BitTorrent

2003年，軟件工程師Bram Cohen發明了BitTorrent協議。

BitTorrent(簡稱BT)是一個文件分發協議，每個下載者在下載的同時不斷向其他下載者上傳已下載的數據。而在FTP,HTTP協議中，每個下載者在下載自己所需文件的同時，各個下載者之間沒有交互。當非常多的用户同時訪問和下載服務器上的文件時，由於FTP服務器處理能力和帶寬的限制，下載速度會急劇下降，有的用户可能訪問不了服務器。BT協議與FTP協議不同，特點是下載的人越多，下載速度越快，原因在於每個下載者將已下載的數據提供給其他下載者下載，充分利用了用户的上載帶寬。通過一定的策略保證上傳速度越快，下載速度也越快。在很短時間內，BitTorrent協議成為一種新的變革技術。

普通的HTTP/FTP下載使用TCP/IP協議，BitTorrent協議是架構於TCP/IP協議之上的一個P2P文件傳輸協議，處於TCP/IP結構的應用層。 BitTorrent協議本身也包含了很多具體的內容協議和擴展協議，並在不斷擴充中。

根據BitTorrent協議，文件發佈者會根據要發佈的文件生成提供一個.torrent文件，即種子文件，也簡稱為“種子”。

.torrent文件本質上是文本文件，包含Tracker信息和文件信息兩部分。Tracker信息主要是BT下載中需要用到的Tracker服務器的地址和針對Tracker服務器的設置，文件信息是根據對目標文件的計算生成的，計算結果根據BitTorrent協議內的B編碼規則進行編碼。它的主要原理是需要把提供下載的文件虛擬分成大小相等的塊，塊大小必須為2k的整數次方（由於是虛擬分塊，硬盤上並不產生各個塊文件），並把每個塊的索引信息和Hash驗證碼寫入種子文件（.torrent）中。所以，種子文件（.torrent）就是被下載文件的“索引”。

bittorrent 的發展依賴於peer-to-peer技術。對等網絡 (Peer - to - Peer 簡稱 P2P) 的研究一直是國外知名學府和知名企業以及研發機構最關注的重點。它甚至被美國《財富》雜誌稱為改變因特網發展的四大新技術之一 , 被認為是代表無線寬帶互聯網未來的關鍵技術。現廣泛應用於新技術與軟件等工程。

P2P是近年來互聯網最熱門的技術 ,在VoIP、下載、流媒體、協調技術等領域得到飛速發展 , 被財富雜誌評為影響互聯網的四大科技之一。P2P技術體現了互聯網最根本的內涵——自由和免費,它的主要優點如下：和檢索相關的節點上去 , 存儲有和該檢索 ；對等性高 : 非中心化 , 互聯網迴歸本色——聯繫和傳輸 ;擴展性強 : 用户擴展與資源、服務、系統同步擴展 ;健壯性高 : 服務分散和自適應 , 耐攻擊、高容錯性 ;性價比高 :P2P成本低、存儲和技術能力強 ;負載均衡 :分佈存儲和技術 , 整個網絡負載得以均衡。

在P2P網絡中,每個參與的節點既是服務器又是客户端, 既是信息的提供者又是信息的消費者。P2P信息檢索的目的就是網絡中的任意節點都可以提交檢索的請求 ,然後這些檢索通過相關信息的節點將會迴應請求 ,把本地相某種路由機制被路由到關的內容以對等的形式直接傳送到請求節點上 , 如圖 2 所示。

圖中的檢索過程分為以下幾個階段 :每個節點在加入網絡的時候 , 會對存儲在本節點上的內容進行索引 , 以滿足本地內容檢索的目的。然後按某種預定的規則選擇一些節點作為自己的鄰居 , 加入到P2P網絡當中。發起者P提出檢索請求q,並將 q發送給自己的鄰居 P的鄰居收到 q後 , 再按照某種策略轉發給它在網絡中的其它鄰居節點。這樣 ,q就在整個網絡中傳播開來。收到請求 q 的節點如果存儲有相應內容信息 , 則將對應的內容返回。

如何在一個大規模分佈的環境下定位資源是個十分具有挑戰性的問題。集中在如何組建P2P網絡,如何選擇有效的資源請求路由策略以便以較少的消息通信開銷 ,獲得較多的相關查詢結果返回 , 同時能夠保證較好的服務均衡性。 ^[1] 

和常規下載文件不一樣的是，當你進行BT下載時，你開始鏈接的地址都是.torrent結尾的文件。其實只要下載此文件，在本機運行此文件一樣可以進行BT下載工作。而網上的BT下載鏈接都是由廣大用户自己發佈提供的，這樣使得下載資料非常廣，不受常規管理人員的限制。 ^[2] 

無論何種BT客户端程序，默認設置都未對下載速度和上傳速度進行限制，這是因為BT軟件會給上傳速度較快的用户優先提供服務，也就是説上傳速度越快，下載速度也越快，因此如果你使用的是寬帶的話，下載時就不要去限制上傳速度了。

當下載結束後，如果未關閉BT客户端程序（例如一邊運行BT提供上傳服務，一邊瀏覽網頁、編輯文檔等），這時你將成為一個傳遞聖火的使者，即“種子”（seed）。換句話説，如果一個文件被分成10個部分，但擁有第9部分的人只有一個，即只有一個種子，如果這位用户由於某種原因斷線或關機，那麼其他用户就只能下載到90%了，在進行BT下載時是令人最為苦惱的。

想想自己下載時遇到的“種子數為0”的痛苦吧，將心比心，儘可能在下載結束後不要立即關閉BT程序窗口，做一個傳遞聖火的使者吧。

下載者要下載文件內容，需要先得到相應的.torrent文件，然後使用BT客户端軟件進行下載。

下載時，BT客户端首先解析.torrent文件得到Tracker地址，然後連接Tracker服務器。Tracker服務器迴應下載者的請求，提供下載者其他下載者（包括髮布者）的IP。下載者再連接其他下載者，根據.torrent文件，兩者分別對方告知自己已經有的塊，然後交換對方沒有的數據。此時不需要其他服務器參與，分散了單個線路上的數據流量，因此減輕了服務器負擔。

下載者每得到一個塊，需要算出下載塊的Hash驗證碼與.torrent文件中的對比，如果一樣則説明塊正確，不一樣則需要重新下載這個塊。這種規定是為了解決下載內容準確性的問題。

一般的HTTP/FTP下載，發佈文件僅在某個或某幾個服務器，下載的人太多，服務器的帶寬很易不勝負荷，變得很慢。而BitTorrent協議下載的特點是，下載的人越多，提供的帶寬也越多，種子也會越來越多，下載速度就越快。

而有些人下載完成後關掉下載任務，提供較少量數據給其他用户，為儘量避免這種行為，在非官方BitTorrent協議中存在超級種子的算法。這種算法允許文件發佈者分幾步發佈文件，發佈者不需要一次提供文件所有內容，而是慢慢開放的下載內容的比例，延長下載時間。此時，速度快的人由於未下載完必須提供給他人數據，速度慢的人有更多機會得到數據。

又發展出DHT網絡技術，使得無Tracker下載成為可能。

DHT全稱為分佈式哈希表(Distributed Hash Table)，是一種分佈式存儲方法。在不需要服務器的情況下，每個客户端負責一個小範圍的路由，並負責存儲一小部分數據，從而實現整個DHT網絡的尋址和存儲。使用支持該技術的BT下載軟件，用户無需連上Tracker就可以下載，因為軟件會在DHT網絡中尋找下載同一文件的其他用户並與之通訊，開始下載任務。

有些軟件(比特精靈)還會自動通過DHT搜索種子資源，構成種子市場。

另外，這裏使用的DHT算法叫Kademlia（在eMule中也有使用，常把它叫做KAD，具體實現協議有所不同）。

這種技術好處十分明顯，就是大大減輕了Tracker的負擔（甚至不需要）。用户之間可以更快速建立通訊（特別是與Tracker連接不上的時候）。

Tracker：收集下載者信息的服務器，並將此信息提供給其他下載者，使下載者們相互連接起來，傳輸數據。

種子：指一個下載任務中所有文件都被某下載者完整的下載，此時下載者成為一個種子。發佈者本身發佈的文件就是原始種子。也指.torrent文件。

做種：發佈者提供下載任務的全部內容的行為；下載者下載完成後繼續提供給他人下載的行為。

BitTorrent對於大型文檔和自由軟件如Linux、FreeBSD的發佈幫助很大。對於發佈數百MB以至數GB的檔案時，如Fedora的光盤鏡像格式檔，BitTorrent的使用能大大減低服務器的數據流量從而減低發佈的成本。另外，一般有新版本軟件推出時，服務器必定人山人海，使用BitTorrent也能大大減低繁忙時間服務器的負擔。

Opera 9

p2psearcher ^[3] 

BT Plus!

BitBuddy

BitTornado

比特彗星(BitComet)

BitTorrent

2002年，Bram Cohen在CodeCon初次露面，發表首個BT軟件BitTorrent。它以Python寫成，以MIT許可證發佈。

BT下載方式引起社會的廣泛討論。

利用BT免費發佈版權內容肯定損害版權所有者的合法權益，但傳播非收費性內容的好處有目共睹。爭論的焦點是，是否應因此立法全面禁止BT，並且對從事BT下載的人作出懲罰。但到目前為止，中華人民共和國大陸和西歐國家等，如德國，對BT仍沒有任何法律上的約束。而在香港，已經有人(綽號為古惑天皇)因為發佈電影的種子而被海關拘捕。2005年10月24日，香港司法機關裁定“古惑天皇”的侵權罪成立，需要即時“監禁”三個月。香港工商貿易部門領導曾俊華與“海關關長”湯顯明對今次裁決感到歡迎，並表示香港將不容忍任何侵權行為的存在，同時政府亦會隨時與商人合作打擊侵權行為。

（簡稱BT，俗稱BT下載）是一個多點下載的源碼公開的P2P軟件，使用非常方便，就像一個瀏覽器插件，很適合新發布的熱門下載。其特點簡單的説就是：下載的人越多，速度越快。 BitTorrent下載工具軟件可以説是一個最新概念P2P的下載工具、它採用了多點對多點的原理，一般簡稱 BT(BitTorrent) 也就是大家所説的變態下載。該軟件相當的特殊，一般我們下載檔案或軟件，大都由 HTTP 站點或FTP 站台下載，若同時間下載人數多時，基於該服務器頻寬的因素，速度會減慢許多，而該軟件卻不同，恰巧相反，同時間下載的人數越多你下載的速度便越快，因為它採用了多點對多點的傳輸原理。

（原文是Incentives Build Robustness in BitTorrent，不知道怎麼翻譯比較好？）

Bram Cohen

2003年5月22日

翻譯：小馬哥

日期：2004-6-1

BitTorrent 文件發佈系統採用針鋒相對（tit_for_tat）的方法來達到帕累託有效，與當前已知的協作技術相比，它具有更高的活力。本文將解釋BitTorrent 的用途，以及是怎樣用經濟學的方法來達到這個目標的。

當通過HTTP協議來下載一個文件的時候，所有的上載開銷都在主機上。而使用 BitTorrent，當多個人同時下載同一個文件的時候，他們之間也相互為對方提供文件的部分片斷的下載。這樣，就把上載的開銷分攤到每個下載者那裏，也就可以在理論上支持無限多個下載者來下載同一個文件。

研究人員以前也在尋找一種達到這種效果的可實用的技術[3]。這種技術原來並沒有在大的範圍內運用過，因為邏輯和的問題非常棘手。如果僅僅計算哪些 peers 擁有文件的哪些片斷以及這些片斷應該被髮送給誰，那麼很難只產生比較小的系統開銷。Peers之間的連接很少會超過幾個小時，通常是幾分鐘而已。最後，有一個普遍的問題，就是公平性。

我們將解釋BitTorrent 是如何很好的解決這些問題的。

1.1．BitTorrent接口

BitTorrent 的接口可能是最簡單的。用户點擊希望下載的文件的超級鏈接，然後會彈出一個標準的“保存到”對話框。此後，出現一個下載進度的窗口，在這個窗口中，除了顯示下載速率外，還顯示一個上載速率。BT在使用上非常簡單，使得BT能廣泛的被運用。

1.2．部署

決定採用BitTorrent的原因是因為有一些文件需要發佈。而下載者使用 BitTorrent，是因為這是他們獲取所需要的文件的唯一途徑。下載者經常一完成下載，就停止為別人上載，雖然説，在BT客户端完成下載之後，繼續為別人提供一段時間的上載是一種禮貌的行為。標準的實現是讓客户端一直保持上載，除非窗口被關閉。

在一個典型的部署中，未完成的下載者

一台主機負責提供原始的文件，下載者通過BT來下載這個文件。下載者在下載的同時，為其它人提供上載，最後，離開這個系統。

2.1發佈內容

為了部署 BT，首先將一個擴展名為 .torrent 的文件放在一個普通的web服務器上。.torrent文件包含了要共享的文件的信息，包括文件名、大小、文件的散列信息和一個指向tracker的url。Tracker負責幫助下載者能夠獲取其它下載者的信息。Tracker和下載者之間使用一種很簡單的基於HTTP的協議進行交互，下載者告訴tracker自己要下載的文件、自己使用的端口以及類似的信息，tracker告訴下載者其它下載同樣文件的下載者的聯繫信息。下載者利用這些信息相互之間建立連接。一個被成為“種子”的下載者，必須首先被啓動，它知道完整的文件信息。對tracker和web服務器的帶寬需求很低，而種子必須至少發送原始文件的一份完整拷貝。

譯註：

P2P的核心思想就是沒有服務器的概念，任何一個下載者既是client，又是server。

下載者從別人那裏取文件的時候，稱為下載，而為別人提供文件的時候，稱為上載（傳）。

為了完成一次部署，至少需要一個tracker和一個seed。所謂tracker，是一個服務器，負責幫助peers之間相互建立連接。而seed，通常是第一個向tracker註冊，然後它就開始進入循環，等待為別人提供文件，也就是説，第一個seed只負責上傳文件。一旦有一個peer向tracker註冊後，就可以取得seed的信息，從而與seed建立連接。從seed處讀取文件。由於原始的文件，只有seed擁有，所有説，seed至少要上傳原始文件的一份完整拷貝。如果又有一個peer加入進來，那麼它可以同時和seed和前一個peer建立連接，然後從這兩者處獲取文件。

2.2對等發佈

所有和文件下載相關的邏輯問題，通過 peers之間的交互來解決。一些關於下載和上傳的速率的信息被髮送給tracker，tracker蒐集這些信息用於統計。Tracker的職責被嚴格限定為“幫助peers相互發現對方”。

儘管tracker是peers之間相互發現的唯一途徑，也是peers之間相互協作的唯一地點，標準的tracker算法返回一個隨機的 peers的列表。隨機圖具有非常強大的特性，許多的peer選擇算法最終產生了一個冪律圖，冪律圖能以少量的攪拌來獲得分片。注意，peers之間的連接都是雙向傳輸的。

為了跟蹤每個peers都擁有什麼，BT將文件切割為固定大小的片（典型的大小是256k）。每個下載者必須通知其它peers，它擁有哪些片。為了驗證文件的完整性，對每個片斷都通過SHA1算法計算出它的hash信息，並保存在torrent文件中。Peers只有在檢查了片斷的完整性之後，才會通知其它peers它擁有這個片斷。刪除代碼是一種被建議使用的幫助文件分佈的技術，但是這種更簡單的方法（既分片）也是可用的。

Peers不斷的從它能連接到的peers那裏下載文件片斷。當然，它不能從沒有跟它建立連接的peers那裏下載任何東西。即使是建立了連接的peers，有的也並不包含它想要的片斷，或者還不允許它去下載。關於不允許其它peers從它那裏下載文件片斷的策略，被稱為 阻塞choking，後文將進行討論。其它關於文件分佈的方法通常都要用到麻煩的樹結構，而且樹葉的上載能力並沒有被利用起來。簡單的讓 peers 宣佈它擁有什麼會導致不到 10 % 的帶寬開支，卻可以可靠的使用所有的上載能力。

2.3流水作業

構架在TCP之上的應用層協議，例如BT，很重要的一點是應該同時發送多個請求，以避免在兩個片斷髮送之間的延遲，因為那樣會嚴重影響傳輸速率。為了達到這種目的，BT將每個片斷又進一步分為子片斷，每個子片斷的大小一般是16k，同時，它一直保持幾個請求（通常是5個）被流水的同時發送。流水作業所選擇的data（應該是指的同時發送的請求數目，也就是5個request）的依據是能使得大多數連接變得飽和。

譯註：也就是説，每次發送5個請求，然後過一段時間，又發送5個請求。流水作業在HTTP 協議1.1版本中被廣泛運用。

2.4片斷選擇

選擇一個好的順序來下載片斷，對提高性能非常重要。一個差的片斷選擇算法可能導致所有的片斷都處於下載中，或者另一種情況，沒有任何片斷被上載給其它 peers。

2.4.1嚴格的優先級

片斷選擇的第一個策略是：一旦請求了某個片斷的子片斷，那麼該片斷剩下的子片斷優先被請求。這樣，可以儘可能快的獲得一個完整的片斷

2.4.2最少的優先

對一個下載者來説，在選擇下一個被下載的片斷時，通常選擇的是它的peers們所擁有的最少的那個片斷，也就是所謂的“最少優先”。這種技術，確保了每個下載者都擁有它的peers們最希望得到的那些片斷，從而一旦有需要，上載就可以開始。這也確保了那些越普通的片斷越放在最後下載，從而減少了這樣一種可能性，即某個peer當前正提供上載，而隨後卻沒有任何的被別人感興趣的片斷了。

譯註：

也就説説，每個peer都優先選擇整個系統中最少的那些片斷去下載，而那些在系統中相對較多的片斷，放在後面下載，這樣，整個系統就趨向於一種更優的狀態。如果不用這種算法，大家都去下載最多的那些片斷，那麼這些片斷就會在系統中分佈的越來越多，而那些在系統中相對較少的片斷仍然很少，最後，某些 peer 就不再擁有其它 peer 感興趣的片斷了，那麼系統的參與者越來越少，整個系統的性能就下降。

在BT系統中，充分考慮了經濟學的概念，處處從整個系統的性能出發，參與者越多，系統越優化。

信息理論顯示除非種子上傳了文件的所有片斷，否則沒有任何下載者可以完成所有文件的下載。如果在一個部署中，只有一個種子，而且種子的上載能力比它的大多數下載者都要差，那麼，不同的下載者從種子那裏下載不同的片斷，性能就會變得比較好，因為，重複的下載浪費了種子獲取更多信息的機會。“最少優先”使得下載者只從種子處下載新的片斷（也就是整個系統中其它peer都沒有的片斷），因為，下載者能夠看到其它peers那裏已經有了種子已經上傳的片斷。

在某些部署中，原始的種子由於某些原因最終關閉，只好由剩下的這些下載者們來負責上傳。這樣顯然會帶來一個風險：某些片斷任何一個下載者都不擁有。“最少優先”也很好的處理了這種情況。通過儘快的複製最少的片斷，減少了這種由於當前的peers停止上載後帶來的風險。

2.4.3隨機的第一個片斷

“最少優先”的一個例外是在下載剛開始的時候。此時，下載者沒有任何片斷可供上傳，所以，需要儘快的獲取一個完整的片斷。而最少的片斷，通常只有某一個peer擁有，所以，它可能比多個peers都擁有的那些片斷下載的要慢。因此，第一個片斷是隨機選擇的，直到第一個片斷下載完成，才切換到“最少優先”的策略。

2.4.4最後階段模式

有時候，從一個速率很慢的peer那裏請求一個片斷。在下載的中間階段，這不是什麼問題，但是卻可能潛在的延遲下載的完成。為了防止這種情況，在最後階段，peer向它的所有的peers們都發送某片斷的子片斷的請求，一旦某些子片斷到了，那麼就會向其它peer發送cancel 消息，取消對這些子片斷的請求，以避免帶寬的浪費。實際上，用這種方法並沒有浪費多少帶寬，而文件的結束部分也一直下載的非常快。

BT並不集中分配資源。每個peer自己有責任來儘可能的提高它的下載速率。Peers從它可以連接的peers處下載文件，並根據對方提供的下載速率給予同等的上傳回報（你敬我一尺，我敬你一丈）。對於合作者，提供上傳服務，對於不合作的，就阻塞對方。所以説，阻塞是一種臨時的拒絕上傳策略，雖然上傳停止了，但是下載仍然繼續。在阻塞停止的時候，連接並不需要重新建立。

阻塞算法並不屬於BT對等協議（指peers 之間交互的協議）的技術部分，但是對提高性能是必要的。一個好的阻塞算法應該利用所有可用的資源，為所有下載者提供一致可靠的下載速率，並適當懲罰那些只下載而不上傳的peers。

3.1帕累託有效

帕累託有效是指資源配置已達到這樣一種境地，即任何重新改變資源配置的方式，都不可能使一部分人在沒有其他人受損的情況下受益。這一資源配置的狀態，被稱為“帕累托最優”（Pareto optimum）狀態，或稱為“帕累託有效”（Pareto efficient）

在計算機領域，尋求帕累託有效是一種本地優化算法

BitTorrent的阻塞算法，用一種針鋒相對的方式來試圖達到帕累托最優。（原文不太好翻譯，我簡化了）。Peers對那些向他提供上傳服務的peers給予同樣的回報，目的是希望在任何時候都有若干個連接正在進行着雙向傳輸。

3.2 BitTorrent的阻塞算法

從技術層面上説，BT的每個peer一直與固定數量的其它 peers 保持疏通（通常是4個），所以問題就變成了哪些peers應該保持疏通？這種方法使得TCP的擁塞控制性能能夠可靠的飽和上傳容量。（也就是説，儘量讓整個系統的上傳能力達到最大）。

嚴格的根據當前的下載速率來決定哪些peers應該保持疏通。令人驚訝的是，計算當前下載速率是個大難題。當前的實現實質上是一個每隔20秒的輪詢。而原來的算法是對一個長時間的網絡傳輸進行總計，但這種方法很差勁，因為由於資源可用或者不可用，帶寬會變化的很快。

為了避免因為頻繁的阻塞和疏通 peers造成的資源浪費，BT每隔10秒計算一次哪個peer需要被阻塞，然後將這種狀態保持到下一個10秒。10秒已經足夠使得TCP來調整它的傳輸性能到最大。

3.3．optimistic unchoking

如果只是簡單的為提供最好的下載速率的peers們提供上載，那麼就沒有辦法來發現那些空閒的連接是否比當前正使用的連接更好。為了解決這個問題，在任何時候，每個peer都擁有一個稱為“optimistic unchoking”的連接，這個連接總是保持疏通狀態，而不管它的下載速率是怎樣。每隔30秒，重新計算一次哪個連接應該是“optimistic unchoking”。30秒足以讓上載能力達到最大，下載能力也相應的達到最大。這種和針鋒相對類似的思想非常的偉大。“optimistic unchoking”非常和諧的與“囚徒困境”合作。

3.4．反對歧視

某些情況下，一個peer可能被它所有的peers都阻塞了，這種情況下，它將會保持較低的下載速率直到通過“optimistic unchoking”找到更好peers。為了減輕這種問題，如果一段時間過後，從某個peer那裏一個片斷也沒有得到，那麼這個peer認為自己被對方“怠慢”了，於是不再為對方提供上傳，除非對方是“optimistic unchoking”。這種情況頻繁發生，會導致多於一個的併發的“optimistic unchoking”。

3.5僅僅上傳

一旦某個peer完成了下載，它不能再通過下載速率（因為下載速率已經為0了）來決定為哪些 peers 提供上載了。採用的解決辦法是，優先選擇那些從它這裏得到更好的上載速率的peers。這樣的理由是可以儘可能的利用上載帶寬。

BitTorrent不僅僅早已經實現，而且早已經被廣泛的使用，它為許多併發的下載者提供成百兆的文件下載。已知的最大的部署中，同時有超過1000個的下載者。當前的瓶頸（實際還沒有達到）看來是trakcer的帶寬。它（trakcer的帶寬）大概佔用了帶寬總量的千分之一，一些小的協議擴展可能會使它降到萬分之一。