Giải pháp cân bằng tải sử dụng cấu trúc thư mục cho mạng ngang hàng có cấu trúc

  • Số trang: 56 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 9 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐỖ CAO MINH GIẢI PHÁP CÂN BẰNG TẢI SỬ DỤNG CẤU TRÚC THƯ MỤC CHO MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ 2 Hà Nội - 2010 MỤC LỤC……………………………………………………………………. ……... 1 DANH MỤC THUẬT NGỮ………………………………………………….……... 3 DANH MỤC HÌNH VẼ……………………………………………………..……...... 4 MỞ ĐẦU ……………..…………………………….……………………….…………6 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGANG HÀNG………………………...9 1.1 Tổng quan về mạng ngang hàng ......................................................................9 1.1.1 Khái niệm về mạng ngang hàng ..................................................................9 1.1.2 Ưu điểm của mạng ngang hàng .................................................................10 1.1.3 Nhược điểm của mạng ngang hàng............................................................11 1.2 Phân loại mạng ngang hàng ............................................................................11 1.2.1 Phân loại theo mức độ tập trung của các node mạng.................................11 1.2.2 Phân loại theo cấu trúc liên kết..................................................................13 1.3 Mạng ngang hàng có cấu trúc dựa trên DHT(Distributed Hash Table) ………………………………….……………………………………………….15 1.3.1 Giới thiệu DHT .........................................................................................15 1.3.2 Mạng chord...............................................................................................17 a. Mô hình mạng Chord ....................................................................................17 b. Ánh xạ khóa vào một node trong Chord ........................................................19 c. Tìm kiếm trong mạng Chord..........................................................................19 d. Tham gia và ổn định mạng ............................................................................20 1.4 Kết luận............................................................................................................20 CHƯƠNG 2 - CÂN BẰNG TẢI TRÊN MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC…………………………………….…………………………………………..22 2.1 Khái niệm về tải trên mạng ngang hàng ........................................................22 2.1.1 Khái niệm .................................................................................................22 2.1.2 Node quá tải..............................................................................................23 2.1.3 Node có tải cao và Node có tải thấp ..........................................................23 2.2 Các nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng tải trên các hệ thống DHT............23 2.2.1 Định danh các node không cân bằng .........................................................23 2.2.2 Định danh dữ liệu không cân bằng ............................................................24 2.2.3 Hot spots...................................................................................................25 2.2.4 Khả năng các node không cân bằng...........................................................26 2.2.5 Nhận xét....................................................................................................26 3 2.3 Các giải pháp cân bằng tải ..............................................................................26 2.3.1 Hướng sử dụng server ảo ..........................................................................27 a. Sử dụng Log(N) Virtual Servers.........................................................................27 b. Phương pháp Proportion ...................................................................................28 c.Phương pháp di chuyển Virtual Server (Transfer)...............................................29 2.3.2 Hướng không sử dụng server ảo................................................................33 Thuật toán cân bằng tải theo ngưỡng ....................................................................33 2.3.3 Kết luận ....................................................................................................39 CHƯƠNG 3 - ĐỀ XUẤT CẢI TIẾN THUẬT TOÁN CÂN BẰNG TẢI THEO NGƯỠNG ……………………………………...………………………………..40 3.1 Một số khái niệm .............................................................................................41 3.2 Thuật toán ThresholdPlus ..............................................................................41 3.3 Đánh giá:..........................................................................................................46 CHƯƠNG 4 - ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT DỰA TRÊN MÔ PHỎNG …………………………………………………...…………………..48 4.1 Ảnh hưởng thời gian sống của một node tới các thuật toán cân bằng tải… .48 4.2 Ảnh hưởng của số lượng các câu truy vấn tới các thuật toán cân bằng tải ..49 4.3 Ảnh hưởng của câu truy vấn dạng Zipf tới các thuật toán cân bằng tải .. …50 4.4 So sánh kết quả thực nghiệm của thuật toán Threshol Plus với các thuật toán đã có: ................................................................................................................51 4.5 Kết luận............................................................................................................52 CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN………………….............54 5.1 Kết luận............................................................................................................54 5.2 Hướng phát triển tiếp theo..............................................................................54 4 THUẬT NGỮ Thuật ngữ Based -DHT Broadcast Chord Client/Server DHT (Distributed Hash Table ) Directory Entry Finger Table Host Ports Identify Key LBM (Load Balancing Matrix) Load Load-balancing Node Overload P2P (Peer to Peer network) Partial query Predecessor(n) Query Successor(n) Target Unilization Workload Ý nghĩa Dựa trên bảng băm phân tán Một thông điệp truyền tới tất cả các trạm Một giao thức dựa trên mang ngang hàng có cấu trúc Máy khách/ Máy chủ Bảng băm phân tán Node Thư mục ; Đóng vai trò lưu trữ các thông tin tải của các node Một bản ghi trong bảng dùng để lưu thông tin về các đặc tả tài nguyên tại mỗi node Bảng định tuyến Node được truy cập với tần số cao Định danh Khóa Ma trận cân bằng tải Tải Cân bằng tải Thực thể có khả năng thực hiện một công việc hữu ích nào đó và trao đổi kết quả với các thực thể khác qua mạng một cách trực tiếp hoặc gián tiếp Quá tải Mạng ngang hàng Truy vấn từng phần Node đứng liền sau n (Tính theo chiều kim đồng hồ) Truy vấn Node đứng liền trước n (Tính theo chiều kim đồng hồ) Tải lớn nhất mà một node có thể nhận Hệ số sử dụng Tải làm việc 5 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Mô hình mạng ngang hàng ............................................................................9 Hình 2. Mô hình mạng ngang hàng thuần tuý............................................................12 Hình 3. Hệ thống mạng ngang hàng lai ghép.............................................................13 Hình 4. Tìm kiếm dữ liệu chia sẻ trong Gnutella.......................................................14 Hình 5. Một mạng Chord với 3 node 0, 1, 3 và các bảng Finger Table ứng với mỗi node. N = 3 bit nên có 3 entry....................................................................................18 Hình 6. Lưu giữ key trong mạng Chord: node 0 lưu key 6, node 1 lưu key 1 và node 3 lưu key 2....................................................................................................................19 Hình 7. Định danh các node không cân bằng ............................................................24 Hình 8. Dữ liệu các node không cân bằng .................................................................24 Hình 9. Kết quả mô phỏng về sự phân bố dữ liệu không đều nhau ............................25 Hình 10. Node Host spots .........................................................................................25 Hình 11.Khả năng các nút không cân bằng ...............................................................26 Hình 12.Cân bằng tải sử dụng Log(N) Virtual Servers ..............................................28 Hình 13. Tạo mới VS (a) và loại bỏ VS (b) ...............................................................29 Hình 14. Node nặng tải di chuyển VS sang node nhẹ tải (nếu chỉ có 1 VS mà vẫn nặng tải thì sẽ chia làm 2 VS để di chuyển)................................................................30 Hình 15. Phương pháp One - to - One.....................................................................31 Hình 16. Phương pháp One - to - Many ..................................................................32 Hình 17. (a) Node A chuyển tải cho node láng riềng B và (b) Chuyển định danh của node C vào giữa A và B. Độ cao của mỗi hình tương ứng là biểu diễn tải của các node. ..................................................................................................................................34 Hình 18. Node A có tải vượt quá ngưỡng. Node B có tải thấp hơn trong hai láng riềng của A. Tải được chuyển từ Node A cho Node B................................................35 Hình 19. Node A có tải vượt quá ngưỡng. Node B có tải thấp hơn trong 2 láng riềng của A. Tải được chuyển cho node B...........................................................................35 Hình 20. Node A có tải vượt quá ngưỡng, node E chuyển tải cho F, E di chuyển vị trí đến giữa A và B để nhận tải .......................................................................................36 Hình 21. Node A có tải vượt quá ngưỡng; Node G là nhẹ tải khi di chuyển không làm cho Successor(G) bị quá tải; di chuyển vị trí của G đến giữa A và B để G chịu tải ..................................................................................................................................38 6 Hình 22. Các node nhẹ tải A và F hỏi successor của nó (các đường mũi tên nét liên) và thông báo tình trạng tải cho thư mục 1 và thư mục 2 (các đường mũi tên nét đứt).43 Hình 23. Node A thực hiện cân bằng tải, node láng riềng B nhận tải hộ node A bằng cách dịch chuyển định danh về phía A .......................................................................44 Hình 24. Node A thực hiện cân bằng tải, node A chia tải cho node láng giềng B bằng cách dịch chuyển định danh của A về phía B. ............................................................44 Hình 25. Node A hỏi thư mục 1 để tìm một node nhẹ tải có thể dịch chuyển được (đường mũi tên nét liên). Định danh của node nhẹ tải E được chuyển đến giữa predecessor(A) và A để nhận tải hộ node A (đường mũi tên nét đứt). ........................45 Hình 26. Thời gian sống trung bình của một node thay đổi, các câu truy vấn thực hiện với phân bố Zipf và Uniform. ....................................................................................49 Hình 27. Số câu truy vấn đặt vào một node thay đổi, truy vấn được phân bố ở dạng Zipf và Uniform.........................................................................................................50 Hình 28. Truy vấn đặt vào các node ở dạng phân bố Zipf với tỷ lệ thay đổi. ............51 Hình 29. So sánh ThresholdPlus với Tranfer và Propotion. ......................................52 7 MỞ ĐẦU Một kiểu kiến trúc mạng mới với tên là mạng ngang hàng (Peer to Peer P2P) đã phát triển nhanh chóng trên internet. Trong đó hoạt động của mạng chủ yếu dựa vào khả năng tính toán và băng thông của các máy tham gia chứ không tập trung vào một số nhỏ các máy chủ trung tâm như các mạng thông thường. Sự phát triển nhanh chóng của mạng ngang hàng trong những năm gần đây thúc đẩy sự ra đời của nhiều ứng dụng mạng như các hệ thống chia sẻ file, tìm kiếm thông tin, tính toán lưới… Mạng ngang hàng có cấu trúc ra đời đảm bảo cho tính hiệu quả cũng như khả năng mở rộng của các ứng dụng này. Tuy nhiên, để đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng xây dựng trên mạng ngang hàng có cấu trúc cần phải giải quyết vấn đề cân bằng tải trong mạng ngang hàng có cấu trúc. Có hai hướng tiếp cận chính cho các thuật toán cân bằng tải đó là: hướng tiếp cận dựa trên server ảo (virtual server) và hướng tiếp cận không dựa trên server ảo. Trong luận văn này tôi tập trung vào hướng tiếp cận không dựa trên server ảo và đưa ra một giải thuật cải tiến của giải thuật cân bằng tải theo ngưỡng. Giải thuật của chúng tôi đưa ra cho phép các node quá tải tìm chính xác và nhanh chóng một node phù hợp để thực hiện việc cân bằng tải. Chúng tôi đã cài đặt và thử nghiệm thuật toán đề xuất trong điều kiện mạng gần với thực tế và thấy rằng thuật toán của chúng tôi giải quyết tốt vấn đề cân bằng tải của các node trong mạng. Nội dung luận văn gồm 5 chương cụ thể cho từng chương như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng ngang hàng, những khái niệm cơ bản về mạng ngang hàng đồng thời giới thiệu giao thức Chord, giao thức được sử dụng để triển khai mạng phủ DHT khi xây dựng chương trình mô phỏng. Chương 2: Tìm hiểu về vấn đề cân bằng tải trên mạng ngang hàng, một số nguyên nhân dẫn đến mất cân bằng tải, các giải pháp đã được đề xuất và phân tích về các giải pháp này. 8 Chương 3: Trên cơ sở các vấn đề tìm hiểu được ở chương 2. Chúng tôi đề xuất giải pháp cân bằng trên mạng ngang hàng có cấu trúc theo hướng không sử dụng server ảo. Đó là một giải thuật cải tiến của giải thuật cân bằng tải theo ngưỡng. Chương 4: Trình bày cách thực hiện chương trình mô phỏng đồng thời trình bày kết quả đánh giá giải thuật cân bằng tải dựa trên mô phỏng của chúng tôi. Chương 5: Trình bày các công việc mà chúng tôi đã thực hiện được, những vấn đề còn tồn tại của luận văn và hướng phát triển tiếp theo của chúng tôi. 9 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGANG HÀNG Trong chương này, luận văn sẽ giới thiệu khái quát về mạng ngang hàng, các đặc điểm, các hình thức phân loại của mạng ngang hàng, khái niệm về DHT và mạng hàng có cấu trúc đồng thời giới thiệu về một số mạng ngang hàng đã và đang được ứng dụng có hiệu quả. 1.1 Tổng quan về mạng ngang hàng 1.1.1 Khái niệm về mạng ngang hàng Mạng ngang hàng là một mạng mà kiến trúc của nó được tạo nên bởi các máy tính liên kết với nhau, các máy tính tham gia trong mạng đều bình đẳng như nhau và được gọi là các peer, mỗi máy tính tham gia mạng là một phần và duy trì sự tồn tại của mạng. Các máy tính trong mạng thường xuyên liên lạc với các máy tính khác để ổn định mạng và chia sẻ dữ liệu với nhau. Dữ liệu được chứa trên các máy tính và được chia sẻ trực tiếp với nhau giữa các máy tính tham gia vào mạng. Hình 1. Mô hình mạng ngang hàng 10 Ứng dụng thường xuyên gặp nhất của mạng ngang hàng là chia sẻ tệp tin, tất cả các dạng như: âm thanh, hình ảnh, dữ liệu.. hoặc để truyền dữ liệu thời gian thực… . Việc sử dụng mạng ngang hàng mang lại nhiều ưu điểm cho người dùng . Luận văn xin trình bày một số ưu điểm của mạng ngang hàng. 1.1.2 Ưu điểm của mạng ngang hàng Mục đích quan trọng của mạng ngang hàng là các máy tính tham gia mạng đều đóng góp tài nguyên bao gồm băng thông, lưu trữ, khả năng tính toán. Do đó khi càng nhiều mày tính tham gia mạng thì khả năng tổng thể của mạng càng lớn. Do việc các thông tin lưu trữ không chỉ trên máy chủ mà còn được lưu trữ ở chính các máy tham gia mạng nên mô hình này rất phù hợp với tính phi tập trung của Internet. Xét về khía cạnh sức mạnh xử lý, mạng ngang hàng có khả năng xử lý cao hơn cả những máy chủ lớn hiện nay, do đó sử dụng mạng ngang hàng có thể cải thiện đáng kể hiệu quả của các phương pháp phân tích, xử lý dữ liệu và giải các bài toán phức tạp. Sở dĩ làm được như vậy là vì mạng ngang hàng có thể tận dụng được khả năng xử lý, khả năng lưu trữ còn thừa của các máy tham gia mạng với những thuật toán phân tán hợp lý. Công nghệ này đã chia việc xử lý lớn ra thành nhiều việc xử lý để có thể giao cho các máy tính khác trong mạng cùng thực hiện. Mỗi máy tính sẽ xử lý một phần công việc và trả về kết quả xử lý cho máy tính trung tâm, máy tính trung tâm sẽ ghép nối các kết quả này lại với nhau. Bằng cách như vậy, ta có thể giải quyết các bài toán phức tạp yêu cầu vấn đề xử lý, lưu trữ lớn mà không cần phải nâng cấp khả năng xử lý của hệ thống hiện tại. Tính chất phân tán của mạng ngang hàng cũng giúp cho việc phân tán trách nhiệm cung cấp dịch vụ đến tất cả các node trên mạng, nó sẽ loại bỏ được vấn đề ngừng trệ dịch vụ do nơi cung cấp duy nhất gặp sự cố. Đối với mô hình tập trung, chỉ cần máy chủ gặp sự cố thì cả hệ thống sẽ ngưng trệ. Còn đối với mạng ngang hàng, máy tính có thể tham gia hoặc rời khỏi mạng bất kỳ lúc nào mà mạng vẫn hoạt động bình thường, các máy tính còn lại vẫn có thể trao đổi thông tin và chia sẻ tài nguyên cho nhau. Bên cạnh nhiều ưu điểm đã được nêu ở trên thì mạng ngang hàng cũng còn tồn tại một số nhược điểm 11 1.1.3 Nhược điểm của mạng ngang hàng Do các máy tính trên mạng ngang hàng đều có vai trò như nhau và không tuân theo bất cứ một quy luật định tuyến hay kết nối nào, việc yêu cầu dịch vụ được đáp ứng tuỳ biến nên máy yêu cầu dịch vụ có thể nhận được nhiều kết quả khác nhau, khi nó kết nối đến nhiều máy tính khác nhau cùng cung cấp một dịch vụ. Các yêu cầu gửi đi có thể không nhận được kết quả trả về vì không có gì đảm bảo sẽ tồn tại một máy nào đó có khả năng đáp ứng yêu cầu đó. Do đặc điểm là các node có thể rời mạng bất kì lúc nào nên có thể bị ngắt kết nối tới các node này bất cứ thời điểm nào. 1.2 Phân loại mạng ngang hàng Mạng ngang hàng có nhiều tiêu trí phân loại khác nhau, trong luận văn này xin được trình bày hai tiêu trí phân loại mạng ngang hàng đó là: Phân loại theo mức độ tập trung của các node mạng và phân loại theo cấu trúc liên kết của các node. 1.2.1 Phân loại theo mức độ tập trung của các node mạng Nếu lấy tiêu chí về mức độ tập trung của các node mạng, mạng ngang hàng có thể phân làm 2 loại: mạng ngang hàng thuần tuý và mạng ngang hàng lai a. Mạng ngang hàng thuần tuý Trong mạng ngang hàng thuần tuý thì vai trò của các máy trong mạng là ngang nhau và trong mô hình mạng này đã loại bỏ sự tồn tại của các máy chủ tập trung. Trong mạng này đã khắc phục được vấn đề node nghẽn cổ chai trong mô hình tập trung. Tuy nhiên vấn đề tìm kiếm trong mạng ngang hàng thuần tuý sử dụng cơ chế phát tràn (Flooding), yêu cầu tìm kiếm được gửi tới tất cả các node mạng là láng giềng với nó, điều này làm tăng đáng kể lưu lượng trong mạng. 12 Hình 2. Mô hình mạng ngang hàng thuần tuý b. Mạng ngang hàng lai ghép Trong mô hình này, các peer lưu giữ nội dung chia sẻ với các node khác ở trên mạng. Tất cả các peer đều kết nối tới một server, server này lưu giữ thông tin về: - Bảng thông tin kết nối của người dùng đăng kí (địa chỉ IP, băng thông kết nối…) - Bảng liệt kê danh sách các file mà các peer nắm giữ và chia sẻ ở trên mạng cùng với các thông tin mô tả về các files ( tên file, ngày tạo…) Tất cả các peer muốn kết nối vào mạng đều phải liên lạc với server và thông báo với server các file mà nó có. Một peer mà muốn tìm kiềm một file, yêu cầu tìm kiếm được chuyển cho server, server tìm kiếm trong thông tin chỉ mục của mình và trả lại danh sách các peer có thông tin cần tìm. Peer tìm kiếm sẽ liên lạc trực tiếp với các peer có thông tin theo yêu cầu tìm kiếm để tải thông tin trực tiếp từ các peer này. 13 Hình 3. Hệ thống mạng ngang hàng lai ghép 1.2.2 Phân loại theo cấu trúc liên kết Mạng phủ bao gồm tất cả các node mạng đại diện cho các máy tham gia và các liên kết giữa các node mạng này. Một liên kết tồn tại giữa hai node mạng khi một node mạng biết vị trí của node mạng kia. Dựa vào cấu trúc liên kết trong mạng phủ người ta có thể phân loại mạng ngang hàng thành hai loại: mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc. a. Mạng ngang hàng không có cấu trúc Một mạng ngang hàng được gọi là mạng ngang hàng không có cấu trúc khi liên kết giữa các node trong mạng phủ được thiết lập ngẫu nhiên (tức là không theo một quy luật nào cả). Những mạng như vậy dễ dàng xây dựng vì khi một node muốn tham gia mạng có thể lấy liên kết có sẵn của một node khác đang ở trong mạng và sau đó dần dần tự bản thân nó sẽ thêm vào các liên kết mới của riêng mình. Trong mạng ngang hàng không có cấu trúc, khi một node muốn tìm kiếm một dữ liệu, thì yêu cầu tìm kiếm sẽ truyền trên toàn bộ mạng để tìm ra càng nhiều máy tính chia sẻ càng tốt. Hệ thống này thể hiện rõ nhược điểm là không có gì đảm bảo là việc tìm kiến thành công. Đối với dữ liệu phổ biến được chia sẻ trên nhiều máy thì tỉ lệ thành công là khá cao, ngược lại nếu dữ liệu chỉ được 14 chia sẻ trong một vài máy thì xác suất tìm thấy là rất nhỏ. Tính chất này là hiển nhiên trong mạng ngang hàng không có cấu trúc vì không có bất kỳ mối tương quan nào giữa một máy và dữ liệu của nó quản lý trong mạng, do vậy yêu cầu tìm kiếm được chuyển một cách ngẫu nhiên đến một số máy trong mạng. Số máy trong mạng càng lớn thì khả năng tìm thấy thông tin càng nhỏ. Do khi muốn tìm kiếm trên mạng ngang hàng không có cấu trúc, yêu cầu tìm kiếm được phát trên toàn mạng nên không có cấu trúc định hướng, một yêu cầu thường chuyển cho số lượng lớn các máy tính trong mạng làm tiêu tốn băng thông, dẫn đến hiệu quả tìm kiếm thấp. Một mô hình mạng ngang hàng không cấu trúc điển hình đó là mạng Gnutella. Các máy tính trong Gnutella được mô tả như là những “servent”, các thành viên trong mạng và được chia sẻ file. Các máy tính khác có thể lấy được những file chia sẻ này. Việc tìm kiếm file trên mạng mô tả trong hình 4, khi một máy tính A tìm kiếm file X, nó sẽ gửi một truy vấn broadcast tới tất cả các máy tính nó biết, được coi là hàng xóm của nó. Truy vấn sau đó sẽ được chuyển dần qua các bước và tới được máy tính có chứa file X. Gnutella có mã nguồn mở và có giao thức mô tả rõ ràng trên mạng Internet, bất cứ ai quan tâm cũng có thế tìm hiểu và phát triển để tạo ra một mạng ngang hàng của riêng mình với các tính năng muốn có. Hình 4. Tìm kiếm dữ liệu chia sẻ trong Gnutella 15 b. Mạng ngang hàng có cấu trúc Mạng ngang hàng có cấu trúc khắc phục nhược điểm của mạng không cấu trúc bằng cách sử dụng hệ thống Bảng Băm Phân Tán (DHT: Distributed Hash Table). Hệ thống này định nghĩa liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ theo một thuật toán cụ thể, đồng thời xác định chặt chẽ mỗi nút mạng sẽ chịu trách nhiệm đối với một phần dữ liệu chia sẻ trong mạng. Với cấu trúc này, khi một máy cần tìm một dữ liệu, nó chỉ cần áp dụng một giao thức chung để xác định nút mạng nào chịu trách nhiệm cho dữ liệu đó và sau đó liên lạc trực tiếp đến nút mạng đó để lấy kết quả.Việc tìm kiếm thông tin trên mạng ngang hàng có cấu trúc cũng nhanh hơn so với mạng ngang hàng không có cấu trúc. Nếu như mạng ngang hàng không có cấu trúc các máy tính gửi thông điểm broadcast để tìm kiếm thông tin thì trong mạng ngang hàng có cấu trúc một máy tính chỉ cần gửi thông điệp tìm kiếm qua một số máy tính. Giao thức tìm kiếm chung trong mạng sẽ đảm bảo thông tin sẽ được tìm thấy. Một số mạng ngang hàng có cấu trúc nổi tiếng như: Chord, CAN, Kademlia, pastry… trong đó Chord và CAN được mô tả chi tiết, đã được mô phỏng và cho kết quả qua các bài báo. Trong phần tiếp theo luận văn xin trình bày chi tiết về giao thức mạng Chord. 1.3 Mạng ngang hàng có cấu trúc dựa trên DHT(Distributed Hash Table) 1.3.1 Giới thiệu DHT Các nghiên cứu về DHT được bắt nguồn cùng với sự phát triển của các hệ thống P2P như Napster, Gnutella, và Freenet, những hệ thống này sử dụng lợi thế của các tài nguyên phân tán trên mạng Internet để cung cấp một ứng dụng đơn hữu dụng. Cụ thể, chúng đã sử dụng lợi thế tăng băng thông và sức chứa của ổ cứng còn nhàn rỗi của các Peer để cung cấp dịch vụ chia sẻ file. Những hệ thống này khác nhau ở cách thức thực hiện việc tìm kiếm dữ liệu mà các peer quản lý. Napster sử dụng một server trung tâm: mỗi node khi tham gia vào mạng sẽ gửi một danh sách các file được lưu trữ ở máy lên cho server, server sẽ xử lý các truy vấn, tìm các file trong danh sách, rồi gửi đường dẫn tới node chứa các file cần tìm. Thành phần trung tâm này tạo ra một điểm yếu trong hệ thống vì có thể bị tấn công hoặc có thể bị kiện cáo về bản quyền. Gnutella và những mạng tương tự chuyển sang sử dụng mô hình phát tràn các thông điệp truy vấn (flooding query model), mỗi truy vấn được đưa ra tương ứng với việc một thông điệp được broadcast tới tất cả các node có trong mạng. Vì vậy, mặc 16 dù tránh được điểm yếu của thành phần trung tâm như trên, thì phương pháp này lại kém hiệu quả hơn so với Napster. Cuối cùng, Freenet thực sự là phân tán, nó sử dụng cơ chế routing dựa trên khóa, mỗi file được gán một khóa, các khóa gần giống nhau sẽ cùng được lưu ở một tập các node. Các truy vấn sẽ được định tuyến đi trong mạng mà không phải ghé thăm tất cả các node có trên mạng. Tuy nhiên, Freenet không đảm bảo dữ liệu sẽ được tìm thấy. DHT sử dụng cơ chế định tuyến dựa trên khóa trên một kiến trúc mạng chặt chẽ hơn để có thể đạt được cả tính phân tán về tài nguyên của Gnutella và Freenet, tính hiệu quả về truy vấn của Napster. Có một hạn chế là DHT chỉ hỗ trợ tìm kiếm chính xác chứ không hỗ trợ tìm kiếm theo từ khóa, hay tìm kiếm theo khoảng, tuy nhiên các chức năng này có thể triển khai mở rộng trên nền DHT. Distributed hash tables (DHTs) là hệ thống mạng phân tán, cung cấp các dịch vụ tìm kiếm dựa vào bảng băm. Bảng băm là một cặp ( tên, giá trị). Mỗi một node khi tham gia vào mạng có thể dễ dàng tìm thấy giá trị mong muốn dựa vào tên của giá trị đó. Việc hình thành tên (khóa) và gắn các khóa đó với giá trị tương ứng được thực hiện trực tiếp tại các node trong mạng, chính vì vậy khả năng sập mạng được giảm tối thiểu khi các node tham gia hoặc dời bỏ mạng. Chính lý do này khiến khả năng mở rộng của mạng DHT là cực lớn, quá trình kiểm soát việc tham gia, dời bỏ mạng của các node cũng trở nên dễ dàng hơn. Với cấu trúc vững mạnh, DHT được sử dụng để xây dựng nhiều ứng dụng phức tạp như: Hệ thống các file phân tán, hệ thống chia sẻ file ngang hàng, hệ thống nội dung phân tán, tin nhắn tức thời, Multicast… Các mạng DHT nổi tiếng thường được nhắc đến là: Bittorrent, eDonkey network, Yacy… Một số mạng based - DHT đầu tiên như CAN, Chord được giới thiệu cùng thời gian năm 2001. Từ đó lĩnh vực nghiên cứu này trở lên khá sôi động. Công nghệ DHT đã được sử dụng như một thành phần của BitTorrent. DHT nhấn mạnh vào các thuộc tính sau: Không tập trung (Decentralization): Các node tham gia cấu thành hệ thống không có thành phần trung tâm làm điều phối mạng.  Khả năng mở rộng: Hệ thống vẫn có thể hoạt động hiệu quả với hàng nghìn hoặc hàng triệu node.  17  Khả năng chịu lỗi: Hệ thống vẫn có thể làm việc ổn định ngay cả khi có các sự kiện node tham gia, rời bỏ, lỗi diễn ra liên tục. Kỹ thuật khóa được sử dụng để đạt được mục đích là mỗi node chỉ cần liên kết với một số ít các node khác trong hệ thống, thường là O(logn) với n là số node tham gia. Vì vậy sự thay đổi trong các thành viên chỉ ảnh hưởng đến một phần nhỏ của hệ thống. Một số thiết kế DHT tìm đến tính bảo mật chống lại những người tham gia ác tâm và cho phép người tham gia giấu danh tính, mặc dù điều này không phổ biến trong các hệ thống P2P chia sẻ file. Cuối cùng, DHT phải giải quyết những vấn đề cơ bản của các hệ thống phân tán đó là cân bằng tải, tính toàn vẹn dữ liệu, hiệu năng (cụ thể là đảm bảo các hoạt động như định tuyến, lưu trữ, truy vấn phải được thực thi nhanh chóng). 1.3.2 Mạng chord Theo một đánh giá tổng hợp về các thuật toán định tuyến dựa trên DHT trong các kiến trúc mạng khác nhau như hình tròn (ring, với giao thức Chord), hình cây (tree), hình hộp (hypercube, với giao thức CAN), …xét về sự linh hoạt trong việc định tuyến, khả năng phục hồi trạng thái cũng như khả năng chịu lỗi, kiến trúc Ring đều được đánh giá cao. Vì vậy, kiến trúc Chord[1] thường hay được sử dụng như là mạng phủ để thực hiện các cài đặt cải tiến việc các ứng dụng, xử lý trên P2P có cấu trúc. a. Mô hình mạng Chord Chord[1] được mô tả dưới dạng một vòng tròn và không gian định danh phân bố đều trên vòng tròn tăng dần theo chiều kim đồng hồ. Nếu gọi N là số bit định danh của không gian thì mạng Chord có thể chứa tối đa 2N node. Mỗi node trên Chord có một định danh id và duy trì liên kết 2 chiều với node đứng liền trước và liền sau nó theo chiều kim đồng hồ tạo thành một mạch liên kết vòng. Node liền trước được gọi là Successor(id), và node liền sau được gọi là Predecessor(id). Thêm vào đó, một node sẽ lưu một bảng định tuyến gọi là Finger Table, cho phép node đó định tuyến tới các node ở xa. Mỗi dòng trong bảng Finger Table sẽ lưu thông tin về 1 node ở xa, gọi là 1 entry. Không gian định danh có bao nhiêu bit thì Finger Table có bấy nhiêu entry. 18 Hình 5. Một mạng Chord với 3 node 0, 1, 3 và các bảng Finger Table ứng với mỗi node. N = 3 bit nên có 3 entry Các trường trong mỗi entry trong bảng Finger Table được định nghĩa trong bảng dưới: Notation Definition Finger[k].start (n+2k-1) mod 2m, 1 ≤ k ≤ m .interval (finger[k].start, finger[k+1].start .node First node ≥ n.finger[k].start Successor The next node on ther identifier circle; Finger[1].node Predecessor The previous node on the identifier circle Trong đó giá trị của trường node tại dòng i của bảng được coi như là finger thứ i của node n. Thông tin lưu trong bảng cũng bao gồm cả IP và Port của các node liên quan. Node đầu tiên trong bảng Finger Table của n chính là Successor của n, hay còn được gọi là Immediate Successor. 19 Từ bảng Finger Table ở trên ta có thể thấy rằng: + Mỗi node chỉ cần lưu trữ thông tin của một số node nhất định trong bảng định tuyến của mình. + Node biết thông tin về các node gần nó nhiều hơn là các node ở xa. + Bằng cách sử dụng bảng Finger Table một node n có thể xác định được vị trí của bất kỳ khóa nào trên mạng. b. Ánh xạ khóa vào một node trong Chord Chord[1] ánh xạ các khóa vào các node, thường sẽ là một cặp key và value. Một value có thể là 1 address, 1 văn bản, hoặc 1 mục dữ liệu. Chord có thể thực hiện chức năng này bằng cách lưu các cặp key/value ở các node mà key được ánh xạ. Một node sẽ chịu trách nhiệm lưu giữ một khóa k nếu node đó là node có định danh id nhỏ nhất và id lớn hơn k. Một node khi lưu giữ khóa k cũng sẽ được gọi là Successor của k, ký hiệu là Successor(k). Hình 6. Lưu giữ key trong mạng Chord: node 0 lưu key 6, node 1 lưu key 1 và node 3 lưu key 2. c. Tìm kiếm trong mạng Chord Khi một node n cần tìm kiếm một khóa có định danh id, node n sẽ tìm node chịu trách nhiệm lưu giữ id đó. Nếu node n ở xa so với vị trí của node lưu giữ id, n có thể nhờ vào thông tin trong bảng Finger Table để định tuyến đến các node xa hơn, từ đó dần dần tìm ra node chịu trách nhiệm lưu giữ id. 20 Một ví dụ được chỉ trong hình 8, giả sử node 3 muốn tìm successor của ID = 1 (hoặc còn có thể coi là khóa). ID =1 thuộc khoảng [7, 3). Node 3 kiểm tra entry thứ 3 trong bảng định tuyến của nó, là 0. Bởi vì 0 nằm ngay trước 1 trên vòng tròn, node 3 sẽ hỏi node 0 để tìm successor của 1. Tiếp theo, node 0 sẽ tìm trong bảng định tuyến của nó và suy ra successor của 1 chính là node 1, và trả lời node 3 rằng node 1 chính là successor của khóa ID = 1. d. Tham gia và ổn định mạng Trong 1 mạng động, thường xuyên có sự thay đổi với các node tham gia và rời khỏi bất kì lúc nào. Để có thể xác định được vị trí của các khóa ở trong mạng, Chord cần thỏa mãn 2 điểm sau:  Mỗi successor của một node phải được duy trì đúng  Với mỗi khóa k, node successor(k) có trách nhiệm quản lý k Khi tham gia vào một mạng Chord, một node n cần chọn cho nó một định danh id và báo cho các node bên cạnh biết sự tham gia của nó. Các node Successor và Predecessor sẽ cần phải cập nhật thông tin về node mới tham gia vào mạng. Node n cũng khởi tạo bảng định tuyến Finger Table. Để mạng vẫn định tuyến đúng sau khi có sự tham gia của node n, các node cần thường xuyên chạy thuật toán ổn định mạng để cập nhật thông tin về node bên cạnh (hay node láng giềng). Một số node có lưu thông tin về n trong bảng Finger Table thì cần cập nhật các entry liên quan trong Finger Table. Cuối cùng, node Successor của n sẽ chuyển một phần khóa k mà bây giờ n là Successor(k) cho n lưu giữ. Việc chuyển khóa sẽ do tầng trên của ứng dụng thực hiện. Khi một node chuẩn bị rời khỏi mạng, nó cần thông báo cho các node bên cạnh biết để ổn định lại mạng. Node đó cũng sẽ chuyển các khóa nó lưu giữ cho node Successor của nó. 1.4 Kết luận Chúng ta vừa tìm hiểu tổng quan về mạng ngang hàng, qua đó ta thấy những nhược điểm của mạng ngang hàng thuần túy đã được khắc phục khá hiệu quả bởi mạng ngang hàng có cấu trúc nhờ vào việc áp dụng những kiến trúc DHT. Tuy nhiên, một trong những vấn đề trọng tâm cần giải quyết trong mạng DHT là làm thế nào để cân bằng tải giữa các node tham gia trong hệ thống. Yếu tố gây mất cân bằng tải trước hết là khả năng không giống nhau của các node
- Xem thêm -