基于P4P的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)流量控制應(yīng)用

河南省工業(yè)情報(bào)標(biāo)準(zhǔn)信息中心 朱 軍

基于P4P的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)流量控制應(yīng)用

河南省工業(yè)情報(bào)標(biāo)準(zhǔn)信息中心 朱 軍

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)（P2P）的出現(xiàn)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商高效和公平地分配其網(wǎng)絡(luò)資源是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。特別是近幾年來(lái)，P2P軟件的廣泛應(yīng)用吞噬了巨大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和P2P廠商在限制和反限制方面花費(fèi)了大量人力物力，造成了雙輸?shù)木置?。本文，筆者實(shí)現(xiàn)了P4P架構(gòu)方法，通過(guò)該方法協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和P2P應(yīng)用的通信策略，可在大幅度降低網(wǎng)絡(luò)壓力的同時(shí)提高傳輸效率。最后，筆者通過(guò)有關(guān)的仿真測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)顯示這種架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

一、P4P架構(gòu)

P4P架構(gòu)是一個(gè)靈活和輕量級(jí)的架構(gòu)，允許網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商為目前的應(yīng)用（包括P2P應(yīng)用）提供更多的信息、指導(dǎo)和管理能力。

1.設(shè)計(jì)原則。

（1）輕量化。保持原有P2P協(xié)議不變，支持管理和不支持管理的客戶端之間互通不受影響。

（2）靈活性。支持運(yùn)營(yíng)商根據(jù)需求和成本來(lái)調(diào)整部署方案。

（3）私密性。P4P廠商不需要開(kāi)放其私有協(xié)議細(xì)節(jié)給運(yùn)營(yíng)商，運(yùn)營(yíng)商不需要直接開(kāi)放其拓?fù)湫畔⒔oP4P廠商。

（4）開(kāi)放性。支持普適性系統(tǒng)架構(gòu)，也可支持各種不同類型的P2P協(xié)議。

（5）全面性。支持形成覆蓋全互聯(lián)網(wǎng)的整體管理方案。

（6）低成本。支持較低的系統(tǒng)部署成本。

2.設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介。P4P架構(gòu)由2部分組成：控制平面組成部分和數(shù)據(jù)平面組成部分。

在控制平面組成部分，P4P引入網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器（iTracker）作為P2P應(yīng)用和承載網(wǎng)的通信接口。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器的引入不僅可以劃分P2P應(yīng)用和承載網(wǎng)兩者間的流量控制責(zé)任，而且有助于P4P實(shí)現(xiàn)漸進(jìn)式的實(shí)施和擴(kuò)展。

具體來(lái)講，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)者（網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、大學(xué)校園網(wǎng)或者虛擬網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商等）管理著自己的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器，一個(gè)P2P客戶端通過(guò)DNS查詢獲得本地網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器的IP地址。需要提到的是，考慮到容錯(cuò)性和可擴(kuò)展性的因素，P4P允許單個(gè)域有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器提供3種網(wǎng)絡(luò)信息：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)/拓?fù)?，運(yùn)營(yíng)商策略/向?qū)?，網(wǎng)絡(luò)能力。

在數(shù)據(jù)平面方面，P4P允許路由器給P2P提供詳細(xì)的反饋，以便其更有效地使用網(wǎng)絡(luò)資源。具體來(lái)說(shuō)，路由器標(biāo)記TCP數(shù)據(jù)包的ECN塊或是利用類XCP方式明確數(shù)據(jù)流量，多宿主的網(wǎng)絡(luò)通過(guò)95%的真實(shí)容量計(jì)算來(lái)優(yōu)化傳輸成本和提高傳輸性能，當(dāng)接近承載能力時(shí)，路由器標(biāo)記相應(yīng)的TCP數(shù)據(jù)包并且通知相應(yīng)的端主機(jī)減小其流量。通過(guò)這種方式網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商既降低了成本又提高了網(wǎng)絡(luò)性能，并且能為P2P流量分配更多的帶寬。另外，這里的數(shù)據(jù)層部分是可選的并且支持增量部署。

3.P4P控制層。P4P架構(gòu)的潛在實(shí)體：網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器（iTracker），P2P系統(tǒng)的應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器（appTracker），P2P客戶端（peer），如圖1所示。P4P不決定確切的信息流，而是借助XML格式的控制信息提供一個(gè)共同的、可擴(kuò)展的信息架構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器（iTrackers）可以提供3種形式的網(wǎng)絡(luò)信息：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)/拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的策略/向?qū)ВW(wǎng)絡(luò)能力。這3種信息分別通過(guò)3個(gè)接口來(lái)提供：

（1）信息接口（info）。主要對(duì)外提供網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蜖顟B(tài)信息，用來(lái)表示用戶間鏈路的長(zhǎng)度和成本。

（2）策略接口（policy）。主要向peer或appTracker提供網(wǎng)絡(luò)策略和向?qū)А１热缇W(wǎng)絡(luò)入向和出向流量的比例，在擁塞期應(yīng)該避免使用哪些鏈路等等。

（3）能力接口（capability）。允許peer或內(nèi)容提供商（通過(guò)appTracker）向其查詢并請(qǐng)求承載網(wǎng)提供一定的資源和能力。例如，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供了高速緩存服務(wù)器（cache）的情況下，一個(gè)應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器（appTracker）可以通過(guò)請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器（iTracker）來(lái)提高內(nèi)容分發(fā)的速度。

4.實(shí)例。現(xiàn)在列舉2個(gè)例子來(lái)說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器接口（iTracker）是如何工作的。

一個(gè)P2P應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器使用信息接口和策略接口來(lái)查詢網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?狀態(tài)和策略/向?qū)畔ⅲ▓D2）。在這個(gè)例子中，P2P應(yīng)用跨越2個(gè)網(wǎng)絡(luò)A和B，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都配備了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器，用戶a和b通過(guò)信息接口和策略接口訪問(wèn)本地網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器，然后向應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器注冊(cè)并向其發(fā)送從網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器（iTracker）獲得的信息，應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器綜合考慮應(yīng)用程序的需求和這些信息后來(lái)有效調(diào)度資源，為用戶提供服務(wù)。有時(shí)候?yàn)榱藴p少向過(guò)多的用戶泄露信息，也可能由網(wǎng)絡(luò)信任的應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器直接向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器去查詢這些信息。

圖2 P2P從網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器接口獲得網(wǎng)絡(luò)信息

P4P應(yīng)用的另外一個(gè)例子，顯示怎樣從能力接口請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)能力。具體是應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器向網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器B發(fā)送請(qǐng)求信息為幫助其內(nèi)容分發(fā)分配一個(gè)固定的、高容量服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器安排其網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)服務(wù)器并把其地址返回給應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器，然后應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器把服務(wù)器信息列入用戶列表，并將其返回給B網(wǎng)絡(luò)上的用戶。如圖3所示。

二、性能評(píng)估

研究小組進(jìn)行了在PlanetLab的模擬測(cè)試和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測(cè)試，結(jié)果顯示P4P不僅能夠提升P2P的應(yīng)用性能而且能夠提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的效率。

1.優(yōu)化方法論。通過(guò)考慮群組特征和現(xiàn)有流量水平，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)流量最小化。我們假設(shè)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有個(gè)K群，每個(gè)群用戶從相應(yīng)的群應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器獲取唯一的群ID。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器追蹤給定群中的用戶，包括共同接入點(diǎn)（PoP）的用戶數(shù)和每個(gè)用戶的上下行帶寬。我們指定在同一接入點(diǎn)i的用戶為PoP-i用戶，然后網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器基于群統(tǒng)計(jì)信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)產(chǎn)能，據(jù)此來(lái)制定對(duì)等互聯(lián)向?qū)А?/p>

2.測(cè)試結(jié)果。我們用模擬方法和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試來(lái)評(píng)估P4P的性能。我們建立了一個(gè)可行的仿真BitTorrent系統(tǒng)和一個(gè)使用Liveswarms（基于P2P的一種視頻流應(yīng)用）的P2P系統(tǒng)，一個(gè)做文件共享測(cè)試，另一個(gè)做流媒體數(shù)據(jù)測(cè)試。

在P4P啟用條件下，BitTorrent數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。此時(shí)應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器采納了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器建議的向?qū)?。我們分別使用Abilene實(shí)驗(yàn)室模擬網(wǎng)絡(luò)和AT&T公司10Gbps帶寬的PoP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，評(píng)估中我們通過(guò)入口鏈路把每一個(gè)用戶連接到一個(gè)隨機(jī)的PoP，在兩個(gè)同規(guī)模的群中分別共享一個(gè)塊大小為256KB的256MB文件。與P2P相比，P4P完成時(shí)間大約縮短了45%，同時(shí)2種網(wǎng)絡(luò)上的連接利用率大約分別提高了50%和70%。此外，P4P可以減少大約一半的高峰期下載負(fù)荷，使用戶實(shí)現(xiàn)高速下載，同時(shí)也極大地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

下面介紹P4P和Liveswarms結(jié)合的測(cè)試結(jié)果。在Abilene網(wǎng)絡(luò)上用53個(gè)PlanetLab節(jié)點(diǎn)來(lái)傳輸一個(gè)較大的視頻文件，每次測(cè)試持續(xù)900秒，我們記錄節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換量，并計(jì)算每個(gè)使用骨干鏈路的負(fù)載。每個(gè)Alilene骨干鏈路的總流量。如圖6所示。顯示使用本地自適應(yīng)P2P時(shí)的鏈路平均負(fù)載是1.1Gbps，而和P4P結(jié)合后，平均負(fù)載減少至0.37Gbps，P4P的引入能使負(fù)載下降66%。

P2P的應(yīng)用給底層網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)流量控制帶來(lái)了巨大的壓力和挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的流量控制技術(shù)難以有效處理采用P2P網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的多種應(yīng)用，P2P應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商之間的矛盾日益突出。

本文，筆者實(shí)現(xiàn)了一種新型的基于拓?fù)淅碚摰腜4P架構(gòu)，來(lái)調(diào)和P2P和網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商之間的矛盾，使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商在管理好底層網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，有能力向P2P應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)，將網(wǎng)絡(luò)控制整合到P2P的網(wǎng)絡(luò)采樣需求中，從而有效降低骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力和運(yùn)營(yíng)成本，并提高改良的P2P文件傳輸?shù)男阅?，從而達(dá)到雙贏的目的。