BitTorrent協(xié)議的特性淺析

李敏寧

摘要：傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)在當(dāng)用戶數(shù)目急劇增加時，容易產(chǎn)生服務(wù)器過載現(xiàn)象，使用服務(wù)器集群或分布式系統(tǒng)成本增大。BitTorrent協(xié)議是一種基于P2P（Peer to Peer）的文件共享協(xié)議，具有“用戶越多，下載速度越快”的特點(diǎn)，尤其是針對大文件的下載，能夠較好的降低服務(wù)器負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性和健壯性。更能體現(xiàn)出系統(tǒng)的優(yōu)越性。但其缺點(diǎn)是為了追求下載速度而犧牲了文件下載的順序性。

關(guān)鍵詞：BitTorrent協(xié)議；P2P技術(shù)；片段選擇算法

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文童編號：1009-3044（2015）19-0100-03

在傳統(tǒng)的FTP/HTTP協(xié)議中，用戶在下載文件時沒有交互，當(dāng)同一時間內(nèi)訪問服務(wù)器的用戶超過一定量時，由于有限的帶寬和難以提升能力的FTP服務(wù)器，下載速度急劇下降，導(dǎo)致部分用戶可能與服務(wù)器無法建立連接。

為了解決這個問題，研究人員進(jìn)行了多年探索，2003年，美國軟件工程師布萊姆·科亨采用Python語言編寫了BitTorrent協(xié)議，并以MIT許可證發(fā)布。

BitTorrent采用高效的文件分發(fā)技術(shù)及P2P技術(shù)共享文件，系統(tǒng)內(nèi)用戶在下載的同時向其他下載者提供上傳服務(wù)。具有“用戶越多，下載速度越快”的特點(diǎn)。

1BitTorrent協(xié)議的工作原理

BitTorrent協(xié)議處在TCP/IP的應(yīng)用層，是一種P2P文件傳輸協(xié)議，由于開源的特點(diǎn)，其內(nèi)容一直在不斷擴(kuò)充。

在BitTorrent系統(tǒng)中，文件發(fā)布者先將文件生成.torrent文件，稱為種子文件（簡稱“種子”）。種子文件本質(zhì)上是文本文件，它包含Tracker（跟蹤器）信息及文件信息兩個部分：Tracker信息包括它的地址以及設(shè)置信息；文件信息根據(jù)對共享文件的計(jì)算生成，計(jì)算結(jié)果使用B編碼規(guī)則進(jìn)行編碼。其主要原理是把文件虛擬分成許多塊，每個塊256KB，并把塊的索引信息和Hash驗(yàn)證碼都寫入種子文件，也就是說，種子文件即是被下載文件的索引。

用戶下載文件前，先要下載該文件的種子，BitTorrent客戶端首先解析種子文件，得到Tracker地址后連接Tracker服務(wù)器，提出請求；Tracker服務(wù)器收到請求后，提供給用戶發(fā)布者和該系統(tǒng)內(nèi)其他下載節(jié)點(diǎn)的TP地址，用戶根據(jù)地址和下載者相互連接，交換自己擁有的塊。此時服務(wù)器不再參與，單個線路的數(shù)據(jù)流量降低，從而減輕了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

為了保證下載數(shù)據(jù)正確，用戶每下載完一個塊，BitTorrent就會計(jì)算出這個塊的Hash碼，對比.torrent文件，相同就說明數(shù)據(jù)正確，否則重新下載。

2BitTorrent的架構(gòu)

BitTorrent最突出的特點(diǎn)是下載文件速度極快，理想狀態(tài)下，BitTorrent的下載速度可以達(dá)到電信運(yùn)營商所提供的最高速度，而與源文件所在結(jié)點(diǎn)的上傳帶寬關(guān)系不大。BitTorrent的下載速度高，是因?yàn)锽T的服務(wù)模式與傳統(tǒng)的C/S（客戶機(jī)/服務(wù)器）模式不同，如圖1所示。

左圖是傳統(tǒng)的C/S模式，s擁有文件，有六個客戶（C1、C2、C3、C4、C5、C6）同時希望得到這個文件，則每個客戶的下載速度最高只能是文件擁有者S上傳速度的1/6。如果同時有成百上千的用戶訪問S，則每個客戶的下載速度將極小，甚至可能造成S癱瘓。

右圖是BitTorrent模式，仍然是S擁有文件，同時有六個客戶（C1、C2、C3、C4、C5、C6）希望得到這個文件，這時，S先將文件分片段傳送給他們中的部分客戶（如C1、C3、C5），這些客戶擁有若干個片斷后，在繼續(xù)下載其它片斷的同時也提供給其他客戶自己所擁有的片斷。比如，C2可以同時從種子S與C1、C3、C5等處下載文件片斷，這樣各個客戶端共同合作，分別貢獻(xiàn)自己的上傳帶寬，幫助C2快速下載文件。如果網(wǎng)絡(luò)上的下載者不只這幾個，而是數(shù)以萬計(jì)，那么C2的下載速度在理論上就可以達(dá)到極限。因此，下載者之間相互提供文件片段，下載者越多，片段源就越多，下載速度也越快，同時也減輕了資源提供者S的壓力。

BitTorrent對于服務(wù)器的好處是很大的。在C/S模式中，只有等所有的下載者都完成了下載，服務(wù)器才能下線，帶寬的消耗也是單方面的（只消耗服務(wù)器的上傳帶寬），往往會造成服務(wù)器端擁塞。而BitTorrent不同，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)另一個下載了完整文件的用戶，只要不退出BT環(huán)境，就產(chǎn)生了一個新種子，原來的種子就可以下線了。一個完整的BitTorrent文件分發(fā)系統(tǒng)是這樣的：

1）如圖2，BitTorrent系統(tǒng)由以下成員組成：

A.一個普通的Web服務(wù)器，如圖2中的S；

B.一個跟蹤服務(wù)器（Tracker），如圖2中的T；

C.一個發(fā)布者節(jié)點(diǎn)，如圖2中的C；

D.終端客戶群，如圖2中的P1、P2等。

理想的情況是多個終端用戶在同時下載同一個文件。

2）要讓系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)布者節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行以下步驟：

A.生成一個種子文件（.torrent文件），運(yùn)行跟蹤服務(wù)器Tracker；

B.發(fā)布這個種子文件和跟蹤服務(wù)器Tracker的URL到Web服務(wù)器上，并添加一個到該文件的鏈接；

C.保持擁有完整文件的發(fā)布者（Seed）在線，等待下載。

3）要下載文件，用戶需要執(zhí)行的步驟如下：

A.訪問.torrent文件所在的Web服務(wù)器，下載.torrent文件；

B.與跟蹤服務(wù)器通信，報告自身的信息，得到發(fā)布者節(jié)點(diǎn)和隨機(jī)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息；自動啟動BitTorrent文件發(fā)布者節(jié)點(diǎn)，選擇文件的保存位置；

C.與發(fā)布者節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)通信，下載文件，同時對其他下載者（Peers）提供上傳。

D.等待下載完成，下載完成后若不主動結(jié)束程序運(yùn)行，則會成為Seed，繼續(xù)為其他Peers提供上傳。

4）各部分之間的連通性如下：

由上面的描述可知：文件發(fā)布者通過BitTorrent制作.tor-rent文件，上傳Web服務(wù)器并發(fā)布；其他用戶登錄Web服務(wù)器下載此種子文件，同時向跟蹤服務(wù)器Tracker發(fā)送自己的Peer_id（節(jié)點(diǎn)標(biāo)志）、ip（節(jié)點(diǎn)地址）和port（開發(fā)端口）；Tracker通過HTTP協(xié)議接收用戶信息，并為其返回一個隨機(jī)的Peers地址列表；Peers周期性的向Tracker登記，以便Tracker了解其進(jìn)度；Peers之間通過直連方式交換數(shù)據(jù)（連接使用基于TCP的Bit—Torrent對等協(xié)議）。

因?yàn)橄到y(tǒng)中只有文件發(fā)布者才擁有完整的文件，所以它必須將文件完整地傳輸給網(wǎng)絡(luò)。在下載者很多時，由于短時間內(nèi)系統(tǒng)已經(jīng)完成了許多下載，之后文件發(fā)布者隨時可以退出上傳，系統(tǒng)仍然保持運(yùn)行。

3BitTorrent協(xié)議的技術(shù)特點(diǎn)

在傳統(tǒng)的C/S系統(tǒng)中，下載文件的所有開銷都在服務(wù)器上。BitTorrent系統(tǒng)中則是完全不同的情況：如果多人同時下載一個文件，在Tracker的幫助下，Peers會相互提供自己擁有的文件片斷，這樣，每個下載者都會承擔(dān)部分下載開銷。理論上，這種系統(tǒng)可以容納無限多個下載者，卻不會影響速度。

BitTorrent協(xié)議有下面幾個特點(diǎn)：

1）對等發(fā)布

BitTorrent系統(tǒng)中，Peers之間通過Tracker服務(wù)器相互發(fā)現(xiàn)并交互來解決和文件下載相關(guān)的所有邏輯問題。

BitTorrent將文件切割為固定大?。ㄈ?56KB）的片斷，這些片斷都通過了SHA1算法計(jì)算出它的hash信息，保存在.torrent文件中。在Peers通信時，每個Peer都必須告訴對方自己擁有哪些片斷。

否則，Peers先建立連接，然后發(fā)現(xiàn)對方并沒有它想要的片斷，或者暫不允許它去下載，再去嘗試其他的連接，不但費(fèi)時費(fèi)力，而且造成了系統(tǒng)的許多額外開銷。

2）流水作業(yè)

為了提高傳輸速率，BitTorrent將每個文件片斷又進(jìn)一步分為16KB的子片斷，同時，保持幾個請求（通常為5個，因?yàn)榇藭r大多數(shù)Peers連接已經(jīng)飽和）被流水地同時發(fā)送，即每隔一段時間發(fā)送5個請求。

3）片斷選擇算法

一個文件被分割成了多個片段，為了提高下載性能，選擇片段的下載順序就顯得尤為重要。BitTorrent協(xié)議采用的片斷選擇算法主要包含四個策略。

（1）嚴(yán)格的優(yōu)先級

只要某個片斷的一個子片斷被請求，該片斷的其余子片斷就被優(yōu)先請求。這樣能夠使下載者盡快地獲得一個完整的片斷。

（2）最少優(yōu)先

在選擇下一個片斷時，系統(tǒng)中最少Peers所擁有的那個片斷優(yōu)先被選擇。使用這種策略確保系統(tǒng)中每個Peer都能擁有一些其他Peers最希望得到的片斷，這樣，無論哪個片段，一旦有Peers需要，就能馬上下載。整個系統(tǒng)逐漸被優(yōu)化。

（3）隨機(jī)的第一個片斷

初始下載時，下載者們沒有片斷可供上傳，最少的片斷只有原始種子擁有，就不適宜用“最少優(yōu)先”策略。因?yàn)檫@種情況下，它一般比多個Peers所擁有的那些片斷下載速度都要慢。因此，第一個片斷采用隨機(jī)選擇策略，之后的片段才切換到“最少優(yōu)先”策略。

（4）最后階段模式

在下載文件的最后階段，如果仍然使用最少優(yōu)先策略，連接到擁有片段的Peer速率很慢，就會嚴(yán)重影響下載速度。因此，系統(tǒng)采用另外一種策略，用戶先對所有的Peers發(fā)送對最后片段的子片段請求，一旦有哪些子片斷到了，就向其他Peers發(fā)送cancel消息。運(yùn)用這種策略，文件的最后一個片段下載的非?？?。

4）阻塞（choking）算法

BitTorrent系統(tǒng)中的每個Peer與其他Peers連接下載文件，都會根據(jù)對方提供的下載速率給予同等的上傳回報。為了懲罰自私者，定義了一種算法：對于合作的用戶提供上傳服務(wù)，不合作則阻塞對方。顯然，這種阻塞是根據(jù)用戶態(tài)度形成的臨時拒絕上傳的一種策略，阻塞時連接仍然保持。

阻塞算法對于提高整個系統(tǒng)的性能非常必要。理想的阻塞算法會盡可能地利用一切資源，提供給所有Peers可靠、一致的下載速率，并適當(dāng)懲罰那些只享受下載而不愿上傳的Peers。優(yōu)秀的阻塞算法遵循下面幾個原則：

1）帕累托有效（Pareto efficient）

帕累托有效也稱“帕累托最優(yōu)”（Pareto optimum），是指資源配置達(dá)到最理想一種狀態(tài)，只要重新改變資源配置的方式就必然會使一部分人的利益受損。BitTorrent的阻塞算法為達(dá)到帕累托有效采取了針鋒相對的方式。

2）保證上傳能力最大

在技術(shù)上，BitTorrent系統(tǒng)中的每個下載者始終與固定數(shù)量（一般是4個）的Peers保持連接（unchoked為1）。這種機(jī)制使得TCP的擁塞控制能夠盡可能地保證整個系統(tǒng)上傳能力始終最大（即上傳容量達(dá)到飽和狀態(tài)）。

那么問題就是應(yīng)該與哪些Peers保持unchoked？目前的實(shí)現(xiàn)方法是每20秒一個輪詢：BitTorrent每隔10秒計(jì)算一次哪些是需要被阻塞的Peers，然后保持這種狀態(tài)直到再次計(jì)算。這10秒鐘足夠使TCP調(diào)整它的傳輸性能，獲得最大的上傳能力。

3）樂觀疏通（optimistic unchoking）

如果僅僅為提供以下載速率為標(biāo)準(zhǔn)向Peers提供上載，就沒法發(fā)現(xiàn)更好的連接。為此，每個下載者都擁有一個被稱為樂觀疏通（optimistic unchoking）的連接，這個連接的特點(diǎn)是始終保持?jǐn)?shù)據(jù)交互狀態(tài)。系統(tǒng)每30秒重新進(jìn)行一次計(jì)算，決定哪個連接是“optimistic unchoking”。

4）反對歧視

當(dāng)一個下載者被與它連接的所有Peers阻塞時，它會保持一個極其低的下載速率，直到通過optimistic unchoking找到更好Peers。為了減少這種情況，如果一段時間后，下載者從某個連接節(jié)點(diǎn)處一個片斷也沒有得到，那么它就認(rèn)為自己被對方“歧視”了，此時除非對方是optimistic unchoking，否則不再為對方提供上傳服務(wù)，

5）僅僅上傳

當(dāng)下載者完成下載后，自己也變?yōu)榉N子節(jié)點(diǎn)，就無法再通過下載速率來決定提供上傳的Peers了。為了最大程度地利用上傳帶寬，該節(jié)點(diǎn)優(yōu)先選擇能從它這里得到最高的上傳速率的Peers和那些此刻無人提供上傳的Peers。

從前面的分析可知，為了保證文件的快速傳輸，BT協(xié)議采取了對等發(fā)布、流水作業(yè)、片段選擇算法和阻塞算法等技術(shù)。但這些技術(shù)是針對快速傳輸普通文件設(shè)計(jì)的，依據(jù)它的片斷選擇算法策略，所下載的文件片斷沒有順序，分布及其分散，而且除非下載完整個文件，用戶是沒法使用的。因此，利用BitTor-rent協(xié)議暫時無法滿足追求文件下載順序的大型文件，這也是以后的一個研究方向。