giải pháp cân bằng tải sử dụng cấu trúc thư mục cho mạng ngang hàng có cấu trúc

1 ĐẠI HỌ C QUỐ C GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ CAO MINH GIẢI PHÁP CÂN BẰNG TẢI SỬ DỤNG CẤU TRÚC THƯ MỤC CHO MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ 2 Hà Nội - 2010 MỤC LỤC……………………………………………………………………. …… 1 DANH MỤC THUẬT NGỮ………………………………………………….…… 3 DANH MỤC HÌNH VẼ…………………………………………………… …… 4 MỞ ĐẦU …………… …………………………….……………………….…………6 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGANG HÀNG……………………… 9 1.1 Tổng quan về mạng ngang hàng 9 1.1.1 Khái niệm về mạng ngang hàng 9 1.1.2 Ưu điểm của mạng ngang hàng 10 1.1.3 Nhược điểm của mạng ngang hàng 11 1.2 Phân loại mạng ngang hàng 11 1.2.1 Phân loại theo mức độ tập trung của các node mạng 11 1.2.2 Phân loại theo cấu trúc liên kết 13 1.3 Mạng ngang hàng có cấu trúc dựa trên DHT(Distributed Hash Table) ………………………………….……………………………………………….15 1.3.1 Giới thiệu DHT 15 1.3.2 Mạng chord 17 a. Mô hình mạng Chord 17 b. Ánh xạ khóa vào một node trong Chord 19 c. Tìm kiếm trong mạng Chord 19 d. Tham gia và ổn định mạng 20 1.4 Kết luận 20 CHƯƠNG 2 - CÂN BẰNG TẢI TRÊN MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC…………………………………….………………………………………… 22 2.1 Khái niệm về tải trên mạng ngang hàng 22 2.1.1 Khái niệm 22 2.1.2 Node quá tải 23 2.1.3 Node có tải cao và Node có tải thấp 23 2.2 Các nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng tải trên các hệ thống DHT 23 2.2.1 Định danh các node không cân bằng 23 2.2.2 Định danh dữ liệu không cân bằng 24 2.2.3 Hot spots 25 2.2.4 Khả năng các node không cân bằng 26 2.2.5 Nhận xét 26 3 2.3 Các giải pháp cân bằng tải 26 2.3.1 Hướng sử dụng server ảo 27 a. Sử dụng Log(N) Virtual Servers 27 b. Phương pháp Proportion 28 c.Phương pháp di chuyển Virtual Server (Transfer) 29 2.3.2 Hướng không sử dụng server ảo 33 Thuật toán cân bằng tải theo ngưỡng 33 2.3.3 Kết luận 39 CHƯƠNG 3 - ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN CÂN BẰNG TẢI THEO NGƯỠNG …………………………………… ……………………………… 40 3.1 Một số khái niệm 41 3.2 Thuật toán ThresholdPlus 41 3.3 Đánh giá: 46 CHƯƠNG 4 - ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT DỰA TRÊN MÔ PHỎNG ………………………………………………… ………………… 48 4.1 Ảnh hưởng thời gian sống của một node tới các thuật toán cân bằng tải….48 4.2 Ảnh hưởng của số lượng các câu truy vấn tới các thuật toán cân bằng tải 49 4.3 Ảnh hưởng của câu truy vấn dạng Zipf tới các thuật toán cân bằng tải …50 4.4 So sánh kết quả thực nghiệm của thuật toán Threshol Plus với các thuật toán đã có: 51 4.5 Kết luận 52 CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………… 54 5.1 Kết luận 54 5.2 Hướng phát triển tiếp theo 54 4 THUẬT NGỮ Thuật ngữ Ý nghĩa Based -DHT Dựa trên bảng băm phân tán Broadcast Một thông điệp truyền tới tất cả các trạm Chord Một giao thức dựa trên mang ngang hàng có cấu trúc Client/Server Máy khách/ Máy chủ DHT (Distributed Hash Table ) Bảng băm phân tán Directory Node Thư mục ; Đóng vai trò lưu trữ các thông tin tải của các node Entry Một bản ghi trong bảng dùng để lưu thông tin về các đặc tả tài nguyên tại mỗi node Finger Table Bảng định tuyến Host Ports Node được truy cập với tần số cao Identify Định danh Key Khóa LBM (Load Balancing Matrix) Ma trận cân bằng tải Load Tải Load-balancing Cân bằng tải Node Thực thể có khả năng thực hiện một công việc hữu ích nào đó và trao đổi kết quả với các thực thể khác qua mạng một cách trực tiếp hoặc gián tiếp Overload Quá tải P2P (Peer to Peer network) Mạng ngang hàng Partial query Truy vấn từng phần Predecessor(n) Node đứng liền sau n (Tính theo chiều kim đồng hồ) Query Truy vấn Successor(n) Node đứng liền trước n (Tính theo chiều kim đồng hồ) Target Tải lớn nhất mà một node có thể nhận Unilization Hệ số sử dụng Workload Tải làm việc 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Mô hình mạng ngang hàng 9 Hình 2. Mô hình mạng ngang hàng thuần tuý 12 Hình 3. Hệ thống mạng ngang hàng lai ghép 13 Hình 4. Tìm kiếm dữ liệu chia sẻ trong Gnutella 14 Hình 5. Một mạng Chord với 3 node 0, 1, 3 và các bảng Finger Table ứng với mỗi node. N = 3 bit nên có 3 entry 18 Hình 6. Lưu giữ key trong mạng Chord: node 0 lưu key 6, node 1 lưu key 1 và node 3 lưu key 2 19 Hình 7. Định danh các node không cân bằng 24 Hình 8. Dữ liệu các node không cân bằng 24 Hình 9. Kết quả mô phỏng về sự phân bố dữ liệu không đều nhau 25 Hình 10. Node Host spots 25 Hình 11.Khả năng các nút không cân bằng 26 Hình 12.Cân bằng tải sử dụng Log(N) Virtual Servers 28 Hình 13. Tạo mới VS (a) và loại bỏ VS (b) 29 Hình 14. Node nặng tải di chuyển VS sang node nhẹ tải (nếu chỉ có 1 VS mà vẫn nặng tải thì sẽ chia làm 2 VS để di chuyển) 30 Hình 15. Phương pháp One - to - One 31 Hình 16. Phương pháp One - to - Many 32 Hình 17. (a) Node A chuyển tải cho node láng riềng B và (b) Chuyển định danh của node C vào giữa A và B. Độ cao của mỗi hình tương ứng là biểu diễn tải của các node. 34 Hình 18. Node A có tải vượt quá ngưỡng. Node B có tải thấp hơn trong hai láng riềng của A. Tải được chuyển từ Node A cho Node B 35 Hình 19. Node A có tải vượt quá ngưỡng. Node B có tải thấp hơn trong 2 láng riềng của A. Tải được chuyển cho node B 35 Hình 20. Node A có tải vượt quá ngưỡng, node E chuyển tải cho F, E di chuyển vị trí đến giữa A và B để nhận tải 36 Hình 21. Node A có tải vượt quá ngưỡng; Node G là nhẹ tải khi di chuyển không làm cho Successor(G) bị quá tải; di chuyển vị trí của G đến giữa A và B để G chịu tải 38 6 Hình 22. Các node nhẹ tải A và F hỏi successor của nó (các đường mũi tên nét liên) và thông báo tình trạng tải cho thư mục 1 và thư mục 2 (các đường mũi tên nét đứt).43 Hình 23. Node A thực hiện cân bằng tải, node láng riềng B nhận tải hộ node A bằng cách dịch chuyển định danh về phía A 44 Hình 24. Node A thực hiện cân bằng tải, node A chia tải cho node láng giềng B bằng cách dịch chuyển định danh của A về phía B. 44 Hình 25. Node A hỏi thư mục 1 để tìm một node nhẹ tải có thể dịch chuyển được (đường mũi tên nét liên). Định danh của node nhẹ tải E được chuyển đến giữa predecessor(A) và A để nhận tải hộ node A (đường mũi tên nét đứt). 45 Hình 26. Thời gian sống trung bình của một node thay đổi, các câu truy vấn thực hiện với phân bố Zipf và Uniform. 49 Hình 27. Số câu truy vấn đặt vào một node thay đổi, truy vấn được phân bố ở dạng Zipf và Uniform 50 Hình 28. Truy vấn đặt vào các node ở dạng phân bố Zipf với tỷ lệ thay đổi. 51 Hình 29. So sánh ThresholdPlus với Tranfer và Propotion. 52 7 MỞ ĐẦU Một kiểu kiến trúc mạng mới với tên là mạng ngang hàng (Peer to Peer - P2P) đã phát triển nhanh chóng trên internet. Trong đó hoạt động của mạng chủ yếu dựa vào khả năng tính toán và băng thông của các máy tham gia chứ không tập trung vào một số nhỏ các máy chủ trung tâm như các mạng thông thường. Sự phát triển nhanh chóng của mạng ngang hàng trong những năm gần đây thúc đẩy sự ra đời của nhiều ứng dụng mạng như các hệ thống chia sẻ file, tìm kiếm thông tin, tính toán lưới… Mạng ngang hàng có cấu trúc ra đời đảm bảo cho tính hiệu quả cũng như khả năng mở rộng của các ứng dụng này. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng xây dựng trên mạng ngang hàng có cấu trúc cần phải giải quyết vấn đề cân bằng tải trong mạng ngang hàng có cấu trúc. Có hai hướng tiếp cận chính cho các thuật toán cân bằng tải đó là: hướng tiếp cận dựa trên server ảo (virtual server) và hướng tiếp cận không dựa trên server ảo. Trong luận văn này tôi tập trung vào hướng tiếp cận không dựa trên server ảo và đưa ra một giải thuật cải tiến của giải thuật cân bằng tải theo ngưỡng. Giải thuật của chúng tôi đưa ra cho phép các node quá tải tìm chính xác và nhanh chóng một node phù hợp để thực hiện việc cân bằng tải. Chúng tôi đã cài đặt và thử nghiệm thuật toán đề xuất trong điều kiện mạng gần với thực tế và thấy rằng thuật toán của chúng tôi giải quyết tốt vấn đề cân bằng tải của các node trong mạng. Nội dung luận văn gồm 5 chương cụ thể cho từng chương như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng ngang hàng, những khái niệm cơ bản về mạng ngang hàng đồng thời giới thiệu giao thức Chord, giao thức được sử dụng để triển khai mạng phủ DHT khi xây dựng chương trình mô phỏng. Chương 2: Tìm hiểu về vấn đề cân bằng tải trên mạng ngang hàng, một số nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng tải, các giải pháp đã được đề xuất và phân tích về các giải pháp này. 8 Chương 3: Trên cơ sở các vấn đề tìm hiểu được ở chương 2. Chúng tôi đề xuất giải pháp cân bằng trên mạng ngang hàng có cấu trúc theo hướng không sử dụng server ảo. Đó là một giải thuật cải tiến của giải thuật cân bằng tải theo ngưỡng. Chương 4: Trình bày cách thực hiện chương trình mô phỏng đồng thời trình bày kết quả đánh giá giải thuật cân bằng tải dựa trên mô phỏng của chúng tôi. Chương 5: Trình bày các công việc mà chúng tôi đã thực hiện được, những vấn đề còn tồn tại của luận văn và hướng phát triển tiếp theo của chúng tôi. 9 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGANG HÀNG Trong chương này, luận văn sẽ giới thiệu khái quát về mạng ngang hàng, các đặc điểm, các hình thức phân loại của mạng ngang hàng, khái niệm về DHT và mạng hàng có cấu trúc đồng thời giới thiệu về một số mạng ngang hàng đã và đang được ứng dụng có hiệu quả. 1.1 Tổng quan về mạng ngang hàng 1.1.1 Khái niệm về mạng ngang hàng Mạng ngang hàng là một mạng mà kiến trúc của nó được tạo nên bởi các máy tính liên kết với nhau, các máy tính tham gia trong mạng đều bình đẳng như nhau và được gọi là các peer, mỗi máy tính tham gia mạng là một phần và duy trì sự tồn tại của mạng. Các máy tính trong mạng thường xuyên liên lạc với các máy tính khác để ổn định mạng và chia sẻ dữ liệu với nhau. Dữ liệu được chứa trên các máy tính và được chia sẻ trực tiếp với nhau giữa các máy tính tham gia vào mạng. Hình 1. Mô hình mạng ngang hàng 10 Ứng dụng thường xuyên gặp nhất của mạng ngang hàng là chia sẻ tệp tin, tất cả các dạng như: âm thanh, hình ảnh, dữ liệu hoặc để truyền dữ liệu thời gian thực… . Việc sử dụng mạng ngang hàng mang lại nhiều ưu điểm cho người dùng . Luận văn xin trình bày một số ưu điểm của mạng ngang hàng. 1.1.2 Ưu điểm của mạng ngang hàng Mục đích quan trọng của mạng ngang hàng là các máy tính tham gia mạng đều đóng góp tài nguyên bao gồm băng thông, lưu trữ, khả năng tính toán. Do đó khi càng nhiều mày tính tham gia mạng thì khả năng tổng thể của mạng càng lớn. Do việc các thông tin lưu trữ không chỉ trên máy chủ mà còn được lưu trữ ở chính các máy tham gia mạng nên mô hình này rất phù hợp với tính phi tập trung của Internet. Xét về khía cạnh sức mạnh xử lý, mạng ngang hàng có khả năng xử lý cao hơn cả những máy chủ lớn hiện nay, do đó sử dụng mạng ngang hàng có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của các phương pháp phân tích, xử lý dữ liệu và giải các bài toán phức tạp. Sở dĩ làm được như vậy là vì mạng ngang hàng có thể tận dụng được khả năng xử lý, khả năng lưu trữ còn thừa của các máy tham gia mạng với những thuật toán phân tán hợp lý. Công nghệ này đã chia việc xử lý lớn ra thành nhiều việc xử lý để có thể giao cho các máy tính khác trong mạng cùng thực hiện. Mỗi máy tính sẽ xử lý một phần công việc và trả về kết quả xử lý cho máy tính trung tâm, máy tính trung tâm sẽ ghép nối các kết quả này lại với nhau. Bằng cách như vậy, ta có thể giải quyết các bài toán phức tạp yêu cầu vấn đề xử lý, lưu trữ lớn mà không cần phải nâng cấp khả năng xử lý của hệ thống hiện tại. Tính chất phân tán của mạng ngang hàng cũng giúp cho việc phân tán trách nhiệm cung cấp dịch vụ đến tất cả các node trên mạng, nó sẽ loại bỏ được vấn đề ngừng trệ dịch vụ do nơi cung cấp duy nhất gặp sự cố. Đối với mô hình tập trung, chỉ cần máy chủ gặp sự cố thì cả hệ thống sẽ ngưng trệ. Còn đối với mạng ngang hàng, máy tính có thể tham gia hoặc rời khỏi mạng bất kỳ lúc nào mà mạng vẫn hoạt động bình thường, các máy tính còn lại vẫn có thể trao đổi thông tin và chia sẻ tài nguyên cho nhau. Bên cạnh nhiều ưu điểm đã được nêu ở trên thì mạng ngang hàng cũng còn tồn tại một số nhược điểm [...]... ta có thể phân loại mạng ngang hàng thành hai loại: mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc a Mạng ngang hàng không có cấu trúc Một mạng ngang hàng được gọi là mạng ngang hàng không có cấu trúc khi liên kết giữa các node trong mạng phủ được thiết lập ngẫu nhiên (tức là không theo một quy luật nào cả) Những mạng như vậy dễ dàng xây dựng vì khi một node muốn tham gia mạng có. .. còn tồn tại trong mạng DHT và các hướng giải quyết luận văn xin tiếp tục trình bày ở các chương sau 22 CHƯƠNG 2 - CÂN BẰNG TẢI TRÊN MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC Cân bằng tải là một trong những điều kiện để giúp cho mạng có thể hoạt động một cách có hiệu quả Có rất nhiều các nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng tải và đã có một số nghiên cứu và đã có các giải pháp cho vấn đề cân bằng tải Trong chương này... thức chung để xác định nút mạng nào chịu trách nhiệm cho dữ liệu đó và sau đó liên lạc trực tiếp đến nút mạng đó để lấy kết quả.Việc tìm kiếm thông tin trên mạng ngang hàng có cấu trúc cũng nhanh hơn so với mạng ngang hàng không có cấu trúc Nếu như mạng ngang hàng không có cấu trúc các máy tính gửi thông điểm broadcast để tìm kiếm thông tin thì trong mạng ngang hàng có cấu trúc một máy tính chỉ cần... áp dụng việc cân bằng tải cho các Node láng riềng 35 B B Hình 18 Node A có tải vượt quá ngưỡng Node B có tải thấp hơn trong hai láng riềng của A Tải được chuyển từ Node A cho Node B Theo tác giả Prasanna Ganesan Đưa ra một cải tiến dựa vào phương pháp cân bằng tải theo ngưỡng: Tác giả thấy rằng: nếu các Node láng riềng có tải cao thì việc cân bằng tải khi hệ thống đạt đến mức độ cân bằng thì lượng tải. .. theo mức độ tập trung của các node mạng Nếu lấy tiêu chí về mức độ tập trung của các node mạng, mạng ngang hàng có thể phân làm 2 loại: mạng ngang hàng thuần tuý và mạng ngang hàng lai a Mạng ngang hàng thuần tuý Trong mạng ngang hàng thuần tuý thì vai trò của các máy trong mạng là ngang nhau và trong mô hình mạng này đã loại bỏ sự tồn tại của các máy chủ tập trung Trong mạng này đã khắc phục được vấn... là hàng xóm của nó Truy vấn sau đó sẽ được chuyển dần qua các bước và tới được máy tính có chứa file X Gnutella có mã nguồn mở và có giao thức mô tả rõ ràng trên mạng Internet, bất cứ ai quan tâm cũng có thế tìm hiểu và phát triển để tạo ra một mạng ngang hàng của riêng mình với các tính năng muốn có Hình 4 Tìm kiếm dữ liệu chia sẻ trong Gnutella 15 b Mạng ngang hàng có cấu trúc Mạng ngang hàng có cấu. .. hiệu quả bởi mạng ngang hàng có cấu trúc nhờ vào việc áp dụng những kiến trúc DHT Tuy nhiên, một trong những vấn đề trọng tâm cần giải quyết trong mạng DHT là làm thế nào để cân bằng tải giữa các node tham gia trong hệ thống Yếu tố gây mất cân bằng tải trước hết là khả năng không giống nhau của các node 21 tham gia vào mạng và một số yếu tố khác cũng dẫn tới việc mất cân bằng tải trong mạng, như việc... xảy ra sự mất cân bằng tải nghiêm trọng - node - data Hình 11.Khả năng các nút không cân bằng 2.2.5 Nhận xét Với những nguyên nhân đã nêu ở trên thì rõ ràng việc phân tán tải đồng đều trên hệ thống không thể chỉ đơn giản dựa vào các hàm băm Những kĩ thuật khác nhằm mục đích cân bằng tải giữa các node cần được đưa vào áp dụng 2.3 Các giải pháp cân bằng tải Đã có nhiều nghiên cứu về cân bằng tải được các... trong mạng ngang hàng không có cấu trúc vì không có bất kỳ mối tương quan nào giữa một máy và dữ liệu của nó quản lý trong mạng, do vậy yêu cầu tìm kiếm được chuyển một cách ngẫu nhiên đến một số máy trong mạng Số máy trong mạng càng lớn thì khả năng tìm thấy thông tin càng nhỏ Do khi muốn tìm kiếm trên mạng ngang hàng không có cấu trúc, yêu cầu tìm kiếm được phát trên toàn mạng nên không có cấu trúc. .. thuật toán cân bằng tải theo ngưỡng được mô tả như sau: khi tải của một node n trong mạng vượt quá một ngưỡng Tj nào đó thì đầu tiên nó cố gắng chuyển tải cho một trong hai láng riềng có tải nhỏ hơn Nếu cả hai láng riềng đều có tải lơn hơn và không thể nhận được tải nữa thì nó tìm một node nhẹ tải trong mạng và có tải nhỏ nhất, nhờ node này nhận tải hộ bằng cách dịch chuyển định danh của node nhẹ tải vừa . ta có thể phân loại mạng ngang hàng thành hai loại: mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc. a. Mạng ngang hàng không có cấu trúc. dịch vụ cho các ứng dụng xây dựng trên mạng ngang hàng có cấu trúc cần phải giải quyết vấn đề cân bằng tải trong mạng ngang hàng có cấu trúc. Có hai