Nghiên cứu cải thiện hiệu năng định tuyến mạng ngang hàng p2p (tt)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG VŨ THỊ THÚY HÀ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN HIỆU NĂNG ĐINH ̣ TUYẾN MẠNG NGANG HÀ NG P2P MÃ SỐ: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2017 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Hữu Lập PGS.TS Lê Nhật Thăng Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………… Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Vào hồi: giờ, ngày…… tháng…….năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc Gia Việt Nam Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông i MỞ ĐẦU Mạng ngang hàng P2P mạng hỗn hợp, ta ̣o lâ ̣p diê ̣n rô ̣ng bao gồm người dùng mạng Internet mạng máy tính chuyên nghiệp Các mạng chồng phủ, dạng mạng P2P, trở nên phổ biến năm gần đây, tính làm cho chúng phù hợp với việc phát triển hay triển khai dịch vụ truyền thông đa hướng, chia sẻ liệu phạm vi rộng phân phối nội dung Kazaa, Napster, Bittorrent, Skype, Sopcast Kiế n trúc của ma ̣ng viễn thông ngày chuyể n thành hướng dich ̣ vu ̣ thay xu hướng ma ̣ng trước đây, nhằm cho phép mở ̣ tầ ng viễn thông cho các nhà phát triể n ứng du ̣ng để ta ̣o các dich ̣ vu ̣ mới theo mô hin ̀ h của ma ̣ng Internet Mạng ngang hàng với ưu điểm như: Khả mở rộng, khả chịu đựng lỗi, dễ dàng triển khai, Tuy nhiên chế truyền thông ngang hàng và yêu cầu cung cấp chất lươ ̣ng dịch vụ cho thấy số thách thức mà ma ̣ng P2P cần phải giải quyế t Các tính chất đă ̣c thù của ma ̣ng ngang hàng chiń h nguyên nhân làm ảnh hưởng tới hiê ̣u của ma ̣ng như: Tiêu tố n băng thông cho quá trình trì cấ u hình ma ̣ng, tỷ số trễ dãn cách trung bình Tstretch tăng (tỷ sớ giữa đường đinh ̣ tuyế n lớp ma ̣ng chồ ng phủ và đường đinh ̣ tuyế n lớp nề n), tỷ lệ tổn thất gói tin cao Mục tiêu mà luận án hướng tới nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu hệ thống mạng ngang hàng Để đạt mục tiêu này, ii luận án nghiên cứu xây dựng cấu trúc mạng theo cấu trúc phân cấp cải thiện hiệu thuật toán định tuyến hệ thống Phạm vi nghiên cứu giới hạn với hệ thống mạng ngang hàng có cấu trúc Chord-DHT Tham số hiệu hệ thống đánh giá, khảo sát luận án là: Băng thông tiêu tốn, trễ (latency), tỷ lệ trễ dãn cách trung bình, tỷ lệ tổn thất gói tin, ̣ dài đường tim ̀ kiế m, kích thước bảng đinh ̣ tú n, tỷ lệ tìm kiếm thành cơng, chi phí bầu chọn siêu nút Để đạt mục tiêu nghiên cứu nêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu trình thực luận án xác định bao gồm: (1) nghiên cứu tổng quan mạng P2P, (2) đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống mạng P2P (3) kiểm chứng giải pháp đề xuất Phương pháp nghiên cứu sử dụng luận án nghiên cứu lý thuyết dựa mô hình giải tích với cơng cụ tốn học kết hợp với mô Luận án bố cục thành bốn chương sau: Chương 1: Tổ ng quan về ma ̣ng ngang hàng (P2P) Chương : Đánh giá hiệu thuâ ̣t toán định tuyến DHTs Chương : Cải thiê ̣n hiê ̣u thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n Chord Chương : Xây dựng ma ̣ng ngang hàng Chord_SL phân cấ p cải thiê ̣n hiê ̣u Kết luận định hướng nghiên cứu Hà nội, tháng năm 2017 -1- CHƯƠNG 1: TỞNG QUAN VỀ MẠNG P2P Tóm tắt: Chương mợt tập trung nghiên cứu đặc tính kỹ thuật mạng ngang hàng với ứng dụng điển hình, vấn đề ảnh hưởng tới hiê ̣u mạng ngang hàng; tiếp cận giải vấn đề cải thiê ̣n hiê ̣u mạng ngang hàng điểm mấu chốt thuật toán định tuyến dựa bảng băm phân tán và tìm kiế m tố i ưu Đặc biệt, giải pháp cải thiện hiệu thuật toán ̣nh tuyế n DHTs nghiên cứu nước giới phân tích nhằm sáng tỏ cách thức tiếp cận mục tiêu luận án 1.1 Tổng quan về ma ̣ng ngang hàng Mạng chồng phủ ngang hàng mạng máy tính xây dựng mạng khác Các nút mạng ngang hàng kết nối với liên kết logic, liên kết logic bao gồm nhiều liên kết vật lý mạng nề n tảng (Internet) Overlay IP Hình 1-1 Mơ hin ̀ h ma ̣ng chồ ng phủ ngang hàng -2- 1.1.1 Kiến trúc ma ̣ng ngang hàng P2P Chia sẻ file, tin nhắ n tức thời, luồ ng video, phân tán, tính toán,… Application Layer ( Lớp ứng du ̣ng) Quản lý nút ma ̣ng phủ, quản lý và tìm kiế m tài nguyên,… TCP, UDP/IP Overlay Network Layer ( Lớp ma ̣ng chồ ng phủ) Underlying Network Layer ( Lớp ma ̣ng nề n ) Hình 1-2 Kiế n trúc phân lớp điể n hin ̀ h ma ̣ng ngang hàng P2P Dựa cấ u trúc và thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n lớp ma ̣ng chồ ng phủ, kiế n trúc ma ̣ng chồ ng phủ P2P đươ ̣c chia thành mô hiǹ h tâ ̣p trung, phân tán và lai ghép [48], [63] Mô hình phân tán đươ ̣c chia làm hai loa ̣i không cấu trúc, có cấ u trúc, phân cấp không phân cấp 1.1.2 Thách thức nghiên cứu ma ̣ng ngang hàng P2P Bên cạnh ưu điểm khả mở rộng, khả chịu đựng lỗi, dễ dàng triển khai, chế truyền thơng ngang hàng và yêu cầu cung cấp chất lươ ̣ng dịch vụ, cho thấy số thách thức mà ma ̣ng P2P cần phải vươ ̣t qua mặt hiệu năng: Tính động (Churn rate); Khơng đồng hiệu mạng chồng phủ ngang hàng mạng (Topology Mismatch); Tính bảo mật; Đơ ̣ tin câ ̣y ; Cân tải 1.2 Tham số hiêụ ma ̣ng ngang hàng - Đô ̣ dài đường tìm kiế m (Query path length ) - Tỷ lê ̣ tim ̀ kiế m thành công (Lookup Success Rate) - Đô ̣ dài đường tim ̀ kiế m trung bình (Mean Hop Count) - Trễ (Latency) -3- - Tỷ lê ̣ trễ dãn cách trung biǹ h (Average stretch) Tstretch tỷ số trễ trung bình tìm kiếm qua mạng chờ ng phủ P2P trễ trung bình tìm kiếm qua mạng nề n (IP) Tstretch  - Tdelay overlay Tdelay IP (1.3) Băng thông tiêu tố n (bandwidth consumption) 1.3 Các hướng tiế p câ ̣n nghiên cứu cải thiêṇ hiêụ ma ̣ng ngang hàng 1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu nước Ở Việt Nam số lượng kết nghiên cứu vấn đề liên quan đến hệ thống P2P phân cấp hạn chế 1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu thếgiới Để có thể triể n khai các dich ̣ vu ̣ quy mô lớn hầu hết nghiên cứu đề u tâ ̣p trung vào ma ̣ng ngang hàng có cấu trúc Qua khảo sát hướng nghiên cứu cải thiê ̣n hiê ̣u của tác giả trước chủ yếu tập trung vào hai hướng chính: (i) Hướng nghiên cứu thứ nhấ t: Tố i ưu cấ u trúc ma ̣ng chồ ng phủ: các tác giả trước đề u tâ ̣p trung giải quyế t hai vấ n đề : Mạng có có độ ổn định thấp hiệu khơng đồng mạng ma ̣ng chồ ng phủ Mô hiǹ h phân cấ p có hiê ̣u đinh ̣ tuyế n tố t so với mô hiǹ h không phân cấ p [37], [14], [25], [2], [35], [61] Viê ̣c tính toán kić h thước của nhóm ma ̣ng phân cấ p cũng ảnh hưởng tới đô ̣ dài đường tìm kiế m [37] (ii) Hướng nghiên cứu thứ hai: Cải thiêṇ đinh ̣ tuyế n DHTs: Đinh ̣ tuyế n bao gồ m xây dựng cấ u trúc bảng đinh ̣ tuyế n (Routing Structure) và kỹ thuật đinh ̣ tuyế n (Routing Scheme), là vấ n đề then chố t ảnh hưởng tới hiê ̣u tổ ng thể ma ̣ng P2P [75] Hiê ̣n với các cách -4- tiế p câ ̣n khác nên DHTs có nhiề u kỹ thuâ ̣t đinh ̣ tuyế n đươ ̣c đề xuấ t Kademlia, Chord, Pastry, Tapestry, CAN, Tuy nhiên DHTs mới chỉ giải quyế t đươ ̣c vấ n đề mở rô ̣ng quy mô và hiê ̣u quả tim ̀ kiế m Nhưng triể n khai DHTs ma ̣ng không đồ ng nhấ t và đô ̣ ổ n đinh ̣ thấ p thì DHTs có nhiề u ̣n chế [43], [53], [63], [80], [36], [77], [27], [54] 1.4 Hướng nghiên cứu luận án 1.4.1 Nhận xét cơng trình nghiên cứu các tác giả khác Từ khảo sát phân tích các nghiên cứu cải thiê ̣n hiê ̣u ma ̣ng ngang hàng đề xuất trước đây, cho thấy nghiên cứu quan tâm giải hai vấn đề tính ổn định tính khơng đồng Tuy nhiên hai vấn đề ảnh hưởng tới hiệu hệ thống, để cải thiện hiệu P2P cần phải cân hai yếu tố giảm chi phí để trì mạng giảm trễ qua mạng chổng phủ Xuất phát từ khảo sát phân tích luận án đề xuất cải thiện cấu trúc mạng P2P cải thiện thuật toán định tuyến, đưa trễ qua mạng IP vào xem xét trình tìm đường để cân hai yếu tố phân tích Trên sở kết phân tích hạn chế nghiên cứu liên quan, hướng nghiên cứu đề xuất luận án là: Cải thiện hiệu thuâ ̣t toán định tuyến Chord q trình tìm đường (1) Đề xuất mơ hình mạng Chord_SL phân cấ p cải thiê ̣n hiê ̣u định tuyến (2) (3) Đề xuất hàm giá bầu chọn siêu nút cải thiện hiệu mô hình phần cấp -5- 1.5 Kết luận chương Mô hiǹ h P2P dựa bảng băm phân tán DHT có khả mở rộng, khả chịu lỗi, dễ dàng triển khai, đươ ̣c coi là giải pháp then chố t của ma ̣ng ngang hàng thế ̣ thứ Tuy nhiên DHTs mới chỉ giải quyế t đươ ̣c vấ n đề quy mô và hiê ̣u quả tim ̀ kiế m Các khó khăn triể n khai các thuâ ̣t toán DHTs ma ̣ng P2P cũng đươ ̣c phân tić h chương mô ̣t Mu ̣c cuố i của chương đề câ ̣p đế n các tham số hiê ̣u của các DHTs và phân tić h hướng nghiên cứu cải thiê ̣n hiê ̣u của P2P Kế t quả nô ̣i dung của chương mô ̣t đươ ̣c thể hiê ̣n bài báo khoa ho ̣c [V1] CHƯƠNG 2: PHÂN TÍ CH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THUẬT TOÁN ĐINH TUYẾN DHTs ̣ Tóm tắt:Các thuật toán ̣nh tuyế n DHTs đã được các nghiên cứu chứng minh là có hiê ̣u tố t như: Cân tải, tìm kiế m vị trí liệu dễ dàng, khả chịu đựng lỗi, khả mở rộng Chương hai phân tích hoạt động của ba thuật toán ̣nh tuyế n DHTs: Kademlia, Tapestry Chord Việc mô thực phần mềm mô OverSim Kết việc nghiên cứu điểm mạnh điểm yếu thuật toán DHTs, tiền đề cho việc cải thiện thuật toán ̣nh tuyế n DHTs nghiên cứu tiế p theo 2.1 Bảng băm phân tán – DHT DHT sử du ̣ng hàm băm nhấ t quán SHA1 để cung cấp ánh xạ từ khóa/giá tri ̣ (key/value) Nhưng không giống bảng băm thông thường, giá trị DHT lưu nút khác mạng lưu cấu trúc liệu cục -6- Hình 2-1 Tim ̀ kiế m và lưu trữ dữ liêụ DHT 2.2 Một số thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n DHTs Ba thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n DHTs lựa chọn nghiên cứu: Kademlia, Tapestry Chord Cả ba thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n thiết kế nhằm cải thiện hiệu tìm kiếm liệu [74], [34], [47] Tuy nhiên, thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n lại sử dụng cách tiếp cận khác Sở dĩ thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n DHTs luận án chọn để nghiên cứu chúng có đặc tính tiêu biểu để so sánh với thuâ ̣t toán DHTs khác Phân tích, đánh giá hiêụ mô ̣t số thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n 2.3 DHTs 2.3.1 Lựa chọn công cụ mô mạng chồng phủ ngang hàng Qua nghiên cứu phân tích khảo sát, luận án chọn OverSim để thực mô thử nghiệm cho kịch luận án 2.3.2 Mô đánh giá hiệu các thuâ ̣t toán định tuyến DHTs 2.3.2.1 Tham số hiệu Tham số hiê ̣u đươ ̣c dùng để so sánh hiê ̣u của ba thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n DHTs là: tỷ lê ̣ tìm kiế m thành công, tỷ lệ trễ dãn cách trung bình Tstretch và băng thông tiêu tố n, thời gian trễ, độ dài đường tìm kiếm (Hop count) -9- 3.1 Thuâ ̣t toán đinh ̣ tú n Chord Hình 3-1 Biểu diễn vòng Chord (M= 6) gồm 10 nút Thuâ ̣t toán Chord đã IETF P2PSIP nhóm 79 lựa chọn mơ ̣t tiêu chuẩn của bô ̣ giao thức P2PSIP [76], [77] Như vậy, tấ t cả các ứng du ̣ng thoa ̣i VoIP qua ma ̣ng P2P cho ̣n Chord mô ̣t giao thức nề n tảng [2], [25], [54], [77], [75], v.v Do đó, việc cải thiê ̣n hiê ̣u thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n Chord góp phầ n cải thiê ̣n chấ t lươ ̣ng dich ̣ vu ̣ thoa ̣i qua ma ̣ng ngang hàng (P2P VoIP) 3.2 Cải thiêṇ hiêụ thuâ ̣t toán Chord 3.2.1 Phân tích các điể m yế u thuâ ̣t toán Chord Chord có rấ t nhiề u ưu điể m, nhiên triể n khai ma ̣ng có đô ̣ ổ n đinh ̣ thấ p (các nút gia nhập/rời mạng liên tục thời gian ngắn) Chord bộc lộ những vấ n đề sau: Khơng có cập nhập bảng định tuyến tức thời có thay đổi nút mạng; Chord thiếu chế nhớ đệm (Cache memory); Trễ định tuyến qua mạng chồng phủ lớn nhiều so với trễ định tuyến qua lớp nền; dư thừa dữ liê ̣u bảng finger và không gian tim ̀ kiế m chỉ giới ̣n mô ̣t nửa vòng tròn Chord -10- 3.2.2 Hướng cải thiêṇ hiêụ của thuâ ̣t toán Chord Để cải thiê ̣n hiê ̣u của Chord, chúng đã đưa phương pháp cải thiện thuật toán định tuyến Chord gốc qua việc làm bảng finger mở rộng phạm vi tìm kiếm mà khơng phải chiếm giữ thêm không gian phụ Hơn nữa, để cải thiện trễ tỷ lệ trễ dãn cách trung bình , tham số đinh ̣ tuyế n kế t hơ ̣p cả khoảng cách định danh ID Chord truyền thống trễ toàn tuyến RTT (Round Trip Time) qua lớp nề n ( RTT đo lệnh ping) Chord cải thiê ̣n luâ ̣n án đã cải thiê ̣n so với các công trình nghiên cứu của các tác giả [60], [86], [11] Cu ̣ thể bảng đinh ̣ tuyế n Chord luâ ̣n án đã mở rô ̣ng không gian định tuyến cả vòng tròn Chord, ̣ dài trung bình đường định tuyến đa ̣t đươ ̣c giố ng nghiên cứu [86], [11], giảm nửa so với Chord truyền thống [60] Thuâ ̣t toán Chord cải thiện giảm kích thước bảng định tuyến so với [86], [11] Để thẩ m định kiểm tra thuâ ̣t toán Chord cải thiê ̣n đánh giá đề xuất cải thiê ̣n hiệu năng, luâ ̣n án sử dụng cơng cụ phân tích mơ OverSim [6] Đây công cụ mô mạng P2P sử dụng phổ biến các nghiên cứu về P2P Kết mô cho thấy thuâ ̣t toán Chord cải thiện có hiệu tốt so với các nghiên cứu trước -11- 3.2.3 Cấu trúc mạng Chord cải thiêṇ luâ ̣n án Hình 3-5 Cấ u trúc ma ̣ng Chord cải thiêṇ Để giải quyế t vấ n đề “Topology mismatch” nghiên cứu luâ ̣n án cải tiến bảng định tuyến và cài đă ̣t thêm trường vào bảng định tuyến để lưu thời gian trễ qua mạng vật lý, ký hiệu delay[i] Để trì delay[i] quan trọng, dùng để giảm trễ tìm kiếm Khi chạy thủ tục ổ n đinh ̣ stabilize(), bảng định tuyến nút liên quan cập nhật trường delay[i] cập nhật thời điểm Vì hoạt động cập nhật delay[i] cài đă ̣t vào thuâ ̣t toán ổ n đinh ̣ stabilize() Đồng thời việc loại bỏ thông tin dư thừa bảng finger thực cập nhật bảng finger (fix_fingers) Khi cập nhật bảng finger, trước tiên kiểm tra xem có mục dư thừa bảng finger khơng Nếu có thơng tin dư thừa thay đổi nội dung trỏ thực thể bảng định tuyến địa nút nửa lại vòng Chord Do khơng gian tìm kiếm mở rộng sang nửa vòng Chord lại ID nút tính theo tỷ số A B ( A  M   n  k ) B= (count +1) A cho biết khoảng cách nút nguồn có định danh ID n nút k có ID lớn bảng đinh ̣ tuyế n Và B phản ánh mức độ dư thừa trỏ mục bảng finger Biến đếm count cho biết số trỏ dư thừa -12- Bảng 3-4.So sánh hiêụ Chord cải thiêṇ Tham số hiê ̣u Chord gố c Chord [86],[11] [60] Chord cải thiê ̣n [V3] Đô ̣ dài đường tìm kiế m O(logN) O( logN) O( log N) Kích thước bảng đinh ̣ tuyế n O(logN) O(logN2) O(logN) O(log N ) O(2 log N ) O(log N ) Số yêu cầu xử lý nút gia nhập / rời mạng Chiến lược tim ̣ ̀ kiế m của thuâ ̣t toán Chord cải thiên: Quá triǹ h tìm kiế m của thuâ ̣t toán Chord cải thiê ̣n đươ ̣c thực hiê ̣n theo các bước sau: Bước 1: Nút n yêu cầu tìm kiếm nguồn tài nguyên k k nằm n Successor Việc tìm kiếm kết thúc n trả kết tìm kiếm cho Successor Nếu không chuyển đến bước Bước 2: Dựa vào quy tắc a b chọn chặng n' Gửi truy vấ n tìm kiếm đến nút n' lặp lại bước 1 (a)Nếu (k  n  M ) mod M  (0, N ) N  M chọn nút n' min{delay[i]} (b) Nếu (k  n  M ) mod M  ( N , N  1) N  M thì cho ̣n chă ̣ng kế tiế p n' max  d clockwise ( finger[i ]  n) 3.2.4 Mô phỏng đánh giá hiêụ thuâ ̣t toán Chord cải thiêṇ Để kiể m tra đánh giá hiê ̣u thuâ ̣t toán Chord cải thiê ̣n, luận án sử du ̣ng phầ n mề m mô OverSim Các bước đánh giá nhằ m so sánh thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n Chord gố c [60] với Chord cải thiê ̣n Các tham số hiệu dùng để đánh giá: trễ tìm kiếm, Tstretch, độ -13- dài trung bình đường tìm kiếm (Hop count), băng thơng tiêu tốn Kích thước ma ̣ng với số nút 500 đến 10.000 nút Kết mô cho thấy hiệu Chord cải thiện, nhiên phải tính tốn trễ nên độ phức tạp tính tốn chi phí băng thơng cho lệnh ping làm Chord cải tiến có băng thơng tiêu tốn tăng so với nghiên cứu trước Hình 3-7 So sánh đợ dài trung bin ̀ h đường tìm Hình 3-6 So sánh thời gian trễ tìm kiế m kiếm trung bình và kích thước ma ̣ng Hình 3-8 Tỷ lê ̣ trễ dãn cách trung bin ̀ h Tstretch Hình 3-9 Băng thông tiêu tốn thời số nút gian hoạt đợng trung bình nút 3.4 Kế t l ̣n chương Nô ̣i dung chương ba đưa phương pháp cải thiê ̣n hiê ̣u của Chord Mu ̣c tiêu của Chord cải thiê ̣n tố i ưu trễ tim ̀ kiế m và đô ̣ dài trung biǹ h đường tim ̀ kiế m qua ma ̣ng chồ ng phủ ngang hàng Chord cải thiê ̣n đã cải tiến cấu trúc bảng finger và sửa đổ i thuâ ̣t toán stabilize và fix_finger và cài đă ̣t OverSim Qua phân tić h và mô phỏng cho -14- thấ y hiệu thuâ ̣t toán Chord cải thiê ̣n tốt thuâ ̣t toán Chord gốc [60] và Chord của nghiên cứu [86], [11] Cu ̣ thể Chord cải thiê ̣n đa ̣t đươ ̣c hiê ̣u tim ̀ kiế m giố ng nghiên cứu [86], [11] Kić h thước bảng đinh ̣ tuyế n bằ ng nghiên cứu [60] và giảm mô ̣t nửa so với nghiên cứu [86], [11] Để giải quyế t vấ n đề “Topology mismatch”, luâ ̣n án đề xuất đưa trễ mạng vào xem xét Trong trình định tuyến, thuâ ̣t toán Chord cải thiê ̣n dung hòa khoảng cách ID lớp chồ ng phủ trễ mạng nề n IP Hơn nữa, khơng nhận nút gần đến đích, mà giải vấn đề đồ ng nhấ t hiê ̣u lớp ứng dụng với lớp nề n Kế t quả nô ̣i dung chương đươ ̣c thể hiê ̣n bài báo khoa ho ̣c [V3] CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG MẠNG CHORD_SL PHÂN CẤP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG Tóm tắt : Cùng với phát triển nhanh chóng số lượng người dùng Internet, việc cải thiê ̣n hiê ̣u dịch vụ triển khai Internet là cầ n thiế t Điển hình dịch vụ thoại IP truyền thống viê ̣c tìm kiế m người dùng dựa máy chủ trung tâm, vì vậy phải đối mặt với nhiều vấn đề, ví dụ như: Tấn công từ chối dịch vụ, lỗi máy chủ trung tâm nghẽn máy chủ,…Gần đây, công nghệ mạng P2P sử dụng rộng rãi ứng dụng chia sẻ file Tuy nhiên, hỗ trợ chậm việc tìm kiếm lựa chọn file nguồn, khơng phù hợp cho hệ thống truyền thông thời gian thực Do đó, mạng Chord_SL phân cấ p đề xuất để đạt yêu cầ u tìm kiế m địa nhanh truyền thông thoại P2P Mạng Chord_SL xây dựng dựa kiến trúc hai lớp sử dụng thuật toán Chord cải thiện Các kết phân tích mạng phân cấ p -15- Chord_SL cải thiê ̣n hiê ̣u so với các mô hình di ̣ch vụ triển khai mạng Chord truyề n thố ng và các cấ u hình Chord phân cấ p nghiên cứu gầ n 4.1 Giới thiệu chung Để cải thiện hiệu tìm kiếm thích ứng với mạng khơng ổn định, nút không đồng nhất, việc phát triển ma ̣ng Chord phân cấp P2P cần thiết [99], [37], [14], [25], [2], [35] Tuy nhiên các nghiên cứu đề u triển khai mạng Chord truyền thống, độ phức tạp không gian lưu trữ siêu nút O(𝑙𝑜𝑔2 𝐾 + 𝑁/𝐾) Mô hiǹ h ma ̣ng phân cấ p Chord_SL luận án triển khai thuâ ̣t toán Chord cải thiện [V3] Ngoài để giảm trễ, mơ hình kết hợp với việc phân cấp dựa vị trí, kỹ thuật cải thiện tỷ lê ̣ trễ dãn cách qua ma ̣ng P2P 4.2 Mô hin ̀ h ma ̣ng Chord_SL phân cấ p cải thiện hiệu 4.2.1 Xây dựng mơ hình Mơ hình thiết kế dựa vòng tròn Chord cải thiê ̣n, ̣ thố ng quản lý N nút ký hiệu Chord_SL Cấ u trúc ma ̣ng chia làm hai lớp: Lớp liên miền (superlayer) quản lý K cụm nội miền lớp nội miền (local layer) có N / K Các nút tham gia vào ma ̣ng Chord của hai lớp định tuyến theo nguyên tắc cải thiện nghiên cứu [V3] -16- Hình 4-1 Mơ hình ma ̣ng phân cấp Chord_SL 4.2.2 Gán định danh cho nút dựa vào địa IP Để giảm trễ, mơ hình Chord_SL phân cấp định danh dựa tên miền định danh Một nút muốn lấy thông tin miền khác, phải định tuyến truy vấn tới SN cụm để từ tìm SN miền đích Định danh ID bao gồm phần : tiền tố có chiều dài (D-d) bít định danh hậu tố có độ dài d bít Hình 4-2 Gán định danh cho nút SN nút ON [25] -17- 4.2.3 Xây dựng hàm giá bầu chọn siêu nút mạng Chord_SL G3 t on(p) P( p ) B( p ) (4.4) t on(SN) P( SN ) B( SN ) Trong đó 𝑡𝑜𝑛(𝑝) , 𝑃(𝑝) , 𝐵(𝑝) lầ n lươ ̣t là thời gian hoạt động trung bình nút, khả xử lý CPU tính MIPS (Million Instruction Per Second), băng thông của nút nút p bất kỳ; 𝑡𝑜𝑛(𝑆𝑁) , 𝑃(𝑆𝑁) , 𝐵(𝑆𝑁) lầ n lươ ̣t là các giá tri ̣ yêu cầ u tố i thiể u của các tham số đố i với mô ̣t nút SN, giá tri ̣ tham số đươ ̣c cho ̣n tùy theo mu ̣c tiêu của từng dich ̣ vu ̣ triể n khai 4.2.4 Chiến lược tìm kiếm mạng Chord_SL Bước 1: p chuyển tiếp truy vấn đến S (supernode) nhóm Do mơ hình Chord_SL tất nút nội miền chứa liên kế t đế n SN quản lý miền, nên viê ̣c kế t nố i đươ ̣c hoàn thành mô ̣t bước nhảy, đô ̣ dài đường tìm kiế m O(1) Bước 2: Sau tiếp nhận truy vấn từ nút nội miền, nút S (supernode) thực tìm kiếm vòng Chord liên miền superlayer (C,E), miền đích miền có ID tiề n tớ SN gần với khóa nhất, độ dài đường tìm kiếm 𝑂(𝑙𝑜𝑔4 𝐾) Ký hiê ̣u 𝐹𝑠𝑢𝑝 (𝐶) là đinh ̣ danh của mô ̣t SN miề n C, đinh ̣ danh SN miền đích 𝐶𝑑𝑒𝑠𝑡 : 𝐶𝑑𝑒𝑠𝑡 = arg 𝑑𝑐𝑙𝑜𝑐𝑘𝑤𝑖𝑠𝑒 (𝐹𝑠𝑢𝑝 (𝐶), k ) Bước 3: Cuối cùng, cách sử dụng tìm kiếm nội miền 𝐶𝑑𝑒𝑠𝑡 , siêu nút có đinh ̣ danh 𝐹𝑠𝑢𝑝 (𝐶𝑑𝑒𝑠𝑡 ) chuyển truy vấn tim ̀ kiế m tới nút chịu trách nhiệm với khóa k 4.3 Phân tích, đánh giá hiêụ ma ̣ng Chord_SL Để phân tích, đánh giá hiệu của ma ̣ng chord_SL, luận án so -18- sánh mơ hình đề xuất với mơ hình Chord khơng phân cấp Chord_flat , Chord phân cấp Chord_hiearchical Các tham số hiệu chọn để phân tích: Độ dài đường tìm kiếm, thời gian tìm kiếm trung bình, kích thước bảng định tuyến nút tổng chi phí trì định tuyến Qua việc phân tích giải tích cho thấy Chord_SL phân cấp cải thiện hiệu so với mơ hình phân cấp nghiên cứu trước Cụ thể thể qua kết đây: Do mơ hình phân cấp đề xuất luận án triển khai thuật toán Chord cải thiện Bảng định tuyến nút ON mạng Chord nội miền chứa trỏ tới SN, nút nội miền tìm kiếm SN có độ dài tim ̀ kiế m hns  O(1) Độ dài đường tìm kiếm SN lớp liên miền hss  O(log K ) (theo bổ đề 3.1 ) Tỷ số độ dài đường tìm kiếm nội miền qua mơ hình Chord_SL mơ hình Chord khơng phân cấp: hChord _ SL h flat N ) K  100%  50%  O (log N ) O (log -19- Nếu truyền thơng nội miền độ dài đường tìm kiếm mơ hình Chord_SL cải thiện so với mơ hình Chord_flat : N )  O (log N ) K  hChord _ SL h flat O (log (4.11) Đối với phiên tìm kiếm liên miền K/N nhỏ (kích thước nhóm nội miền nhỏ) mơ hình Chord_SL cải thiện so với nghiên cứu trước: N )  O (log K )  O (1)  O (log K )  O (1) (4.12) K  O (log N )  hChord _ SL  hhiearchical h flat O (1)  O (log Mơ hình Chord_SL Chord_hiearchical chọn nút có lực để làm siêu nút lớp liên miền, Tss ln nhỏ Tss mơ hình mạng ngang hàng phẳng Vì nút tên miền xếp lớp nội miền siêu nút quản lý, nên Tns thường nhỏ Do K  N thời gian tìm kiếm trung bình Chord_SL cải thiện đáng kể so với mơ hình phẳng mơ hình phân cấp : N )  Tns  O (1)  Tns  K (4.13) O (log K )  Tss  O (1)  Tns  O (log N )  Tss O (log K )  Tss  O (1)  Tns  O (log  TChord _ SL  Thiearchical T flat Theo giải thuật đề xuất luận án phần 4.2.3, để lựa chọn siêu nút phải tiêu tốn băng thông cho tin trao đổi trường hợp : a) Mỗi nút phát quảng bá tham số tới nút hàng xóm; b) Các nút có lực thấp ( băng thông, khả xử lý,…) bầu chọn cho nút có lực cao hơn, q trình -20- nút có lực yếu gửi tin bầu chọn cho nút có lực cao hơn; c) Sau SN lựa chọn phát quảng bá tin thông báo tham số nút đến nút vùng mà quản lý Nếu triển khai thuật tốn bầu chọn mạng Chord_flat với số nút mạng N, chi phí để lựa chọn SN tính: AN2  C N2  N   N ( N  1)   N ( N  1)  ( N  1) (3N  2)( N  1)  ( N ) (4.37) Trong AN2 tin để phát quảng bá tham số nút tới nút hàng xóm C n2 tin dùng để nút có lực yếu bầu cho nút có lực cao (N -1) tin truyền từ nút chọn làm SN để thông báo tham số tới nút mạng Tương tự triển khai mơ hình phân cấp Chord_SL luận án, với số nút N mạng chia làm K cụm Chi phí để lựa chọn siêu nút SN thuật toán đề xuất : ( AN2 / K  C N2 / K  N (3N  K )( N  K ) N (4.38)  1)  K   ( ) K 2K K Từ công thức (4.37) (4.38) rõ ràng thuật tốn bầu chọn SN triển khai qua mơ hình phân cấp đề xuất có chi phí giảm K lần so với mơ hình Chord_flat -21- Hình 4-5 Kích thước nhóm nợi miền Hình 4-6 Khơng gian lưu trữ siêu đợ dài đường tìm kiếm nút kích thước mạng Hình 4-7 Đơ ̣ dài đường tim ̀ kiế m và Hình 4-8 Đơ ̣ dài đường tim ̀ kiế m và kích thước nhóm nô ̣i miề n xác suấ t tim ̀ kiế m nô ̣i miề n 4.4 Kết luâ ̣n chương Trong chương luâ ̣n án đề xuấ t mơ hình Chord_SL phân cấ p Mơ hình phân cấp đươ ̣c triển khai thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n Chord cải thiện Để giảm trễ nghiên cứu kết hợp với việc phân cấp dựa vị trí nghiên cứu [20-21] Các kế t quả phân tích cho thấy mơ hình Chord_SL cải thiê ̣n hiê ̣u so với kế t quả của nghiên cứu [2021] các khiá ca ̣nh như: độ dài đường tìm kiếm, thời gian tìm kiếm, chi phí trì ở n đinh ̣ hệ thống,chi phí bầu chọn siêu nút SN Các kết đươ ̣c trình bày chương đươ ̣c cơng bố báo khoa học [V4], [V5] -22- KẾT LUẬN Nội dung luận án đạt mục tiêu đề nghiên cứu đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống mạng ngang hàng P2P Các kiến thức tảng kết nghiên cứu trình bày luận án với bố cục bốn chương sau: (1) Tổ ng quan về ma ̣ng ngang hàng (P2P) ; (2) Đánh giá hiệu thuâ ̣t toán định tuyến DHTs; (3) Cải thiê ̣n hiê ̣u thuâ ̣t toán đinh ̣ tuyế n Chord ; (4) Xây dựng ma ̣ng ngang hàng Chord_SL phân cấ p cải thiê ̣n hiê ̣u Các kết đóng góp khoa học luận án phân thành ba nhóm lớn Cải thiện hiệu định tuyến Chord quá trình tìm đường Đề xuất mơ hình mạng Chord phân cấp cải thiện hiệu định tuyến Đề xuất hàm giá bầu chọn siêu nút cải thiện hiệu mơ hình mạng phân cấp -23- CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ TẠP CHÍ KHOA HỌC [V1] Vũ Thị Thúy Hà, Lê Hữu Lập, Lê Nhật Thăng “Nghiên cứu vấn đề định tuyến Multicast lớp ứng dụng”, Tạp chí nghiên cứu Khoa học Công nghệ Quân sự, Viện khoa học Công nghệ Quân , số 34, trang 33-40, 2014 [V2] Vũ Thị Thúy Hà, Lê Hữu Lập, Lê Nhật Thăng “Đánh giá hiệu giao thức định tuyến DHT mạng P2P” Tạp chí khoa học Cơng nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 7(48), trang 19-26, 2011; [V3] Vũ Thị Thúy Hà, Lê Hữu Lập, Lê Nhật Thăng “Cải thiện hiệu giao thức định tuyến Chord mạng ngang hàng”, Tạp chí nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ Quân sự, Viện khoa học Công nghệ Quân sự, số 23, trang 40-46, 2013 [V4] Vũ Thị Thúy Hà, Lê Hữu Lập, Lê Nhật Thăng “Xây dựng mô hiǹ h Chord-DHT phân cấ p tố i ưu hỗ trơ ̣ dich ̣ vu ̣ nề n P2P”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Viê ̣n Hàn lâm Khoa ho ̣c và Công nghê ̣ Viê ̣t Nam, tâ ̣p 52, số 6C, trang 94-105, 2014 [V5] Vũ Thị Thúy Hà, Vũ Văn San, Nguyễn Hồng Đức “Lựa chọn Siêu nút Tối ưu cho mạng P2P quy mô lớn ”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ thơng tin truyền thông , số 01(CS.01), trang 4044, 2017 ... nghiên cứu tìm kiếm giải pháp cải thiện hiệu hệ thống mạng ngang hàng Để đạt mục tiêu này, ii luận án nghiên cứu xây dựng cấu trúc mạng theo cấu trúc phân cấp cải thiện hiệu thuật toán định tuyến. .. nhóm lớn Cải thiện hiệu định tuyến Chord quá trình tìm đường Đề xuất mơ hình mạng Chord phân cấp cải thiện hiệu định tuyến Đề xuất hàm giá bầu chọn siêu nút cải thiện hiệu mơ hình mạng phân... đạt mục tiêu nghiên cứu nêu trên, nhiệm vụ nghiên cứu trình thực luận án xác định bao gồm: (1) nghiên cứu tổng quan mạng P2P, (2) đề xuất giải pháp cải thiện hiệu hệ thống mạng P2P (3) kiểm chứng