计算机网络应用层（5）-- P2P文件分发视频流和内容分发网

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💓本博客内容为《计算机网络：自顶向下方法》第二章应用层第五、六节知识梳理
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目录

P2P 文件分发

P2P 体系与客户 - 服务器体系对比

BitTorrent

BitTorrent 最重要的机制：

两个问题？

请求哪些块？

响应哪个请求？

视频流和内容分发网

Internet Video

HTTP 流 和 DASH

HTTP 流

动态适应性流 (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP, DASH)

内容分发网 (Content Distribution Network, CDN)

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P2P 文件分发

P2P 体系与客户 - 服务器体系对比

P2P 体系结构最小分发时间总是小于客户 - 服务器体系结构。

BitTorrent

到 2016 年止，最为流行的 P2P 文件分发协议是 BitTorrent。

• 洪流 (torrent)：参与一个特定文件分发的所有对等方的集合。
• 在一个洪流中的对等方彼此下载等长度的文件块 (chunk)，典型的长度为 256KB。
• 当一个对等方首次加入一个洪流时，他没有块。随着时间流逝，它累积了越来越多的块。当它下载块时，也为其它对等方上载了多个块。一旦某个对等方获得了整个文件，他也许会自私地离开，也许会无私地留在洪流中向其它对等方上载块。

BitTorrent 最重要的机制：

• 每个洪流具有一个基础设施节点，称为追踪器 (tracker)。当一个对等方加入某个洪流时，它向追踪器注册自己，并周期性地通知追踪器它仍在该洪流中。
• 当一个新的对等方 A 加入洪流时，追踪器会随机地从参与对等方的集合中选择对等方的一个子集，并将这些对等方的 IP 地址发送给 A。
• A 试图与该 IP 地址列表上所有的对等方创建并行的 TCP 连接。我们称所有与 A 创建 TCP 连接的对等方为邻近对等方，邻近对等方会随着时间而变化。
• 任意时刻，每个对等方将具有该文件的块的子集，并且不同对等方具有不同的子集。A 周期性地询问每个邻近对等方它们所具有的块列表。有了这些信息，A 将对当前还没有的块发出请求。

两个问题？

请求哪些块？

最稀缺优先 (rarest first)：针对她没有的块，最稀缺块是指那些在她邻居中副本数量最少的块，她会优先请求那些最稀缺块。目的是均衡每个块在洪流中的副本数量。

响应哪个请求？

对换算法：A 根据当前能够以最高速率向她提供数据的邻居，给出其优先权。以最高速率流入的 4 个邻居，被称为疏通 (unchoked)。每过 30 秒，她要随机选择另一个邻居 B，并向其发送块。因为 A 正在向 B 发送数据，她可能成为 B 前 4 位上载者之一。这样，B 将开始向 A 发送数据，如果 B 发送速率够高，B 也将成为 A 的前 4 位上载者。换而言之，每过 30 秒 A 将随机地选择一名新的对换伴侣，并与其对换。如果这两个对等方都满足彼此，它们将对方放入前 4 位列表中，并继续与对方对换，直到它们发现更好的伴侣为止。

视频流和内容分发网

Internet Video

• 视频的一个重要特征是它能够被压缩，因此可以用比特率来衡量视频质量。
• 比特率越高，图像质量越好。

HTTP 流 和 DASH

HTTP 流

• 在 HTTP 流中，视频只是存储在 HTTP 服务器中的一个普通文件，有特定的 URL。用户通过 HTTP 请求获取视频文件，视频的字节被收集在客户应用缓存中。一旦该缓存中的字节数量超过预先设定的门限，用户应用程序就开始播放。同时，应用程序周期性地从缓存中抓取帧，解压并展现。
• HTTP 流有一个严重缺陷：所有客户收到相同编码的视频。（单一画质）

动态适应性流 (Dynamic Adaptive Streaming over HTTP, DASH)

• DASH 功能：在 DASH 中，视频编码为几个不同版本，其中每个版本具有不同的比特率。客户动态地请求来自不同版本且长度为几秒地视频段数据块。
• DASH 实现：HTTP 服务器上会有一个告示文件 (manifest file)，为每个版本提供一个 URL 及其比特率。客户先请求告示文件，然后再通过 HTTP GET 请求报文中指定 URL 和字节范围，一次选择一个块。在下载的同时，用户也测量接收带宽并运行一个速率决定算法来选择下次请求的块。

内容分发网 (Content Distribution Network, CDN)

是一个构建在现有网络基础之上的智能虚拟网络，依靠部署在各地的边缘服务器，通过中心平台的负载均衡、内容分发、调度等功能模块，使用户就近获取所需内容，降低网络拥塞，提高用户访问响应速度和命中率。（说简单点，CDN 就是缓存。）

• CDN 可以是专用 CDN，即由内容提供商自己所拥有；也可以是第三方 CDN。
• CDN 通常采用两种不同的服务器安置原则：
  • 深入 (Enter Deep)：该原则通过在全球的接入 ISP 中部署服务器集群来深入到 ISP 的接入网中。但因为这种高分布式设计，维护和管理集群成为一大问题。其目标是靠近端用户，通过减少端用户和 CDN 集群之间（内容从这里收到）链路和路由器的数量，从而改善了用户感受的时延和吞吐量。
  • 邀请做客 (Bring Home)：通过在少量关键位置建造大集群，以此邀请 ISP 来做客。被许多 CDN 公司所采用。邀请做客设计通常产生较低的维护和管理开销，可能以对端用户的较高时延和较低吞吐量为代价。