【计算机网络】P2P文件分发介绍

考虑一个场景：从单一服务器向大量主机（称为对等方）分发一个大文件。
两种处理方式
客户-服务器文件分发：服务器需要向每个对等方发送该文件的一个副本
P2P文件分发：当服务器上传了文件的一个副本后，各个对等点下载该文件的一部分，然后协助服务器上传自己拥有的文件部分

P2P体系结构的自扩展性

对前面提到的文件分发场景进行简单的定量分析，考虑在两种体系结构下的分发时间(distribution time)

分发时间
所有N个对等方得到该文件的副本所需要的时间
客户-服务器体系结构分析
考虑两个时间

1. 服务器需要向每个对等方传输该文件，即需要上传NF比特数据，得到$\frac{NF}{u_s}$
2. 考虑所有对等点的下载文件时间，即需要下载速率最小的对等点下载F比特数据，得到$\frac{F}{d_{min}}$ 其中$d_{min}=min(d_1,d_2,...,d_N)$
   则最终的最小分发时间为
   
   对足够大的N，客户-服务器分发时间由NF/u确定。则该分发时间随着对等方的数量N线性增加
   P2P体系结构分析
   考虑3个时间
3. 服务器需要将待传输的文件上传到P2P网络中，得到$\frac{F}{u_s}$
4. 各个对等点在整个过程中都会下载至少F比特数据，得到$\frac{F}{d_{min}}$ 其中$d_{min}=min(d_1,d_2,...,d_N)$
5. 整体分析这个P2P网络，网络中通过一个服务器加所有对等点总共交付NF比特数据，得到NF/($u_s+u_1+u_2+...+u_N$)，其中$u_{total}=u_s+u_1+u_2+...+u_N$
   得到最终的最小分发时间
   
   P2P体系结构的自扩展性
   假设：F/u=1小时，$u_s$=10u, $d_{min}\ge u_s$
   

CS体系结构的文件分发时间随着对等点数量的增加呈线性增长，而P2P体系结构由于对等方既下载文件块又上传文件块，其文件分发时间对于任意N总小于1小时

分析：由于$d_{min}$≥$u_s$，则F/$d_{min}$ 小于F/$u$；对于$D_{P2P}$的最后一项，分子为NF，分母为Nu+$u_s$必然会得到一个小于F/u的结果

BitTorrent协议

一个用于文件分发的P2P协议
BitTorrent基础介绍
洪流(torrent)：参与一个特定文件分发的所有对等方的集合
在一个torrent中的对等方之间文件传输单位为等长度的文件块（chunk）
追踪器（tracker）：每个torrent都有的节点，追踪当前仍在tracker中的对等点。追踪实现方式为：当一个对等方加入某洪流时，它向追踪器注册自己，并周期性地通知追踪器它仍在该洪流中
实例说明

邻近对等方
一个新的对等方Alice加入torrent向tracker注册，tracker随机选择了50个对等方，将这些对等方的ip地址发给Alice，Alice则尝试与这些对等方建立TCP连接，成功建立TCP连接的对等方称为Alice的“邻近对等方”。
文件分发准备
Alice周期性地通过TCP连接询问每个邻近对等方它们所具有的块列表。最终Alice将得到其所有邻近对等方所有的块列表，为其请求她没有的块做准备。
在任何给定的时刻，Alice将具有块的子集并知道它的邻居具有哪些块
请求哪些块
最稀缺优先（rarest first）：向邻近对等方请求副本最少的块，一定程度上实现均衡每个块在洪流中的副本数量
响应哪些请求
对换算法：Alice根据当前能够以最高速率向她提供数据的邻居（疏通），给出其优先权。
Alice持续地测量接收到比特的速率，并确定以最高速率流入的4个邻居作为备选相应集，这四个对等方称为疏通(unchocked)。疏通集每过10s则重新计算并修改。另外，每过30s，Alice将随机选择另一个邻居向其发送chunk。除了这5个对等方，其他的邻近对等方都被阻塞，无法与Alice进行数据传输
对等方能够以趋向于找到彼此的协调的速率上载
随机选择邻居允许新的对等方得到块，避免纯速率匹配将数据传输局限在很小范围内

参考资料

1. James F.Kurose&Keith W.Ross Computer Networking A Top-Down Approach(7th ed) 中文版