BitTorrent原理分析及改进

第30卷增刊计算机工程2004年12月VoL30 Supplementary IssueComputer EngineeringDecember 2004●网络与通信●文章编号: 1000 -3428(200)增刊- 0257- 03文献标识码: A中團分类号: TP393BitTorrent原理分析及改进孔彬',徐良贤'(1.上海交通大学软件学院，上海200240; 2. 上海交通大学计算机系，上海200240)摘要: 通过对P2P技术现状的介绍，与传统的C/S模型比较,分析了P2P软件BitTorrent的工作原理,指出了BirToren相对于CIS模式和纯P2P软件的优势和不足之出,给出了改进方案和商业化应用的前途。关健词: 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简介2 P2P模式与CIS模式的比较对等互联网络技术(点对点网络技术)(Peer-to peer, P2P),目前流行的信息流模式是C/S模式，具有如下特点:是一种网络模型，在这种网络中所有的节点是对等的(称为(1)信息和数据都保存在服务器端。只有服务器端具有对等点) ,各节点具有相同的责任与能力并协同完成任务。控制能力，客户端基本上只是一一个高性能的终端设备。对等点之间通过直接互联共享信息资源、处理器资源、存储(2)服务器及网络的带宽决定了网络的性能。每台服务资源甚至高速缓存资源等,无须依赖集中式服务器或资源就器所能提供的信息数量受到自身存储空间的限制，而任意时可完成。它让用户可以直接连接到其他用户的计算机，进行刻它所能支持的客户端访问数量则既受到自身处理能力的限文件共享与交换，另外P2P在深度搜索、分布计算、协同工制，也受到服务器所在网络吞吐能力的限制。作等方面也大有用途。其实P2P并不是互联网出现后才被引(3)URL用来表示信息资源的地址，但是URL 很少能直申出来的一-项全新网络技术，早在几年前互联网出现的时候接体现所定位的信息的内容，甚至不能直接链接到具体的内P2P就已经应运而生，但是由于当时互联网的发展并不是像容上。今天这样普及，而且在网络建设(如带宽、处理能力)和相关(4)被发布信息的分布与生存期十分稳定。服务器只发的硬件器材上并不能够满足P2P的需求，因此在几年的互联布机器所有者公之于众的信息，这些信息将会在该服务器上网发展过程中也衍生出来了许多中间产物。稳定地保存-一段时间， 并且该服务器通常也不间断地运行在限于PC机的性能，并基于易管理性和安全性考虑，后网络上。来发展的那些架构在TCPIP之上的软件大多采用了CIS(客(5)被发布信息的存储与管理比较集中、规范。互联网户端/服务器)模式的结构，比如浏览器和Web服务器，邮件上所有可以公开访问的信息基本上都保存在服务器上,服务客户端和邮件服务器等。随着Web服务需求的增长，人们感器根据适当的算法和规则管理本地信息，应答客户端的访问到有必要直接控制、改变和共享资源。20世纪90年代后期,请求或进行管理。PC机的性能在速度和处理能力上突飞猛进，人们开始意识P2P模式是非中心结构,它与C/S模式有明显的差别: .到可以将服务器软件放在单独的PC.上,而且可以在PC机之(1)每一个对等点具有相同的地位，既可以请求服务也间初始化全双工的信息流,这就导致了P2P技术的复兴。可以提供服务,同时扮演着P2P模式中的服务器和客户端两如果回顾一下，就会发现在WWW(World Wide Web)刚个角色，还可以具有路由器和高速缓冲存储器的功能，从而刚出现时，P2P就是互联网的本质特征之一一. 人们各自建立弱化了服务器的功能，甚至取消了服务器。网页、互相做链接，而上网是沿着链接冲浪。那时的Web(2) P2P技术可以使得非互联网络用户很容易地加入到是真正的“网”。但是当Yahoo和Lycos建立了搜索引擎和系统中。在P2P的计算环境中任何设备，从大型机到移动电门户站点后，人们上网的方式被改变了，从此到一个地方去话，其至县传呼机.均可以在怀何地点方便地加入进来。获取所有信息。这些站点控制了信息的流动、充斥了过时的P2P中国煤化工互联网络，同时该技术信息、阻碍了真正的交流，或者对于很多人来说，另外还有还可:fYHCNMHG太多的广告。而P2P就是把控制权重新还到用户手中去。他作者简介:孔彬(1980--)，男，硕士生，研究方向:软件工们通过P2P可以共享硬盘上的文件、目录甚至整个硬盘。这程;徐良贤，教授将使互联网上信息的价值得到极大提升。收稿日期: 2004-08-15 E-mail: kongfirstsjtu.cdu.cn- _257-(3)在P2P模式的网络中，每一个对等体可以充分利用网络上其他对等体的信息资源、处理器周期、高速缓存和磁3-旦盘空间。(4) P2P是基于内容的寻址方式，这里的内容不仅包括信息的内容，还包括空闲机时、存储空间等。P2P 网络中,用户直接输入要索取的信息的内容，而不是信息的地址，P2P软件将会把用户的请求翻译成包含此信息的节点的实际地址，而这个地址对用户来说是透明的。(5) P2P中的每一个对等体通常没有固定的IP地址，并且可常常从网络上断开。(6)信息的存储及发布具有随意性，缺乏集中管理。通过.上:面的比较，可以看出P2P模式相对于CIS模式的一些主要优点。(1) P2P模式最主要的优点就是资源的高度利用率。在P2P 网络上，闲散资源有机会得到利用，所有节点的资源总和构成了整个网圈2 BitTorrent 的传输模式络的资源，整个网络可以被用作具有海量存储能力和巨大计算处理BT将文件分成每块0.25MB~IMB的块，将文件大小，能力的超级计算机。CIS模式下，纵然客户端有大量的闲置资源，文件分割情况，Tracker(Tracker是 主要负责帮助下载者互相也无法被利用。(2) 随着节点的增加，cIs 模式下，服务器的负载就越来越重，寻找对方的服务器,只占用极少的带宽和机器资源)的URL地形成了系统的瓶颈，-旦服务器崩演，整个服务也随之瘫痪。而在.址等所要下载文件的基本文件信息，生成扩展名为torent的P2P网络中，每个对等体都是一-个活动的参与者，每个对等点都向种子文件。网络贡献- - 些资源，如存储空间、CPU 周期等。所以，对等点越文件发布者首先用Btmakemetafile生成种子文件(Seed),多，网络的性能越好，网络随着规模的增大而越发稳固。生成时填入Tracker的地址。生成的Seed-- 般只有几十k字节(3)基于内容的导址方式处于一个更高的语义层次，因为用户到几百k字节，将种子放到Web服务器上，之后运行BT,将在搜索时只需指定具有实际意义的信息标识而不是物理地址,每个路径指向要发布的文件所在目录就可以了。需要下载的用标识对应着包含这类信息的节点的集合。这将创造一个更加精炼的户安装了BT软件后从Web上点击Seed, BT就会自动运行，信息仓库和- -个更加统- - 的资源标识方法。(4)信息在网络节点间直接流动,高速及时，降低中转服务成本。只要选择保存的目录就行了。如果停止下载,下次只要再指(5)C/S模式下的互联网是完全依赖于中心点一服务器的， 没向同一文件就可以续传。有服务器，网络就没有任何意义。而P2P 网络中，即使只有一个对当文件通过HTTP协议进行传输所有的文件传输都通过等点存在，网络也是活动的，节点所有者可以随意地将自己的信息主机。而使用BT,当有很多人同时下载同一文件时部分Peer发布到网络上”。从发布者处下载文件的某- - 部分,之后通过Tracker找到其他3 BitTorrent工作原理当我们有许多文件要向众多客户发布时,发现网络带宽的Peer,互相交换文件的其他- - 部分。通过对下载者上载能力的使用(一般情况下,这一-资源是没有被利用的)，将主机流量总是有限的,在提高带宽的同时,费用也大幅上升,这几乎是一-的负担转移到了下载者身上。因此同时下载的人数是不受限个恶性循环。BitTorrent是- -个能解决这-问题 的软件,其中制的。很早就有人提出这一想法，进行研究,但由于算法上的的关键就是充分利用下载者的上传能力,而这是免费的。复杂性,这一软件不久前才诞生”。Bitorrent是现今互联网上最流行的P2P软件，但又与当一个下载者下载完毕后，如果不立即关闭BT(这正是之前的P2P软件有很大不同，突破性的工作原理使其在占用BT所鼓励的),他将成为另一个Seed为其他下载者服务。文件发布者极少的带宽资源的情况下，快速发布文件。事实4 BT软件与C/S模式，纯P2P模式比较上所有遵守BitTorrent协议编写的软件是通用的，以下简称同C/S模式及之前的P2P模式相比较，BT几乎集中了二BT"传统的模式:更多的用户需要更多的带宽，见图1。BT者的优点:(1) BT是通过Web发布的是极小的Seed,接收数据也极的解决方法:使用户互相传递信息，见图2。其简单。集成了二者的优点。(2)BT的发布者是众多的网络用户,使信息随时更新,数据覆盖的面广,内容丰富。(3) BT占用的发布者的网络资源少,即使是普通的宽带用琶目户也能使众多下载者都以高速下载,不需要C/S模式的高额投入,又能使传输速度远大于C/S模式。最、(4)试去的P7P的孰据的管理较为困难，而BT需要将Seed发中国煤化工理,即使有人发布不良内容(YHCNMHG贵及时处理。(5)数据时传犏速度叮以况是哭破性的提高，众多的下载者只会带来更快的速度(理论上是Per越多速度越快)不会受服务器带宽限制。圈1传统的文件传输模式-258-BT也有自身的缺点:5 BT改进方案(1)对硬盘的损害。BT下载前首先会在硬盘写入与下载针对BT的缺点,可以进行如下的改进:文件容量相同的一个镜像文件,然后通过填充的方法写入数(1)增设硬盘写缓存功能，有效减少下载时写入造成的据，当填充过程结束时，下载的过程也就完成了。每次下载硬盘频繁交叉寻址，大幅提高硬盘使用寿命。时，软件还需要对所有区块进行校验计算，这是相当占用资(2)改善BT的连接能力。BT实际是随机连接Peer列表中源和磨损硬盘的，如果下载上传过程中再同时进行读写操的部分用户，改善BT的连接能力，快速连接服务器，增强.作，那硬盘可能会出现坏道。.重连能力，当一些Peer断开连接时依然能够快速下载。(2)严重占用带宽。由于BT的工作原理是“多点下(3)设置下载文件优先级。BT的使用者往往同时下载多载”，也就是说参与进来的用户数量越多，单个用户下载的个文件，而下载者的带宽是有限的,因此可以设置下载文件速度也越快，但实际情况下，过多的连接也会占用大量系统优先级，使用户能够选择需要的文件下载。资源,不少用户为了避免系统资源被过多占用以及基于安全.(4)显示种子和下载者的详细信息，进行数据流控制。方面的考虑，- .般都对上传速度进行了相应的限制，有时甚BT的使用者往往会担心BT占用过多系统资源和安全性问至在自己下载结束后就立即关闭BT,这样-来可用的“种题，显示种子和下载者的详细信息，让用户可以控制数据的子”数将越来越少，从而影响了其他用户的下载速度，有时流向，切断不必要的连接。甚至由于“种子”数为零而导致无法下载，这也是部分用户6总结BT下载速度不快的原因所在。BT的众多优势使其- -出现就受到网络用户的极大欢迎，(3)网络安全。从根本上来说，BT软件还是属于后台操现在的BT种子发布的网页已经随处可见，许多可供下载的作,无论是下载或上传文件，都存在非法入侵、隐私泄露等方数据亦分门别类，由专门的网站发布。而网站也加大了管面的隐患，而且由于开放端口还可能导致黑客程序或木马的侵理力度，使数据更安全可靠。BT还未标准化,缺少实力厂袭，因此系统中安装杀毒软件和防火墙软件是必不可少的。商支持，这决定了其发展是有很多随机性和业余性，但其中(4)数据的互动性差,只能下载已经发布Seed的文件,如有也孕育着商机。例如:儒要,只能在Web上发布需求信息以求有人能为其发布文件。(1)网络低成本信息发布:适用于大体积的文件网上发由以上的分析可以得到表I。布，比如游戏demo、video片断。特点就是服务器带宽资源表1 P2P、 CIS、BT模式分析比较占用低，可用性高，不涉及版权控制等复杂问题。| P2P模式 CS模式| BT模式(2)网上广播数据量大，如果对实时性能要求不高可以数据发布差好考虑用BT建立镜像服务器方案代替降低服务器带宽成本。数据接收中.]好(3)技术上,或许可以成为Web标准的扩展，使FTP和[ 数据安全性HTTP建立在BT协议层之上,使网络资源充分分布共享,提高数据更新|差网络服务质量。数据质量(价值)总之，BT对互联网的影响将越来越大，相信BT技术的数据覆超事和数量(价值)I好研究将逐渐成为计算机领域的一个重要的热点课题。数据成本控制文献数据管理方便性1 Cohen B. BitTorrent Introduction. ht:tporret. com/introduction.I容错性.」差html可扩展性2陈姝, 方滨兴，周勇林. P2P技术的研究与应用[].计算机工程与数据互动性应用，202.(13):20-23数据即时性(传输速度)3 Cohen B. Incentives Build Rustness in BitTorent. ht:tpornt.tcop/bitorrentecon. pdf, 2003-05(上接第256页)警作出反应。与过滤，用户最关心的往往是最简洁的、不重复告警信息，5结论并且希望以最直观的形式得到通知，例如告警灯的闪烁、警总而言之，基于Swing的Applet客户端弥补了纯HTML报声的响起。客户端与用户互动性差的缺点，是开发网管系统实时性管理采用Java的事件模型，可以在服务器端运行观察模块工具的有效手段。相信随着网络速度的提高、Java 技术进(alert obsever),接收告警，并以事件的形式通过远程方法步，基于Swing的Applet客户端在网管系统中必将得到更为调用(RM)通知客户端的Listener,利用Swing的图形界面产广泛的应用。生声光效果。告警盘上设置代表不同级别的告警灯，当有新来的告参考文献警，此级别的告警灯闪烁，警报声晌起，直到用户按确认按I杨家" 中国煤化]与实现技术北京:清华钮，代表用户已经得到了告警通知。如果引起告警的故障没大学有解决，则此告警灯会一直亮着，提示用户网络中仍然有故2 AvedYHCNMHG南.北京:电子工业出版土, 2u障需要排除。如果所有此级别的告警都已经解决，则灯灭。3 Weber JL. Java 2编程详解.北京:电子工业出版社.1999告警盘还应具有用户定制的功能，即只对用户关心的某些告- -259-