Таким образом, одноранговые сети столкнулись с рядом сложностей: нужно было обеспечить надлежащее масштабирование, убедить пользователей оставаться в сети после скачивания контента и обеспечить его проверку. Как будет показано далее, дизайн сети BitTorrent обеспечил решение всех этих проблем.

Решение проблем масштабирования, мотивации пользователей и проверки контента: BitTorrent

Протокол BitTorrent разработан Брэмом Коэном в 2001 году, чтобы позволить набору одноранговых узлов быстро и легко обеспечивать общий доступ к файлам. Существуют десятки бесплатных поддерживающих его клиентов, аналогично тому, как множество браузеров поддерживает протокол HTTP для взаимодействия с веб-сервером. Этот протокол доступен как открытый стандарт, его описание находится на сайте bittorrent.org.

В типичной одноранговой системе, например, организованной с помощью протокола BitTorrent, каждый пользователь обладает некоторой информацией, которая может представлять для кого-то интерес (бесплатное ПО, музыка, видео, фотографии и т.д.) Чтобы предоставить контент в общий доступ, необходимо ответить на следующие три вопроса:

1. Как пир находит другие пиры с нужным ему контентом?

2. Как контент дублируется пирами, чтобы обеспечить быстрое скачивание для всех?

3. Как пиры поощряют друг друга к тому, чтобы наряду со скачиванием контента для себя они загружали его для других?

Наличие первого вопроса объясняется тем, что не все пиры содержат весь контент. Для решения этой проблемы в протоколе BitTorrent каждый контент-провайдер создает описание контента — торрент (torrent). Торрент намного меньше, чем сам контент, и используется пиром, чтобы проверить целостность данных, которые он загружает с других пиров. Пользователи, которые хотят получить нужные им данные, должны сначала скачать торрент (допустим, найти его на веб-странице, рекламирующей контент).

Торрент — это просто файл в определенном формате, содержащий два ключевых вида информации. Прежде всего, это имя трекера — сервера, который направляет пиры к содержимому торрента. Вторым видом информации является список фрагментов одинакового размера, или сегментов (chunks), из которых состоит контент. В первых версиях BitTorrent трекер был централизованным сервером. Как и в случае Napster, централизация делала трекер единственным уязвимым звеном сети. В современных версиях BitTorrent функциональность трекера в большинстве случаев децентрализуется с помощью DHT-таблицы. Для разных торрентов могут использоваться различные размеры сегментов, обычно в диапазоне от 64 до 512 Кбайт. Файл торрента содержит имя каждого сегмента, предоставленного как 160-битный SHA-1 хеш сегмента. Мы рассмотрим криптографические хеши, такие как SHA-1, в главе 8. Пока вы можете рассматривать хеш как более длинную и безопасную контрольную сумму. Торрент-файл, содержащий размер сегментов и хеши, как минимум на три порядка меньше, чем контент, поэтому он может быть передан быстро.

Чтобы загрузить контент, описанный в торренте, пир сначала контактирует с его трекером. Трекер (tracker) — это сервер (или группа серверов, организованная с помощью DHT), который поддерживает список всех остальных пиров, активно производящих скачивание и загрузку контента. Этот набор пиров называется роем (swarm). Члены роя постоянно контактируют с трекером, чтобы сообщать, что они все еще активны, либо о том, что они покидают рой. Когда новый пир связывается с трекером, чтобы присоединиться к рою, трекер сообщает ему об остальных пирах в рое. Получение торрента и контакт с трекером — это первые два шага для загрузки контента (илл. 7.47).

Второй вопрос: каким образом делиться контентом, чтобы обеспечивать при этом быструю загрузку? Когда формируется начальный рой, некоторые пиры должны иметь все сегменты, составляющие контент. Эти пиры называются сидерами (seeders — «сеятели»). Другие пиры, которые присоединяются к рою, не будут иметь никаких сегментов; это пиры, скачивающие контент.

Илл. 7.47. BitTorrent

В то время как пир участвует в рое, он одновременно скачивает отсутствующие сегменты с других пиров и загружает имеющиеся у него сегменты тем пирам, которым они нужны. Этот обмен показан как последний шаг распределения контента на илл. 7.47. Какое-то время пир собирает сегменты, пока не загрузит весь контент. Пир может покинуть рой (и вернуться) в любое время. Обычно он остается в течение некоторого короткого периода после окончания своей собственной загрузки. Из-за появляющихся и исчезающих пиров «текучесть» в рое может быть довольно большой.

Чтобы данный метод работал корректно, каждый сегмент должен быть доступен у большого числа пиров. Если бы все получали сегменты в одинаковом порядке, многие пиры зависели бы от сидеров следующего сегмента. Это создало бы узкое место. Вместо этого пиры обмениваются списками имеющихся у них сегментов. Затем они выбирают для загрузки преимущественно редкие сегменты, которые трудно найти. Идея в том, что скачивание редкого сегмента приведет к созданию еще одной его копии, что, в свою очередь, облегчит его поиск и скачивание для других пиров. Если так будут поступать все пиры, то спустя некоторое время все сегменты станут широко доступны.

Третий вопрос касается мотивации пользователей. Узлы CDN-сетей предназначены лишь для того, чтобы предоставлять контент пользователям, но P2P-узлы работают иначе. Это компьютеры пользователей, а люди часто больше заинтересованы в том, чтобы получить нужный им фильм, чем в том, чтобы помочь в скачивании остальным. То есть у пользователей есть мотивация к тому, чтобы обмануть систему. Узлы, берущие ресурсы из системы без какого-либо ответного вклада, называют фрирайдерами (free-riders), или личерами (leechers — «пиявки»). Если их слишком много, система перестает нормально функционировать. Первые P2P-системы известны наличием таких узлов (Сарою и др.; Saroiu et al., 2003), поэтому протокол BitTorrent был призван минимизировать их количество.