河南省工业情报标准信息中心 朱 军

基于P4P的运营商网络流量控制应用

河南省工业情报标准信息中心 朱 军

点对点技术（P2P）的出现对于网络运营商高效和公平地分配其网络资源是一个巨大的挑战。特别是近几年来，P2P软件的广泛应用吞噬了巨大的网络带宽，网络运营商和P2P厂商在限制和反限制方面花费了大量人力物力，造成了双输的局面。本文，笔者实现了P4P架构方法，通过该方法协调网络运营商和P2P应用的通信策略，可在大幅度降低网络压力的同时提高传输效率。最后，笔者通过有关的仿真测试数据来显示这种架构的优势。

一、P4P架构

P4P架构是一个灵活和轻量级的架构，允许网络运营商为目前的应用（包括P2P应用）提供更多的信息、指导和管理能力。

1.设计原则。

（1）轻量化。保持原有P2P协议不变，支持管理和不支持管理的客户端之间互通不受影响。

（2）灵活性。支持运营商根据需求和成本来调整部署方案。

（3）私密性。P4P厂商不需要开放其私有协议细节给运营商，运营商不需要直接开放其拓扑信息给P4P厂商。

（4）开放性。支持普适性系统架构，也可支持各种不同类型的P2P协议。

（5）全面性。支持形成覆盖全互联网的整体管理方案。

（6）低成本。支持较低的系统部署成本。

2.设计简介。P4P架构由2部分组成：控制平面组成部分和数据平面组成部分。

在控制平面组成部分，P4P引入网络监管服务器（iTracker）作为P2P应用和承载网的通信接口。网络监管服务器的引入不仅可以划分P2P应用和承载网两者间的流量控制责任，而且有助于P4P实现渐进式的实施和扩展。

具体来讲，每个网络供应者（网络运营商、大学校园网或者虚拟网络供应商等）管理着自己的网络监管服务器，一个P2P客户端通过DNS查询获得本地网络监管服务器的IP地址。需要提到的是，考虑到容错性和可扩展性的因素，P4P允许单个域有多个网络监管服务器。一个网络监管服务器提供3种网络信息：网络状态/拓扑，运营商策略/向导，网络能力。

在数据平面方面，P4P允许路由器给P2P提供详细的反馈，以便其更有效地使用网络资源。具体来说，路由器标记TCP数据包的ECN块或是利用类XCP方式明确数据流量，多宿主的网络通过95%的真实容量计算来优化传输成本和提高传输性能，当接近承载能力时，路由器标记相应的TCP数据包并且通知相应的端主机减小其流量。通过这种方式网络运营商既降低了成本又提高了网络性能，并且能为P2P流量分配更多的带宽。另外，这里的数据层部分是可选的并且支持增量部署。

3.P4P控制层。P4P架构的潜在实体：网络监管服务器（iTracker），P2P系统的应用监管服务器（appTracker），P2P客户端（peer），如图1所示。P4P不决定确切的信息流，而是借助XML格式的控制信息提供一个共同的、可扩展的信息架构。

网络监管服务器（iTrackers）可以提供3种形式的网络信息：网络状态/拓扑，网络运营商的策略/向导，网络能力。这3种信息分别通过3个接口来提供：

（1）信息接口（info）。主要对外提供网络拓扑信息和状态信息，用来表示用户间链路的长度和成本。

（2）策略接口（policy）。主要向peer或appTracker提供网络策略和向导。比如网络入向和出向流量的比例，在拥塞期应该避免使用哪些链路等等。

（3）能力接口（capability）。允许peer或内容提供商（通过appTracker）向其查询并请求承载网提供一定的资源和能力。例如，在网络运营商提供了高速缓存服务器（cache）的情况下，一个应用监管服务器（appTracker）可以通过请求网络监管服务器（iTracker）来提高内容分发的速度。

4.实例。现在列举2个例子来说明网络监管服务器接口（iTracker）是如何工作的。

一个P2P应用监管服务器使用信息接口和策略接口来查询网络拓扑/状态和策略/向导信息（图2）。在这个例子中，P2P应用跨越2个网络A和B，每个网络都配备了一个网络监管服务器，用户a和b通过信息接口和策略接口访问本地网络监管服务器，然后向应用监管服务器注册并向其发送从网络监管服务器（iTracker）获得的信息，应用监管服务器综合考虑应用程序的需求和这些信息后来有效调度资源，为用户提供服务。有时候为了减少向过多的用户泄露信息，也可能由网络信任的应用监管服务器直接向网络监管服务器去查询这些信息。

图2 P2P从网络监管服务器接口获得网络信息

P4P应用的另外一个例子，显示怎样从能力接口请求网络能力。具体是应用监管服务器向网络监管服务器B发送请求信息为帮助其内容分发分配一个固定的、高容量服务器，网络监管服务器安排其网络上的一个服务器并把其地址返回给应用监管服务器，然后应用监管服务器把服务器信息列入用户列表，并将其返回给B网络上的用户。如图3所示。

二、性能评估

研究小组进行了在PlanetLab的模拟测试和真实网络环境下的测试，结果显示P4P不仅能够提升P2P的应用性能而且能够提高网络运营商的效率。

1.优化方法论。通过考虑群组特征和现有流量水平，可以实现网内流量最小化。我们假设在一个网络中有个K群，每个群用户从相应的群应用监管服务器获取唯一的群ID。网络监管服务器追踪给定群中的用户，包括共同接入点（PoP）的用户数和每个用户的上下行带宽。我们指定在同一接入点i的用户为PoP-i用户，然后网络监管服务器基于群统计信息和网络状态信息，计算出网络最优产能，据此来制定对等互联向导。

2.测试结果。我们用模拟方法和真实网络测试来评估P4P的性能。我们建立了一个可行的仿真BitTorrent系统和一个使用Liveswarms（基于P2P的一种视频流应用）的P2P系统，一个做文件共享测试，另一个做流媒体数据测试。

在P4P启用条件下，BitTorrent数据如图4、图5所示。此时应用监管服务器采纳了网络监管服务器建议的向导。我们分别使用Abilene实验室模拟网络和AT&T公司10Gbps带宽的PoP网络拓扑，评估中我们通过入口链路把每一个用户连接到一个随机的PoP，在两个同规模的群中分别共享一个块大小为256KB的256MB文件。与P2P相比，P4P完成时间大约缩短了45%，同时2种网络上的连接利用率大约分别提高了50%和70%。此外，P4P可以减少大约一半的高峰期下载负荷，使用户实现高速下载，同时也极大地节省了网络带宽。

下面介绍P4P和Liveswarms结合的测试结果。在Abilene网络上用53个PlanetLab节点来传输一个较大的视频文件，每次测试持续900秒，我们记录节点间的数据交换量，并计算每个使用骨干链路的负载。每个Alilene骨干链路的总流量。如图6所示。显示使用本地自适应P2P时的链路平均负载是1.1Gbps，而和P4P结合后，平均负载减少至0.37Gbps，P4P的引入能使负载下降66%。

P2P的应用给底层网络负载和网络流量控制带来了巨大的压力和挑战，传统的流量控制技术难以有效处理采用P2P网络架构的多种应用，P2P应用和网络运营商之间的矛盾日益突出。

本文，笔者实现了一种新型的基于拓扑理论的P4P架构，来调和P2P和网络供应商之间的矛盾，使网络服务供应商在管理好底层网络的同时，有能力向P2P应用提供网络实时状态，将网络控制整合到P2P的网络采样需求中，从而有效降低骨干网络传输压力和运营成本，并提高改良的P2P文件传输的性能，从而达到双赢的目的。