《Towards Peer-to-Peer Content Retrieval Markets:Enhancing IPFS with ICN》论文阅读笔记

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Abstract

在当前的互联网中，大规模的内容交付，例如视频点播（VoD）与庞大的分布式基础设施有关，而这需要大量的投资。 内容提供商（CP）通常求助于第三方内容分发网络（CDN）或构建自己昂贵的内容交付基础设施，以应对高峰需求并保持足够的服务质量（QoS），同时Internet服务提供商 （ISP）也需要为他们的网络提供额外支持。 在本文中，我们朝着设计一个系统迈出了第一步，该系统使用用户的存储空间作为CDN缓存，并以足够的质量（即类似CDN的形式）提供内容，同时在内容检索市场中按照他们所提供资源的使用量对用户进行奖励。 作为此类系统的可能候选者，我们考虑了最近的P2P存储和交付系统，这些系统采用了新机制，例如奖励有用的工作（例如，存储），同时通过密码证明确保公平性和责任性。 在本文中，我们对流行的星际文件系统（IPFS）进行了试验，并研究了其在ISP中本地传递VoD内容的性能。 我们的发现表明，运行IPFS（在IP之上运行）有其性能局限性，同时，用ICN网络层对其进行补充可以显着提高分发质量。 然后，我们为ICN提出并比较了几种转发策略，这些策略可以有效地路由请求并且平衡具有有限上行链路资源的对等方之间的负载。

Introduction

在本文中，作者研究了单个边缘ISP中的P2P内容传递是否可以作为CDN缓存的可行替代方案，即用户下载或预取的内容被存储在本地用户设备（理想情况下是始终在线的设备，如接入点），当需要的时候被分发给同一ISP的其他用户，如图1所示（其中​​用户C从附近的用户A和B检索VoD内容块）。 由于IPFS的普及，作者认为IPFS是此类P2P存储和交付系统的代表。 作者的最终目标是设计一个内容检索市场，该市场可以改进存储和高质量（即按时）分发，并提供与CDN服务相当的性能。 除了安全性和激励机制外，IPFS还使用以信息为中心的方法通过内容的自认证名称进行存储和检索。同时，IPFS和一些拓展可以确保理性的用户在提供内容存储时诚实地表现，不会做出错误行为。

P2P存储和内容检索系统

论文总体框架

文章的章节划分为：

• 1 INTRODUCTION
• 2 A P2P CONTENT RETRIEVAL SYSTEM
• 3 ARCHITECTURAL OVERVIEW OF IPFS
  -- 3.1 Naming
  -- 3.2 Routing and Forwarding
  -- 3.3 Security
  -- 3.4 Incentives
  -- 3.5 Quality of Service
• 4 PRELIMINARY PERFORMANCECOMPARISON
• 5 A P2P CONTENT STORAGE ANDRETRIEVAL SYSTEM USING ICN
  -- 5.1 Adaptive Forwarding Strategy
  -- 5.2 Directory-based Resolution
• 6 EVALUATION
  -- 6.1 Evaluation Setting
  -- 6.2 Performance Metrics and Strategies
  -- 6.3 Results
• 7 RELATED WORK
• 8 CONCLUSIONS
• 9 ACKNOWLEDGMENTS
• REFERENCES

其中最主要的部分是3、4、5三个部分。本文的核心内容是提出了一种利用ICN改进IPFS的方法，并通过实验测试，证实了这种改进对IPFS性能的改善（例如减少内容分发过程中的缓冲事件发生次数和降低节点负载等）。基于此，作者希望构建一种利用IPFS+NDN来代替现有的CDN节点的方案，从而大大降低在内容分发时网络的开销和中心化节点的负载。

本文的创新点主要在于提出了两种基于ICN的P2P内容存储和检索系统的方案（或转发策略），分别是NDN的自适应转发策略和基于目录解析的方法，也即第五章的内容。两种方法主要解决了三个问题：判断内容是否真实地保存在用户处；名称解析的可扩展性；如何保证生产者的隐私。

两种策略

实验一 证明IPFS本身存在性能问题

实验场景

• 拓扑中节点之间的负载分布
• 解析时间的平均延迟时间（即客户端请求视频段与实际开始下载文件之间的经过时间）
• 平均吞吐量

results

IPFS需要通过DHT查找将集合哈希转换为每个IPFS块的哈希名称。视频片段小于一个块（IPFS块大小为256 KB）只需要一次查找，否则先查出来的是目录列表，需要进一步查找。这会影响实时内容传输。

重复的数据包（1/10有效）造成拥塞：IPFS中拥有文件的节点都将发送数据，而不理会请求方是否已经从其他节点接收文件。（BitSwap）

实验二 对比四种转发策略的性能

播放缓冲区大小

缓存和内容流行度的影响

图4（a）显示了四种转发策略中每种策略的缓冲事件数。

最短路径策略无法在用户之间平均共享上传开销。常常依赖于同一个生产者。基于目录的解析会显着减少缓冲事件，在从对等方提取VoD块期间经历长RTT的用户可以简单地切换到其他对等方。自适应流传输方法与基于目录的方法相比：i）在消费者的第一跳访问转发器处进行RTT测量，并ii）对生产者的拥塞做出反应。 使用PIT状态在最后一跳生产者方访问节点进行负载平衡。

在图4（b）中，基于目录的策略在内容传播到网络的平均跳数方面产生了最高的开销。 这是因为在这种方法中，当有多个对等端可用时，消费者会选择一个对端，而无需知道与该对端的跳距。 自适应转发策略比基于目录的方法产生的开销要少得多，因为第一跳节点为可以满足截止日期的较近目的地提供了更高的优先级。最佳策略选择了最能满足期限的对等方，开销再次降低。最短路径方法的开销最少。

最短路径策略非常接近于如图4所示的最佳策略，但代价是为消费者带来了最差的QoE。

在图5（a）中，我们观察到缓存显着改善了除最短路径之外的所有策略的缓冲中断，这是因为在最短路径策略中，大多数流行的内容都可以从附近的另一个用户处获得，使得大多数缓存实际上没有起作用。其余策略使用的路径比最短路径具有更高的多样性。 而且，由于基于测量的路由决策，下载相同内容的消费者可以在相同用户上汇聚。 这样可以提高缓存性能。 我们在图5（c）中观察到缓存可以显着减少前十个最受欢迎的内容的缓冲事件。

我们在图6（a）中观察到，随着内容流行程度的增加，缓冲发生率增加。这是因为终端用户的存储空间有限，流行内容会竞争用户的上传带宽，越来越少的内容越来越受欢迎。后三种策略基本不受内容流行度变化的影响。

CONCLUSIONS

在这项工作中，作者迈出了为边缘ISP设计P2P内容检索市场的第一步，该市场可以替代每个ISP中CDN内容的传递。 作者已经使用IPFS的原始容器化代码演示了3次仿真，结果表明IPFS本身无法在没有网络层帮助的情况下承担负载平衡和减少网络交付开销的任务。

作者发现NDN可以作为IPFS的补充网络层体系结构。 NDN的自适应，有状态路由机制可以观察生产者的拥塞并对其做出反应，并将流量引导到较不拥挤的生产者。 此外，带有满足要求的PIT表的NDN转发器可以观察内容的位置并在控制平面中发布此信息。

本研究的主要成果是，基于自适应负载的转发策略在网络层中非常有用。 但是，在本研究中，作者将负载均衡限制在消费者和生产者之间的路径上的第一跳和最后一跳。 这是由于循环问题涉及路径上的太多决策节点。 作为未来的工作，作者计划以协作的方式研究涉及更多节点的更复杂的自适应路由技术。