基于P2P 的文件并行上载机制研究
邓湘，吴迪**
基金项目：国家自然科学基金（61003242）；广东省自然科学基金（10451027501005630）；中央高校基本
科研业务费专项资金（09LGPY56）；高等学校博士学科点专项科研基金（20100171120047）；教育部留学
回国人员科研启动基金（教外司留【2011】508 号）
作者简介：邓湘，（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向：网络与分布计算。
通信联系人：吴迪，（1978-），男，副教授，硕士生导师，主要研究方向：网络与分布计算. E-mail:
wudi27@mail.sysu.edu.cn
（中山大学信息科学与技术学院，广州 510006）
5 摘要：随着信息技术的发展和互联网的普及，用户信息需求量不断增大，对网络传输速度的
要求也不断提高。现有的P2P 下载和CDN 等技术可以显著改善用户下载性能；然而用户的上
传速度却成为许多网络应用的瓶颈。当需要执行上载操作时，经常受到上载速度的限制，造
成大量时间的浪费。本文提出了一种基于P2P 的文件并行上载机制。在此机制当中，源节点
将文件进行分块后，分别上传给一定数目的中间节点，再由中间节点完成到目标节点的传送。
10 源节点与目标节点之间并不直接进行大量数据的通信。文件从源节点发送出去的时间将得到
缩短。本文建立了一个简单的数学模型来对其进行理论分析，并采用NS2 仿真软件进行仿真
验证。仿真结果表明，当采用文件并行上载机制后，可以在不显著延长文件从源节点到目标
节点传输时间的前提下，显著缩短文件的上载时间。
关键词：计算机网络；P2P；并行上载；缩短时间；中间节点；仿真
 0 引言
在网络使用中，缓慢的上载速度是一个令人烦恼的普遍性问题。以下两个实际中的例子
有相当的代表性：
40 （1）A 打算将自己的工作资料、表格等存储到网盘当中，以备在不受存储设备限制的
情况下，在不同的电脑上使用这些文件。但是他发现，要将这些文件全部上载至网盘中，需
经过长时间的等待。
 （2）B 与C 一同出游，拍摄了许多照片，照片都在B 的相机里。B 将相片打包之后，
打算通过QQ 文件传输，将照片发给C，但是缓慢的传输速度让他们难以忍受。
45 虽然有一些改善的方法被提出来，但是效果都不理想或者难以实现：一些邮箱的超大附
件机制，通过检测MD5 避免重复上载；提高硬件设备的性能；修改本机注册表信息；等等。
作为目前计算机网络技术研究重点之一，P2P 网络[1]为解决这个问题提供了很好的途径。
本文所提出的文件并行上载机制采用一种基于P2P 架构，它将充分利用网络中各个节
点的优势。在文件传输的过程当中，源节点并不与目标节点进行大量的数据通信，而是将文
50 件化整为零，分别发送给一定数目的、符合要求的中间节点，再由这些中间节点完成剩余的
传输任务。我们对该上载机制进行了理论分析和实验仿真，分析结果显示该机制可以缩短文
件上载的时间，优化上载过程，为用户提供了更佳的网络体验。同时，我们还对于该机制在
实际应用中的可行性和安全性等方面进行了讨论。
论文以下内容共分为四部分。第一部分提出基于P2P 的文件并行上载机制，并且加以
55 建模，从理论上对机制进行分析。同时也对机制的一些细节加以讨论；第二部分对机制进行
仿真，并对结果作详细的分析，验证机制的有效性；第三部分提出关于实现机制的方案，包
括可行性、安全性、实用性方面；最后是全文的总结以及对下一步工作的展望。
1 模型构建
不同于传统的“并行下载”[2]技术，本文提出的“基于P2P 的文件并行上载机制”着重于解
60 决用户上传数据时的瓶颈问题。机制有两个主要特点。首先是基于P2P，机制当中引入了分
布式的思想，所有的节点都是对等的，没有节点专门扮演服务器，也没有节点专门扮演客户
端[3]。其次是并行，这要求上载必须是同时开始，互不干扰，互不约束的。机制将致力于达
成以下两个基本目标：
（1）尽可能缩短文件从源节点发送出去的时间；
65 （2）保证不延长文件从开始发送至接收完毕的时间。
通过对所提机制进行理论建模，能够更好地分析该机制以及进行仿真。
1.1 建模图表
机制中各个角色之间的相互关系呈现出如图1 所示的情形。
70 图1 基于P2P 的文件并行上载机制建模
Fig. 1 modeling of P2P-based Parallel File Uploading Mechanism
对于模型当中出现的每一个元素，在表1 当中有详细说明其相应的含义及具体分工。
 表1 建模图图解
Tab. 75 1 explanation of the modeling
图形 名称 含义
源节点（source） 整个文件传输过程的发起者
目标节点（destination）
最终接收文件的节点，本身与其他
节点也存在通信
中间节点
机制的关键节点，负责文件块的中
转，本身与其他节点也存在通信
源节点与目标节点的通信信道
未经过中间节点，源节点与目标节
点的直接通信
源节点与中间节点的通信信道 源节点与中间节点之间直接通信
中间节点与目标节点的通信信道
中间节点与目标节点之间直接或
间接的通信（虚线表示可能经过多
跳）
1.2 机制流程
对于每一次文件的传输，可分为以下三个部分，包括七个步骤：
第一部分（源节点）：
80 （1）源节点根据一定的标准，选择合适的中间节点；
（2）将要发送的文件在本地进行分块，并作进一步处理；
（3）将各个文件块并行地发送给相应的中间节点；
（4）在确认所有中间节点都接收完文件块之后，将中间节点的列表通知目标节点；
第二部分（中间节点）：
85 （5）中间节点在接收完源节点发来的文件块之后，即可向目标节点请求发送。如请求
被接受，则将文件块发过去，如被拒绝，则重发请求，直至被拒绝次数达到预定次数为止。
每个中间节点都应当尽力遵循“收到数据，尽快发出”的原则，但它们的发送过程可以是并
行、串行或其他方式；
第三部分（目标节点）：
90 （6）目标节点在收到中间节点的请求之后，检查中间节点列表。如果请求节点在列表
当中，则同意接收数据，否则拒绝。
（7）重组文件块，获得完整的文件。
1.3 策略
在机制当中，中间节点的选择、传输带宽的把握、文件的分块方式、文件块的重组方法，
95 是影响机制效果的重要因素，必须加以讨论。
（1）中间节点的选择
引入中间节点是整个机制中最关键的地方，它扮演的是中转站的角色，负责接收源节点
发来的文件块，并将其转发给目标节点。中间节点发挥的作用绝非是路由器。路由器仅仅是
转发IP 包，但中间节点是接收属于文件块的所有数据，并在适当的时间将文件块发向目标
100 节点。中间节点的选择需要考虑几个因素。
1.节点可用的上行带宽及下行带宽。如果节点可用的上行带宽以及下行带宽足够大的
话，就可以使得属于源节点和目标节点的带宽得到充分利用，从而缩短文件的传输时间。这
里指可用带宽，是因为所有节点（包括源节点、中间节点、目标节点）都跟其他节点有通信，
 可用表示专属于该文件的传输。
105 2.中间节点与源节点的跳数。要尽可能缩短文件从源节点发送出去的时间，需要使中间
节点与源节点之间的跳数尽可能取1。如果不能为1，也应该在同一个局域网当中[4]。
3.中间节点的数目。主要在本文的第三部分加以讨论。
由此可见，同一个局域网中、性能优越、数目适当，是中间节点选择的最佳策略。
（2）带宽的分配及动态改变
110 首先应该明确两个概念：专属最大带宽，实时使用带宽。专属最大带宽是由节点的物理
设备决定的，是节点所能获得的一个最大理论值，是一个定值。实时使用带宽，亦可称为吞
吐量，是指某个时刻节点在单位时间内成功传送的数据量，是一个处在不断变化当中的值。
实时使用带宽与专属最大带宽的比值，就是带宽利用率。实时使用带宽主要受到以下因素的
影响：运营商骨干出口带宽；运营商提供给客户的接入带宽；客户所访问的内容提供商的带
115 宽；线路和设备衰耗；同时在线的人数；用户自建局域网。下面要讨论的带宽，均是指实时
使用带宽。
对于源节点，在整个文件传输过程中，与所有节点的通信采取带宽均分的原则。即源节
点的所有通信信道都被分配相同的上行带宽及下行带宽。在理论分析当中将会证明为何要使
用带宽均分的策略。
120 在文件块并行上载时，一旦与某个中间节点的通信结束（即已经将相应的文件块发送完
毕），立即对带宽进行重新均分，动态实现带宽的合理利用。
在目标节点，除去与其他节点进行通信所需的带宽之外，其余的带宽都应分配给中间节
点。由于某一时刻与目标节点进行通信的中间节点数目并不确定，因此带宽动态改变相比于
源节点来说，变得十分灵活[5]。
125 带宽的策略主要是为了实现对带宽利用的最大化。
（3）文件的分块及文件块的重组
文件的分块工作是在源节点进行的，受到带宽均分的影响，文件的分块也应该遵循均分
的原则，才能得到最短的发送时间。此策略同样会在理论分析当中得到证明。同时，源节点
在进行分块的时候应该加入编号信息，以便目标节点在接收到所有文件块之后能够将它们有
130 序地组合起来。
1.4 理论分析
在未加任何预设条件的情况下，文件上载时间及文件总传输时间可表示为：（约定参数
的具体含义见表2）
1 2
1 2 3
1 2
( )
min( , )
max( , , ... ) ( )
( )
min( , )
i
ai
Si i
a a a a ak
a
S D
t m i
u d
t t t t t ii
t M iii
u d
≈ +Δ + Δ
=
 min( , )
max( , , ... ) ( )
( )
i 1, 2,3...
i
bi ai
i Di
b b b b bk
b a
t t m iv
u d
t t t t t v
t t vi
k
≈ + + Δ + Δ + Δ
=
′ = ′
=
135
表2 理论分析参数
Tab. 2 parameters of theoretical analysis
参数 参数含义
US 上行总带宽
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