GIÁO TRÌNH Mạng ngang hàng và định tuyến trong mạng ngang hàng (P2P)

Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) MỤC LỤC MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan mạng ngang hàng P2P 1.1.Giới thiệu 1.2.Định nghĩa P2P 1.3.So sánh mơ hình P2P với mơ hình Client/Server: 1.5.2 Mạng ngang hàng túy (Pure Peer-to-peer System) 1.5.3 Kiến trúc siêu ngang hàng (Super-peer Architecture) 1.5.4 Mạng ngang hàng có cấu trúc (Structured) Chương : Định tuyến hệ thống P2P hệ .12 2.1 Tổng quan định tuyến 12 2.1.1 Khái niệm 12 2.1.2 Nguyên tắc 12 2.1.3 Định tuyến tĩnh định tuyến động 13 2.2 Định tuyến mạng ngang hang P2P 13 2.2.1 Tổng quan 13 2.2.2 Định tuyến dựa vào tiền tố (Prefix routing) .13 2.2.3 Thuật toán Plaxon et al 14 2.2.4 Thuật toán Tapetry .14 2.2.5 Thuật toán Pastry .17 2.2.6 Thuật toán Chord .17 2.2.6.3 Đặc Điểm Hệ Thống Chord 19 2.3 Một số nhận xét định tuyến mạng ngang hàng có cấu trúc 20 Chương 1: Tổng quan mạng ngang hàng P2P 1.1 Giới thiệu Mạng ngang hàng (Peer-to-Peer – P2P) bắt đầu xuất từ 1999 thu hút quan tâm giới CNTT năm gần Đặc biệt việc áp dụng mơ hình Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) P2P việc xây dựng ứng dụng chia sẻ file (file sharing), điện thoại Internet (Internet-based telephony) đạt nhiều thành công Hiện ứng dụng P2P chiếm khoảng 50% (thậm chí 75%) băng thơng Internet Các ứng dụng kiểu mạng là: Napster, Skype, BitTorrent, FlashGet, Sopcast, ICQ vv 1.2 Định nghĩa P2P “Mạng ngang hàng kiểu mạng thiết kế cho thiết bị có chức khả thiết bị nhau” Mạng P2P khơng có khái niệm máy trạm (client) hay máy chủ (server), mà có khái niệm nốt (peers) đóng vai trò client server Hình Kiến trúc mạng ngang hang Peer-to-Peer Mạng ngang hàng hệ thống phân tán đặc biệt tầng ứng dụng, cặp điểm nút giao tiếp với thông qua giao thức định tuyến trọng tầng mạng ngang hàng Mỗi điểm nút giữ đối tượng liệu nhạc, ảnh, tài liệu, vv Mỗi điểm nút truy vấn tới đối tượng cần từ điểm nút khác thông qua kết nối logic tầng mạng ngang hàng Overlay network:Là mạng máy tính xây dựng mạng khác Các nodes mạng overlay xem nối với liên kết ảo (logical links), liên kết ảo bao gồm nhiều liên kết vật lí mạng Rất nhiều mạng P2P gọi overlay networks xây dựng hoạt Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) động Internet VD: Gnutella, Freenet, DHTs … Dial-up Internet overlay network telephone network 1.3 So sánh mơ hình P2P với mơ hình Client/Server: P2P - Một mạng ngang hàng cho phép node (PCs) đóng góp, chia sẻ nguồn tài nguyên với Tài nguyên riêng rẽ node (ổ cứng, CD-ROM, máy in … Các nguồn tài nguyên truy cập từ node mạng 1.4 Client/Server - Dữ liệu lưu trữ Server trung tâm, tốc độ cao (Tốc độ truy cập thường lớn so với mạng P2P) - Khi máy client yêu cầu lấy thông tin thời gian phải gửi yêu cầu theo tiêu chuẩn server định ra, yêu cầu chấp nhận máy Ưu, nhược điểm mạng P2P, Client/Server: P2P + Ưu điểm: - - Client/Server + Ưu điểm: Không cần server riêng, client chia sẻ tài nguyên Khi mạng mở rộng khả hoạt động hệ thống tốt - Tốc độ truy cập nhanh Rẻ - Hoạt động với loại ứng dụng - Khả mở rộng cao Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) + Nhược điểm: - Chậm + Nhược điểm: - Cần server riêng (nghẽn cổ chai) Hình 1.2 Tổng quan đặc tính mạng P2P mạng Client-Server 1.5 Phân loại mạng ngang hàng Hai tiêu chí để phân loại mạng ngang hàng: Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) Theo mục đích sử dụng:  Chia sẻ file (file sharing)  Điện thoại VoIP (telephony)  Đa phương tiện media streaming (audio, video)  Diễn đàn thảo luận (Discussion forums) Tiêu chí thường nhà phát triển ứng dụng quan tâm Theo ứng dụng với đặc điểm riêng phân loại áp dụng theo mơ hình sẵn có, chun biệt − Theo topo mạng tầng vật lý mạng phủ Đây tiêu chí phát triển qua thời kỳ xem xét nghiên cứu để tìm giải pháp tốt nhất, xây dựng tảng vững cho ứng dụng sau 1.5.1 Hệ thống ngang hàng lai (Hybrid Peer to Peer System) Đây mạng ngang hàng hệ thứ nhất, đặc điểm dựa máy chủ tìm kiếm trung tâm - đặc điểm mơ hình khách chủ, gọi mạng ngang hàng lai hay mạng tập trung (centralized Peer-to-Peer networks) Cấu trúc Overlay mạng ngang hàng lai mơ tả mạng hình Ngun tắc hoạt động:  Mỗi client lưu trữ files định chia sẻ với nút khác mạng  Một bảng lưu trữ thơng tin kết nối người dùng đăng kí (IP address, connection bandwidth…)  Một bảng liệt kê danh sách files mà người dùng định chia sẻ (tên file, dung lượng, thời gian tạo file…)  Mọi máy tính tham gia mạng kết nối với máy chủ tìm kiếm trung tâm, yêu cầu tìm kiếm gửi tới máy chủ trung tâm phân tích, yêu cầu giải máy chủ gửi trả lại địa IP máy chứa tài nguyên mạng trình truyền file thực theo chế mạng ngang hàng, host với mà không cần quan máy chủ trung tâm Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) Hình 1.3 Mơ hình mạng lai ngang hang(Hibrid P2P) \ Hình 1.3 Mơ hình mạng Hibrid P2P cụ thể Ưu điểm:  Dễ xây dựng  Tìm kiếm file nhanh hiệu Nhược điểm: Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P)  Vấn đề luật pháp, quyền  Dễ bị công  Cần quản trị (central server) Napster mạng ngang hàng đặc trưng cho hệ thống mạng ngang hàng hệ thứ nhất, chúng dùng cho việc chia sẻ file người dùng Internet, sử dụng rộng rãi, nhiên nhanh chóng bị thị trường yếu tố luật pháp Khái niệm kiến trúc Napster sử dụng ứng dụng khác như: Audiogalaxy, WinMX Với Napster, việc tìm kiếm file bị thất bại bảng tìm kiếm máy chủ lý khơng thực Chỉ có file truy vấn việc lưu trữ phân tán, máy chủ đóng vai trò nút cổ chai Khả tính tốn lưu trữ máy chủ tìm kiếm phải tương xứng với số nút mạng hệ thống, khả mở rộng mạng bị hạn chế nhiều 1.5.2 Mạng ngang hàng túy (Pure Peer-to-peer System) Mạng ngang hàng túy dạng khác hệ thứ hệ thống mạng ngang hàng Khơng máy chủ tìm kiếm tập trung mạng Napster, khắc phục vấn đề nút cổ chai mơ hình tập trung Tuy nhiên vấn đề tìm kiếm mạng ngang hàng túy lại sử dụng chế Flooding, yêu cầu tìm kiếm gửi cho tất nút mạng láng giềng với nó, điều làm tăng đáng kể lưu lượng mạng Đây yếu điểm mạng ngang hàng túy Các phần mềm tiêu biểu cho mạng ngang hàng dạng Gnutella 0.4, FreeNet Hình1 Mạng ngang hàng túy (Gnutella 0.4, FreeNet) Ưu điểm: Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P)  Dễ xây dựng  Đảm bảo tính phân tán hồn tồn cho nút tham gia mạng, nút tham gia rời khỏi mạng cách tùy ý mà không ảnh hưởng đến cấu trúc mạng Nhược điểm:  Tốn băng thơng  Phức tạp tìm kiếm  Các nút có khả khác (CPU power, bandwidth, storage) phải chịu tải (load) 1.5.3 Kiến trúc siêu ngang hàng (Super-peer Architecture) Để khắc phục nhược điểm mạng ngang hàng túy, mô hình mang ngang hàng phát triển với tên gọi mạng siêu ngang hàng Đây gọi mạng ngang hàng hệ Phần mềm tiêu biểu cho mạng ngang hàng kiểu Gnutella 0.6 JXTA (Juxtapose) JXTA bắt đầu phát triển SUN từ 2001 (Đây giao thức P2P mã nguồn mở) JXTA sử dụng cho PCs, mainframes, cell phones, PDAs - để giao cách không tập trung Skype xây dựng dựa cấu trúc Hình 1.5 Kiến trúc siêu ngang hàng(Gnutella 0.6, JXTA) Nguyên tắc hoạt động:  Trong mơ hình mạng siêu ngang hàng tồn trật tự phân cấp việc định nghĩa Super-peers Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P)  Các Super-peer tạo thành mạng khơng cấu trúc, có khác Super-peers Client-peers mạng, Super-peer có nhiều kết nối đến Client-peers  Mỗi Supper-peer chứa danh sách file cung cấp Client-peer địa IP chúng trả lời yêu cầu truy vấn từ Client-peer gửi tới Ưu điểm:  Hạn chế việc Flooding query, làm giảm lưu lượng mạng, tránh tượng nút cổ chai (do có nhiều Super-peers)  Khắc phục nhược điểm khác CPU power, bandwidth… mạng ngang hàng túy, Super-peer chịu tải chính, nút khác chịu tải nhẹ Nhược điểm:  Mỗi điểm Super-peer trở thành điểm gây lỗi cho nhóm siêu ngang hàng tương ứng trường hợp số lượng Client nhóm lớn (tuy nhiên, nhược điểm giải việc cải tiến mạng siêu ngang hàng thông thường, đưa khái niệm siêu ngang hàng dư cấp k) 1.5.4 Mạng ngang hàng có cấu trúc (Structured) Hệ thống mạng ngang hàng không cấu trúc thể nhược điểm: khơng có đảm bảo tìm kiếm thành cơng Đối với tìm kiếm liệu phổ biến chia sẻ nhiều máy, tỉ lệ thành công cao, ngược lại, liệu chia sẻ vài máy xác suất tìm thấy nhỏ Tính chất hiển nhiên mạng ngang hàng khơng cấu trúc, khơng có mối tương quan máy liệu quản lý mạng, u cầu tìm kiếm chuyển cách ngẫu nhiên đến số máy mạng Số lượng máy mạng lớn khả tìm thấy thông tin nhỏ Một nhược điểm khác hệ thống khơng có định hướng, u cầu tìm kiếm thường chuyển cho số lượng lớn máy mạng làm tiêu tốn lượng lớn băng thơng mạng, dẫn đến hiệu tìm kiếm chung mạng thấp Mạng ngang hàng có cấu trúc khắc phục nhược điểm mạng không cấu trúc cách sử dụng hệ thống DHT (Distributed Hash Table - Bảng Băm Phân Tán) Hệ thống định nghĩa liên kết nút mạng mạng phủ theo thuật toán cụ thể, đồng thời xác định chặt chẽ nút mạng chịu trách nhiệm phần liệu chia sẻ mạng Với cấu trúc này, máy cần tìm liệu, cần áp dụng giao thức chung để xác định nút mạng chịu trách nhiệm cho liệu sau liên lạc trực tiếp đến nút mạng để lấy kết Trang Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) Nguyên tắc hoạt động:  Topo mạng kiểm soát chặt chẽ  Files (hoặc trỏ trỏ tới files) đặt vị trí xác định  Điều quan trọng hệ thống có cấu trúc cung cấp liên kết (mapping) nội dung (ví dụ: id file) vị trí nút (ví dụ: địa nút) Việc thường dựa cấu trúc liệu bảng băm phân tán (Distributed Hash Table) Hình Cơ chế bảng băm phân tán (DHT) Dựa cấu trúc bảng băm phân tán có nhiều nghiên cứu đề xuất mơ hình mạng ngang hàng có cấu trúc, điển hình cấu trúc dạng vòng (như hình vẽ mơ tả): Chord, Pastry…, cấu trúc không gian đa chiều: CAN, Viceroy Ưu điểm:  Khả mở rộng nâng cao rõ rệt khơng có điểm tập trung gây tượng thắt nút cổ chai điểm  Các truy vấn tìm kiếm phát theo thuật toán cụ thể, hạn chế tối đa lượng truy vấn hay kỹ thuật flooding, tiết kiệm băng thơng mạng Nhược điểm:  Việc quản lí cấu trúc topo mạng gặp khó khăn, đặc biệt trong trường hợp tỷ lệ vào/ra mạng nút cao  Vấn đề cân tải mạng Sự khác biệt topology mạng overlay mạng liên kết vật lý dẫn đến thời gian trễ truy vấn trung bình cao Trang 10 Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) 1.6 Tìm thong tin quảng bá qua mạng P2P Peer có tin quảng bá cách Khơng có tin discovery Discovery trực tiếp Discovery gián tiếp Hình 1.7.Peer discovery thong qua catched quảng bá Hình 1.8.Discover trực tiếp Trang 11 Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) Hình 1.9 Discovery gián tiếp Chương : Định tuyến hệ thống P2P hệ 2.1 Tổng quan định tuyến 2.1.1 Khái niệm - Định tuyến trình chọn lựa đường mạng máy tính để gửi liệu qua - Định tuyến hướng đường tốt từ nguồn đến đích gói tin (packer) thơng qua node trung gian router 2.1.2 Nguyên tắc - Trong hoạt động định tuyến , người ta chia làm hai loại định tuyến trực tiếp định tuyến gián tiếp Định tuyến trực tiếp định tuyến hai máy tính nối với vào mạng vật lý Định tuyến gián tiếp định tuyến hai máy tính xa mạng vật lý khác nên chúng phải thực thông qua cac Gateway - Để kiểm tra xem máy đích có năm mạng vật lý với máy nguồn hay khơng người gửi phải tách lấy địa mạng máy đích phần tiêu đề gói liệu so sánh với phần địa mạng phần địa IP Nêu trùng gói tin truyền trực tiếp không cần phải xác định Gateway để truyền gói thơng qua để mạng ngồi thích hợp Trang 12 Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) 2.1.3 Định tuyến tĩnh định tuyến động - Định tuyến trình mà router thực để chuyển gói liệu tới mạng đích Tất router dọc theo đường dựa vào địa IP đích gói liệu để chuyển gói theo hướng đến đích cuối Để thực điều này, router phải học thông tin đường tới mạng khác Nếu router chạy định tuyến động router tự động học thơng tin từ router khác Còn router chạy định tuyến tĩnh người quản trị mạng phải cấu hình thơng tin đến mạng khác cho router - Đối với định tuyến tĩnh ,các thông tin đường phải người quản trị mạng nhập cho router Khi cấu trúc mạng có thay đổi người quản trị mạng phải xố thêm thơng tin đường cho router Những loại đường gọi đường cố địn Đối với hệ thống mạng lớn cơng việc bảo trì mạng định tuyến cho router tốn nhiều thời gian Còn hệ thống mạng nhỏ ,ít có thay đổi cơng việc đỡ cơng Chính định tuyến tĩnh đòi hỏi người quản trị mạng phải cấu hình thơng tin đường cho router nên khơng có tính linh hoạt định tuyến động Trong hệ thống mạng lớn , định tuyến tĩnh thường sử dụng kết hợp với giao thức định tuyến động cho mục đích đặc biệt 2.2 Định tuyến mạng ngang hang P2P 2.2.1 Tổng quan Các hệ thống chia sẻ liệu peer-to-peer (P2P) ứng dụng Internet phổ biến trở thành nguồn lưu lượng Internet Do vậy, việc mở rộng quy mô cho hệ thống quan trọng Tuy nhiên, thiết kế ban đầu cho hệ thống P2P không phù hợp với mạng có quy mơ lớn, ví dụ Napster Gnutella Nhằm đáp ứng vấn đề mở rộng quy mô, hệ hệ thống P2P hỗ trợ tính bảng hàm băm phân tán (DHT), số Tapestry, Pastry, Chord CAN (Content-Addressable Networks) Trong hệ thống (còn gọi hệ thống DHT), file ràng buộc với khoá (key) Hầu thuật toán ứng dụng mạng ngang hàng hệ (mạng có cấu trúc) định tuyến dựa key Nó nhận key, để hồi đáp, chúng định tuyến tin tới node có trách nhiệm với key Các key chuỗi số có độ dài Cácnode nhận dạng, lấy từ khơng gian với key (có nghĩa số lượngdigits) Mỗi node lưu giữ bảng định tuyến bao gồm tập nhỏ node hệ thống.Các thuật toán định tuyến cố gắng định tuyến tới node có key phù hợp qua số hop Dưới số thuật toán định tuyến tại: 2.2.2 Định tuyến dựa vào tiền tố (Prefix routing) Định tuyến dựa vào tiền tố (Prefix routing) - PRR: thuật toán cho việc tìm kiếm định tuyến mạng ngang hàng Bằng cách ánh xạ nhận dạng Trang 13 Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) đối tượng thành không gian địa peers, PRR định tuyến dựa key trợ giúp thao tác: đọc, chèn xóa đối tượng lưu trữ mạng chồng phủ Nguyên lý thuật toán tảng cho thiết kế DHT sau PRR định tuyến dựa hậu tố, trường hợp đối xứng định tuyến tiền tố Định tuyến hậu tố tiền tố dựa giống để tăng vị trí địa đích hop dọc theo đường đích đạt tới Thiết kế PPR dựa tập node tĩnh; không quan tâm tới thành viên node động, khơng có kỹ thuật cập nhật bảng định tuyến node nhập rời mạng Phiên đơn giản PRR gọi SPRR đưa Li and Paxton Một số thuật toán Tapestry, Pastry, P-Grid, Cycloid, and Z-Grid Plaxton, Rajaraman dựa PRR 2.2.3 Thuật toán Plaxon et al Plaxon et al: Plaxon et al phiên PRR, thuật tốn sử dụng quy mơ lớn DHT, không cung cấp việc định tuyến tìm kiếm hiệu Thuật tốn Plaxton ban đầu tạo để định tuyến truy vấn Web tới cache lân cận, ảnh hưởng đến thiết kế Pastry, Tapestry Chord Phương pháp Plaxton có độ phức tạp tham gia/rời bỏ theo hàm loga Plaxton đảm bảo truy vấn không xa khoảng cách mạng so với peer mà lưu giữ key Tuy nhiên, Plaxton có số nhược điểm: yêu cầu hiểu biết toàn để xây dựng mạng chồng; peer gốc đối tượng điểm lỗi đơn; khơng có chèn thêm xố bỏ peer; khơng có tránh điểm tắc nghẽn nóng Đối với hệ thống n node, node có O(log n) lân cận, độ dài đường định tuyến O(log n) bước nhảy 2.2.4 Thuật toán Tapetry Tapestry sử dụng biến thể thuật toán Palaxon et al thêm vào tính động cho pees mạng chồng Sử dụng định tuyến dựa vào tiền tố, Tapestry sử dụng thuật toán SHA-1 để băm địa node thành ID biểu diễn theo hệ số b Để hiểu rõ vấn đề ta tìm hiểu thuật tốn SHA-1 : Khởi gán biến: H0:=0x67452301 H1:=0xEFCDAB89 H2:=0x98BADCFE H3:=0x10325476 H4:=0xC3D2E1F0 Trang 14 Mạng ngang hàng định tuyến mạng ngang hàng (P2P) Tiền xử lý: Thêm bít vào thơng điệp Thêm vào k bit cho độ dài thông diệp đồng du 448 (mod 512) Thêm 64 bít biểu diễn độ dài thông điệp gốc ( giá trị lưu dạng big –endian) 0…0 M m bit Hình 2.1 Độ dài thơng điệp gốc khối 512 bít Từ hình vẽ 2.1 ta chia thơng điệp ( pha đinh) thành khối 512 bít Mỗi khối 512 bít: • Chia thành 16 word (32 bít, big-endian) w[0 15] • w[i]=(w[i-3]⊕ w[i-8] ⊕ w[i-14] ⊕ w[i-16])