Sử dụng mô hình thế giới nhỏ trong truyền hình mạng ngang hàng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Việt Dũng SỬ DỤNG MƠ HÌNH THẾ GIỚI NHỎ TRONG TRUYỀN HÌNH MẠNG NGANG HÀNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội - 2012 HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Việt Dũng SỬ DỤNG MÔ HÌNH THẾ GIỚI NHỎ TRONG TRUYỀN HÌNH MẠNG NGANG HÀNG Ngành: Công nghệ thông tin Chuyên ngành: Truyền liệu mạng máy tính Mã số: 60.48.15 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Đại Thọ HÀ NỘI - 2012 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN .4 1.1 Khái niệm mạng ngang hàng 1.2 Phân loại mạng ngang hàng .5 1.2.1 Hệ thống ngang hàng lai ghép .5 1.2.2 Mạng ngang hàng túy (Pure Peer-to-peer System) 1.2.2.1 Khái niệm lớp mạng phủ 1.2.2.2 Mạng ngang hàng túy khơng có cấu trúc 1.2.2.3 Mạng ngang hàng có cấu trúc 1.3 Phƣơng pháp truyền thông mạng ngang hàng .10 1.3.1 Đẩy (Push) 11 1.3.2 Kéo (Pull) .11 1.3.3 Kéo đẩy xen kẽ .11 1.3.4 Phƣơng pháp truyền thông lan tỏa (gossip protocol) 13 1.4 Giới thiệu trình giả lập iGridMedia 14 1.4.1 Giới thiệu chung iGridMedia .14 1.4.2 Mơ hình hoạt động .15 1.4.3 Kiến trúc chung trình mơ 16 1.4.3.1 Cách thức hoạt động 16 1.4.3.2 Kiến trúc lớp mạng phủ 17 Chƣơng TRUYỀN HÌNH NGANG HÀNG TRÊN MẠNG THẾ GIỚI NHỎ 19 2.1 Ứng dụng chia sẻ video, truyền hình mạng ngang hàng 19 2.2 Các loại mơ hình lớp mạng phủ - Overlay Network 22 2.2.1 Khái niệm lớp mạng phủ 22 2.2.2 Mạng ngẫu nhiên - Random graphs .23 2.2.2.1 Định Nghĩa 23 2.2.2.2 Tính chất 24 2.2.3 Mạng bao đóng – Scale free 25 2.2.3.1 Định nghĩa: 25 2.2.3.2 Tính chất 27 2.2.3.3 Xây dựng đồ thị bao đóng 27 2.2.4 Mạng giới nhỏ 29 2.2.4.1 Mô tả mạng giới nhỏ 29 2.2.4.2 Tính chất mạng giới nhỏ 31 2.3 Ứng dụng mạng giới nhỏ 33 2.3.1 Đánh giá lớp mạng phủ .33 2.3.2 Truyền liệu mạng giới nhỏ 34 Chƣơng GIẢI PHÁP XÂY DỰNG MẠNG THẾ GIỚI NHỎ 37 3.1 Xây dựng mơ hình lý thuyết 37 3.2 Giải thuật xây dựng mơ hình giới nhỏ dựa vào xây dựng nhóm .38 3.3 Giải thuật xây dựng mạng giới nhỏ dựa độ trễ liên kết nút mạng 43 3.4 Đề xuất giải thuật cải tiến 47 3.4.1 Giải thuật GoCast: 47 3.4.2 Đề xuất 49 Chƣơng MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG .51 4.1 Phƣơng thức mô 51 4.2 Kết 54 4.2.1 Đánh giá số lƣợng gói tin điều khiển mạng 54 4.2.2 Đánh giá tốc độ truyền nhận thông tin 55 4.2.3 Đánh giá thời gian trễ nguồn nút mạng 56 4.2.4 Đánh giá khoảng cách trung bình mạng .56 Chƣơng KẾT LUẬN & PHƢƠNG HƢỚNG MỞ RỘNG .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 TÓM TẮT LUẬN VĂN MỞ ĐẦU Luận văn tập trung nghiên cứu lớp mạng phủ mạng ngang hàng Để đảm bảo tốc độ truyền tin lớp mạng ngang hàng cần có tính chất: Có cấu trúc, Đáng tin tưởng trước biến động mạng, có khả mở rộng Để khắc phục vấn đề thơng lượng u cầu trì mạng giới nhỏ, luận văn nghiên cứu giải thuật kết hợp Gocast giới nhỏ Giải pháp thử nhiệm môi trường mô iGridMedia với tham số thời gian trễ gần giống Internet Luận văn gồm chương Chƣơng 1: Các kiến thức sở Chƣơng 2: Các kiến thức truyền hình ngang hàng, lớp mạng phủ, đặc điểm mơ hình giới nhỏ Chƣơng 3: Các giải thuật xây dựng mạng giới nhỏ Trình bầy giải thuật cải tiến, kết hợp mạng giới nhỏ với giải thuật Gocast nhằm khắc phục điểm yếu yêu cầu lượng thông tin lớn để trì mạng giới nhỏ theo phương thức truyền thống Chƣơng 4: Mô đánh giá kết Chƣơng 5: Kết luận phương hướng nghiên cứu tương lai Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm mạng ngang hàng Mạng ngang hàng (Peer-To-Peer network) cấu trúc mạng máy tính hoạt động mạng chủ yếu dựa vào khả tính tốn băng thông máy tham gia không tập trung vào số nhỏ máy trung tâm 1.2 Phân loại mạng ngang hàng Theo mức độ tập trung mạng ngang hàng, phân loại mạng ngang hàng sau 1.2.1 Hệ thống ngang hàng lai ghép Hình Mạng ngang hàng lai ghép Đây mạng ngang hàng hệ thứ Trong mạng có hay số máy chủ trung tâm dùng để lưu trữ thông tin máy trạm thành viên Các đại diện tiêu biểu cho loại mạng Napster BitTorrent 1.2.2 Mạng ngang hàng túy (Pure Peer-to-peer System) Mạng ngang hàng túy mạng ngang khơng có máy chủ trung tâm Các máy trạm tham gia mạng có vai trị Hình Mạng ngang hàng túy 1.2.2.1 Khái niệm lớp mạng phủ Lớp mạng phủ mạng xây dựng bên nhiều mạng vật lý khác 1.2.2.2 Mạng ngang hàng túy khơng có cấu trúc Mạng ngang hàng túy khơng có cấu trúc liên kết nút mạng mạng thiết lập cách ngẫu nhiên, không theo qui luật 1.2.2.3 Mạng ngang hàng có cấu trúc Mạng ngang hàng có cấu trúc xây dựng 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 tốn cụ thể Hình Cơ chế bảng băm phân tán (DHT) 1.3 Phƣơng pháp truyền thông mạng ngang hàng 1.3.1 Đẩy (Push) Các mảnh liệu chuyển xuống từ máy trạm (máy cha) xuống máy trạm khác (máy con) mà không cần thông báo trước 1.3.2 Kéo (Pull) Ngược lại với phương thức đẩy, phương thức kéo, máy đóng vai trị chủ động yêu cầu liệu từ máy cha mà không cần biết máy cha có chứa liệu hay khơng 1.3.3 Kéo đẩy xen kẽ Giao thức kéo đẩy xen kẽ giao thức kết hợp hai phương thức kéo đẩy xen kẽ với nhau, thơng qua sách lựa chọn máy trạm mà không cần phải trì việc trao đổi thơng tin trạng thái download mảnh liệu máy tính 1.3.4 Phƣơng pháp truyền thông lan tỏa (gossip protocol) Giao thức truyền thông lan tỏa giao thức truyền thông xây dựng nguyên tắc lan truyền tin đồn phổ biến xã hội 1.4 Giới thiệu trình giả lập iGridMedia 1.4.1 Giới thiệu chung iGridMedia Dự án GridMedia phát triển tiến sĩ Meng Zhang, Đại học Tsinghua, Bắc Kinh, Trung Quốc iGridMedia dự án mở rộng GridMedia, cho phép mô ứng dụng truyền đa phương tiện diện rộng 1.4.2 Mô hình hoạt động Hình Ứng dụng truyền liệu đa phương tiện iGridMedia 1.4.3 Kiến trúc chung trình mơ 1.4.3.1 Cách thức hoạt động Hình Cách thức hoạt động trình mơ iGridMedia Trình mô bao gồm ba thành phần, thành phần tạo topo mạng, thành phần tạo kế hoạch mô engine thực event mô 1.4.3.2 Kiến trúc lớp mạng phủ iGridMedia sử dụng lớp mạng phủ đồ thị ngẫu nhiên Hình Xây dựng lớp mạng phủ iGridMedia Chƣơng TRUYỀN HÌNH NGANG HÀNG TRÊN MẠNG THẾ GIỚI NHỎ 2.1 Ứng dụng chia sẻ video, truyền hình mạng ngang hàng Chia sẻ video qua mạng ngang hàng hoạt động phổ biến mạng Internet Hình Phân loại ứng dụng chia sẻ video mạng ngang hàng 2.2 Các loại mơ hình lớp mạng phủ - Overlay Network 2.2.1 Khái niệm lớp mạng phủ lớp mạng phủ mạng xây dựng bên nhiều mạng vật lý tồn tại, bao gồm tất nút mạng đại diện cho máy tham gia liên kết nút mạng này” Hình Mơ hình lớp mạng phủ Trong phạm vi ứng dụng ngang hàng lớp mạng phủ lớp trung gian lớp mạng vật lý lớp dịch vụ ngang hàng Hình Vị trí lớp mạng phủ 2.2.2 Mạng ngẫu nhiên - Random graphs 2.2.2.1 Định Nghĩa Ký hiệu Gn,p Với n số đỉnh đồ thị, p xác suất tồn cạnh hai nút đồ thị Đồ thị xây dựng với tập đỉnh n, tập cạnh xây dựng xác suất p đồ thị ngẫu nhiên 2.2.2.2 Tính chất a) Tính liên thơng Khi số lượng cạnh đủ lớn đồ sác xuất liên thơng đồ thị tiến tới Hình 10 Đồ thị ngẫu nhiên b) Đƣờng kính khơng lớn c) Tính phân cụm nhỏ 2.2.3 Mạng bao đóng – Scale free 2.2.3.1 Định nghĩa: Đồ thị bao đóng đồ thị mà bậc nút giảm theo hàm mũ P(k ) ~ ck  Trong c số,  tham số có giá trị : <  < Hình 11 Đồ thị bao đóng Hình 12 Phân biệt đồ thị bao đóng với đồ thị ngẫu nhiên Có thể kể đến số ví dụ đồ thị bao đóng, đồ thị mạng tuyến đường quốc gia, mạng tuyến máy bay, đồ thị World Wide Web, hay đồ thị mạng Internet 2.2.3.2 Tính chất a) Đƣờng kính đồ thị nhỏ: b) Độ phân cụm cao c) Phù hợp với mơ hình thực tế 2.2.3.3 Xây dựng đồ thị bao đóng Barabasi-Albert (BA) đưa cách xây dựng theo thuật tốn theo phương thức hồn thiện bước đồ thị Hình 13 Xây dựng đồ thị bao đóng 2.2.4 Mạng giới nhỏ 2.2.4.1 Mô tả mạng giới nhỏ a) Mơ hình mạng giới nhỏ Watts Strogatz Watts Strogatz bắt đầu với mạng dạng lưới hình trịn nút mạng đánh số từ đến n theo vòng tròn nút mạng có cạnh nối đến k nút theo chiều kim đồng hồ Duyệt qua đỉnh mạng, với đỉnh thay số cạnh cạnh đến nút mạng ngẫu nhiên chưa có kết nối đến đỉnh Mạng xây dựng theo cách gọi mạng giới nhỏ Hình 14 Mạng thông thường, mạng giới nhỏ, mạng ngẫu nhiên b) Mơ hình mạng giới nhỏ Kleinberg Cách xây dựng Đưa đỉnh đồ thị vào lưới r chiều Với đỉnh đồ thị xây dựng cạnh theo quy tắc sau:  Thiết lập ngẫu nhiên p cạnh với nút gần (short link)  Thiết lập ngẫu nhiên q cạnh với nút xa (long link) Với hàng xóm u, xác suất để có cạnh tới v d(u,v)-r với r số chiều lưới Hình 15 Xây dựng đồ thị giởi nhỏ Kleinberg lưới chiều 2.2.4.2 Tính chất mạng giới nhỏ a) Tính phân cụm cao Hình 16 Tính phân cụm đồ thị giới nhỏ b) Đƣờng kính mạng nhỏ c) Đặc điểm tỉ lệ hàng xóm gần, hàng xóm xa Khi đồ thị tỉ lệ số lượng hàng xóm gần tổng số hàng xóm cao, đồ thị có tình phân cụm cao, đường kính mạng nhỏ 2.3 Ứng dụng mạng giới nhỏ 2.3.1 Đánh giá lớp mạng phủ Mạng ngẫu Mạng bao Mạng nhiên đóng giới nhỏ Trung bình Trung bình Tính cấu Kém trúc Cao cao Tính phân Yếu nhóm Nhỏ Nhỏ Đƣờng kính Trung bình mạng Bảng Bảng so sánh lớp mạng phủ 2.3.2 Truyền liệu mạng giới nhỏ Trong mạng giới nhỏ, tính chất phân nhóm cục nên chia việc chia sẻ thơng tin thành hai loại: a) Chia sẻ thông tin nội nhóm Hình 17 Mơ hình truyền tin nội nút nhóm Hiệu suất truyền tin nội nhóm cao, có nhiều nút mạng tham gia tíc cực vào q trình chia sẻ thơng tin b) Chia sẻ thơng tin nhóm Hình 18 Truyền tin nhóm Ở nhóm, hàng xóm trực tiếp nút mạng tham gia chia sẻ có liên kết với Do việc chia sẻ chéo yêu cầu số lượng bước truyền trung gian lớn 10 Chƣơng GIẢI PHÁP XÂY DỰNG MẠNG THẾ GIỚI NHỎ 3.1 Xây dựng mơ hình lý thuyết a) Giải thuật Bước 1: Xây dựng mạng dạng lưới Bước 2: Ngẫu nhiên hóa tạo mạng giới b) Đánh giá Tính khả thi cài đặt thuật tốn: Tính khả thi thấp Tính đầy đủ giải thuật: Khơng có chiến lược kết nối số lượng nút thay đổi 3.2 Giải thuật xây dựng mơ hình giới nhỏ dựa vào xây dựng nhóm a) Giải thuật Thiết lập điều kiện nhóm: bao gồm Kích thước nhóm, đường kính nhóm, số lượng liên kết xa Xây dựng hai phương thức tham gia vào mạng, rời khỏi mạng nút, nhằm đảm bảo điều kiện nhóm thiết lập b) Đánh giá Điểm yếu, đồ thị không cập nhật trạng thái thường xuyên, cần phương thức rời mạng để chỉnh sửa mạng, điều gây tính ổn định mạng 3.3 Giải thuật xây dựng mạng ngang hàng dựa độ trễ liên kết nút mạng a) Giải thuật Xây dựng dựa tương quan số lượng cạnh gần số lượng cạnh xa Cạnh gần độ trễ truyền tin nhỏ, cạnh xa độ trễ truyền tin cao Hình 19 Tương quan liên kết gần, liên kết xa Để đảm bảo trì cấu trúc mạng giới nhỏ, thủ tục xây dựng hàng xóm gọi máy tham gia vào mạng, sau lặp lại định kỳ sau khoảng thời gian nhỏ Đặc tính nhóm: nhóm hình thành sở nút nhóm có khoảng cách đến ngắn b) Đánh giá Ƣu điểm: Tính ổn định mạng cao, dễ cài đặt Nhƣợc điểm: Chi phí trì mạng lớn, dễ xuất vịng lặp tạo hàng xóm 11 3.4 Đề xuất giải thuật cải tiến 3.4.1 Giải thuật GoCast: Là giải thuật sử dụng thực tế Các nút mạng xây dựng danh sách hàng xóm gần hàng xóm ngẫu nhiên.: Xây dựng hàng xóm ngẫu nhiên: Duy trì số lượng hàng xóm ngẫu nhiên Crand, thực thêm xóa hàng xóm số hàng xóm khác với Crand Xây dựng hàng xóm gần: Thực trì danh sách hàng xóm gần với tiêu chí trì cân bậc tất nút mạng qua ba phương thức: thay thế, thêm xóa hàng xóm với Đánh giá: Mạng xây dựng có tính ổn định cao, chi phí trì mạng nhỏ so với giải thuật phần 3.3 3.4.2 Đề xuất Xây dựng giải thuật kết hợp giải thuật xây dựng mạng giới nhỏ phần 3.3 giải thuật Gocast nhằm tận dụng điểm mạnh hai giải thuật đồng thời khắc phục điểm yếu chi phí trì mạng giải thuật xây dựng giới nhỏ Giải thuật kết hợp xây dựng theo cách: Thứ giữ nguyên tham số điều kiện xây dựng danh sách hàng xóm gần hàng xóm xa mạng giới nhỏ Thứ hai thực thay đổi chế lựa chọn hàng xóm gần theo cách xây dựng tối ưu phần giải thuật Gocast để giảm số lượng gói tin điều khiển mạng Thứ ba thêm điều kiện số lượng hàng xóm nút mạng kết nạp nút vào danh sách hàng xóm để dảm bảo cân bậc đỉnh sau kết nạp Chƣơng MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 4.1 Phƣơng thức mô Để mô phỏng, ta thực theo hai bước sau: Bƣớc 1: Xây dựng lớp mạng phủ giới nhỏ cho iGridMedia Bƣớc 2: Thiết lập tham số mô Bƣớc 3: Thực chương trình mơ ghi nhận kết Hình 20 Chương trình mơ 4.2 Kết 4.2.1 Đánh giá số lƣợng gói tin điều khiển mạng Kết quả: 12 Hình 21 Đánh giá số lượng gói tin điều khiển mạng/giây Nhận xét: Sau khởi tạo danh sách hàng xóm, số lượng thơng điệp dành cho điều khiển mạng hai giải thuật tương đối ổn định, nhiên giải thuật kết hợp Gocast giới nhỏ, số lượng gói tin nhỏ 4.2.2 Đánh giá tốc độ truyền nhận thơng tin Kết quả: Hình 22 Đánh giá tốc độ truyền nhận thông tin Nhận xét: Cả hai giải thuật, giải thuật giới nhỏ túy giải thuật kết hợp Gocast giới nhỏ, phù hợp với giao thức kéo đẩy Igridmedia 4.2.3 Đánh giá thời gian trễ nguồn nút mạng Kết quả: Hình 23 Độ trễ trung bình truyền liệu nút so với nguồn Nhận xét: Giải thuật kết hợp thu độ trễ trung bình nhỏ so với giải thuật giới nhỏ, nữa, độ trễ khơng có xu hướng tăng kéo dài thời gian mô Điều nói lên rằng, việc đưa thêm tiêu chí để lựa chọn hàng xóm, đảm bảo danh sách hàng xóm ổn định làm giảm độ trễ trung bình mạng 4.2.4 Đánh giá khoảng cách trung bình mạng Kết quả: 13 Hình 24 Đánh giá khoảng cách trung bình nút mạng Nhận xét: Số bước truyền tin trung bình (avg hop) hai giải thuật xấp xỉ nhau, điều có nghĩa giải thuật kết hợp giữ nguyên đặc tính quan trọng mạng giới nhỏ tức khoảng cách trung bình nút nhỏ 14 Chƣơng KẾT LUẬN & PHƢƠNG HƢỚNG MỞ RỘNG Các nghiên cứu xây dựng mạng giới nhỏ theo tiêu chí đánh giá hàng xóm theo độ trễ truyền tin xây dựng mạng tận dụng liên kết có hiệu suất truyền tin cao, tạo nhóm truyền tin với hiệu suất lớn Tuy nhiên vấn đề gặp phí để xây dựng mạng trì cịn cao, tính ổn định mạng cịn thấp Phương pháp cải tiến đề xuất sử dụng kết hợp mơ hình lý thuyết mạng giới nhỏ, giải thuật Gocast triển khai thực tế Do có nhiều điểm tương đồng với giải thuật giới nhỏ, Gocast giúp khắc phục phần điểm yếu chi phí xây dựng trì mạng, loại bỏ vịng lặp xây dựng hàng xóm vơ tận giải thuật cũ Để phân tích sâu mặt định lượng chúng tơi sử dụng trình mơ mã nguồn mở iGridMedia để thực thao tác đánh giá Kết mô thu chứng tỏ đề xuất thu kết định so với giải thuật gốc Giải thuật đề xuất giữ đặc tính mạng giới nhỏ gốc giảm số lượng gói tin điều kiển để trì mạng đồng thời giảm độ trễ trung bình truyền tin tất nút mạng Các kết nghiên cứu kết dừng mức lý thuyết mô Hy vọng tương lai, có thêm thời gian hội để hồn thiện sửa đổi mình, hồn thiện ý tưởng mà chưa kịp thực đề xuất thuật phương thức hiệu cho việc truyền quảng bá thông tin mạng giới nhỏ, xây dựng mạng phù hợp với truyền hình đa kênh truyền Chúng tơi hi vọng đưa phương pháp đánh giá sai khác liệu chia sẻ nút tăng tốc độ xây dựng lớp mạng phủ 15 ... TRUYỀN HÌNH NGANG HÀNG TRÊN MẠNG THẾ GIỚI NHỎ 2.1 Ứng dụng chia sẻ video, truyền hình mạng ngang hàng Chia sẻ video qua mạng ngang hàng hoạt động phổ biến mạng Internet Hình Phân loại ứng dụng chia... Kiến trúc lớp mạng phủ 17 Chƣơng TRUYỀN HÌNH NGANG HÀNG TRÊN MẠNG THẾ GIỚI NHỎ 19 2.1 Ứng dụng chia sẻ video, truyền hình mạng ngang hàng 19 2.2 Các loại mơ hình lớp mạng phủ - Overlay... 27 2.2.4 Mạng giới nhỏ 29 2.2.4.1 Mô tả mạng giới nhỏ 29 2.2.4.2 Tính chất mạng giới nhỏ 31 2.3 Ứng dụng mạng giới nhỏ 33 2.3.1 Đánh giá lớp mạng phủ