giải pháp khắc phục lỗi trong truyền thông multicast dựa trên nền mạng ngang hàng chord

Tuy nhiên cấu trúc của mạng ngang hàng Chord cũng có một số điểm không phù hợp, dẫn đến vấn đề phục hồi cấu trúc cây multicast khi một node trong cây bị lỗi trong quá trình truyền tin mu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Phạm Duy Thăng

GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC LỖI TRONG TRUYỀN THÔNG MULTICAST DỰA TRÊN NỀN MẠNG NGANG HÀNG CHORD

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: Tiến sỹ Nguyễn Hoài Sơn

HÀ NỘI - 2009

Lời cảm ơn

Trước tiên, em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo, tiến sĩ Nguyễn Hoài

Sơn, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu khóa luận tốt

nghiệp

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến tất cả những thầy cô giáo của

trường đại học Công nghệ, những kiến thức quý báu mà em nhận được từ thầy cô trong

suốt bốn năm ngồi trên ghế nhà trường sẽ là hành trang tốt nhất giúp em vững bước trong

sự nghiệp của bản thân

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị K46, K48, K49, cùng tất cả bạn bè K50

của tôi, những người đã đồng hành cùng tôi trong suốt bốn năm học

Cuối cùng, xin gửi những lời tri ân đến bố mẹ và gia đình, những người thân yêu

nhất của tôi

Phạm Duy Thăng

Tóm tắt

Hiện nay, nhu cầu truyền thông qua mạng internet ngày càng lớn, trong đó có các nhu cầu về truyền dữ liệu đa phương tiện như hình ảnh, âm thanh, phục vụ các mục đích truyền hình, hội nghị trực tuyến Do đây là những dữ liệu có kích thước lớn, để giải quyết vấn đề băng thông, nên áp dụng mô hình truyền tin multicast Tuy nhiên, hạ tầng mạng hiện nay chưa đủ để có thể triển khai các giao thức truyền multicast trên tầng mạng, bởi vậy đã có nhiều ý tưởng và thử nghiệm về truyền tin multicast trên tầng ứng dụng được đưa ra Trong đó, giải pháp sử dụng mạng ngang hàng có cấu trúc để truyền tin multicast

tỏ ra là một giải pháp ưu việt

Mạng ngang hàng Chord là một trong những mạng ngang hàng có cấu trúc có nhiều

ưu điểm như tính ổn định, phân cấp, khả năng mở rộng, khả năng định tuyến, rất phù hợp cho mục đích truyền thông multicast Tuy nhiên cấu trúc của mạng ngang hàng Chord cũng có một số điểm không phù hợp, dẫn đến vấn đề phục hồi cấu trúc cây multicast khi một node trong cây bị lỗi trong quá trình truyền tin multicast

Mục đích của khóa luận là đưa ra giao thức chống lỗi mới, bổ sung vào các giao thức đồng bộ sẵn có của mạng ngang hàng Chord, để tối ưu hóa việc chống lỗi trong truyền thông multicast Nói cách khác là làm thế nào để giảm đến tối thiểu thời gian cần

để khôi phục cấu trúc của cây multicast mỗi khi xảy ra lỗi ở các node tham gia, từ đó nâng cao hiệu năng và chất lượng của quá trình truyền thông multicast Giao thức khắc phục lỗi sẽ được cài đặt vào ứng dụng truyền video sử dụng multicast trên nền mạng ngang hàng giao thức Chord

Mục lục

Mục lục 3  

Danh mục hình vẽ 5  

Mở đầu 6  

Chương 1 – Tổng quan về truyền tin multicast 8  

1.1. Khái niệm về truyền tin multicast 8 

1.2. Truyền tin multicast tầng mạng (IP multicasting) 9 

1.3 Truyền tin multicast tầng ứng dụng 11 

1.4. Các mô hình truyền tin multicast tầng ứng dụng 12 

Chương 2 – Truyền tin multicast trên nền mạng ngang hàng có cấu trúc Chord 14  

2.1. Khái niệm mạng ngang hàng 14 

2.1.1. Ưu điểm của mạng ngang hàng 15 

2.1.2. Mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc 16 

2.2. Giao thức Chord 22 

2.2.1. Bảng băm phân tán 22 

2.2.2. Băm đồng nhất 23 

2.2.3. Định tuyến thông báo 24 

2.2.4. Khắc phục lỗi trong giao thức Chord 26 

2.3. Truyền tin multicast trên nền mạng ngang hàng có cấu trúc Chord 29 

Chương 3 – Khắc phục lỗi trong truyền thông multicast trên nền mạng ngang hàng giao thức Chord 32  

3.1. Vấn đề lỗi và vai trò của việc khắc phục lỗi trong truyền thông multicast trên nền mạng Chord 32 

3.2. Giải pháp đề xuất 34 

3.3.1. Thông báo thông tin cây multicast 35 

3.3.2. Phát hiện lỗi và thông báo lỗi 37 

3.3.3. Khắc phục lỗi 37 

3.4. Các vấn đề khác 38 

Chương 4 – Kết quả thực nghiệm và đánh giá 40  

4.1. Ứng dụng truyền video theo phương thức multicast dựa trên nền mạng ngang hàng Chord 40 

4.2. Triển khai giao thức khắc phục lỗi ba pha cho ứng dụng truyền video multicast 43 

4.3. Mô hình thực nghiệm 44 

4.4. Các kết quả thực nghiệm 45 

Chương 5 – Kết quả và hướng phát triển 46  

5.1. Đánh giá kết quả 46 

5.2. Vấn đề còn tồn tại và hướng phát triển tiếp theo 46 

Tài liệu tham khảo 48  

Danh mục hình vẽ

Hình 1 Các phương thức truyền tin khác nhau broadcast, multicast và unicast 8 

Hình 2 Vai trò của các bộ định tuyến trong truyền tin multicast tầng mạng 10 

Hình 3 Truyền thông multicast tầng mạng và tầng ứng dụng 12 

Hình 4 Mạng phủ 7 node (a) và cây multicast xây dựng trên mạng phủ (b) 13 

Hình 5 Mô hình mạng ngang hàng 14 

Hình 6 Một mạng ngang hàng không cấu trúc sử dụng một máy tính server 16 

Hình 7 Mô hình chia sẻ file của Napster 17 

Hình 8 Tìm kiếm dữ liệu chia sẻ trong Gnutella 18 

Hình 9 Mạng ngang hàng có cấu trúc thuộc nhánh các hệ thống phân tán trong các mô hình mạng ngang hàng 1 

Hình 10 Mạng ngang hàng có cấu trúc Chord dạng vòng tròn 21 

Hình 11 Vòng tròn Chord với 3 node và lưu trữ 4 khóa 24 

Hình 12 Mạng Chord với các bảng finger 25 

Hình 13 Đoạn giả mã của các hàm trong quá trình đồng bộ 27 

Hình 14 Sơ đồ một mạng Chord với 9 node tham gia 28 

Hình 15 Truyền thông multicast trên mạng Chord 30 

Hình 16 Sơ đồ một cây multicast 1 

Hình 17 Giải pháp chống lỗi cho truyền tin multicast trên nền mạng Chord 36 

Hình 18 Kiến trúc chương trình phía máy chủ 40 

Hình 19 Kiến trúc chương trình phía máy khách 41 

Hình 20.Triển khai giao thức khắc phục lỗi ba pha 43 

Mở đầu

Hiện nay, khi mạng internet đang phát triển với tốc độ vũ bão, nhu cầu truyền thông dựa trên mạng internet ngày càng lớn Một trong số những nhu cầu đó là truyền thông multicast, phục vụ cho việc truyền dữ liệu đa phương tiện như truyền hình trực tuyến, hội nghị trực tuyến,… Từ những năm 1990 đã có những nghiên cứu về việc bổ sung phần giao thức truyền multicast vào giao thức IP [14], và đã có những kết quả nhất định Tuy nhiên, việc triển khai multicast trên giao thức IP gặp nhiều khó khăn do phải thay đổi hạ tầng mạng lớp ba

Trong những năm gần đây, công nghệ mạng ngang hàng đang trở thành mối quan tâm trong nhiều nghiên cứu về lĩnh vực internet, hứa hẹn giải pháp mới cho truyền thông multicast So với các mô hình mạng khác, mô hình mạng ngang hàng có nhiều điểm lợi thế như sự phân tán, phân cấp, khả năng mở rộng, hiệu suất cao,… Các nghiên cứu mới hơn tập trung vào mạng ngang hàng có cấu trúc, ổn định hơn và tìm kiếm thông tin trong mạng hiệu quả hơn so với mạng ngang hàng không có cấu trúc Một trong những giao thức mạng ngang hàng có cấu trúc mang nhiều ưu điểm phù hợp với truyền thông multicast như khả năng định tuyến tốt, hoạt động ổn định,… là giao thức Chord Do đó, mạng ngang hàng sử dụng giao thức Chord sẽ là giải pháp hiệu quả để phục vụ truyền thông multicast trong khi chưa giải quyết được vấn đề truyền thông multicast ở tầng mạng

Tuy nhiên, giao thức Chord cũng có nhiều điểm không phù hợp cho việc truyền multicast như cấu trúc không ổn định, chống lỗi bằng các hàm chạy định kỳ, mỗi node nắm tương đối ít thông tin về các node khác, dẫn đến việc thiếu thông tin về cấu trúc cây multicast khi truyền multicast Do đó, khi triển khai multicast trên mạng Chord, độ trễ cần thiết để khôi phục cấu trúc cây multicast khi một node lỗi cao

Khóa luận sẽ đề xuất một giải pháp chống lỗi, khắc phục được các nhược điểm của giao thức Chord khi áp dụng cho mục đích truyền thông multicast Giải pháp sẽ chống lỗi

sẽ được xây dựng theo hình thức phản ứng, có nghĩa là sẽ được kích hoạt ngay khi có lỗi xảy ra Giải pháp chống lỗi cung cấp thêm thông tin về cây multicast cho mỗi node tham gia, đồng thời cung cấp cho các node khả năng phát hiện lỗi ở node cha trong cây

multicast, từ đó gửi các thông báo lỗi cần thiết nhằm mục đích xây dựng cây multicast mới trong thời gian ngắn nhất

Khóa luận cũng sẽ cung cấp các kết quả thực nghiệm khi áp dụng giải pháp chống lỗi mới vào một ứng dụng truyền video theo hình thức truyền multicast dựa trên nền mạng ngang hàng giao thức Chord Các kết quả này sẽ chứng minh tính hiệu quả của giái pháp Dưới đây là tóm tắt khóa luận gồm 5 chương như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng ngang hàng nói chung và phân tích các ưu

điểm của mạng ngang hàng Chương này cũng phân loại và so sánh giữa mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc Phần cuối của chương sẽ được giành để giới thiệu những khái niệm cơ bản của giao thức mạng ngang hàng Chord

Chương 2: Giới thiệu tổng quan về truyền thông multicast Đầu tiên là những vấn

đề cơ bản của multicast như cách thức truyền tin, so sánh với cách thức truyền tin unicast truyền thống Tiếp đó, tôi sẽ trình bày về multicast trong tầng ứng dụng, so sánh với multicast ở tầng mạng Cuối chương trình bày về truyền thông multicast trong mạng ngang hàng có cấu trúc

Chương 3: Trình bày cụ thể về vấn đề khắc phục lỗi trong truyền thông multicast

trên nền mạng ngang hàng Chord, bao gồm những giao thức khắc phục lỗi cơ bản của mạng ngang hàng Chord, và những giao thức mới được đề ra để cải thiện hiệu năng truyền thông multicast trên nền mạng Chord

Chương 4: Trình bày kết quả thực nghiệm và đánh giá kết quả đó, so sánh với giao

thức Chord truyền thống

Chương 5: Kết luận, nêu các vấn đề còn tồn tại và đề ra hướng phát triển tiếp theo

Chương 1 – Tổng quan về truyền tin multicast

Truyền thông multicast là cách hữu hiệu để truyền dữ liệu đến một nhóm máy tính trên mạng Internet hoặc mạng nội bộ Thay vì phải gửi thông tin tới từng máy đơn lẻ, thông tin sẽ được gửi cho cả nhóm multicast theo một sơ đồ gọi là cây multicast

1.1 Khái niệm về truyền tin multicast

Khi phân loại các phương pháp truyền tin trên mạng máy tính dựa vào số lượng máy nhận, ta có ba cách truyền tin như sau:

Unicast: là hình thức truyền tin cơ bản của các giao thức mạng máy tính Trong hình

thức truyền tin này, một máy gửi tin đi tới chỉ một máy nhận xác định trước Phương thức truyền tin này được sử dụng cho hầu hết các giao thức mạng máy tính từ tầng cho tới tầng ứng dụng như IP, TCP, UDP, HTTP, FTP,… Nhược điểm của phương pháp này là tốn băng thông trong trường hợp một nguồn gửi nhiều gói tin giống nhau tới nhiều máy nhận khác nhau

Broadcast: là hình thức truyền tin từ một điểm tới toàn mạng Máy gửi gửi gói tin

đi, và tất cả các máy khác trong mạng đều nhận được Hình thức này thường được sử dụng khi một máy thiếu các thông tin về các máy khác trong mạng Các ví dụ điển hình

áp dụng hình thức truyền tin broadcast là giao thức phân giải địa chỉ ARP (tiếng Anh:

Address Resolution Protocol) hoặc giao thức cấu hình động máy chủ DHCP (tiếng Anh: Dynamic Host Configuration Protocol)

Hình 1 Các phương thức truyền tin khác nhau broadcast, multicast và unicast

Multicast: là hình thức nằm giữa hai hình thức đã nêu Trong hình thức truyền tin

này, máy gửi gửi gói tin đi, và một số máy nhất định đã đăng ký trước sẽ được nhận gói

tin đó Nếu so sánh unicast với cuộc nói chuyện giữa hai người khi sử dụng một chương

trình nhắn tin tức thi, thì multicast sẽ giống như cuộc hội nghị (tiếng Anh: conference)

giữa nhiều người

Hình 1 minh họa cho các phương thức truyền tin unicast, broadcast và multicast

Có thể thấy multicast là phương pháp hữu hiệu khi một máy muốn gửi cùng một dữ liệu tới nhiều máy khác trong mạng Trong trường hợp này, rõ ràng sử dụng multicast sẽ tiết kiệm băng thông trên đường truyền cũng như tài nguyên của máy gửi hơn so với sử dụng hình thức unicast

Khi sử dụng multicast, một cây multicast sẽ hình thành Node gốc của cây là máy gửi tin, còn các node lá của cây là các máy nhận tin Nhờ vào quá trình định tuyến, sẽ chỉ

có một gói tin được gửi trên mỗi cạnh của cây, và nó sẽ được nhân bản tại các node dọc theo thân cây multicast Các node trên thân cây có thể là bộ định tuyến (tiếng Anh:

router) hoặc các máy đầu cuối, phụ thuộc vào các giao thức truyền multicast khác nhau

Tiếp theo đây, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu về truyền tin multicast tầng mạng và truyền tin multicast tầng ứng dụng

1.2 Truyền tin multicast tầng mạng (IP multicasting)

Cuối những năm 80, Steve Deering làm việc trên một dự án trong đó có nhu cầu gửi một thông điệp từ một máy tính đến một nhóm các máy tính thông qua các giao thức lớp

3 (hay còn gọi là tầng mạng, tiếng Anh: network layer) Sau khi nghiên cứu vài giao thức

định tuyến, Deering kết luận rằng chức năng của các giao thức định tuyến có thể mở rộng

để hỗ trợ cơ chế multicast lớp 3 Định nghĩa cơ bản nhất của IP multicast là:

IP multicast là cơ chế gửi một thông điệp từ một nguồn duy nhất đến một nhóm chọn lựa các địa chỉ đích thông qua một hạ tầng mạng lớp 3 trong một dòng dữ liệu Hiện nay, IP multicast là một chuẩn mở của IETF (Internet Engineering Task Force), dùng để truyền dữ liệu tới nhiều máy nhận Thành viên trong nhóm multicast có thể thay đổi Người dùng có thể quyết định tham gia hoặc rời bỏ nhóm bất cứ lúc nào, và

có thể là thành viên của nhiều nhóm multicast cùng lúc Vai trò của máy tham gia trong quá trình truyền multicast cũng có thể khác nhau: cùng một máy có thể là nguồn gửi trong

Bộ định tuyến trong mô hình này phải có chức năng multicast Khi nguồn multicast truyền thông điệp multicast, bộ định tuyến cục bộ sẽ gửi thông điệp đó đến các bộ định tuyến khác được kết nối với mạng có các thành viên của nhóm multicast

Như vậy, trong cây multicast của mô hình truyền tin multicast tầng mạng, các bộ định tuyến đóng vai trò là các node trong thân cây, có nhiệm vụ chuyển tiếp các gói tin multicast tới các máy nhận, là các node lá của cây multicast Vai trò của bộ định tuyến được minh họa như trong hình 2

Hình 2 Vai trò của các bộ định tuyến trong truyền tin multicast tầng mạng

IP multicast sử dụng cách đánh địa chỉ lớp D, là dạng đặc biệt của địa chỉ IP dành cho multicast Tất cả các máy kết nối vào Internet phải có địa chỉ IP thuộc lớp A, lớp B, hoặc lớp C Một máy có thể có một hoặc nhiều địa chỉ multicast lớp D tùy thuộc vào số nhóm multicast mà nó tham gia Địa chỉ lớp D có độ dài là 32bit 4 bit đầu tiên được dùng

để xác định nó thuộc lớp D, 28 bit còn lại được dùng để xác định nhóm multicast

Một địa chỉ lớp D có thể so sánh với một kênh trên tivi Khi bạn truy cập một địa chỉ lớp D, bạn sẽ nhận được tất cả thông tin được truyền multicast đến địa chỉ đó

Truyền tin multicast tầng mạng phát huy mạnh mẽ các ưu điểm của truyền thông multicast nói chung Do các bộ định tuyến đóng vai trò các node trên thân cây multicast,

các cạnh của cây cũng chính là các đường truyền vật lý, các gói tin multicast được nhân bản tại các bộ định tuyến làm cho số gói tin lưu thông trên đường truyền giảm tới mức tối thiểu Do đó, hiệu suất truyền tin của mạng đạt mức tối đa

Với kiến trúc multicast tầng mạng đang sử dụng hiện nay, các phương thức xử lý

đáp ứng các ràng buộc về chất lượng dịch vụ (tiếng Anh: Quality of service) vẫn là vấn đề

phức tạp và chưa mang lại hiệu quả cao vì:

• Khả năng thích ứng với sự tăng trưởng về số lượng trạng thái chuyển tiếp multicast tại các bộ định tuyến không tốt: các bộ định tuyến cần lưu giữ trạng thái theo nhóm

• Định tuyến phức tạp, mỗi cây chỉ kết hợp được với một nhóm đơn Việc tạo

và duy trì một cây multicast cho mỗi nhóm làm mất nhiều thời gian và tài nguyên, đặc biệt khi tính đến các ràng buộc về chất lượng dịch vụ

• Khi có quá nhiều kết nối hoặc một nút mạng không hoạt động sẽ gây ra rớt mạng và phải sửa chữa lại nhiều phần của cây

• Việc cân bằng tải và định tuyến lại cây chưa được đề cập thấu đáo

Hơn nữa, cho dù bộ định tuyến khắc phục được các vấn đề trên, thì chi phí để thay thế lại hạ tầng mạng lớp 3 đã được xây dựng là cực kỳ lớn

1.3 Truyền tin multicast tầng ứng dụng

Do nhu cầu sử dụng truyền thông multicast đang ngày càng lớn, trong khi giao thức

IP multicast ở tầng mạng chưa đủ để đáp ứng, người ta đã đề ra các giao thức truyền thông multicast tầng ứng dụng

Khái niệm truyền tin multicast tầng ứng dụng được đưa ra để nói về lớp các giao thức multicast trong đó quá trình định tuyến được thực hiện ở tầng ứng dụng, sử dụng các giao thức khác đã có ở tầng mạng và tầng giao vận

Do đó, các giao thức truyền thông multicast tầng ứng dụng không yêu cầu phải thay đổi kiến trúc mạng đã đó Thay vào đó, các giao thức này thực hiện các chức năng chuyển tiếp các thông điệp multicast tại các máy đầu cuối

Hình 3 Truyền thông multicast tầng mạng và tầng ứng dụng (Hình vuông là các router, hình tròn là các máy đầu cuối)

Hình 10 thể hiện ý tưởng của truyền thông multicast tầng ứng dụng Khi truyền multicast ở tầng ứng dụng, các gói tin không được nhân bản tại các bộ định tuyến giống như mô hình multicast truyền thống mà việc nhân bản gói tin sẽ được thực hiện tại các máy đầu cuối Về mặt logic, các máy đầu cuối tạo nên một mạng phủ và giao thức truyền thông multicast phải xây dựng và duy trì việc truyền multicast trên mạng phủ này Do truyền thông multicast tầng ứng dụng phải gửi các gói tin giống nhau trên cùng một kết nối, hiệu suất của mô hình này không thể tối ưu được bằng truyền thông multicast trên tầng mạng Tuy nhiên, truyền tin multicast tầng multicast vẫn có khả năng giảm tải nhiều cho đường truyền và nguồn tin multicast

1.4 Các mô hình truyền tin multicast tầng ứng dụng

Dựa vào việc truyền tin multicast có yêu cầu mạng phủ trước hay không, người ta

phân loại các giao thức truyền tin multicast tầng ứng dụng thành hai loại: mesh-first và tree-first

Trong mô hình truyền tin kiểu tree-first, các node khi tham gia vào cây multicast sẽ

tự tìm cho mình một node cha từ các node thành viên trước đó của cây Việc chọn node cha thường được thực hiện dựa trên một số tiêu chí như cân bằng băng thông giữa các node hoặc đảm bảo độ sâu của cây cân bằng giữa các nhánh Ưu điểm của mô hình này là các node có thể chọn node cha, do đó có thể tránh được tình trạng một node nào đó phải

chịu tải quá cao Tuy nhiên nhược điểm của mô hình này là khi một node nào đó bị lỗi, việc khôi phục lại cây multicast để đảm bảo luồng dữ liệu cho các node con là tương đối khó khăn do mỗi node biết rất ít thông tin về các node khác trong mạng

Hình 4 Mạng phủ 7 node (a) và cây multicast xây dựng trên mạng phủ (b)

Trong mô hình truyền tin kiểu tree-first, các node trước khi tham gia vào cây phải là

thành viên của một mạng phủ nào đó, và giữa chúng đã tồn tại các liên kết với nhau dạng lưới Sau đó, cây multicast sẽ được xây dựng dựa trên các liên kết của mạng phủ này Ưu điểm của mô hình này là khả năng chịu lỗi cao do mỗi node tồn tại nhiều liên kết với các node khác trong mạng Tuy nhiên nhược điểm của mô hình này là rất khó để thực hiện cân bằng tải và cân bằng độ trễ giữa các node do phụ thuộc vào kiến trúc mạng phủ

Chương 2 – Truyền tin multicast trên nền mạng ngang hàng có

cấu trúc Chord

2.1 Khái niệm mạng ngang hàng

Hiện nay, trong một số lĩnh vực mà giới hạn tài nguyên phần cứng không đủ để đáp ứng nhu cầu thực tế của người sử dụng, mô hình máy chủ - máy khách truyền thống đã tỏ

rõ những nhược điểm của nó Giải pháp đã và đang được nghiên cứu nhiều năm nay đó là thay thế mô hình máy chủ - máy khách bằng việc sử dụng mạng ngang hàng

Mạng ngang hàng (tiếng Anh: peer-to-peer network), còn gọi là mạng đồng đẳng, là một mạng máy tính 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 [4] Hình 5 minh họa cấu trúc của một mạng ngang hàng nhỏ

Một mạng ngang hàng đúng nghĩa không có khái niệm máy chủ và máy khách, nói cách khác, tất cả các máy tham gia đều bình đẳng và được gọi là peer, là một nút mạng đóng vai trò đồng thời là máy khách và máy chủ đối với các máy khác trong mạng

Một số mạng hay kênh như Napster, IRC (thuộc thế hệ thứ nhất) sử dụng mô hình máy chủ-máy khách cho một số tác vụ và mô hình ngang hàng cho những tác vụ khác Ngược lại, các mạng như Gnutella hay Freenet (thế hệ thứ 2) sử dụng mô hình ngang hàng cho tất cả các tác vụ, nên các mạng này thường được xem như là mạng ngang hàng đúng nghĩa (thực ra Gnutella vẫn sử dụng một số máy chủ để giúp các máy trong mạng tìm kiếm địa chỉ IP của nhau)

Vậy sử dụng mạng ngang hàng mang lại những lợi thế gì? Chúng ta sẽ xét đến các

ưu điểm của mạng ngang hàng trong phần kế tiếp

2.1.1 Ưu điểm của mạng ngang hàng 

Một mục đích quan trọng của mạng đồng đằng là trong mạng tất cả các máy tham gia đều đóng góp tài nguyên, bao gồm băng thông, lưu trữ, và khả năng tính toán Do đó khi càng có nhiều máy tham gia mạng thì khả năng tổng thể của hệ thống mạng càng lớn Đây là các ưu điểm rất phù hợp để sử dụng cho mục đích truyền tin multicast Ngược lại, trong cấu trúc máy chủ-máy khách, nếu số lượng máy chủ là cố định, thì khi số lượng máy khách tăng lên khả năng chuyển dữ liệu cho mỗi máy khách sẽ giảm xuống

Tính chất phân tán của mạng ngang hàng cũng giúp cho mạng hoạt động tốt khi một số máy gặp sự cố Đối với cấu trúc tập trung, chỉ cần máy chủ gặp sự cố thì cả hệ thống sẽ ngưng trệ Còn đối với mạng ngang hàng các máy tính có thể tham gia và rời khỏi mạng bất kì 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 với nhau

Trong mạng ngang hàng dữ liệu trên các máy tính được đem ra chia sẻ nên một máy tính có thể thực hiện vai trò giống server để chia sẻ cho các máy tính khác Các máy tính sau khi được chia sẻ dữ liệu cũng có thể tham gia chia sẻ cho các máy tính khác Như vậy sẽ tăng số bản sao dữ liệu và giúp cho việc chia sẻ dữ liệu nhanh chóng

Đối với mạng Napster, thuật ngữ ngang hàng nói lên tính chất quan trọng của giao thức giao tiếp ngang hàng, còn thực ra thành công của Napster phải nhờ vào sự liên kết chặt chẽ giữa các máy tham gia với máy chủ trung tâm lưu trữ danh sách nội dung tệp trên các máy tham gia Nhờ vậy việc tìm kiếm trở nên nhanh và hiệu quả hơn, tuy nhiên, đây cũng chính là điểm yếu dẫn đến các rắc rối pháp lý mà kết cục là sự sụp đổ của Napster

2.1.2 Mạng ngang hàng không có  cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc 

Mạng phủ ngang hàng bao gồm tất cả các nút mạng đại diện cho các máy tham gia

và các liên kết giữa các nút mạng này Một liên kết tồn tại giữa hai nút mạng khi một nút mạng biết vị trí của nút mạng kia Dựa vào cấu trúc liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ ta có thể phân loại mạng ngang hàng thành 2 loại: có cấu trúc hay không cấu trúc

Mạng ngang hàng không cấu trúc

Hình 6 Một mạng ngang hàng không cấu trúc sử dụng một máy tính server

Hình 6 minh họa một mạng ngang hàng không có cấu trúc Một mạng ngang hàng được gọi là mạng ngang hàng không cấu trúc khi các liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ được thiết lập ngẫu nhiên (tức là không theo qui luật nào) Những mạng như

thế này dễ dàng được xây dựng vì một máy mới khi muốn tham gia mạng có thể lấy các liên kết có sẵn của một máy khác đang ở trong mạng và sau đó dần dần tự bản thân nó sẽ thêm vào các liên kết mới của riêng mình Khi một máy muốn tìm một dữ liệu trong mạng ngang hàng không cấu trúc, yêu cầu tìm kiếm sẽ được truyền trên cả mạng để tìm ra càng nhiều máy chia sẻ càng tốt

Hình 7 Mô hình chia sẻ file của Napster

Napster (hình 7) là mạng ngang hàng không cấu trúc đầu tiên thu hút được đông

đảo người sử dụng trên mạng Đây là sự kết hợp của một mạng ngang hàng peer to peer

và một số máy chủ trung tâm để duy trì kết nối hệ thống và danh sách dữ liệu được chia

sẻ trong mạng Ngoài việc là một mạng peer to peer, Napster cũng giống như một mạng với các máy chủ Chính các máy chủ này làm cho việc tìm kiếm dữ liệu và chia sẻ giữa

được số lượng lớn người dùng với các dịch vụ chia sẻ file dữ liệu, file nhạc trên mạng Internet Napster gồm 2 thành phần, thứ nhất là máy chủ trung tâm và thứ hai là các ứng dụng trên các máy tính kết nối với nhau Một máy tính tham gia vào mạng sẽ kết nối với máy chủ trung tâm và đưa danh sách file chia sẻ trong máy tính lên máy chủ này Những máy tính khi tìm kiếm dữ liệu sẽ tìm kiếm thông tin về từ khóa trên máy chủ trung tâm để biết máy tính nào hiện đang giữ file chia sẻ đó Để tìm kiếm một file, một truy vấn sẽ được gửi đi tới máy chủ trung tâm cùng với từ khóa tìm kiếm Máy chủ trung tâm sẽ tìm trong danh sách các file chia sẻ được đưa lên bởi các máy tính và trả về địa chỉ IP của máy tính lưu giữ file chia sẻ này Sau đó sẽ là kết nối trực tiếp giữa máy tính yêu cầu và máy tính giữ file chia sẻ, dữ liệu được truyền giữa hai máy tính giống như trong một mạng ngang hàng

Hình 8 Tìm kiếm dữ liệu chia sẻ trong Gnutella

Bên cạnh Napster, một mô hình mạng ngang hàng không cấu trúc khác cũng rất

nổi tiếng là Gnutella Gnutella là một mạng ngang hàng thuần và chủ yếu dựa trên mạng

ngang hàng không có cấu trúc Một phiên bản thương mại của Gnutella là Limewire Các máy tính trong Gnutella được mô tả như là những “servent”, những thành viên trong mạng và được chia sẻ file trong mạng Các máy tính khác có thể lấy được những file chia

sẻ này Việc tìm kiếm file trên mạng mô tả trong hình 8, 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

Mạng ngang hàng có cấu trúc

Hệ thống mạng ngang hàng không cấu trúc thể hiện nhược điểm: không có gì đảm bảo tìm kiếm sẽ thành công Đối với tìm kiếm các dữ liệu phổ biến được chia sẻ trên nhiều máy, tỉ lệ thành công là khá cao, ngược lại, nếu dữ liệu chỉ được chia sẻ trên một vài máy thì xác suất tìm thấy là khá nhỏ Tính chất này là hiển nhiên vì trong mạng ngang hàng không cấu trúc, không có bất kì mối tương quan nào giữa một máy và dữ liệu nó quản lý trong mạng, do đó yêu cầu tìm kiếm được chuyển một cách ngẫu nhiên đến một

số máy trong mạng Số lượng máy trong mạng càng lớn thì khả năng tìm thấy thông tin càng nhỏ Một nhược điểm khác của hệ thống này là do không có định hướng, một yêu cầu tìm kiếm thường được chuyển cho một số lượng lớn máy trong mạng làm tiêu tốn một lượng lớn băng thông của mạng, dẫn đến hiệu quả tìm kiếm chung của mạng thấp

Mạng ngang hàng có cấu trúc khắc phục nhược điểm của mạng không cấu trúc bằng cách sử dụng hệ thống DHT (Bảng Băm Phân Tán, tiếng anh: 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 Hình 10 minh họa cho mạng ngang hàng có cấu trúc Chord Các node liên kết với nhau theo một vòng tròn,

và các thông điệp được gửi đi dựa vào đó

Hình 10 Mạng ngang hàng có cấu trúc Chord dạng vòng tròn

Trong mạng ngang hàng có cấu trúc, tài nguyên được phân bố một cách hợp lý để không có một máy tính nào lưu giữ quá nhiều dữ liệu dẫn đến quá tải thông tin định tuyến Do mạng là có cấu trúc nên các thông điệp chuyển đi giữa các máy tính để duy trì mạng ngang hàng được giảm xuống mức tối thiểu Băng thông của mạng được dành nhiều

hơn cho việc chia sẻ tài nguyên

Việc tìm kiếm thông tin trong mạng ngang hàng có cấu trúc cũng nhanh hơn trong mạng không cấu trúc Nếu như mạng không có cấu trúc các máy tính gửi thông điệp broadcast để tìm kiếm thông tin thì trong mạng 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 được tìm kiếm chính xác

Một số mạng ngang hàng có cấu trúc nổi tiếng bao gồm Chord, CAN, Kademlia, Pastry và Tapestry Trong đó Chord và CAN được mô tả chi tiết, đã được mô phỏng và cho kết quả qua các bài báo Phần tiếp theo sẽ trình bày chi tiết về giao thức mạng ngang hàng Chord

số lượng rất lớn các node tham gia mà vẫn quản lý được sự ra vào liên tục của các node, cũng như sự gián đoạn của một số node

Mỗi bảng băm phân tán đều cần có một không gian địa chỉ Mỗi khóa sẽ lấy một giá trị từ không gian này Kích thước không gian địa chỉ thường gặp nhất là 2160 (mỗi khóa là một số nhị phân 160 bit)

Các node và dữ liệu sẽ được ánh xạ vào cùng một không gian địa chỉ sử dụng hàm băm SHA-1 Với mỗi node, hàm băm sẽ băm địa chỉ IP của node đó để thu được một khóa 160 bit, gọi là định danh node (node identifier hay nodeID) Định danh node được

sử dụng để xác định vị trí của node trong bảng băm Như vậy mỗi node sẽ có một địa chỉ duy nhất, và do không gian khóa là rất lớn nên cũng có thể xem là mỗi địa chỉ tương ứng với một node duy nhất Đối với dữ liệu, mỗi file dữ liệu cũng được gắn với một định danh Định danh của dữ liệu được băm từ tên file dữ liệu hoặc băm từ nội dung của file, là giá trị duy nhất trong không gian địa chỉ

Mỗi node sẽ quản lý một khoảng giá trị nhất định trong không gian địa chỉ Dữ liệu được lưu ở node và được quản lý thông qua định danh Khi một node muốn tìm kiếm một

dữ liệu trong bảng băm phân tán, nó sẽ gửi truy vấn lần lượt qua các node khác Nội dung truy vấn chính là định danh của dữ liệu Khi một node lưu trữ dữ liệu có định danh trên nhận được truy vấn thì nó sẽ trả về dữ liệu yêu cầu

Như vậy, việc tìm kiếm dữ liệu trong bảng băm phân tán sẽ luôn thực hiện được Tuy nhiên vấn đề đặt ra là khi số lượng node tham gia lớn thì việc tìm kiếm sẽ diễn ra như

thế nào để đảm bảo tính hiệu quả về mặt thời gian và tính ổn định khi liên tục có các node gia nhập và rời khỏi bảng băm

2.2.2 Băm đồng nhất 

Hàm băm đồng nhất sử dụng SHA-1 để gán cho mỗi node và khóa một định danh

(tiếng Anh: identifier) m-bit Định danh của node là kết quả của hàm băm với đầu vào là

địa chỉ IP của node trong khi định danh của khóa sinh ra từ việc băm khóa đó Sau đây ta

sẽ sử dụng thuật ngữ “khóa” cho cả khóa và ánh xạ của nó qua hàm băm, nghĩa của nó sẽ phụ thuộc vào ngữ cảnh sử dụng

Tất cả các định danh được xếp theo thứ tự vào vòng tròn định danh mô-đun 2m Khóa k sẽ được gắn cho node đầu tiên có định danh bằng hoặc lớn hơn (định danh của) k trong không gian định danh Node này được gọi là node kế tiếp (successor node) của k, ký hiệu là successor (k) Nếu các định danh được xếp vào vòng tròn các số từ 0 đến 2m – 1 thì successor (k) chính là node đầu tiên theo chiều kim đồng hồ tính từ k Vòng tròn này gọi là vòng Chord (Chord ring)

Hình 11 là vòng Chord với m = 3 Không gian khóa gồm có 8 số (từ 0 đến 7) Vòng Chord có tất cả 3 node tham gia, quản lý 4 khóa Node kế tiếp của định danh 5 là node 0,

do đó khóa 5 được lưu ở node 0 Tương tự với các khóa khác

Hình 11 Vòng tròn Chord với 3 node và lưu trữ 4 khóa

2.2.3 Định tuyến thông báo 

Chúng ta có thể tìm kiếm đích đến cho các thông báo theo mô hình tìm kiếm tuyến tính: Mỗi thông điệp tìm kiếm sẽ được gửi lần lượt qua các node trên vòng tròn Chord cho đến khi tìm được dữ liệu cần tìm

Tuy nhiên, tìm kiếm tuyến tính yêu cầu một số lượng thông điệp tăng tuyến tính theo số lượng node Và rõ ràng điều này làm giảm hiệu suất tìm kiếm của hệ thống khi số lượng node tăng Để tăng tốc quá trình tìm kiếm, mạng Chord duy trì thêm thông tin định tuyến

Mỗi node n trong vòng Chord duy trì thêm một bảng định tuyến gồm m hàng (m là

số bit để biểu diễn không gian khóa), gọi là bảng finger Hàng thứ i trong bảng finger của node n xác định node đầu tiên s theo sau node n bởi ít nhất 2i-1 trong vòng tròn định danh, nghĩa là: s = successor (n + 2i-1) Node s này được gọi là finger thứ i của node n, và được ký hiệu là n.finger (i) Finger đầu tiên của node n chính là node kế tiếp của node n trong vòng Chord, tức là successor (n) Hình 12 minh họa việc bổ sung các bảng finger vào một mạng Chord trong trường hợp m = 3