BitTorrent协议分析二
接一
客户端与一个peer建立TCP连接后，首先向peer发送握手消息，peer收到握手消息后回应一个握手消息。
l 握手消息是一个长度固定为68字节的消息。消息的格式如下：
消息格式中一些参数的含义如表13-9所示。
表13-9 握手消息
| 参 数 |
含 义 |
| pstrlen |
pstr的长度，该值固定为19 |
| pstr |
BitTorrent协议的关键字，即“BitTorrent protocol” |
| reserved |
占8字节，用于扩展BT协议，一般这8字节都设置为0。有些BT软件对BT协议进行了某些扩展，因此可能看到有些peer发来的握手消息这8个字节不全为0，不过不必理会，这不会影响正常的通信 |
| info_hash |
与发往Tracker的GET请求中的info_hash为同一个值，长度固定为20字节 |
peer_id与发往Tracker的GET请求中的peer_id为同一个值，长度固定为20字节。一般从peer_id可以识别出BT软件的类型，例如，某peer发来的握手消息中peer_id的前8个字节为“-AZ2060-”，则可以断定对方使用的是Azureus；若为“-BCxxxx-”，x为数字，则对方使用的是BitComet。
对于除握手消息之外的其他所有消息，其一般的格式为：
length prefix（长度前缀）占4个字节，指明message ID和payload的长度和。message ID（消息编号）占一字节，是一个10进制的整数，指明消息的编号。payload（负载），长度未定，是消息的内容。
l keep_alive消息：
keep_alive消息的长度固定，为4字节，它没有消息编号和负载。如果一段时间内客户端与peer没有交换任何消息，则与这个peer的连接将被关闭。keep_alive消息用于维持这个连接，通常如果2分钟内没有向peer发送任何消息，则发送一个keep_alive消息。
l choke消息：
choke消息的长度固定，为5字节，消息长度占4个字节，消息编号占1个字节，没有负载。
l unchoke消息：
unchoke消息的长度固定，为5字节，消息长度占4个字节，消息编号占1个字节，没有负载。客户端每隔一定的时间，通常为10秒，计算一次各个peer的下载速度，如果某peer被解除阻塞，则发送unchoke消息。如果某个peer原先是解除阻塞的，而此次被阻塞，则发送choke消息。
l interested消息：
interested消息的长度固定，为5字节，消息长度占4个字节，消息编号占1个字节，没有负载。当客户端收到某peer的have消息时，如果发现peer拥有了客户端没有的piece，则发送interested消息告知该peer，客户端对它感兴趣。
l not interested消息：
not interested消息的长度固定，为5字节，消息长度占4个字节，消息编号占1个字节，没有负载。当客户端下载了某个piece，如果发现客户端拥有了这个piece后，某个peer拥有的所有piece，客户端都拥有，则发送not interested消息给该peer。
l have消息：
have消息的长度固定，为9字节，消息长度占4个字节，消息编号占1个字节，负载为4个字节。负载为一个整数，指明下标为index的piece，peer已经拥有。每当客户端下载了一个piece，即将该piece的下标作为have消息的负载构造have消息，并把该消息发送给所有与客户端建立连接的peer。
l bitfield消息：
bitfield消息的长度不固定，其中X是bitfield(即位图)的长度。当客户端与peer交换握手消息之后，就交换位图。位图中，每个piece占一位，若该位的值为1，则表明已经拥有该piece；为0则表明该piece尚未下载。具体而言，假定某共享文件共拥有801个piece，则位图为101个字节，位图的第一个字节的最高位指明第一个piece是否拥有，位图的第一个字节的第二高位指明第二个piece是否拥有，依此类推。对于第801个piece，需要单独一个字节，该字节的最高位指明第801个piece是否已被下载，其余的7位放弃不予使用。
l request消息：
request消息的长度固定，为17个字节，index是piece的索引，begin是piece内的偏移，length是请求peer发送的数据的长度。当客户端收到某个peer发来的unchoke消息后，即构造request消息，向该peer发送数据请求。前面提到，peer之间交换数据是以slice（长度为16KB的块）为单位的，因此request消息中length的值一般为16K。对于一个256KB的piece，客户端分16次下载，每次下载一个16K的slice。
l piece消息：
piece消息是另外一个长度不固定的消息，长度前缀中的9是id、index、begin的长度总和，index和begin固定为4字节，X为block的长度，一般为16K。因此对于piece消息，长度前缀加上id通常为00 00 40 09 07。当客户端收到某个peer的request消息后，如果判定当前未将该peer阻塞，且peer请求的slice，客户端已经下载，则发送piece消息将文件数据上传给该peer。
l cancel消息：
cancel消息的长度固定，为17个字节，len、index、begin、length都占4字节。它与request消息对应，作用刚好相反，用于取消对某个slice的数据请求。如果客户端发现，某个piece中的slice，客户端已经下载，而客户端又向其他peer发送了对该slice的请求，则向该peer发送cancel消息，以取消对该slice的请求。事实上，如果算法设计合理，基本不用发送cancel消息，只在某些特殊的情况下才需要发送cancel消息。
l port消息：
port消息的长度固定，为7字节，其中listen-port占两个字节。该消息只在支持DHT的客户端中才会使用，用于指明DHT监听的端口号，一般不必理会，收到该消息时，直接丢弃即可。
2.7 关键算法和策略
1．流水线作业
BT协议作为一种构建在TCP协议上的应用层协议，可以通过流水线作业来提高数据传输的效率。具体而言，当客户端向peer发送数据请求时（即发送request消息），一次请求多个slice（即在一个数据包中发送多个request消息请求多个slice）。假如客户端一次只发送一个slice请求，则peer给客户端发送完一个slice的数据后就进入等待，等待客户端发送新的数据请求。如果一次发送多个slice请求，则peer发送完一个slice后接着发送下一个slice，从而避免了等待，提高了数据传输的效率。事实上，HTTP协议的1.1版本就广泛地使用了流水线作业的思想，大大地提高了浏览器和Web服务器之间的传输效率。
2．片断选择算法
一个良好的片断选择策略对于提高下载速度至关重要，对于提高整个文件共享系统的性能也有重要影响。
片断选择的第一个策略是，一旦向某个peer发送对某个piece中的slice的请求后，则该piece中的其他slice也从该peer处下载，这样可以尽快地下载到一个完整的piece。因为某个peer拥有某个piece中的一个slice，则它必定拥有该piece的其他slice，并且如果peer愿意发送一个slice给客户端，它也应该愿意发送piece中的其他slice给客户端。该策略也被称为严格的优先级。
片断选择的第二个策略是，最少优先。即某个piece在所有peer中的拥有率最低，则优先下载该piece。这么做的优点是，第一，可以防止拥有这个piece的peer突然离开，导致某个piece的缺失，从而当前任何一个参与下载的peer都不能下载到一份完整的文件；第二，如果下载了某些拥有率较低的piece，则其他很多peer会向客户端请求数据，而要想从客户端下载到数据，那些peer就要提供数据给客户端下载，这样对于提高客户端的下载速度也是有帮助的。对于这个共享系统而言，优先下载拥有率较低的piece可以使得整个系统提高每个piece的拥有度，整个系统会趋向于最优。如果所有peer优先下载拥有率较高的piece，会使某些piece的拥有率进一步降低，而拥有这些低拥有率piece的peer一旦离开共享系统，则整个文件会越来越不完整，最后导致许多peer不能下载到一个完整的文件拷贝。
片断选择的第三个策略是，随机选择第一个要下载的piece。开始下载时，不能采用最少优先策略。原因在于，采用最少优先策略，如果某个piece的拥有率很低，那么下载到这个piece就相对较难。如果随机选择一个piece，那么更容易下载到该piece，一旦客户端下载到一个完整的piece，就可以提供给其他peer下载，而由于客户端向其他peer上传数据，会导致其他peer对客户端解除阻塞，从而有利于在起始阶段获得较高的下载速度。当然在下载到一些piece后，客户端应该采用最少优先策略来下载数据，这虽然会导致客户端的下载速度在短期内有所下降，但随后下载速度会有较大提高。
片断选择的第四个策略是，最后阶段模式。有时，从一个传输速度很慢的peer处下载一个piece会花费很长时间，在下载的过程中这不是什么大问题。但在下载接近完成时，如果发生这种情况，会导致客户端迟迟不能下载完成。为了解决这个问题，在最后阶段，客户端向所有peer发送对这个piece的某些slice的请求，一旦收到某个peer发来的slice，则向其他peer发送cancel消息，只从当前这个peer处下载。
3．阻塞算法
BT并不集中分配资源，每个peer有责任尽可能地提高自己的下载速度。peer从它可以连接的peer下载文件，并根据对方提供的下载速率给予同等的上传回报，对于合作者，提供上传服务，对于不合作的，就阻塞对方。阻塞是一种临时拒绝上传的策略，虽然上传停止了，但是下载仍然继续。在解除阻塞时，连接并不需要重新建立。因为阻塞过程中只是拒绝传输piece消息，其他消息，如have消息，interested消息仍可以传输。阻塞算法虽然不是BT协议一部分，但是它对提高性能是必要的。
每个客户端一直与固定数量的peer保持疏通（通常是4个），那么以什么方式来决定是否保持与某个peer疏通呢？通常的做法是，严格地根据当前的下载速度来决定哪些peer应该保持疏通。但计算当前下载速度是个大难题。当前的实现通常是计算最近10秒从每个peer处下载数据的速度。以10秒为间隔重新选择保持疏通（即解除阻塞）的peer，是为了避免频繁地阻塞和解阻塞，造成资源的浪费。实践表明，10秒足以使下载速度达到最大。
如果只是简单地为提供最高下载速率的4个peer提供上载服务，那么就没有办法发现那些空闲的连接是否有更好的下载速度。为了解决这个问题，在任何时候，每个peer都拥有一个称为“optimistic unchoking（优化非阻塞）”peer，这个连接总是保持疏通状态，而不管它的下载速率是多少。每隔30秒，重新选择一个peer作为优化非阻塞peer。30秒足以让该peer的上载能力达到最大。
一旦某个peer完成了下载，它不能再通过下载速率（因为下载速率已经为0了）来决定为哪些peer提供上载了。目前采用的解决办法是，优先选择那些从它这里得到更好下载速率的peer，保持与它们疏通。这样做的理由是尽可能的利用上载带宽。一旦某个peer完成了下载，那么它也就成为了种子。种子拥有一份完整的文件拷贝，并提供给其他peer下载。为了整个系统的性能，每个peer在完成下载后应该作为种子存在一段时间，作为对整个系统的回报。原始种子，即最初提供文件进行共享、并制作生成了种子文件，并把种子文件发布到Web服务器的种子，它至少应该存在到系统中生成另外一个种子时才能离开，否则当前参与下载的所有peer都不能获得一份完整的文件拷贝。
本节对BT协议的解释和分析参考了“BT协议规范”(Bittorrent Protocol Specification)和BT协议设计者所著的“BT性能卓越的原因”(Incentives Build Robustness in BitTorrent)一文。
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系统结构设计 |
整个系统的模块结构如图13-1所示。
图13-1 系统模块结构图
整个系统各个模块的功能如下。
（1）种子解析：负责解析种子文件，从中获取Tracker服务器的地址，待下载文件的文件名和长度，piece长度，各个piece的hash值。
（2）连接Tracker：根据HTTP协议构造获取Peer地址的请求，与Tracker建立连接，解析Tracker的回应消息，从而获取各个peer的IP地址和端口号。
（3）与peer交换数据：根据peer的IP地址和端口号连接peer、从peer处下载数据并将已下载的数据上传给peer。
（4）出错处理：定义整个系统可能出现的错误类型，并对错误进行处理。
（5）运行日志：记录程序运行的日志，并保存到文件中以备查看和分析。
模块“与peer交换数据”是本系统的核心和主要构成部分，它又可以划分成如下几个子模块。
（1）peer管理：系统为每一个已建立TCP连接的peer构造一个peer结构体。该结构体的主要成员有：peer的IP地址和端口号、与该peer进行通信的套接字、该peer的id、当前所处的状态、发送缓冲区、接收缓冲区、数据请求队列、数据被请求队列、从该peer处已下载的数据量和向该peer上传的数据量、下载速度和上传速度。本模块负责管理peer链表，添加和删除peer结点。
（2）消息处理：peer与peer之间以发送和接收消息的方式进行通信。本模块负责根据当前的状态生成并发送消息，接收并处理消息。BitTorrent协议共定义了12种消息，其中对下载和上传数据最重要的是request消息和piece消息。request消息向peer发送数据请求，指明请求的是哪个piece的哪个slice。Peer接收到request消息后根据当前的状态，决定是否发送数据给对方。如果允许发送，则构造piece消息，数据被封装在该消息中。每当下载完一个正确的piece时，就向所有peer发送have消息通告已获得该piece，其他peer如果没有该piece就可以向peer发送数据请求，每次请求都是以slice为单位。
（3）缓冲管理：如果下载完一个piece就立即写入硬盘，这样会导致频繁读写硬盘，既影响速度（读写磁盘要花费较多的时间），又不利于保护硬盘（频繁读写磁盘会使硬盘寿命缩短）。为了解决这个问题，几乎所有的BT软件都在程序中增加了一个缓冲管理模块。将下载到的数据先缓存起来，等到下载到一定量的数据后再集中写入硬盘。peer请求一个slice的数据时，先将该slice所在的整个piece读入到缓冲区中，下次Peer再请求该piece的其他slice时，只常缓冲区中获取，避免了频繁读写硬盘。本模块负责维护一个16MB的缓冲区（大小可调），将下载到的数据保存在缓冲区中，并在适当时刻写入硬盘的文件中。
（4）位图管理：BT协议采用位图指明当前哪些piece已经下载，哪些piece还没有下载。每个piece占一位，值为0表示该piece还未下载到，为1则表明已经下载到该piece。本模块负责管理位图，客户端与peer建立了连接并进行握手之后，即发送位图给peer告知已下载到哪些piece，同时也接收对方的位图并将其保存在Peer结构体中。每下载到一个piece就更新自己的位图，并发送have消息给所有已建立连接的peer。每当接收到peer发来的have消息就更新该peer的位图。
（5）策略管理：BT协议的设计者为了保证整体性能而制定了许多策略，这些策略虽然没有写入BT协议，但已经成为事实上的标准，BT软件开发者一般都使用这些策略来保证程序的性能。本部分负责策略的管理，主要是计算各个peer的下载和上传速度，根据下载速度选择非阻塞peer，采用随机算法选择优化非阻塞peer，以及实现片断选择策略。
（6）信号处理：在运行过程中，程序可能会接收到一些信号，如SIGINT、SIGTERM，这些信号的默认动作是立即终止程序。这并不是所期望的。在程序终止前需要作一些处理，如释放动态申请的内存、关闭文件描述符、关闭套接字。