BitTorrent协议的特性浅析

李敏宁

摘要：传统的C/S架构在当用户数目急剧增加时，容易产生服务器过载现象，使用服务器集群或分布式系统成本增大。BitTorrent协议是一种基于P2P（Peer to Peer）的文件共享协议，具有“用户越多，下载速度越快”的特点，尤其是针对大文件的下载，能够较好的降低服务器负担，提高系统的扩展性和健壮性。更能体现出系统的优越性。但其缺点是为了追求下载速度而牺牲了文件下载的顺序性。

关键词：BitTorrent协议；P2P技术；片段选择算法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文童编号：1009-3044（2015）19-0100-03

在传统的FTP/HTTP协议中，用户在下载文件时没有交互，当同一时间内访问服务器的用户超过一定量时，由于有限的带宽和难以提升能力的FTP服务器，下载速度急剧下降，导致部分用户可能与服务器无法建立连接。

为了解决这个问题，研究人员进行了多年探索，2003年，美国软件工程师布莱姆·科亨采用Python语言编写了BitTorrent协议，并以MIT许可证发布。

BitTorrent采用高效的文件分发技术及P2P技术共享文件，系统内用户在下载的同时向其他下载者提供上传服务。具有“用户越多，下载速度越快”的特点。

1BitTorrent协议的工作原理

BitTorrent协议处在TCP/IP的应用层，是一种P2P文件传输协议，由于开源的特点，其内容一直在不断扩充。

在BitTorrent系统中，文件发布者先将文件生成.torrent文件，称为种子文件（简称“种子”）。种子文件本质上是文本文件，它包含Tracker（跟踪器）信息及文件信息两个部分：Tracker信息包括它的地址以及设置信息；文件信息根据对共享文件的计算生成，计算结果使用B编码规则进行编码。其主要原理是把文件虚拟分成许多块，每个块256KB，并把块的索引信息和Hash验证码都写入种子文件，也就是说，种子文件即是被下载文件的索引。

用户下载文件前，先要下载该文件的种子，BitTorrent客户端首先解析种子文件，得到Tracker地址后连接Tracker服务器，提出请求；Tracker服务器收到请求后，提供给用户发布者和该系统内其他下载节点的TP地址，用户根据地址和下载者相互连接，交换自己拥有的块。此时服务器不再参与，单个线路的数据流量降低，从而减轻了服务器的负担。

为了保证下载数据正确，用户每下载完一个块，BitTorrent就会计算出这个块的Hash码，对比.torrent文件，相同就说明数据正确，否则重新下载。

2BitTorrent的架构

BitTorrent最突出的特点是下载文件速度极快，理想状态下，BitTorrent的下载速度可以达到电信运营商所提供的最高速度，而与源文件所在结点的上传带宽关系不大。BitTorrent的下载速度高，是因为BT的服务模式与传统的C/S（客户机/服务器）模式不同，如图1所示。

左图是传统的C/S模式，s拥有文件，有六个客户（C1、C2、C3、C4、C5、C6）同时希望得到这个文件，则每个客户的下载速度最高只能是文件拥有者S上传速度的1/6。如果同时有成百上千的用户访问S，则每个客户的下载速度将极小，甚至可能造成S瘫痪。

右图是BitTorrent模式，仍然是S拥有文件，同时有六个客户（C1、C2、C3、C4、C5、C6）希望得到这个文件，这时，S先将文件分片段传送给他们中的部分客户（如C1、C3、C5），这些客户拥有若干个片断后，在继续下载其它片断的同时也提供给其他客户自己所拥有的片断。比如，C2可以同时从种子S与C1、C3、C5等处下载文件片断，这样各个客户端共同合作，分别贡献自己的上传带宽，帮助C2快速下载文件。如果网络上的下载者不只这几个，而是数以万计，那么C2的下载速度在理论上就可以达到极限。因此，下载者之间相互提供文件片段，下载者越多，片段源就越多，下载速度也越快，同时也减轻了资源提供者S的压力。

BitTorrent对于服务器的好处是很大的。在C/S模式中，只有等所有的下载者都完成了下载，服务器才能下线，带宽的消耗也是单方面的（只消耗服务器的上传带宽），往往会造成服务器端拥塞。而BitTorrent不同，当网络上出现另一个下载了完整文件的用户，只要不退出BT环境，就产生了一个新种子，原来的种子就可以下线了。一个完整的BitTorrent文件分发系统是这样的：

1）如图2，BitTorrent系统由以下成员组成：

A.一个普通的Web服务器，如图2中的S；

B.一个跟踪服务器（Tracker），如图2中的T；

C.一个发布者节点，如图2中的C；

D.终端客户群，如图2中的P1、P2等。

理想的情况是多个终端用户在同时下载同一个文件。

2）要让系统正常运转，发布者节点需要执行以下步骤：

A.生成一个种子文件（.torrent文件），运行跟踪服务器Tracker；

B.发布这个种子文件和跟踪服务器Tracker的URL到Web服务器上，并添加一个到该文件的链接；

C.保持拥有完整文件的发布者（Seed）在线，等待下载。

3）要下载文件，用户需要执行的步骤如下：

A.访问.torrent文件所在的Web服务器，下载.torrent文件；

B.与跟踪服务器通信，报告自身的信息，得到发布者节点和随机的邻居节点信息；自动启动BitTorrent文件发布者节点，选择文件的保存位置；

C.与发布者节点和邻居节点通信，下载文件，同时对其他下载者（Peers）提供上传。

D.等待下载完成，下载完成后若不主动结束程序运行，则会成为Seed，继续为其他Peers提供上传。

4）各部分之间的连通性如下：

由上面的描述可知：文件发布者通过BitTorrent制作.tor-rent文件，上传Web服务器并发布；其他用户登录Web服务器下载此种子文件，同时向跟踪服务器Tracker发送自己的Peer_id（节点标志）、ip（节点地址）和port（开发端口）；Tracker通过HTTP协议接收用户信息，并为其返回一个随机的Peers地址列表；Peers周期性的向Tracker登记，以便Tracker了解其进度；Peers之间通过直连方式交换数据（连接使用基于TCP的Bit—Torrent对等协议）。

因为系统中只有文件发布者才拥有完整的文件，所以它必须将文件完整地传输给网络。在下载者很多时，由于短时间内系统已经完成了许多下载，之后文件发布者随时可以退出上传，系统仍然保持运行。

3BitTorrent协议的技术特点

在传统的C/S系统中，下载文件的所有开销都在服务器上。BitTorrent系统中则是完全不同的情况：如果多人同时下载一个文件，在Tracker的帮助下，Peers会相互提供自己拥有的文件片断，这样，每个下载者都会承担部分下载开销。理论上，这种系统可以容纳无限多个下载者，却不会影响速度。

BitTorrent协议有下面几个特点：

1）对等发布

BitTorrent系统中，Peers之间通过Tracker服务器相互发现并交互来解决和文件下载相关的所有逻辑问题。

BitTorrent将文件切割为固定大小（如256KB）的片断，这些片断都通过了SHA1算法计算出它的hash信息，保存在.torrent文件中。在Peers通信时，每个Peer都必须告诉对方自己拥有哪些片断。

否则，Peers先建立连接，然后发现对方并没有它想要的片断，或者暂不允许它去下载，再去尝试其他的连接，不但费时费力，而且造成了系统的许多额外开销。

2）流水作业

为了提高传输速率，BitTorrent将每个文件片断又进一步分为16KB的子片断，同时，保持几个请求（通常为5个，因为此时大多数Peers连接已经饱和）被流水地同时发送，即每隔一段时间发送5个请求。

3）片断选择算法

一个文件被分割成了多个片段，为了提高下载性能，选择片段的下载顺序就显得尤为重要。BitTorrent协议采用的片断选择算法主要包含四个策略。

（1）严格的优先级

只要某个片断的一个子片断被请求，该片断的其余子片断就被优先请求。这样能够使下载者尽快地获得一个完整的片断。

（2）最少优先

在选择下一个片断时，系统中最少Peers所拥有的那个片断优先被选择。使用这种策略确保系统中每个Peer都能拥有一些其他Peers最希望得到的片断，这样，无论哪个片段，一旦有Peers需要，就能马上下载。整个系统逐渐被优化。

（3）随机的第一个片断

初始下载时，下载者们没有片断可供上传，最少的片断只有原始种子拥有，就不适宜用“最少优先”策略。因为这种情况下，它一般比多个Peers所拥有的那些片断下载速度都要慢。因此，第一个片断采用随机选择策略，之后的片段才切换到“最少优先”策略。

（4）最后阶段模式

在下载文件的最后阶段，如果仍然使用最少优先策略，连接到拥有片段的Peer速率很慢，就会严重影响下载速度。因此，系统采用另外一种策略，用户先对所有的Peers发送对最后片段的子片段请求，一旦有哪些子片断到了，就向其他Peers发送cancel消息。运用这种策略，文件的最后一个片段下载的非常快。

4）阻塞（choking）算法

BitTorrent系统中的每个Peer与其他Peers连接下载文件，都会根据对方提供的下载速率给予同等的上传回报。为了惩罚自私者，定义了一种算法：对于合作的用户提供上传服务，不合作则阻塞对方。显然，这种阻塞是根据用户态度形成的临时拒绝上传的一种策略，阻塞时连接仍然保持。

阻塞算法对于提高整个系统的性能非常必要。理想的阻塞算法会尽可能地利用一切资源，提供给所有Peers可靠、一致的下载速率，并适当惩罚那些只享受下载而不愿上传的Peers。优秀的阻塞算法遵循下面几个原则：

1）帕累托有效（Pareto efficient）

帕累托有效也称“帕累托最优”（Pareto optimum），是指资源配置达到最理想一种状态，只要重新改变资源配置的方式就必然会使一部分人的利益受损。BitTorrent的阻塞算法为达到帕累托有效采取了针锋相对的方式。

2）保证上传能力最大

在技术上，BitTorrent系统中的每个下载者始终与固定数量（一般是4个）的Peers保持连接（unchoked为1）。这种机制使得TCP的拥塞控制能够尽可能地保证整个系统上传能力始终最大（即上传容量达到饱和状态）。

那么问题就是应该与哪些Peers保持unchoked？目前的实现方法是每20秒一个轮询：BitTorrent每隔10秒计算一次哪些是需要被阻塞的Peers，然后保持这种状态直到再次计算。这10秒钟足够使TCP调整它的传输性能，获得最大的上传能力。

3）乐观疏通（optimistic unchoking）

如果仅仅为提供以下载速率为标准向Peers提供上载，就没法发现更好的连接。为此，每个下载者都拥有一个被称为乐观疏通（optimistic unchoking）的连接，这个连接的特点是始终保持数据交互状态。系统每30秒重新进行一次计算，决定哪个连接是“optimistic unchoking”。

4）反对歧视

当一个下载者被与它连接的所有Peers阻塞时，它会保持一个极其低的下载速率，直到通过optimistic unchoking找到更好Peers。为了减少这种情况，如果一段时间后，下载者从某个连接节点处一个片断也没有得到，那么它就认为自己被对方“歧视”了，此时除非对方是optimistic unchoking，否则不再为对方提供上传服务，

5）仅仅上传

当下载者完成下载后，自己也变为种子节点，就无法再通过下载速率来决定提供上传的Peers了。为了最大程度地利用上传带宽，该节点优先选择能从它这里得到最高的上传速率的Peers和那些此刻无人提供上传的Peers。

从前面的分析可知，为了保证文件的快速传输，BT协议采取了对等发布、流水作业、片段选择算法和阻塞算法等技术。但这些技术是针对快速传输普通文件设计的，依据它的片断选择算法策略，所下载的文件片断没有顺序，分布及其分散，而且除非下载完整个文件，用户是没法使用的。因此，利用BitTor-rent协议暂时无法满足追求文件下载顺序的大型文件，这也是以后的一个研究方向。