（计算机应用技术专业论文）对等网络传输控制及激励机制研究.pdf

r 耵 j j1tj 1r a n s m i s s i o nu 0 n t r o la n n l n c e n t l v e m e c h a n i s m sf o rp 2 pn e t w o r k sm1 0 rr z b y ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fp h i l o s o p h y c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y a l s t a t ek e yl a b o r a t o r yo fn e t w o r k i n ga n d s w i t c h i n gt e c h n o l o g i e s b e u d 4 gu n r 、l ，e r s n yo fp o s t sa n dt e l e c o m m u n i c a n o n s b e u 呵g s u p e r v i s o r ：p r o f c h e ns h a n z h i s p e c i a l t y ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y r e s e a r c ha r e a ： c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s a p r i l ，2 0 1 0 叫 71 406 7ii0-删y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：至勉 本人承担一切相关责任。 日期：型衅耳扫日 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制 手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：鱼f 唾笸耳丛日 日期： 北京邮电大学博士论文中文摘要 中文摘要 p e e r - t o p e e r ( p 2 p ) 技术目前在文件共享、分布式存储和计算、个人即时通信、 协同工作等多个领域得到了广泛的应用，也一直是商业和学术界研究的热点之一。 保证p 2 p 和其他网络对象友好相容，同时促进对等网络内部节点之间的合作，提 高系统可用性是关系到p 2 p 网络整体效益和未来发展的重要问题。本论文主要围 绕对等网络的传输控制和激励机制展开研究，主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 针对p 2 p 流量占用过多用户带宽而影响传统互联网应用的问题，提出 了用于p 2 p 数据传输的多等级低优先级传输控制算法t c p c p ( c o n g e s t i o n p r i c i n gl o wp r i o r i t yt c p ) ，该算法结合了拥塞计费和低优先级传输控制协议，提 供了可由用户灵活控制的多等级低优先级传输服务，保证了p 2 p 流量与传统互联 网应用的友好相容。同以往的绝对低优先级传输算法不同，t c p - c p l p 能够在标 准t c p 和绝对低优先级的t c p 之间提供灵活可变的优先级等级并且连接的优先 级可由用户根据需要灵活控制。仿真分析验证了算法的公平性、稳定性和有效性。 ( 2 ) 针对p 2 p 应用产生大量域间流量的问题提出了一种基于虚拟货币的与 i s p 友好的p 2 p 激励机制。在该激励系统中，i s p 根据自身和其他i s p 的经济利益 关系设定域间链路传输单位数据的价格，系统中的下载节点不仅要根据下载数据 量向上传节点支付数据分享的费用，还要支付所经过的域间链路的数据传输费用。 基于虚拟货币的与i s p 友好的激励机制不仅能够提高节点分享度，避免f r e e r i d i n g 行为，还使下载节点有动机主动选择本地的上传节点，有效降低域间流量。仿真 数据表明，该激励机制能够在提高用户共享度的同时减小域间流量。 ( 3 ) 针对p 2 pv o d 系统中服务器负载量大的问题，提出了一种基于虚拟货 币的轻负载激励机制。在该激励机制中，如果一个节点将自己已经下载完成的视 频文件分享给其他正在观看该视频的观众节点，那么这个上传节点将获得报酬， 而付给上传节点的费用由该视频兴趣组内的所有观众节点共同支付。该激励机制 忽略了同一视频兴趣组内部观众节点之间的数据交换，只记录上传节点集合和观 众节点集合之间的数据流量，这样能够充分激励系统中节点分享自己已经下载完 成的视频文件，减小服务器负载，同时也有效减小了激励机制给系统带来的额外 北京邮电大学博士论文 中文摘要 负载。博弈论分析证明了该激励机制能够有效激励用户共享。仿真数据验证了该 激励能够增加系统中节点的分享数据量，减小服务器负载。 ( 4 ) 利用博弈论分析了私有p 2 p 网络的基于用户分享比的激励机制。私有 p 2 p 采用分享比的激励有效地提高了用户的共享度和系统中种子节点的数量，从 而达到了比传统p 2 p 网络更高的系统性能。分析中首先根据私有p 2 p 网络中的节 点在分享比激励机制下生产、分享和下载数据文件的过程建立了系统的序贯博弈 模型，接着利用逆向归纳法推导得出该模型的序贯均衡解，并得到达到均衡系统 参数需要满足的条件，为私有p 2 p 网络的管理者配置合理的系统参数值提供了参 考。 【关键词】对等网络，传输控制，域间流量，激励机制，虚拟货币 北京邮电大学博士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p e e r - t o - p e e r ( p 2 p ) h a sb e c o m et h eo v e r w h e l m i n gt e c h n o l o g yf o rd a t as h a r i n g , d i s t r i b u t e ds t o r a g e ，c o o p e r a t i v ew o r k i n ga n dl a r g es c a l ep a r a l l e lc o m p u t i n g a s s u r i n g t h ec o o p e r a t i o nb e t w e e np 2 pa n do t h e rn e t w o r ke l e m e n t si nt h ei n t e r n e t ，a n dt r yt o s t i m u l a t et h ec o o p e r a t i o no fp e e r si nt h ep 2 pn e t w o r ka r ei m p o r t a n ti s s u e sd e c i d i n gt h e s y s t e mp e r f o r m a n c ea n dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fp 2 p t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h e p r o b l e m so ft r a n s m i s s i o nc o n t r o la n di n c e n t i v em e c h a n i s mo ft h ep 2 pn e t w o r k s ，a n d r e s u l t si nt h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t s ： ( 1 ) w e p r o p o s e al o w p r i o r i t y t r a n s m i s s i o nc o n t r o l a l g o f i t l a m t c p c p l p ( c o n g e s t i o np r i c i n gl o wp r i o r i t yt c p ) f o rt h e p 2 pf l o wi no r d e rt o m i t i g a t et h ec o n f l i c tb e t w e e np 2 pa p p l i c a t i o n sa n dt r a d i t i o n a ln e t w o r ka p p l i c a t i o n s t c p - c p l pc a na d j u s tac o n n e c t i o n ss e n s i t i v i t yt on e t w o r kc o n g e s t i o na c c o r d i n gt o t h ec o n g e s t i o np r i c et h eu s e rs e t sf o rt h a tc o n n e c t i o n ，t h u sa c h i e v em u l t i p l ef l e x i b l e p r i o r i t yl e v e l so fs e r v i c eb e t w e e ns t a n d a r dt c pa n da b s o l u t e l o wp r i o r i t yt c e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h ef a i r n e s s ，s t a b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h m ( 2 ) w ep r o p o s ean o v e li n c e n t i v em e c h a n i s mt h a ta i m sa tr e d u c i n gc r o s s i s p t r a f f i ca sw e l la ss t i m u l a t i n gs h a r i n g w eb r i n gt h er o l eo fi s pi nt h ec u r r e n c y - b a s e d i n c e n t i v e ，w h e r et h ei n c e n t i v em e c h a n i s mu s e sv i r t u a lc u r r e n c yt op r e v e n tf r e er i d i n g a n ds t i m u l a t es h a r i n g , a tt h es a m et i m ec h a r g e sat r a n s m i s s i o nc o s tf o ri n t e r - d o m a i n t r a f f i c u n d e rs u c hi n c e n t i v em e c h a n i s m ，t h ed o w n l o a dp e e rp a y st h eu p l o a dp e e rf o r t h es h a r i n gs e r v i c e ，a n da d d i t i o n a l l ya l s op a y st h et r a n s m i s s i o nc o s ti fi ti n c u r sa n y c r o s s - i s pt r a f f i c s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ei s p - f r i e n d l yi n c e n t i v em e c h a n i s m c a l ls i g n i f i c a n t l yr e d u c et h ec r o s s i s pt r a f f i ca sw e l la si m p r o v es h a r i n ga n dd e c r e a s e f r e e - r i d i n g ( 3 ) u s e r si nap e e r - t o p e e rv i d e oo nd e m a n d ( p 2 pv o d ) s y s t e ma r ea l l o w e dt o w a t c ha n yv i d e of i l ea ta n yp o i n ti nt i m ea n dt ou s ev c ro p e r a t i o n sw h i c hd e c r e a s e s t h e i ra b i l i t yt oh e l pe a c ho t h e ra n do f f l o a dt h es e r v e r s ow ep r o p o s eal i g h t w e i g h t i i i 北京邮电大学博士论文 i n c e n t i v em e c h a n i s mb a s e do nv i r t u a lc u r r e n c yt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e m i fap e e rs h a r e sav i d e of i l ew h i c hh eh a sc o m p l e t e l yd o w n l o a d e db e f o r e ，h e w i l lg e tp a i db yt h ea u d i e n c ep e e r sw h oa l ei nt h ep r o c e s so fw a t c h i n gt h a tv i d e o g a m et h e o r e t i ca n a l y s i s p r o v e s t h a tt h e p r o p o s e di n c e n t i v em e c h a n i s mc a l l s i g n i f i c a n t l yr e l i e v es e r v e r sh e a v yl o a da n di n c r e a s eu s e r s ，c o n t r i b u t i o n s s i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h a tt h ei n c e n t i v em e c h a n i s mc a ni m p r o v es h a r i n gb e t w e e n p e e r sa n d r e d u c et h el o a do f s e w e l ( 4 ) w r eu s eg a m et h e o r yt oa n a l y z et h ei n c e n t i v em e c h a n i s mo fp r i v a t ep 2 p n e t w o r k t h ep r i v a t ep 2 pn e t w o r ku s e sa u p l o a d d o w n l o a dr a t i o b a s e di n c e n t i v ew h i c h s i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e st h es h a r i n go fp e e r si n t h ep 2 ps y s t e ma n dg e tah i g h e r p e r f o r m a n c ec o m p a r e dt ot h ep u b l i cp 2 pn e t w o r k s w ea n a l y z et h ep r o d u c t i o n ，s h a r i n g a n dd o w n l o a d i n go ft h ep e e r s ，a n dm o d e lt h es y s t e mw i t ha s e q u e n t i a lg a m e ，g e tt h e c o n d i t i o no ft h e s y s t e mp a r a m e t e r s w h e nt h en e t w o r ka c h i e v e sa s e q u e n t i a l e q u i l i b r i u m ，w h i c hc a nb eu s e da sar e f e r e n c et os e tp r o p e rs y s t e mp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：p e e r - t o - p e e r ，t r a n s m i s s i o nc o n t r o l ，c r o s s i s pt r a f f i c ，i n c e n t i v e m e c h a n i s m ，v i r t u a lc u r r e n c y - i v 北京邮电大学博士论文 目录 中文摘要 目录 目录 图目录 i 第一章绪论 1 1 引言 v l i 1 2 国内外发展动态一一4 1 2 1 传输控制4 1 2 2 激励机制一 1 3 本文的主要贡献 1 4 本文的结构和安排 参考文献 第二章与传统互联网应用友好的多等级低优先级p 2 p 传输控制 2 1 引言 7 n 1 2 1 3 1 8 1 8 2 2 昔日乡乏 二作。2 0 2 3 多等级低优先级传输控制算法 2 3 1 原理及设计目标2 6 2 3 2 拥塞计费模型 2 3 3t c p - c p l p 算法3 0 2 4 仿真及分析3 3 2 4 1 公1 1 2 1 生：i ：l 2 4 2 稳定性和与标准t c p 流的比较。3 4 2 4 3 提高用户效用3 7 2 5 习睦章d 、结3 8 参考文献3 9 v 北京邮电大学博士论文 目录 第三章与i s p 友好的p 2 p 激励机制 3 1 引言 3 2 相关工作 3 3 与i s p 友好的p 2 p 激励机制 3 3 1 激励系统设计原理 3 3 2 计费机制 3 3 3 系统动态特性 3 4 仿真分析 3 5 本章小结 参考文献 第四章基于虚拟货币的轻负载p 2 p v o d 激励机制 4 1 引言 4 2 相关工作 4 3 基于虚拟货币的轻负载p 2 p v o d 激励机制 4 3 1 系统结构 4 3 2 定价机制 4 3 3 系统动态特性。7 0 4 4 博弈论证明 4 5 仿真及分析 4 6 本章小结 参考文献 第五章私有p 2 p 网络激励机制分析 5 1 引言 5 2 相关工作 5 3 私有p 2 p 网络及其激励机制 5 4 私有p 2 p 激励机制的分析 5 4 1 序贯博弈简介 5 4 2 系统博弈模型 v 1 记 忆 钙 钉 钉 铝 轧 配 钉 钉 砷 砷 硌 斛 甜 酊 n 佰 他 他 缸 缸 船 船 龉 髂 晰 北京邮电大学博士论文 目录 5 4 3 激励函数和效用函数8 7 5 4 4 博弈分析 5 5 本章小结 8 8 9 2 参考文献一好 结束语 致谢 9 5 9 8 1 0 0 1 0 1 个人简历及参加的科研工作 尉录。一在攻搏期闻录用、发表的文章 - 北京邮电大学博士论文 目录 图目录 图2 - 1低优先级传输的理想模型和实际模型比较2 7 图2 2b e s t e f f o r t 流和低优先级流特征比较2 8 图2 3仿真拓扑结构。3 3 图2 - 4不同拥塞价格门限值的t c p c p l p 算法公平性3 4 图2 - 5 t c p 和t c p - c p l p ( 0 - 0 0 2 5 ) 流速率比较3 5 图2 - 6t c p 和t c p - c p l p ( 0 - o 1 ) 流速率比较3 5 图2 7 t c p 和t c p c p l p ( o 一0 2 2 5 ) 流速率比较3 5 图2 - 8 t c p 和t c p c p l p ( 0 0 0 2 5 ) 流速率细节图比较3 6 图2 - 9 t c p 和t c p - c p l p ( 0 一o 1 ) 流速率细节图比较3 6 图2 - 1 0t c p 和t c p c p l p ( 0 0 2 2 5 ) 流速率细节图比较3 6 图3 - 1i s p 网络结构图4 9 图3 2仿真拓扑图5 3 图3 3系统总流量( n - 6 0 ) 5 4 图3 4域间流量( n - 6 0 ) 。5 4 图3 - 5 系统总流量( n - - 1 2 0 ) 5 5 图3 - 6域间流量( n - - 1 2 0 ) 5 5 图3 7平均域间流量占系统总流量的百分比5 6 图禾1客户朋艮务器模式v o d 系统示意图6 5 图4 2单视频缓冲式p 2 pv o d 系统示意图6 6 图4 3多视频缓冲式p 2 pv o d 系统示意图6 7 图4 4 系统总流量7 6 图4 5服务器传输流行视频文件的总数据量7 6 图4 - 6服务器传输不流行视频文件的总数据量7 7 v i i t 北京邮电大学博士论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先对本论文的研究背景进行了总结和归纳，然后介绍了目前国内外在 相关领域的研究动态。最后介绍了本论文的研究内容和结构安排。 1 1 引言 在当今的信息时代，互联网技术已经深入到社会生活的各个领域，经济、军 事、文化、教育、体育等各个方面的发展都离不开互联网的支持。作为改变h t c m e t 应用模式的主要技术之一，对等网络( p e e r - t o p e e r , p 2 p ) 的研究一直得到了国内外 学术界和商业组织的广泛关注。 p 2 p 技术的出现改变了网络的逻辑结构，使终端用户的智能化和宽带化特点 得到了充分利用。相对于传统的集中式客户朋艮务- 器r ( c l i e n v s s e r v e r ) 模型，p 2 p 弱 化了服务器的概念，系统中的各个节点不再区分服务器和客户端的角色关系，每 个节点既可请求服务，也可提供服务，节点之间可以直接交换资源和服务而不必 通过服务器。p 2 p 定义为利用分布式资源以非集中的方式完成特定功能的一类系 统或应用【1 1 。其中分布式资源指计算能力、存储资源、数据、网络带宽、其他计 算机及人力等资源。而特定的功能包括分布式计算、数据或内容共享、交流和协 作或者平台服务。非集中的方式可能应用于算法、数据、原数据或所有这些。这 并不排除在需要的时候在系统或应用的某些部分保存集中的方式。 除了最初的文件交换之外，p 2 p 广泛地用于个人即时通信和协同工作、分布 式信息或资源共享 2 1 、深度搜索、大规模并行计算【3 】等领域，另外，p 2 p 技术在移 动通信和智能网领域也开始呈现出较大应用前景。目前互联网中较为流行的提供 文件和其它内容共享的p 2 p 网络包括n a p s t e r 4 1 、g n u t e l l a l 5 1 、e d o n k e y 6 1 、e m u l e r l 、 b i t t 0 玎e n t i 引、m a z e 【9 】等，用于对等计算和存储共享的p 2 p 应用包括s e t i a t h o m e l l 0 1 、 a v a k i 、p o p u l a rp o w e r 等，基于p 2 p 方式的协同处理与服务共享平台包括j x t a 、 m a g i 、g r o o v e 、n e tm ys e r v i c e 等，此外还有p 2 p 通讯与信息共享平台包括 s k y p e 1 1 1 、c r o w d s 、o n i o nr o u t i n g 等。 1 北京邮电大学博士论文第一章绪论 典型的p 2 p 网络由i n t e m e t 终端以自组织的方式形成，具有如下特点： 1 ) 应用层o v e r l a y 拓扑特性：p 2 p 网络是工作在应用层的覆盖网络。所谓覆 盖网络，是指为了实现特定的功能而建立在一个或多个已存在的网络之上的网络， 该网络需要维护一些额外的信息，例如网络中节点的连接关系、节点的位置信息 等。以文件共享p 2 p 网络为例，其所实现的特定功能就是文件的定位，以及文件 下载的组织。p 2 p 网络的应用层o v e r l a y 拓扑特性使p 2 p 网络能够灵活容纳处于 不同物理网络域的各种i n t e r a c t 终端。 2 ) 自组织性：p 2 p 网络具有自组织性，节点可以在没有仲裁者的情况下自 己维护网络的连接和性能，其网络拓扑会随着节点的加入和离去而重新组织。p 2 p 网络的自组织性使其能够适应动态变化的应用环境。 3 ) 自治性：p 2 p 网络中的节点可以依据自己的意愿选择行为模式，没有外 在的强制约束。p 2 p 网络的自治性对节点的自主行为给予了充分的尊重。 4 ) 分布式的资源聚集及协作：在p 2 p 网络中，节点贡献自己的空闲资源， 并利用p 2 p 网络提供的资源定位功能发现其他节点的可利用资源，然后进行彼此 之间的资源共享。因此，p 2 p 网络提供了将i n t e m e t 终端闲散资源聚集的能力并促 成了这些终端之间的协作。 5 ) 节点的对等性：p 2 p 网络中的节点承担相同的职责，并采用对等的通信 模式。在纯p 2 p 网络中，系统的维护开销( 路由、消息转发、维护修复等) 由节 点共同来承担。 p 2 p 网络的健壮性、可扩展性等特点使其得到了蓬勃的发展。一项最近的研 究表明，p 2 p 流量占互联网总流量的7 3 以上，并且仍然在以平均每年递增5 0 的速度增长1 1 2 l 。但是同时p 2 p 应用产生的这些新型流量模型和特征对传统基于 c s 、b s 架构的互联网应用乃至整个互联网造成巨大的冲击。从流量流向上看， 以往的互联网应用主要是基于c s 、b s 架构，这些流量大都是从客户终端到服务 器或数据中心的下行数据流。现在的互联网的拓扑和带宽资源主要是考虑这种流 量模式而设计的，即数据中心到骨干网络的接口带宽速率很高，从骨干网、城域 网到达接入网时，带宽资源逐渐变小。而通常客户的上行带宽会小于下行带宽， 这种拓扑资源设计很适合传统的以下载为主要需求的业务。但是，基于p 2 p 的应 北京邮电大学博士论文第一章绪论 用系统的流量大都分布在客户终端之间，这导致整个互联网在接入网和城域网出 现严重的拥塞问题，同时严重影响了基于c s 、b s 架构的应用性能，比如各类电 子商务、电子政务应用、娱乐、教育服务等。另一方面，从流数目上看，目前提 供文件共享的p 2 p 终端软件主要基于多t c p 连接的方式进行工作，即通过多个 t c p 同时从多个节点下载，并同时通过多个t c p 连接为多个其他节点提供上传服 务。这将导致当p 2 p 应用和传统基于单t c p 应用竞争时，p 2 p 应用将占据绝对优 势。因为在互联网尽最大努力传输的t c p 机制下，各个流获得的吞吐量近似与发 送速率成正比，因此一个应用建立的t c p 连接愈多，这个应用占用的网络资源也 愈多。这样，基于单t c p 应用的性能将严重恶化。 因此，现有的p 2 p 应用可以为单个客户提供更快的服务速率，并且提升网络 的资源利用率，但这些优点是通过激进式的掠夺网络资源获得的。目前非常有必 要研究与传统互联网应用友好相容的p 2 p 流量控制机制，在网络空闲时，发挥p 2 p缸 计算模式的优点，提升网络利用率和客户下载速率；在网络繁忙时，友好地与传 统互联网应用共享资源。只有与传统互联网应用友好相容的p 2 p 应用系统才能在 互联网中长远地发展和应用，否则现有的p 2 p 应用最终将导致传统互联网应用崩 溃，使得互联网整体效率恶化，将受到网络运营者和用户的严厉干预。例如，在 2 0 0 7 年下半年，美国最大的有线电视传输和宽带通信公司c o m c a s t 就曾经宣布封。 杀p 2 p 应用的流量，以避免其破坏其他传统互联网应用的性能【1 3 】。 另一方面，p 2 p 系统中的节点在选择数据传输的目标节点时通常仅根据节点 传输速率随机选择，而不考虑目标节点是在本地i s p 还是远程i s p 。p 2 p 的这种随 机节点选择方式能够避免瓶颈链路的产生，有助于流量均匀分布，但是这种节点 选择机制也导致p 2 p 数据经常穿越多个i s p 才能到达，产生了大量的域间流量。 对b i t t o r r e n t 流量的分析数据【1 4 】表明，在b i t t o r r e n t 系统的总流量中，有7 0 以上 的数据传输可以在本地完成，即下载节点可以找到在本地i s p 域的上传节点，但 是实际上却是从其他i s p 域寻找上传节点下载了数据。p 2 p 应用产生的域间流量 增加了i s p 的运营成本，损害了网络运营商的利益。为了减小p 2 p 应用产生的域 间流量，网络运营商采用了多种管理、限制甚至阻塞p 2 p 流量的方法，例如通过 端口号、流量特征识别p 2 p 应用的流量并对其限制或拥堵。 北京邮电大学博士论文第一章绪论 综上分析，我们迫切需要进行相关研究解决对等网络和传统互联网应用以及 网络运营商之间的矛盾，保证在不损害双方利益的前提下尽量达到合作双赢，这 也是保证p 2 p 网络快速健康发展的重要因素。 除了上述对等网络和其他网络对象的矛盾之外，对等网络内部也存在着问题， p 2 p 网络理性用户的根本目的是最大化自己效用，而并不考虑网络的整体效用， 这导致了f l e e - r i d i n g 以及“公共地悲剧”( t r a g e d yo fc o m m o n ) l h - j。f r e e r i d i n g 1 5 1 指节点只消费其他节点贡献的资源，而不共享自己的资源。以g n u t e l l ap 2 p 文件 共享系统为例，7 0 的g n u t e l l a 用户是f r e e r i d e r 不共享任何文件，接近5 0 的文件 查询命中仅来自1 的g n u t e l l a 用户【1 6 1 。“公共的悲剧”【1 7 】指网络资源作为一种非 排他的公共资源，被大多数p 2 p 节点无节制的使用。因此，p 2 p 研究要解决的一 个重要问题是怎样鼓励节点贡献更多包括上载带宽，存储空间以及计算能力等系 统资源。设计有效的激励机制以激励p 2 p 网络中的节点进行有效的协作并合理使 用网络资源是关系到p 2 p 网络生存性的重要问题。 综上分析可见，研究使对等网络和其他网络对象友好相容的技术，同时促进 对等网络内部节点之间的合作，提高p 2 p 网络服务可用性是关系到p 2 p 网络整体 效益和未来发展的重要问题。本论文主要围绕对等网络的流量传输控制和激励机 制展开研究。 本章后续部分按如下方式组织：首先介绍了本论文所选课题的国内外发展动 态，第三节介绍了本文的主要贡献，最后一节介绍了本文的结构和内容安排。 1 2 国内外发展动态 本节首先介绍p 2 p 数据传输控制的相关研究工作，主要包括低优先级传输服 务和减小p 2 p 域间流量两方面内容，然后介绍了激励机制的相关研究，对研究内 容进行了分类，并重点介绍了基于虚拟货币的激励机制的研究，以及博弈论分析 激励机制等相关工作。 1 。2 1 传输控制 北京邮电大学博士论文第一章绪论 对p 2 p 流量进行传输控制的两个最主要目标是使其与传统互联网应用友好相 容，以及降低p 2 p 域间流量以达到与i s p 的友好相容。下面对这两部分的研究工 作进行分别介绍。 1 ) 与传统互联网应用友好相容的p 2 p 传输控制 若p 2 p 和其他传统互联网应用都使用“尽最大努力传输 ( b e s t e f f o r t ) 的 标准t c p 服务传输数据，那么因为p 2 p 采用基于多t c p 连接的方式进行工作， 传统应用使用单连接传输，必然导致p 2 p 流量占用过多带宽而传统应用的性能恶 化。上述问题的一种解决思路是利用区分服务为p 2 p 应用和传统互联网应用提供 不同优先级等级的传输服务，即用低优先级传输算法传输p 2 p 流量，而用较高等 级的传输算法传输传统应用流量。传统的提供区分服务的思路是将目前存在的 t c p 协议作为低优先级，建立一种质量高于标准t c p 协议的传输服务 ( b e t t e r - t h a n b e s t e f f o r t ) ，而最近的研究则考虑从相反的思路解决问题，即将标 准t c p 视为高优先级，而建立低于标准t c p 的传输服务。同传统思路相比，低 优先级传输控制更易实现，便于管理，减小了恶性竞争和拥塞发生的可能。 低优先级传输服务提供和标准t c p 相比绝对的低优先级传输，它要达到的目 标有：( i ) 不影响标准t c p 的流量，即对t c p 流的透明性；( i i ) 在不影响标准 t c p 流量的前提下，最大限度地利用网络的剩余带宽；( i i i ) 保证每个低优先级连 接能够公平地共享剩余带宽，即保证低优先级流之间的公平性。根据所在的层次， 目前存在的低优先级服务可分为三类：网络层、传输层和应用层的低优先级服务。 网络层低优先级服务的主要思想是在进行传输之前对低优先级的包进行标 记，在传输过程中如果路由器缓冲区的队列长度超过设定最低门限值，新进入到 该队列的标记为低优先级的包就会以递增的概率被丢弃，如果队列长度超过了规 定上限门限值，则后续的低优先级包将被直接丢弃。这种低优先级服务最初是在 d i f f s e r v 工作组的r f c 3 6 6 2 1 8 1 中被提出。此外，还有研究人员将网络层低优先级 算法部署在实际网络中，验证它对于终端用户和运营商的潜在价值和可行性【1 9 】。 但是由于需要路由器的支持或路由器功能的一定修改，网络层低优先级服务较难 于部署和实现。 传输层低优先级服务的主要思路是修改用户终端的t c p 协议，使其对网络中 j e 京邮电大学博士论文 第一章绪论 发生的拥塞更加敏感，同时也回退得更多。目前的传输层低优先级算法主要包括 t c pn i c e 2 0 l ，t c pl o w - p r i o r i t y ( t c p l p ) 2 1 1 ，t c pw e s t w o o dl o wp r i o r i t y o p w 二l p ) 9 9 1 ，c o m p e t i t i v ea n dc o n s i d e r a t ec o n g e s t i o nc o n t r o lp r o t o c o l ( 4 c p ) 1 2 3 1 等。这些传输层低优先级协议提供了端到端的低于尽最大努力传输的传输服务， 由于它们是通过修改发送方t c p 拥塞控制协议的算法实现低优先级，因此不需要 对网络中间节点做任何功能更改。 此外，微软公司在2 0 0 4 年提出了一种应用层的低优先级协议【2 q ，这种应用 层算法通过对接收窗口的控制来限制连接的传输速率，连接的最优速率由监测到 的拐点来决定。这种控制算法不需要网络支持，也不需要修改t c p 协议，目前主 要应用在w i n d o w s 操作系统的b i t s ( m i c r o s o f tb a c k g r o u n di n t e l l i g e n tt r a n s f e r s e r v i c e ) j 报务中，可用于操作系统更新等低优先级的数据传输。这种算法不需要对 网络层或应用层的修改，但是向网络中注入了额外的测量包，并且这种应用层低 优先级服务利用带宽的能力低于传输层的低优先级服务。 2 ) 与i s p 友好的p 2 p 流量控制研究 为解决p 2 p 应用产生过多域间流量的问题，网络运营商采用了多种对策限制 甚至阻塞p 2 p 流量，例如根据端口号或流量特征在路由器上识别出p 2 p 流量并对 其进行限制或丢弃。但是单纯依靠i s p 自身来限制p 2 p 流量以降低域间流量的方 法并没有取得理想的效果，而且采用上述方法会降低p 2 p 应用的性能，例如，p 2 p 文件传输系统中文件下载时间延长，视频直播或点播系统中流媒体传输的缓冲时 间变长，观看过程不流畅等，这些都降低了用户的满意度，很可能会导致用户离 开拥堵p 2 p 流量的运营商，寻找提供更好的网络服务的运营商，这会使客户流失 而降低运营商的收入。因此最近的研究试图从网络运营商和p 2 p 应用合作的角度 解决域问流量的问题，尝试通过合作而不是敌对的行为来减小域间流量，在减小 i s p 的运营成本的同时保证p 2 p 应用的性能，达到双赢的结果。s h e n 冽提出了一 种在由运营商控制的服务器上缓存p 2 p 内容的方案。但是p 2 p 缓存需要对应于每 一种p 2 p 应用进行设计，并且运营商面临未经授权传输版权保护内容的法律危险。 其他一些研究包括o n o 2 6 1 、p 4 p 2 7 1 、o r a c l e 冽等等。o n o 的主要思路是低成本回 收c d n 收集的网络结构信息，并将其用于偏好本地或邻近节点的节点选择算法 北京邮电大学博士论文第一章绪论 中，这样可以减小昂贵的域间流量。o n o 算法不需要路径监测或探针测量，但是 系统的正常运行依赖于内容分发网络( c d n ) 来提供数据，而这将在c d n 系统 中产生大量流量。p 4 p 提出了一种为i s p 和p 2 p 应用交互信息的接口，p 2 p 应用 可以通过这个接口与i s p 进行信息交流，了解i s p 的网络偏好，在不降低p 2 p 性 能的同时降低网络的域间流量。但是由于p 4 p 需要i s p 向应用提供网络层的拓扑 信息，而一些网络信息涉及到网络安全性问题，因此i s p 为了自身利益很有可能 选择不合作的策略。a g g r a w a l 等【捌提出一种称为o r a c l e 的服务，这种服务由i s p 提供给p 2 p ，当p 2 p 中的节点想要下载数据时，它将候选节点列表发给o r a c l e 服 务器，o r a c l e 将根据目标节点和下载节点之间的距离等参数性能对候选节点排序， 为下载节点选择上传节点做出参考。通过这种方式，i s p 可以利用o r a c l e 更好地 管理p 2 p 流量，例如将流量留在a s 域内，或者引导流量到较为理想的路径。 上述提到的技术为解决i s p 域间流量问题提供了一条新的思路，但是这些技 术有些需要网络运营商修改网络结构，或者需要向p 2 p 应用或内容提供商公开网 络拓扑信息，而这些信息很有可能关系到运营商的商业利益及网络安全。此外， 这些技术无法保证合作双方提供的数据真实可信。总的来说，为了实现上述方案， 需要p 2 p 用户和网络运营商之间合作分享数据，并且互相信任。但是因为有着不 同的甚至冲突的利益，这种合作较难实现。f 1 2 2 激励机制 p 2 p 网络中存在着普遍的不合作问题，而节点之间的合作