真消息級的流量。由于采用了較為成熟的流模型(Flow-Model)來仿真網(wǎng)絡(luò)流量，其準(zhǔn)確率接近于傳統(tǒng)的包層次的仿真器，而由于其開銷方面顯著減小，因此可以用來仿真擁有較大數(shù)量節(jié)點(diǎn)的P2P網(wǎng)絡(luò)。

2.4 真實(shí)環(huán)境表現(xiàn)

當(dāng)前針對BitTorrent協(xié)議的研究主要集中在上述的建模分析、系統(tǒng)日志分析、實(shí)驗(yàn)仿真等方面。在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于存在著多種不同的BitTorrent客戶端，其實(shí)現(xiàn)方式也有很大不同，因此，如何在真實(shí)的環(huán)境中通過對不同版本的BitTorrent客戶端行為的分析來正確評估BitTorrent協(xié)議是一個(gè)重要的有待解決的問題。

文獻(xiàn)提供了一個(gè)開源的綜合評估框架：在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，同時(shí)通過不同的客戶端(Azureus，Tribler，Transmission，hrktorrent，BitTorrent Mainline等)傳送同一個(gè)文件，系統(tǒng)保證對各個(gè)客戶端的操作完全同步，各個(gè)客戶端在文件下載過程中產(chǎn)生的日志文件會(huì)自動(dòng)匯總到一起，這些日志文件有助于我們作進(jìn)一步的評估分析。

3 結(jié)束語

在Internet上提供大規(guī)模的點(diǎn)播服務(wù)是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。本文分析了三種基于BitTorrent的視頻點(diǎn)播系統(tǒng)的關(guān)鍵算法及總體表現(xiàn)情況，概括了常用的幾類BitTorrent協(xié)議性能評估方式，為進(jìn)一步研究基于BitTorrent協(xié)議的VOD系統(tǒng)提供了參考。