Phân tích Hiệu năng của Các Thuật toán Giải pháp Cải tiến trên Mạng P2P

0B Lý thuyết tổng quan

• Lý thuyết chung về về mạng P2P
• Lý thuyết về Distributed Hash Table (DHT)
• Giới thiệu một số DHT
• Các phương pháp đánh giá, thử nghiệm mạng P2P

Bởi vì truy cập vào các tài nguyên phân tán này cũng có nghĩa là hoạt động trong một môi trường liên kết không ổn định và với địa chỉ IP có thể thay đổi, các node P2P phải hoạt động ngoài hệ thống DNS và có quyền tự trị cao hoặc hoàn toàn tự trị. Không giống thế hệ thứ nhất, các peer không thông báo về các nội dung chúng chia sẻ, khi một peer muốn tìm kiếm một file, nó gửi yêu cầu tới các peer kết nối trực tiếp với nó, nếu các peer đó không tìm thấy file, mỗi peer sẽ gửi yêu cầu tìm kiếm đến. Ý tưởng chính của các ứng dụng tính toán phân tán là các chu kỳ xử lý nhàn rỗi trên bất kỳ máy tính nối mạng nào đều có thể được sử dụng cho việc giải quyết bài toán trên các máy yêu cầu nhiều năng lực tính toán.

Các cơ chế đảm bảo độ tin cậy trong mạng p2p bao gồm nhân bản dữ liệu, phát hiện và khôi phục node bị lỗi, xây dựng nhiều cơ chế đảm bảo thông tin định vị, tránh “single point of failure” và đảm bảo nhiều đường đi tới dữ liệu. Replication và fault tolerance (nhân bản và chịu lỗi): bên cạnh các node rời khỏi mạng có báo trước, một số node có thể đột ngột rời khỏi mạng do một số nguyên nhân như mất điện, đường truyền hỏng, …, trường hợp này khó xử lý hơn trường hợp các node thông báo đến các node khác trước khi rời khỏi mạng. Khi node n muốn join vào mạng, nó phải tìm ID của mình thông qua một số contact trong mạng và chèn bản thân nó vào vòng giữa successor s của nó và predecessor của s sử dụng một thuật toán stabilization chạy định kỳ.

Sau đó node 6 join vào mạng rồi node 3 rời khỏi mạng, bảng định tuyến của các node và sự thây đổi bảng định tuyến được thể hiện trong hình vẽ với những phần thay đổi có màu đen, những phần không đổi có màu xám. Mỗi node trên đường đi sẽ kiểm tra xem nó có ánh xạ vị trí của item đó không, nếu có nó sẽ chuyển truy vấn theo hướng đến node lưu item, nếu không có nó sẽ chuyển tiếp truy vấn theo hướng đến root của item.

1B Đánh giá hiệu năng một số DHT

• Đánh giá hiệu năng một số DHT
• N/A 2- Good

Đánh giá ảnh hưởng của các tham số thiết kế đến hiệu năng một DHT cho phép xác định các tham số quan trọng đối với hiệu năng của DHT và xác định khoảng giá trị của các tham số trong đó DHT làm việc tốt. Đánh giá ảnh hưởng của các tham số thiết kế và so sánh hiệu năng của các DHT khác nhau không những có ích trong việc nghiên cứu và cải tiến DHT mà còn cho phép các ứng dụng lựa chọn DHT phù hợp với điều kiện môi trường, điều chỉnh các tham số cần thiết để đạt được hiệu quả tối ưu. Ứng với mỗi bộ tham số, kết quả mô phỏng DHT thống kê các thông số hiệu năng của DHT như tỷ lệ tìm kiếm thành công (hoặc tỷ lệ tìm kiếm thất bại), độ trễ tìm kiếm, băng thông trung bình mỗi node sử dụng,….

Các mô phỏng này được biểu diễn trên độ thị hai chiều với trục đứng biểu diễn tỷ lệ tìm kiếm thành công/thất bại, hoặc độ trễ tìm kiếm và trục ngang là băng thông trung bình mỗi node sử dụng. Đường overall convex hull được sử dụng để đánh giá hiệu năng tổng quát trong khi đường parameter convex hull được dùng để phân tích ảnh hưởng của các tham số đến hiệu năng của DHT. Quá trình tìm ra churn rate cho tỷ lệ tìm kiếm thành công trên 90% trong các trường hợp tốt bao gồm hai quá trình đan xen: quá trình chọn ra churn rate cho hiệu năng cao và quá trình chọn ra dải giá trị tốt của từng tham số.

Quá trình chọn churn rate bắt đầu bằng mô phỏng DHT với churn rate cao, hiệu năng của DHT trong trường hợp này thấp, tỷ lệ tìm kiếm thành công < 90 % kể cả những trường hợp tốt. Kademlia không chỉ đạt được tỷ lệ tìm kiếm thành công 90% trong điều kiện churn rate cao nhất mà còn có tính khả mở cao nhất, hiệu năng trong mạng 1000 node không thấp hơn quá nhiều so với hiệu năng trong mạng 100 node. Từ kết quả mô phỏng trên, một tập nhỏ các giá trị tham số của Chord, Kelips và Tapestry được lựa chọn làm đầu vào trong kịch bản mô phỏng thứ 2 ( liệt kê trong các bảng ).

Trong kịch bản này, giá trị trung bình của các kết quả mô phỏng được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của churn rate và kích thước mạng nên hiệu năng của các giao thức trên. Tác động của churn rate đối với tỷ lệ tìm kiếm thất bại (hình trên) và độ trễ tìm kiếm trung bình (hình dưới) trong các mạng có kích thước khác nhau. Trong các hình trên, ChordN, KelipsN và TapestryN biểu diễn các mạng Chord, Kelips và Tapestry với kích thước N. Khi churn rate cao, node join/leave với interval < 120s), Tapestry có tỷ lệ tìm kiếm không thành công thấp nhất, tức là có tỷ lệ tìm kiếm thành công cao nhất, trong khi Chord có tỷ lệ tìm kiếm không thành công cao nhất. Từ XHình 2.11X ta có thể thấy cả tỷ lệ tìm kiếm thất bại và độ trễ tìm kiếm trung bình của Chord là nhỏ nhất trong khi các chỉ số này của Kelips là lớn nhất.

Ảnh hưởng của tham số “base” đối với hiệu năng của Tapestry (trái) và tham số “gossip interval” đối với hiệu năng của mạng Kelips trong mạng 1000 nodes khi các. Biểu diễn convex hull của successor stabilization interval (trái) và finger stabilization interval (phải ) trong mạng Chord 1000 node khi các node join/leave với. Kết quả mô phỏng cho thấy, đối với một số DHT như Kelips hay Tapestry, ứng dụng có thể thiết lập một số tham số đến xấp xỉ một giá trị nhất định để DHT đạt được hiệu năng tối ưu.

2B Cải tiến hiệu năng của Chord

• Giải pháp duy trì vòng dùng cơ chế lock
• Giải pháp caching proxy
• Giải pháp dùng nhân bản đối xứng cải tiến

Đảm bảo độ chính xác của danh sách successor và predecessor của mỗi node trong điều kiện các node join/leave với tốc độ cao đồng thời giảm sai sót trong trường hợp các xảy ra lỗi. Ý tưởng của giải pháp này là sử dụng biến lock tại mỗi node để quản lý sự join/leave của node đó và node sau nó, đảm bảo vòng Chord cập nhật tức thời khi xảy ra join/leave trừ trường hợp lỗi. Khi node q muốn rời khỏi mạng, nó phải lấy lock của bản thân, nếu lock của q đang ở trạng thái taken thì q phải đợi đến khi lock chuyển sang trạng thái free.

Nếu timeout xảy ra tại successor của node đang trong quá trình gia nhập hoặc rời khỏi mạng, node sẽ thiết lập biến lock của nó sang trạng thái free và khởi tạo quá trình stabilization. Nếu predecessor thực sự bị fail, quá trình stabilization sẽ tự động khôi phục hệ thống và các lock tương ứng được giải phóng, khi đó hệ thống sẽ trở về trạng thái đúng. Thuật toán join được xửa để successor của node đang trong quá trình join vào mạng gửi successor-list cùng với thông điệp JoinPont, như vậy các node có thể khởi tạo successor list của mình.

Khi nhận được yêu cầu tìm dữ liệu K từ node A, node B trả kết quả tìm kiếm là node C về cho node A và đồng thời trả kết quả (keyed, nodeid, ipaddress) này cho main proxy chịu trách nhiệm cho node C. Khi một node tìm kiếm một key, nó sẽ gửi đồng thời hai request, request thứ nhất tới main proxy tương ứng, request thứ hai được gửi tới node đứng trước gần key nhất trong bảng finger như trong thuật toán Chord. Nếu thông tin về key đó đã được cache, proxy sẽ gửi thông tin này tới node tìm kiếm và node tìm kiếm sẽ bỏ qua các thông điệp từ các quá trình tìm kiếm khác.

Nếu node đang join vào mạng là main proxy, nó sẽ thông báo với main proxy đứng trước nó để lấy về danh sách proxy list và cập nhật danh sách main proxy trong tất cả proxy. Node thông thường sẽ thông báo danh sách main proxy mới cho successor và predecessor của nó cho đến khi các node trong vòng có cùng danh sách main proxy (version giống nhau). Một node dừng việc thông báo danh sách main proxy mới cho successor và predecessor của nó khi danh sách main proxy của nó giống với danh sách main proxy nó nhận được từ successor hoặc predecessor.

Khi một node n join vào hệ thống, nó sẽ kích hoạt sự kiện JoinReplication, sự kiện này gửi thông điệp RetrieveItems tới successor để lấy về các item n cần lưu. Sau đó, các item liên kết với một ID trong giải xác định được sao từ bảng HashTable cục bộ tới mảng vừa tạo và được gửi trở lại trong thông điệp Replicate tới node vừa join vào mạng. Khi một node muốn leave khỏi hệ thống, nó sẽ kích hoạt sự kiện LeaveReplication, sự kiện này sử dụng sự kiện RetrieveItems để sao các item mà nó chịu trách nhiệm và gửi chúng trong thông điệp Replicate tới node successor.