河南省工業(yè)情報標(biāo)準(zhǔn)信息中心 朱 軍

基于P4P的運營商網(wǎng)絡(luò)流量控制應(yīng)用

河南省工業(yè)情報標(biāo)準(zhǔn)信息中心 朱 軍

點對點技術(shù)（P2P）的出現(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)運營商高效和公平地分配其網(wǎng)絡(luò)資源是一個巨大的挑戰(zhàn)。特別是近幾年來，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)運營商和P2P廠商在限制和反限制方面花費了大量人力物力，造成了雙輸?shù)木置?。本文，筆者實現(xiàn)了P4P架構(gòu)方法，通過該方法協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)運營商和P2P應(yīng)用的通信策略，可在大幅度降低網(wǎng)絡(luò)壓力的同時提高傳輸效率。最后，筆者通過有關(guān)的仿真測試數(shù)據(jù)來顯示這種架構(gòu)的優(yōu)勢。

一、P4P架構(gòu)

P4P架構(gòu)是一個靈活和輕量級的架構(gòu)，允許網(wǎng)絡(luò)運營商為目前的應(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。支持運營商根據(jù)需求和成本來調(diào)整部署方案。

（3）私密性。P4P廠商不需要開放其私有協(xié)議細(xì)節(jié)給運營商，運營商不需要直接開放其拓?fù)湫畔⒔oP4P廠商。

（4）開放性。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)計簡介。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實現(xiàn)漸進(jìn)式的實施和擴展。

具體來講，每個網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)者（網(wǎng)絡(luò)運營商、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P2P客戶端通過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，考慮到容錯性和可擴展性的因素，P4P允許單個域有多個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器。一個網(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)?，運營商策略/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。具體來說，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95%的真實容量計算來優(yōu)化傳輸成本和提高傳輸性能，當(dāng)接近承載能力時，路由器標(biāo)記相應(yīng)的TCP數(shù)據(jù)包并且通知相應(yīng)的端主機減小其流量。通過這種方式網(wǎng)絡(luò)運營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共同的、可擴展的信息架構(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)洌W(wǎng)絡(luò)運營商的策略/向?qū)?，網(wǎng)絡(luò)能力。這3種信息分別通過3個接口來提供：

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

（2）策略接口（policy）。主要向peer或appTracker提供網(wǎng)絡(luò)策略和向?qū)?。比如網(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appTracker）向其查詢并請求承載網(wǎng)提供一定的資源和能力。例如，在網(wǎng)絡(luò)運營商提供了高速緩存服務(wù)器（cache）的情況下，一個應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器（appTracker）可以通過請求網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器（iTracker）來提高內(nèi)容分發(fā)的速度。

4.實例。現(xiàn)在列舉2個例子來說明網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器接口（iTracker）是如何工作的。

一個P2P應(yīng)用監(jiān)管服務(wù)器使用信息接口和策略接口來查詢網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?狀態(tài)和策略/向?qū)畔ⅲ▓D2）。在這個例子中，P2P應(yīng)用跨越2個網(wǎng)絡(luò)A和B，每個網(wǎng)絡(luò)都配備了一個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管服務(wù)器，用戶a和b通過信息接口和策略接口訪問本地網(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有效調(diào)度資源，為用戶提供服務(wù)。有時候為了減少向過多的用戶泄露信息，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)用的另外一個例子，顯示怎樣從能力接口請求網(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)送請求信息為幫助其內(nèi)容分發(fā)分配一個固定的、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、性能評估

研究小組進(jìn)行了在PlanetLab的模擬測試和真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測試，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)運營商的效率。

1.優(yōu)化方法論。通過考慮群組特征和現(xiàn)有流量水平，可以實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)流量最小化。我們假設(shè)在一個網(wǎng)絡(luò)中有個K群，每個群用戶從相應(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（PoP）的用戶數(shù)和每個用戶的上下行帶寬。我們指定在同一接入點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)計信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，計算出網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)產(chǎn)能，據(jù)此來制定對等互聯(lián)向?qū)А?/p>

2.測試結(jié)果。我們用模擬方法和真實網(wǎng)絡(luò)測試來評估P4P的性能。我們建立了一個可行的仿真BitTorrent系統(tǒng)和一個使用Liveswarms（基于P2P的一種視頻流應(yīng)用）的P2P系統(tǒng)，一個做文件共享測試，另一個做流媒體數(shù)據(jù)測試。

在P4P啟用條件下，BitTorrent數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。此時應(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實驗室模擬網(wǎng)絡(luò)和AT&T公司10Gbps帶寬的PoP網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，評估中我們通過入口鏈路把每一個用戶連接到一個隨機的PoP，在兩個同規(guī)模的群中分別共享一個塊大小為256KB的256MB文件。與P2P相比，P4P完成時間大約縮短了45%，同時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，使用戶實現(xiàn)高速下載，同時也極大地節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)帶寬。

下面介紹P4P和Liveswarms結(jié)合的測試結(jié)果。在Abilene網(wǎng)絡(luò)上用53個PlanetLab節(jié)點來傳輸一個較大的視頻文件，每次測試持續(xù)900秒，我們記錄節(jié)點間的數(shù)據(jù)交換量，并計算每個使用骨干鏈路的負(fù)載。每個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)運營商之間的矛盾日益突出。

本文，筆者實現(xiàn)了一種新型的基于拓?fù)淅碚摰腜4P架構(gòu)，來調(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，有能力向P2P應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)實時狀態(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)傳輸壓力和運營成本，并提高改良的P2P文件傳輸?shù)男阅埽瑥亩_(dá)到雙贏的目的。