Gần đây các ứng dụng Internet trong mạng ngang hàng đã được phổ biến một cách rộng rãi thông qua các ứng dụng chia sẽ file như Napster, Gnutella và FreeNet. Trong khi khá nhiều sự chú đều tập trung vào các vấn đề bản quyền được đưa ra bởi các ứng dụng cụ thể thì các hệ thống P2P lại đưa nhiều khía cạnh về vấn đề kỹ thuật như kiểm soát phân cấp, tự tổ chức và khả năng mở rộng. Các hệ thống P2P được mô tả như một hệ thống phân phối, trong đó tất cả các nút đều có nhiệm vụ và năng lực giống nhau, đồng thời tất cả các thông tin truyền thông là đối xứng.
Hiện nay có khá nhiều dự án nhằm xây dựng các ứng dụng P2P. Một trog những vấn đề quan trọng trong việc xây dựng này là nhằm cung cấp các thuật toán hiệu quả cho vị trí đối tượng và quá trình định tuyến trong mạng. Pastry là một trong những giải pháp được đưa ra. Pastry có khả năng chống chịu lỗi, khả năng mở rộng và đáng tin cậy. Hơn nữa, Pastry còn có đặc tính định tuyến cục bộ khá tốt.
Pastry được thiết kế như một chất nền chung cho việc xây dựng một loạt các ứng dụng mạng ngang hàng trên Internet như chia s file toàn cầu, lưu trữ file, truyền thông nhóm và các hệ thống đặt tên. Một số ứng dụng được xây dựng trên đinh của Pastry cho đến nay bao gồm một tiện ích lưu trữ liên tục chung, được gọi là PAST và một hệ thống có khả năng mở rộng, đó là Scribe. Còn lại các ứng dụng khác đang được phát triển.
Pastry cung cấp các khả năng sau đây: đầu tiên mỗi nút trong mạng pastry sẽ có một định danh duy nhất (NodeId) trong một không gian định danh 128 bit vòng tròn. Khi có một thông điệp và một khóa 128 bit dạng số, một nút pastry sẽ hiệu quả trong việc định tuyến thông điệp đó tới một nút với nodeid có số gần nhất với khóa, trong số tất cả các nút pastry hiện đang sống. Số lượng chuyển tiếp các bước trong mạng bao phủ pastry là O(logN), trong khi kích thước của bảng định tuyến được duy trì trong mỗi nút Pastry chỉ là O(logN) (trong đó N là số nút Pastry sống trong mạng bao phủ). Tại mỗi nút Pastry dọc theo đường định tuyến mà một tin nhấn có, ứng dụng sẽ được thông báo và có thể thực hiện các tính toán ứng dụng cụ thể có liên quan đến tin nhắn.
Thứ hai, môi nút Pastry sẽ tiến hành theo dõi L hàng xóm trực tiếp của nó trong không gian nodeid (được gọi là tập lá) và thông báo cho các ứng dụng của các nút mới đến, nút ra và nút phục hồi trong tập lá. Thứ ba, pastry đưa vào tài khoản cục bộ trong Internet cơ bản, nó tìm cách giảm thiểu khoảng cách truyền đi thông điệp, theo một hệ mét xấp xỉ vô hướng giống như độ trễ lệnh ping. Pastry hoàn toàn là phi tập trung, có khả năng mở rộng và tự tổ chức. Bởi vậy nó sẽ tự động thích nghi với sự ra đi, đến và sự thất bại của các nút. ứng dụng P2P xây dựng trên pastry có thể sử dụng khả năng của mình bằng nhiều cách, bao gồm:
Lê Ngọc Anh – D09VT2 54 Ánh xạ đối tượng ứng dụng tới các nút Pastry: Các đối tượng ứng dụng cụ thể được phân công thành các định danh ngẫu nhiên đồng đều, duy nhất ( các ObjId) và được ánh xạ tới k (k ≥ 1), các nút với nodeId có số gần nhất với objId. Đại lượng k phản ánh mức độ mong muốn nhân rộng các ứng dụng cho các đối tượng.
Cách chèn them các đối tượng: Các đối tượng ứng dụng cụ thể có thể được them vào bằng cách đinh tuyến một thong điệp Pastry sử dụng ObjId như là khóa (key).
Quá trình truy cập các đối tượng: Các đối tượng ứng dụng cụ thể có thể được tra cứu, liên lạc hoặc thu hồi bằng cách định tuyến một thông điệp Pastry có sử dụng ObjId như là khóa. Theo định nghĩa, thong điệp này được đảm bảo đến một nút có khả năng duy trì một bản sao của đối tượng được yêu cầu, trừ khi tất cả k nút với các nodeId gần nhất với ObjId đều thất bại
Tính đa dạng: Việc phân công các nodeId là ngẫu nhiên và không thể bị hỏng bởi một sự tấn công nào đó. Như vậy, với xác suất cao, các nút với các nodeId liền kề có tính đa dạng cả về vị trí địa l , thẩm quyền, quyền sở hữu và việc đính kèm các tập tin trong mạng…Điều này giảm thiểu xác suất thất bại đồng thời của tất cả k nút trong việc duy trì một bản sao đối tượng.
Khả năng cân bằng tải: Cả nodeId và ObjId đều được phân bố ngẫu nhiên và đồng đều trong không gian định danh Pastry 128bit. Kết quả này tạo nên một sự cân bằng tốt đầu tiên nhằm lưu trữ các yêu cầu và truy vấn tải trọng giữa các nút Pastry cũng như trong mạng Internet cơ bản.
Hiệu quả và khả năng mở rộng việc phổ biến thông tin: Các ứng dụng có thể thực hiện multicast một cách hiệu quả bằng cách sử dụng chuyển tiếp đường dẫn ngược dọc theo cây được hình thành bởi các định tuyến từ các client tới nút có nodeId gần với ObjId nhất. Tính chất cục bộ của mạng Pastry đảm bảo rằng các kết quả multicast trên cây là khá hiệu quả, tức là dữ liệu có hiệu quả trong việc cung cấp và sử dụng nguồn tài nguyên Internet cơ bản.
Pastry là một giao thức phân phối dữ liệu và định tuyến ở lớp ứng dụng trong các ứng dụng mạng ngang hang có cấu trúc. Đúng như định nghĩa của nó, Pastry có 2 nhiệm vụ chính là phân phối dữ liệu trong một mạng ngang hang và tìm kiếm dữ liệu trong mạng dựa vào khóa tìm kiếm. Hệ thống Pastry là một hệ thống phân tán có khả năng tự cấu hình và có tính ổn định cao, khả năng chống chịu lỗi tốt, đồng thời nó cũng có khả năng mở rộng và ứng dụng cho những dịch vụ lớn.
Pastry sử dụng giao thức DHT để lấy định danh các nút tham gia vào hệ thống mạng. Với dải địa chỉ lớn thì giao thức DHT quả thực rất phù hợp với hệ thống mạng ngang hang, không ngoại trừ đối với Pastry. Tuy nhiên điều thú vị của Pastry nằm ở bảng định tuyến sẽ được mô tả dưới đây.
Lê Ngọc Anh – D09VT2 55
Hình 3.1 Bảng định tuyến của nút 10233102 trong Pastry
Nút và dữ liệu trong mạng Pastry được định danh bởi một giá trị 128bit (nodeId và ObjId). Mỗi dữ liệu lưu trữ trong mạng được băm bởi một hàm băm, từ đó thu được một giá trị gọi là khóa và dữ liệu này được lưu trữ tại nút quả lý dãy các khóa có chứa giá trị khóa này ( giá trị khóa thu được khi băm dữ liệu).
Mỗi nút trong mạng sẽ lưu trữ một bảng định tuyến (routing table) một tập các hàng xóm (neighborhood – set) và một tập namespace. Pastry dùng các dữ liệu này để quản lý và duy trì sự ổn định của mạng, đồng thời phục vụ cho việc tìm kiếm dữ liệu.
Ở hình 3.1 là bảng định tuyến của nodeId 10233102. Dựa vào bảng định tuyến này, nút 10233102 có thể gửi dữ liệu đến cho nút khác. Ví dụ 10233102 muốn gửi thông điệp m tới cho nút 33321220. Đầu tiên nó sẽ tìm trong các nút hàng xóm trong bảng định tuyến, nếu có sẽ gửi đến luôn. Nếu không tìm thấy nó sẽ tìm trong Routing Table và so sánh các ký tự ban đầu của nút cần gửi đến 33321220 với các cột trong Routing Table. Cụ thể là nút 33321220 có ký tự đầu là 3: nó sẽ tìm trong Routing Table tại hàng 1 cột 3 và tìm được nút 31203203. Do ngay từ ký tự đầu của nút cần gửi đã khác nút gửi nên quá trình tìm kiếm dừng lại. Nút 1023312 sẽ gửi đến nút 31203203 với yêu cầu sẽ gửi thông điệp m đến nút 33321220. Quá trình này tiếp tục xảy ra cho đến khi đến được nút cần gửi.
Lê Ngọc Anh – D09VT2 56
Hình 3.2 Nút 10233102 gửi thông điệp m đến nút 33321220
Các nút định kỳ gửi các gói tin keep-alive cho các nút bằng hàng xóm của nó và nếu như một nút nào đó không nhận được gói keep-alive của một nút bằng xóm trong tập hàng xóm của nó trong một thời gian nhất định thì nó sẽ xem như nút hàng xóm đã rời khỏi mạng và tự động update thông tin.
3.2 Qu tr nh truyền tin multicast trong nhóm Scribe
Scribe là cơ sở hạ tầng cho việc truyền tin multicast ở lớp ứng dụng dựa trên giao thức Pastry. Cũng chính vì thế mà nó thừa hưởng được những đặc tính của một giao thức mạng ngang hàng có cấu trúc và đồng thời mang những đặc điểm này vào trong việc truyền thông điệp multicast ở lớp ứng dụng. Giống như Pastry, Scribe là mô hình phân quyền hoàn toàn và nó có khả năng xây dựng, duy trì mạng, phát tán thông báo một cách có tổ chức và tin cậy. Đồng thời có tính tương thích cao với số lượng nhóm, số thành viên trong nhóm lớn cũng như khi có nhiều tài nguyên trên mạng.
Scribe sẽ xây dựng một cây multicast bằng cách gọi thủ tục join giao thức Pastry mỗi khi một nút có yêu cầu đăng nhập vào nhóm truyền tin multicast. Và nhờ khả năng tự cấu hình của Pastry mà vấn đề quản lý nút, nút lỗi cũng như ra vào của nút trở nên dễ dàng. Đồng thời, Scribe sử dụng giao thức Pastry để phát tán thông báo multicast. Scribe tổ chức theo nhóm, tức là hợp những nút có cùng nhu cầu nhận dữ liệu multicast vào một nhóm. Về mặt logic thì các nút trong nhóm sẽ có quan hệ với nhau theo hình cây (sẽ giải thích kỹ ở phần sau). Bất kỳ một nút nào trong mạng cũng có thể thực hiện được 3 thao tác: Một là tạo ra 1 nhóm (group), hai là join vào một
Lê Ngọc Anh – D09VT2 57
nhóm đã có từ trước (trở thành 1 nút trong cây multicast) và ba là truyền tin multicast tới tất cả các nút có trong nhóm. Scribe là một mô hình cung cấp một cách „nỗ lực tối đa” trong việc truyền tin multicast, nó có thể quản l và duy trì được nhiều nhóm cùng một lúc, các nhóm có số lượng thành viên lớn cũng như có nhiều tài nguyên trong mạng.
3.2.1 Chi tiết giải thuật
Mô hình
Mô hình thực thi Scribe là một mạng Pastry trong đó các máy có cài đặt chương trình ứng dụng của Scribe. Chương trình ứng dụng này sẽ cung cấp cho các máy này hai phương thức là forward (được gọi khi một thông điệp định tuyến qua một nút) và deliver (được gọi khi thông điệp đến một nút mà có nodeId gần với key nhất hoặc nội dung thông điệp chính là địa chỉ của nút đó). Các thông điệp trong Scribe có 4 kiểu là: JOIN (xin tham gia vào một nhóm), CREATE (tạo một nhóm mới), LEAVE (rời khỏi nhóm), MULTICAST (truyền thông điệp multicast).
- Quản lý nhóm:
Mỗi nhóm truyền multicast có một định danh groupId duy nhất.
Scribe node (tức là nút trong mạng có cài chương trình ứng dụng Scribe) có Id gần với Id của nhóm (groupId) nhất được gọi là “điểm gặp” và nó cũng chính là gốc của cây multicast tương ứng với groupId này luôn).
- Tạo nhóm: Một nút Scribe nào đó muốn khởi tạo một nhóm thì các bước thực
hiện sẽ là:
B1: Nút Scribe dùng Pastry định tuyến thông điệp router (CREATE , groupId).
B2: Giao thức Pastry sẽ gửi thông điệp này tới điểm cuối là một nút có nodeId gần với groupId nhất. Và nút này sẽ được xem như là gốc của nhóm mới tạo ra.
B3: Hệ thống sẽ kiểm tra độ an toàn, các thông tin về chứng thực. Nếu không có vấn đề gì thì sẽ thêm nhóm mới vào danh sách nhóm đã biết trong mạng.
Trong việc tạo nhóm, bước quan trọng nhất chính là bước kiểm tra độ an toàn và chứng thực thông tin, vì điều này có ảnh hưởng rất lớn tới sự an toàn của toàn mạng nói chung chứ không chỉ riêng sự an toàn của nhóm multicast.
- Quản lý thành viên:
Một nhóm về phương diện logic là một cây multicast có gốc là “điểm gặp”, mỗi khi có một nút mới được join vào nhóm thì nó sẽ trở thành một thành viên của nhóm cũng như trở thành một thành phần của cây multicast, vì thế phải có cơ chế hợp l để tổ chức, quản lý các thành viên của nhóm. Nếu một nút Scribe là một phần của nhóm thì về phương diện cây multicast thì nó là một forwarder. Mỗi một forwarder duy trì một bảng gọi là children table mà mỗi mục của bảng này sẽ gồm 2 trường : địa chỉ IP của một nút con nào đó của nó (IP Adds) và nodeId tương ứng của nút con đó.
Lê Ngọc Anh – D09VT2 58
3.2.2 Qu tr nh gia nhập nhóm (join group):
Khi một nút muốn join vào một nhóm nào đó, nó sẽ thực hiện các bước sau:
Gửi thông điệp JOIN với groupId của nhóm cần tham gia làm key: route (JOIN, groupId).
Giao thức Pastry sẽ định tuyến nó tới “điểm gặp”.
- Nếu nút trung gian trong quá trình truyền thông điệp là một forwarder (một thành phần của nhóm đang định tham gia vào) thì đơn giản chỉ là thêm nút cần tham gia vào làm một nút con của nút forwarder này.
- Nếu nút trung gian không phải là một forwarder của nhóm cần tham gia vào thì thực hiện các bước:
+ Tạo một children table cho nút trung gian và thêm thông tin của nút cần tham gia vào bảng này.
+ Gửi thông điệp JOIN của nút trung gian tới “điểm gặp” ( lúc này thay cho việc thực hiện tham gia nút ban đầu, ta đi tham gia nút trung gian vào nhóm). Và cứ thực hiện đệ quy như thế này ta sẽ có được một danh sách các nút mới tham gia vào nhóm thay vì chỉ một nút như ban đầu.
Để dễ hiểu, ta xét ví dụ sau: Một nhóm có “điểm gặp” là A có nodeId = 1100 (như ở hình vẽ dưới).
Hình 3.3 Quá trình 1 nút gia nhập vào nhóm
Nút B có nodeId là 0111 muốn tham gia vào nhóm có A là gốc, nó sẽ gửi gói tin route (JOIN,x) với x là groupId của nhóm này, giao thức Pastry sẽ định tuyến gói tin tới nút D có nodeId là 1001. Nhưng nút D không phải là một thành phần của nhóm này cho nên D sẽ tạo ra một children table của nó và thêm vào đó mục (122.45.1.23 ; 0111). Tiế theo D sẽ gửi gói tin yêu cầu tham gia vào nhóm có gốc A : route (JOIN ,x). Tiếp tục giao thức Pastry lại định tuyến nó tới nút E và E cũng không phải thành viên của nhóm này. Vì thế E cũng tạo ra một children table của nó và thêm mục (172.16.2.13; 1001). Và sau đó E gửi gói tin route (JOIN,x). Gói tin này tiếp tục được định tuyến và tới A vì A là một thành phần của nhóm cho nên ở đây A sẽ thêm mục
Lê Ngọc Anh – D09VT2 59
(10.10.1.123;1101) vào children table của nó. Kết quả là ta sẽ có thêm 3 thành phần mới của nhóm là B, D và E.
3.2.3 Quá tr nh rời nhóm (leave group)
Khi một nút nào đó muốn rời khỏi nhóm thì nó sẽ ghi một cách cục bộ rằng nó đã rời khỏi nhóm (tức là chỉ một mình nó biết là nó đã rời khỏi mạng). Sau đó nếu bảng children table của nút này là rỗng (tức là nó không có con trong cây multicast) thì nó sẽ gửi thông điệp LEAVE tới cha của nó trong cây multicast. Thông điệp này sẽ được đệ quy trong cây multicast cho tới khi nó tới một nút mà nút có con đã rời khỏi như trong trường hợp nó không có con nào cả. Sau đó các con của nó sẽ xem như nó bị lỗi và thực thi theo cơ chế sửa lỗi (sẽ trình bày ở dưới).
Với cách gia nhập và rời khỏi nhóm như thế này và với đặc tính phân phối ngẫu nhiên của Pastry thì cây multicast sẽ được xây dựng một cách đồng đều theo nghĩa là không một nút nào trong cây mutlicast, ngay cả nút gốc phải chịu quá nhiều kết nối tới các nút khác. Việc này giúp cho Scribe có khả năng mở rộng về kích thước cũng mhư về khả năng, tức là cả khi tăng số lượng nút trong nhóm hay tăng các gói tin multicast gửi đến mạng thì Scribe vẫn có thể đảm đương được.
3.2.4 Truyền tin multicast tới mạng
Khi một nút nào đó muốn truyền multicast tới các điểm trong một nhóm nào đó thì nó sẽ gửi thông điệp multicast tới “điểm gặp” (route (MULTICAST,rootId). Sau khi điểm gặp nhận được thông điệp này nó sẽ gửi trả lại nút kia IP của nó (rootIP), sau đó