基于P2P技術(shù)的PIS大文件傳輸研究

黃志威，王富章，闞庭明

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

軌道交通信息系統(tǒng)

基于P2P技術(shù)的PIS大文件傳輸研究

黃志威，王富章，闞庭明

（中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081）

多媒體文件分發(fā)是PIS中一個重要的部分。本文闡述了PIS中多媒體文件的傳輸方式，基于PIS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對PIS文件傳輸模型進(jìn)行了研究。運(yùn)用P2P文件傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)PIS大文件傳輸?shù)呢?fù)載均衡。

對等網(wǎng)絡(luò)；乘客信息系統(tǒng)；P2P；BT；文件傳輸；負(fù)載均衡

現(xiàn)代化城市軌道交通系統(tǒng)中，乘客信息系統(tǒng)（PIS，Passenger Information System）以文字、音頻和圖像等多媒體形式為乘客提供了直觀的乘車信息、豐富的媒體內(nèi)容和便捷的出行體驗(yàn)。隨著PIS的逐漸完善，系統(tǒng)內(nèi)媒體資源更加豐富，媒體播放的畫質(zhì)更加清晰,PIS媒體文件從幾百M(fèi)增長到幾G甚至幾十G的大小，這些媒體文件分發(fā)對PIS的文件傳輸能力提出了更高的要求。

1 PIS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

PIS依托于城市軌道交通線路的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建而成，主要由中心子系統(tǒng)和各個車站子系統(tǒng)組成。各車站的播放控制器從中心系統(tǒng)取得車輛到發(fā)信息、文字廣播信息、媒體播放信息等資源，將這些信息整合成圖像和音頻輸出到位于站臺、站廳、出入口的LCD顯示設(shè)備，呈現(xiàn)給乘客。城市軌道交通的線路控制中心設(shè)有該線路PIS的中心服務(wù)器。中心服務(wù)器由多個具有不同功能的服務(wù)器組成，這些服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了PIS后臺管理、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、計(jì)劃編播等功能，管理視頻信息，車輛到發(fā)信息，圖片文字信息等內(nèi)容，將這些信息發(fā)布到播放控制器。

PIS中心子系統(tǒng)的PIS媒體編輯與發(fā)布平臺主要由媒體管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器組成。媒體管理服務(wù)器完成PIS的文件上傳、審核、發(fā)布以及播放計(jì)劃編輯的工作。文件服務(wù)器存儲PIS多媒體文件，提供媒體上傳和媒體分發(fā)。PIS車站子系統(tǒng)由播放控制器組成，播放控制器按照媒體管理平臺提供播放計(jì)劃下載指定媒體資源。PIS媒體編輯與發(fā)布系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PIS媒體編輯與發(fā)布系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 PIS基于C/S模式文件傳輸?shù)钠款i

傳統(tǒng)PIS的媒體文件發(fā)布通常采用客戶端/服務(wù)器模式（C/S模式）。這種模式基于PIS集中式管理的特點(diǎn)，一般使用FTP文件傳輸協(xié)議或者WebDAV協(xié)議。其媒體文件傳輸模型如圖2所示。

圖2 PIS C/S傳輸模型

這種模式下，PIS中所有播放控制器各自連接到文件服務(wù)器下載媒體文件。顯然，隨著PIS對媒體播放質(zhì)量要求的提高以及城市軌道交通線路車站的增加，文件服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)傳輸壓力會隨之增加。整個系統(tǒng)中播放控制器的數(shù)量直接影響到PIS文件傳輸?shù)男阅堋?/p>

由于C/S模型的傳輸特點(diǎn)，播放控制器數(shù)量增加對PIS的網(wǎng)絡(luò)要求也會增加，導(dǎo)致PIS帶寬固定時播放控制器不能隨意增加，很大的限制了PIS對于不同軌道線路的擴(kuò)展的靈活性。

因此，在播放器數(shù)量較多時這樣的傳輸需求是無法實(shí)現(xiàn)的。這種模型下要改善PIS的傳輸性能就只能增加文件服務(wù)器以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)性能。但是這樣增加了硬件成本，對傳輸性能的改善卻很有限。

綜上分析，基于C/S模式的文件傳輸，隨著PIS播放控制器數(shù)量增加會使文件服務(wù)器的負(fù)擔(dān)增加出現(xiàn)傳輸瓶頸。若播放控制器超過了限制，最終會導(dǎo)致下載速度過慢無法完成系統(tǒng)傳輸要求，長時間的占用網(wǎng)絡(luò)資源還會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞甚至崩潰的情況。

3 PIS基于P2P技術(shù)的文件傳輸優(yōu)勢

在文件交換領(lǐng)域有一種新的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型，叫做對等網(wǎng)絡(luò)（P2P，Peer to Peer）。其根本思想是處于網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)是對等關(guān)系，某一節(jié)點(diǎn)不只可以從網(wǎng)絡(luò)中任一節(jié)點(diǎn)獲取資源，還要向其他節(jié)點(diǎn)提供已有資源。

觀察PIS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個播放控制器都是PIS網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，那么就可以采用P2P模型利用播放控制器組成對等網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中播放控制器全部從文件服務(wù)器下載媒體文件，導(dǎo)致文件服務(wù)器的傳輸負(fù)擔(dān)很大，但是播放控制器節(jié)點(diǎn)一端的網(wǎng)絡(luò)帶寬沒有完全利用，甚至播放控制器的上傳帶寬一直是閑置狀態(tài)，而文件服務(wù)器卻出現(xiàn)了文件上傳的傳輸瓶頸。通過對等網(wǎng)絡(luò)，可以使播放控制器不是單一從文件服務(wù)器下載資源，允許網(wǎng)絡(luò)中的播放控制器從對等網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點(diǎn)獲取資源。每個播放控制器都能共享已下載的媒體資源同時利用了播放控制器上傳的網(wǎng)絡(luò)帶寬，克服文件服務(wù)器端的傳輸瓶頸。

如圖3所示，在基于P2P技術(shù)的分布式媒體文件傳輸中，所有節(jié)點(diǎn)是對等的關(guān)系，利用每個播放控制器節(jié)點(diǎn)的傳輸資源來分擔(dān)文件服務(wù)器的工作，文件服務(wù)器只要把文件隨機(jī)下發(fā)給一個或幾個媒體播放器即可，不需要向每個播放控制器都傳輸媒體文件就能夠完成所有播放控制器的傳輸，所以使得PIS的文件傳輸性能得到很大的改善。

圖3 基于P2P的PIS傳輸模型

C/S模式的PIS中，播放控制器增加，傳輸速度變慢，改善傳輸性能往往通過投入更多的硬件資源，比如增加服務(wù)器或者增加文件服務(wù)器帶寬來解決，但是對PIS文件傳輸時間的改善卻很有限?；赑2P技術(shù)的主要特點(diǎn)在于充分利用分布在PIS網(wǎng)絡(luò)中的邊緣性網(wǎng)絡(luò)資源，包括播放控制器的計(jì)算資源、帶寬資源、內(nèi)容資源等，以降低對文件服務(wù)器資源的消耗。這種結(jié)構(gòu)隨著播放控制器增多網(wǎng)絡(luò)的資源節(jié)點(diǎn)增加，服務(wù)能力也增加，不需額外投入硬件，具有可擴(kuò)展性。

4 基于P2P文件傳輸?shù)睦碚撃Ｐ?/h2>

4.1 樹狀結(jié)構(gòu)模型

基于P2P傳輸模型的PIS將一個大文件分割成多個文件塊進(jìn)行傳輸，當(dāng)一個播放控制器下載完一個文件塊后，就可以將這個文件塊傳輸給其他沒有下載的播放控制器。播放控制器下載完所有文件塊之后，將這些文件還原成完整媒體文件。

基于該模型，文件服務(wù)器將文件塊傳給某幾個播放控制器，播放控制器接收完該文件塊再傳給其他的播放控制器，依次類推。這種結(jié)構(gòu)類似于樹形稱為樹狀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，分支度為2的樹狀結(jié)構(gòu)中，根節(jié)點(diǎn)同時向2個播放控制器傳輸文件塊，每個內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的播放控制器都有2個子節(jié)點(diǎn)。圖中設(shè)傳輸帶寬為B；一個完整文件的分塊數(shù)是C；帶寬B傳輸完整文件的時間是單位時間1。

圖4 樹狀結(jié)構(gòu)圖

由這個樹狀結(jié)構(gòu)圖分析PIS媒體文件的分發(fā)過程：在時間點(diǎn)t= 0時，文件服務(wù)器同時向播放控制器□1和播放控制器□2傳輸?shù)?個文件塊，每個播放控制器的帶寬是B/2。在2/C時間點(diǎn)，□1 、□2播放控制器接收完第1個文件塊，分別向□3 、□4 、□5 、□6播放控制器提供第1個文件塊的傳輸服務(wù)，同時文件服務(wù)器向□1 、□2播放控制器傳輸?shù)?個文件塊。依此類推，當(dāng)t= 2時，文件服務(wù)器將完整的文件全部傳給□1 、□2播放控制器，每層的傳輸延遲了2/C個單位時間。

若該樹狀結(jié)構(gòu)的分支度為k，則根節(jié)點(diǎn)的文件服務(wù)器下有k個子樹，每個子樹中有N/ k個播放控制器（N為播放控制器數(shù)量），樹的高度為，樹中每層的延遲k/C，所以末端節(jié)點(diǎn)在的時間點(diǎn)完成整個文件的下載，樹狀結(jié)構(gòu)的文件分發(fā)所需時間：。

從樹狀結(jié)構(gòu)的分發(fā)時間的公式可以看到通過對播放控制器數(shù)量N取對數(shù)（即），大大減少了N對時間t的影響，同時調(diào)節(jié)分支度k可以調(diào)節(jié)文件的分發(fā)時間。并且隨著傳輸媒體文件的增大，文件分塊數(shù)C可以進(jìn)一步降低N的影響。通過這個公式可以推算出基于該模型的PIS的理論傳輸時間。

4.2 樹狀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，并行樹狀結(jié)構(gòu)

在上述分支度k=2的樹狀結(jié)構(gòu)中，至少需要2倍時間才能完成下載；而且，播放控制器的帶寬沒有被充分利用，樹狀結(jié)構(gòu)最末端的播放控制器沒有上傳文件，幾乎占播放器總數(shù)的一半。隨著k增大，這種不對等的情況會更加嚴(yán)重，沒有充分體現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)平等的原則。

并行樹狀結(jié)構(gòu)是對樹狀結(jié)構(gòu)的帶寬利用不均的改進(jìn)，它是由k個延伸樹所組成的樹網(wǎng)，在每個樹中，都包含所有的播放器節(jié)點(diǎn)，如圖5是兩個延伸樹（k=2）的并行樹結(jié)構(gòu)。通過圖5可以得出，并行樹狀結(jié)構(gòu)有一個節(jié)點(diǎn)一直作為末端節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)都會在樹的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)中出現(xiàn)一次，作為內(nèi)部節(jié)點(diǎn)服務(wù)其它節(jié)點(diǎn)。

圖5 并行樹狀結(jié)構(gòu)圖

分析圖5的文件傳送過程：首先將文件分成k部分，每部分交給并行樹其中一棵延伸樹分發(fā)，如圖5中2個延伸樹，則把文件分為兩部分，每個樹各負(fù)責(zé)其中一部分的傳輸。如果把文件分成C塊，那么每個部分負(fù)責(zé)的文件塊數(shù)就是C/ k塊。

在C=4，k=2時，圖5并行樹傳輸分析如下：時間點(diǎn)0時，文件服務(wù)器將不同的兩部分文件分發(fā)2個播放控制器(每個播放控制器占B/2的帶寬)。第1部分文件的第1小塊發(fā)給，第2部分文件的第1小塊給。在時間點(diǎn)2/C時，、已經(jīng)同時接收完第1個區(qū)塊文件，各自將其分發(fā)給另外2個新的播放控制器（發(fā)給、，同時發(fā)給、），同時文件服務(wù)器發(fā)送第1部分文件的第2塊給， 第2部分文件的第2塊給。在時間點(diǎn)4/C時，、接收完兩部分文件，、、、接收完各自文件，各自發(fā)給各自2個新的播放控制器，依次下去。從圖中可以看到除了之外，其它播放控制器都在一棵樹中做內(nèi)部節(jié)點(diǎn)。

通過分析得出，外分支度為k的并行樹模型，樹的層數(shù)是logkN。每個節(jié)點(diǎn)的傳輸帶寬是B/k，樹中每一層的延遲是k/C，末端節(jié)點(diǎn)的時間點(diǎn)接收到文件。那么并行樹結(jié)構(gòu)的文件傳輸時間是

這種結(jié)構(gòu)有效改善了樹狀結(jié)構(gòu)帶寬分配不均的缺點(diǎn)，通過比較這兩個公式，播放控制器數(shù)量小于文件的分塊數(shù)時，并行樹結(jié)構(gòu)的傳輸模型優(yōu)于樹狀結(jié)構(gòu)。PIS傳輸大文件時，文件分塊數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于播放控制器數(shù)量。所以在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境穩(wěn)定的PIS中，并行樹結(jié)構(gòu)具有更好的數(shù)學(xué)模型。

觀察公式可以得出，在k=e時，并行樹結(jié)構(gòu)的文件傳輸時間可以取得最小值。實(shí)際分支數(shù)k只能是正整數(shù)，所以k的最佳值是3。

當(dāng)文件G=8 GB，文件分塊大小在256 KB，分支度k=3時，播放控制器數(shù)量在100～500之間的并行樹狀結(jié)構(gòu)傳輸時間如圖6所示。隨著播放控制器數(shù)量增加，傳輸時間的曲線變得更加平滑，500個播放器時并行樹狀結(jié)構(gòu)的增加時間不超過萬分之六。

圖6 并行樹狀結(jié)構(gòu)文件傳輸時間

基于P2P技術(shù)的PIS傳輸大文件時，文件分片塊數(shù)C很大，播放控制器數(shù)量N相對很小，所以并行樹公式可以近似看成TpTree(C,k,N)≈1。例如，播放控制器數(shù)量增加時系統(tǒng)傳輸時間增加小于萬分之六，若文件傳輸為2 h，其萬分之六的增加僅為4.32 s，可以忽略。

通過P2P理論模型分析可見，即使媒體播放器大量增加時，PIS的文件傳輸性能基本保持不變。因此基于P2P技術(shù)的PIS具有很好的可擴(kuò)展性，播放控制器數(shù)量對系統(tǒng)的傳輸影響極小。

5 基于P2P文件傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

根據(jù)對P2P傳輸模型的分析，PIS中實(shí)際采用接近于并行樹傳輸模型的BitTorrent傳輸協(xié)議（簡稱BT協(xié)議）實(shí)現(xiàn)PIS的P2P網(wǎng)絡(luò)傳輸。BT協(xié)議是一套完善、成熟的基于P2P技術(shù)的文件傳輸協(xié)議。采用這種現(xiàn)有的成熟協(xié)議，可以節(jié)省PIS傳輸協(xié)議的開發(fā)成本，并且使系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠。

在媒體上傳階段，PIS媒體管理服務(wù)器根據(jù)上傳到文件服務(wù)器的媒體文件生成擴(kuò)展名為.torrent的“元文件”，該文件中記錄著媒體文件的分塊信息。媒體資源發(fā)布時，文件服務(wù)器的完整的媒體文件作為原始的seed（即“種子”），播放控制器從媒體管理服務(wù)器獲取對應(yīng)的.torrent文件。媒體管理服務(wù)器作為tracker服務(wù)器，幫助播放控制器互相尋找對方存儲的媒體文件，對文件服務(wù)器和所有播放控制器的信息進(jìn)行維護(hù)。當(dāng)媒體管理服務(wù)器收到一個播放控制器的請求時，記錄下該播放控制器的信息并將其他下載該文件的播放控制信息返回給它。播放控制器再根據(jù)這些信息與其他播放器建立連接下載文件片段。當(dāng)一個播放控制器下載完成時，就成為一個種子，向其他播放控制器提供下載服務(wù)。所有的播放控制器自組織形成一個P2P網(wǎng)絡(luò)。

在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，文件服務(wù)器不需要為所有播放控制提供媒體文件下載。每個播放控制器在下載文件片段后成為下載服務(wù)的提供者。大量文件下載負(fù)擔(dān)被均衡到所用參與下載的播放器中，隨著PIS播放控制器數(shù)量增加，下載媒體文件的節(jié)點(diǎn)增加，能夠提供下載的節(jié)點(diǎn)也增加了。播放控制器的增加使PIS中P2P網(wǎng)絡(luò)整體的硬件能力也增強(qiáng)了。那么負(fù)載均衡以后，PIS播放控制器的數(shù)量幾乎不會影響系統(tǒng)傳輸性能。基于P2P技術(shù)的PIS充分利用了系統(tǒng)用各個播放控制器的資源，使PIS的可擴(kuò)展性有了本質(zhì)的提高。

實(shí)際應(yīng)用中需要注意的是：P2P文件傳輸時，每個節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源都被充分的利用，若BT不做限速，整體的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在文件傳輸時大大增加，而影響到網(wǎng)絡(luò)中其他系統(tǒng)。因此，為避免出現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)占用全部的帶寬資源，對P2P網(wǎng)絡(luò)做限速優(yōu)化設(shè)置是必要的。

另外，PIS的P2P傳輸模型可以在現(xiàn)有PIS上進(jìn)行升級。在原有網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建P2P虛擬網(wǎng)絡(luò)，只需要對軟件的傳輸協(xié)議進(jìn)行升級（例如將FTP或WebDAV改為P2P傳輸協(xié)議），不改變PIS的硬件設(shè)備，節(jié)省了系統(tǒng)升級的時間和成本，減小了系統(tǒng)升級對城市軌道交通運(yùn)營的影響。

PIS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定、硬件資源穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)特性使得其非常適合P2P技術(shù)的應(yīng)用；播放控制器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定地存在于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，消除了P2P文件傳輸中種子資源不固定情況。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合城市軌道交通乘客信息系統(tǒng)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境特征和P2P技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了PIS超大文件的傳輸。通過在PIS的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建P2P虛擬網(wǎng)絡(luò)，合理利用邊緣網(wǎng)絡(luò)空閑的帶寬和計(jì)算資源，充分利用播放控制器的網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)載均衡。PIS基于P2P技術(shù)的文件傳輸打破了以傳統(tǒng)的C/S方式更新文件的思想，創(chuàng)新地將P2P技術(shù)應(yīng)用于PIS的多媒體文件傳輸中，這種架構(gòu)大大提升了PIS的文件傳輸能力和可擴(kuò)展能力，并且降低了系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求和網(wǎng)絡(luò)硬件要求，節(jié)省建設(shè)PIS 的成本。同時在大文件傳輸方面，本文也可以為其它與PIS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相似的系統(tǒng)提供參考。

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責(zé)任編輯 王 浩

Large fi le transfer for PIS based on P2P technology

HUANG Zhiwei, WANG Fuzhang, KAN Tingming
( China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

Multimedia files distribution was an important role in Passenger Information System(PIS). This paper expounded the transmission mode of the multimedia data in PIS, researched on the file transmission model of PIS based on its network architecture, implemented the load balancing of large fi le transfer for PIS based on P2P technology.

peer to peer network; Passenger Information System; P2P; BT; fi le transfer; load balancing

U231.7∶TP39

A

1005-8451（2015）10-0059-05

2015-01-30

黃志威，在讀碩士研究生； 王富章，研究員。