熊猫直播通过ASN组网提升P2P分享率的实践

联通IP组网的弊端

回顾一下上一篇我们评估IP组网的可行性，存在几个问题，最为重要的挑战就是用户网络的复杂性。首先，大多数用户的IP是动态分配的结果，导致这个用户每次访问熊猫直播所属IP都不一样，每个月节点IP遍及将近上千万个；其次，用户层面上来说，我们需要实时获取基本的用户网络拓扑结构、实时掌握用户的网络状况并对其进行分析，哪些用户IP之间适合组网、哪些IP之间连通性更好、哪些IP之间距离更短，也就是说整个用户网络从IP层面来看是时时刻刻处于不断变化的状态。

结合上述两点，如果每个月利用上千万个节点IP，进行Floyd-Warshall经典的动态规划算法，计算任意两个节点IP间的最短路径计算，其时间复杂度为$O(n^3)$、空间复杂度为$O(n^2)$，数据体量大、计算速度慢，所以，虽然使用IP组网精确度较高，但是因为数据量大导致过程中的计算极其复杂，不适合熊猫直播的场景！

综上可知，如果我们想组网，单从IP层面下手肯定不行，必须先把IP先进行分组，将相邻的IP聚集成一个单位后在进行组网。

可行解决方法

既然IP组网存在较难跨越的障碍，我们提出几个和适用于IP分组的想法，包括ASN组网、Route组网、地域组网、运营商组网等。经过基本计算，我们发现千万节点IP中，遍及六千多个route、将近一千个ASN、三百多个二级市、三十多个省份。

route组网的可行性，实际上我们将熊猫用户遍及的千万个节点IP归结到route后，约遍及6000多个route，数量大大降低，计算复杂性同时也就降低不少。然而当我们享用空间换取时间时，利用查表方式，$6000^2$的数据还是远高于利用ASN组网查表的数量（$1000^2$）。利用地域分组在主观意识上会觉得同地理区块应该距离比较近，但真实网络的状况和地理位置没有绝对关系，可能同一个自治系统内的IP遍及多个省份。而运营商组网就更不用提了，虽然计算复杂度相对很低，但分组粒度粗、精确度低，效果不理想。反观ASN组网，一千个ASN，计算复杂性不管在空间还是时间上，都落在可接受的范围，数据粒度也较为合适，最重要的是，其原理接近真实网络状态，各运营商都在使用，对于熊猫场景较为合适。 

自治系统介绍

1. 自治系统与其编号

在互联网中，自治系统（自治系统，AS）指的是一个能够自主决定应该采用何种路由协议的小型单位。而一个自治系统将会分配一个全局的唯一的16位号码，我们把这个号码叫做自治系统号（ASN）。

还是不太清楚？还是觉得有点抽象？那我们换个说法，通俗的语言来形容，自治系统就是互联网里的一个一个独立王国，这一个个独立王国互联起来，就组成了互联网（Internet），每个王国有自己独立的国号，以利区别每个王国，而这个国号对应的就是自治系统号（自治系统编号，ASN）。

每个互联网的用户都置身于AS内，可以想像成每个王国里面的居民，比如中国电信AS号为4809，那么中国电信的用户就属于4809的独立王国，如果用户访问的服务器也是在这个AS内，那双向的流量就都在此王国中来回溜哒，如同居民们互相拜访一样没有任何问题。那么问题来了，如果访问的服务器属于另一个不同的AS呢？也就是说两个不同王国的居民们要如何跨王国访问彼此？

2. 边界网关协议

在介绍边界网关协议之前，我们先简单介绍一下内部网关协议（Interior Gateway Protocol, IGP）、外部网关协议（Exterior Gateway Protocol ,EGP）。

内部网关协议：运行在一个自治系统内部的一种路由协议，也就是网关（主机和路由器）间交换路由信息的协议。

外部网关协议：运行在不同自治系统之间的一种路由协议，是一种简单的网络可达性协议，使身在不同自治系统内的主机和路由器能够交换信息。

由上头的定义我们可以知道，内部网关协议适用于一个王国内的信息传递，而外部网关协议适用于两个不同王国间的信息传递。

而BGP的概念和EGP较为相似，用来取代EGP。

BGP协议是网路路由协议（Routing Protocol）的一种，主要是一个用来在自治系统之间传递路由的协议，、AS之间会使用边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）收集相邻节点的可达性信息，并交换各自的IP路由表，而ASN就是BGP协议用来辨识邻国的一个身分证，同时在交换的路由表信息里，会附上各自的ASN。既然A王国可以通过BGP学接学习到B王国的路由信息，A王国（AS A）就可以把其居民（用户）的访问请求转发给B王国（AS B）的边界路由器，A王国的IP包顺利进入B王国后，接下来就任由B王国的设备进行处理，顺利到达目标服务器后，回程检查用户IP，发现是来自A王国的IP，就会以相同方式透过BGP将其转发回A王国的边界路由器，最终传到达原始发请求的居民。

就目前国内市场来说，中国网通 、中国电信、中国铁通和一些大的运营商都具有专属AS号，运营商多数都是通过BGP协议与自身的AS号来实现多线互联，与真实网络状图较为相似，所以我们大胆假设利用ASN组网是可行且合适的！

数据获取工具与原理（吉民）

1. 内容定义

使用pyspider框架对亚太地区的asn数据周期爬取，将爬取到的asn数据入到关系型数据库，最后导到hive中分析 与使用。

pyspider框架是通过python脚本进行结构化信息的提取，follow链接调度抓取控制，实现最大的灵活性；通过web化的脚本编写、调试环境。web展现调度状态抓取环模型成熟稳定，模块间相互独立，通过消息队列连接，从单进程到多机分布式灵活拓展。

2. 数据爬取

爬取流程

1. 从ftp地址作为爬取入口ftp://ftp.apnic.net/public/apnic/stats/apnic/delegated-apnic-latest

2. 获取每一个asn号码，拼接成目标链接后进行访问，获得当前asn的地理位置

3. 对当前asn，爬取下面每个的route号和子网号

红色的route比绿色的route号在表示范围上更精准。在从客户端ip转换route/asn时，如果匹配上红色的，则返回当前route和asn；都没有匹配上红色的route，则会匹配最长子网掩码的绿色的route，返回其route/asn；如果绿色的route也没匹配上，则返回空值。

4. 周期定时爬取，至于周期是多久，得需要根据组网的要求情况。譬如ip当前属于这个asn，到了下一个小时可能属于另一个asn了，通过数据挖掘分析得出asn变动的大概周期A，那么爬取周期B保证小于周期A。

爬取结果入库

将爬取到的route号和asn号入库，在入库操作时，是根据route来做更新的（有则更新无则插入），这样在route号所在的asn有变动时都能保证是最新的。

3. ip解析为route及asn的流程

最长匹配原则

最长匹配原则是CISCO IOS路由器默认的路由查找方式。当路由器收到一个IP数据包时，会将数据包的目的IP地址与自己本地路由表中的表项进行bit by bit的逐位查找，直到找到匹配度最长的条目，这叫最长匹配原则。

保证ip匹配到更精准的route和asn

将爬取到的route和asn，从数据库中以文件的形式导出到hdfs分布式文件系统中。

加载爬取结果文件到内存中，以Map数据结构存放，key为route/子网位数，value为asn号。

ip解析为网络号的程序，将ip与子网号的位数做与运算，子网号位数是由31位到1位的顺序处理，最终将该ip计算出的的每个网络号存放在内存List数据结构中，这样的顺序能够保证最长匹配的位数在前面，最短匹配的位数在后面。

将解析出的保存在List中的网络号列表分别作为key从加载到内存中的Map获取value，获取到第一个value值且该值不为空时则终止List的遍历，这样就能保证匹配到最长的子网掩码对应的route，最终返回route和asn结果。

4. IP解析route/asn的应用示例

1. 将ip解析为route和asn的流程开发为hive的UDF形式，再hive中创建解析函数ip_to_asn_route

2. 验证子网掩码的最长匹配原则

5. 从CDN日志的ip，对asn覆盖度进行分析

1.从cdn日志中抽取了半个月的ip，且对其去重，存放到test_cdn_ip表中

2.从test_cdn_ip表统计ip的个数

3.对test_cdn_ip的host_ip使用写好的UDF函数，将执行结果保存在p2p_report_route_asn表

4.统计p2p_report_route_asn表route_asn不等于空的个数

5.统计cdn近半个月ip所对应的asn覆盖率：接近98%，还算理想

ASN组网条件与可行性评估

1. ASN内/间是否存在显着差异

ASN概览

透过ASN分布分析可以得知，权重TOP20的ASN包涵将近九成九的节点IP，ASN间与ASN内部的一些明显特征画成一张图，如下所示。

首先，由外而内第二圈代表不同ASN，占比例越大代表权重（包含rtt, 跳数, 所含IP等）越高，也意外着ASN的体量及重要性。最外圈表示ASN内部跳数分布，分为一跳、二跳、三跳、四跳、四跳以上，我们可以发现大多集中在一跳，四跳以上几乎为0，除了少数几个ASN比较特殊，代表ASN内IP的传输距离较近。第三圈表现的ASN内部rtt的分布，分为30毫秒以内、30-100毫秒、100-500毫秒、500-1000毫秒，1000毫秒以上基本已经当做离群值处理掉了，整体数据看多数落在前两区间，也就是基本落在100毫秒内，同样代表ASN内IP的传输距离较近。最内圈表示的则是不同ASN之间的连接状况，线越粗代表连线数量越多，线的颜色代表起始ASN的颜色，能清楚看到TOP20 ASN间两两相连关系。

ASN具体差异

前面提出ASN组网合适用于熊猫直播的场景，现在要证明在实际数据分析下，ASN间（inter)与ASN内部（inner）确实具有显着差异。

首先，我们将同一ASN内的访问与两两ASN间的访问区分开来，每一个ASN内的rtt取中位数后我们得到一系列不同ASN内的rtt中位数；同理，我们将相同两个ASN间访问rtt取中位数后，也会得到一系列两两ASN间的rtt中位数，将这两笔数据化成机率密度分布图可以看见，ASN内（inner，红色）的rtt中位数偏小，多数落在10毫秒以下，而ASN间（inter，绿色）的rtt中位数偏高，多数落在50-100毫秒，超过1000毫秒的也有不少。这与我们假设相符，想同ASN之内的IP较易相连、延时较短，而不同ASN间的IP相连延时较长。

同样原理，我们计算跳数，得到下图。ASN内（inner，红色）的跳数多落在一跳，也就是说IP在ASN内连接距离较近，反观ASN间（inter，绿色）超过五跳也不在少数，两个在不同ASN内的IP距离相对较远。

2. 覆盖度

利用CDN打点日志数据作为评估覆盖度的参考，发现TOP15的ASN可覆盖99%以上的节点IP且遍及99%以上的访问次数，也就是涉及的IP、用户多数集中于某几个大的ASN中。

综上，我们基本可以确认，在熊猫直播的场景下，ASN组网的基本条件已经满足！

3. ASN数量与IP分布情况

数量级

根据上述步骤从网上爬取下来亚太地区的ASN，总数约有八千个，而熊猫用户遍及的ASN大约一千个左右，远小于熊猫用户端IP数量，即便我们做一个1000*1000的查询表，也不是一件困难的事情，所以就量级上来说，确实相比于IP更加合适！

分布情况

接着我们看看熊猫用户端IP的分布，由下面这张图我们可以清楚看到，熊猫用户虽然分布于全国各，但主要集中在某些省份，例如：广东、江苏、四川等，相对来说主要用户还是比较聚集的，若进行p2p组网，效果也会比较显著。

熊猫用户端IP分布

如果我们将不同运营商的用户区分开来，会发现每个运营商用户的分布状况不一样，移动用户多数集中在四川、江苏、河南、广东，联通用户多数集中在山东、河南、河北、北京，电信的用户则多数集中在四川、江苏、广东、湖南，可以见得，以运营商区分用户，在地域上也相对较复杂、数据粒度太粗，不适合直接利用运营商组网。另一方面，每个运营商间用户分布不同，却各自集中，也就是我们可以结合地域和运营商两个维度来对用户IP进行分组，而上述ASN组网的方式就同时具有此两种特性。

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最后我们看看TOP100 ASN间在地域上的分布状况与连接情况，每个点上有一圈一圈，代表着其他ASN访问数量，越多圈圈代表越多访问经过此ASN，每一个圈圈的颜色和边的颜色相同，代表着权重，升序依序是蓝色、绿色、黄色、橘色、红色。

首先我们能清楚看到，每个省份会有不只一个ASN，但数量也都是十个以下，和上面呼应，如果使用地域性质组网，粒度会太粗（省份分组）或太细（二级市分组）；其次，我们可以发现主要大量访问还是集中在某几个ASN，和我们原先假设一样，如果进行ASN组网，能够以最小成本到最大效益。

结论与展望

本文提到的各种组网技术，其目的都是想让所有的客户端都能同时相互提供资源，包括分享带宽、计算力等，有别于以往的方法，我们从用户层面出发，提出利用ASN自建P2P网络，使得整个网络近似于完全的P2P网络，边缘CDN不再需要频繁分发同一路直播流，这将大大改善网络传输环境，提高整个网络的数据共享率。比起IP组网，ASN组网除了可以改善了IP组网计算复杂度过高的问题，节省了储存空间、提升了计算效率，同时整个P2P网络的共享率以及网络稳定性也是在相对可接受的范围内，能够用相对小的成本，达到最高效益。