LUẬN VĂN: TRUYỀN TIN MULTICAST ĐA LUỒNG THỜIGIAN THỰC TRÊN MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC pdf

Khóa luận tôi trình bày nhằm đưa ra một giải pháp xây dựng cây multicast đa luồng thời gian thực trên mạng ngang hàng có cấu trúc vớ i mong muốn đáp ứ ng đươ ̣c các yêu cầu đăc trư

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Minh

TRUYỀN TIN MULTICAST ĐA LUỒNG THỜI

GIAN THỰC TRÊN MẠNG NGANG

HÀNG CÓ CẤU TRÚC

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

HÀ NỘI - 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Nguyễn Văn Minh

TRUYỀN TIN MULTICAST ĐA LUỒNG THỜI

GIAN THỰC TRÊN MẠNG NGANG

HÀNG CÓ CẤU TRÚC

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: TS Nguyễn Hoài Sơn

HÀ NỘI - 2010

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt 4 năm vừa qua để em

có đủ kiến thức để hoàn thành khóa luận này

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Hoài Sơn Thầy đã hướng dẫn và định hình cho em cách tiếp cận nghiên cứu khoa học Đồng thời trong suốt quá trình làm luận văn luôn phải đối mặt với các vấn đề khó khăn cần giải quyết thầy đã luôn theo sát để em tránh khỏi sai lầm giúp em từng bước hoàn thành khóa luận này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các anh chị và các bạn trong nhóm nghiên cứu của thầy Nguyễn Hoài Sơn đặc biệt là cô Bùi Thị Lan Hương đã nhiệt tình hỗ trợ về mặt ý tưởng và kinh nghiệm để em có thể hoàn thành khóa luận này thật tốt

Con xin gửi tới bố mẹ và những người thân trong gia đình lòng biết ơn sâu sắc đã luôn động viên , giúp đỡ cho con vượt qua giai đoạn khó khăn này

Tóm tắt

Trong thời gian gần đây sự phát triển ma ̣nh mẽ của ha ̣ tầng Internet đã cho ra đời những ứng du ̣ng mới thay đổi hoàn toàn cách tương tác của con người với nhau trên toàn thế giới Kết nối với ba ̣n bè thông qua ma ̣ng Internet trở nên đơn giản hơn bao giờ hết nhờ những ứng du ̣ng nh ư Chat , Voice Call , Video Conference Hay như cách thức xem truyền hình IP TV, xem video theo yêu cầu thông qua ma ̣ng Internet với chất lươ ̣ng cao cũng cho thấy sự thú vị hơn việc xem tivi truyền thống Mô ̣ phần trong những ứng du ̣ng này được xây dựng dựa trên nền tả ng truyền tin multicast thời gian thực được đề câ ̣p đến trong khóa luâ ̣n

Truyền tin multicast thời gian thực trên ma ̣ng ngang hàng là mô ̣t nhánh trong truyền tin multicast thời gian thực trên ma ̣ng Internet Khác với các mô hình Client -Server truyền thống , mô hình ma ̣ng ngang hàng có những đă ̣c trưng riêng biê ̣t Với

mô hình ma ̣ng ngang hàng người thiết kế có thể tâ ̣n du ̣ng băng thông và khả năng lưu trữ của các máy tham gia ma ̣ng thay vì tâ ̣p trung tải vào một số máy chính như các server trong mô hình Client-Server Điểm ma ̣nh này của mô hình mạng ngang hàng đã làm cho các nghiên cứu về truyền tin multicast cũng như video str eaming trên mạng ngang hàng ngày càng nhiều khi mà các nghiên cứu trên mô hình client -server đã gần như không thể tối ưu hơn nữa

Khóa luận tôi trình bày nhằm đưa ra một giải pháp xây dựng cây multicast đa luồng thời gian thực trên mạng ngang hàng có cấu trúc vớ i mong muốn đáp ứ ng đươ ̣c các yêu cầu đăc trưư g như đảm bảo đô ̣ trễ ta ̣i các node tham gia ma ̣ng không quá lớn

và độ trễ giữa các luồng nhận được tại mỗi node chênh lệch nhau nhỏ

Thiết kế được đưa ra trong khóa luận dựa trên giao thức DHT và mô hình mạng Chord , kết quả mô phỏng và đánh giá bước đầu đã cho kết quả tốt Tuy nhiên cần nhiều nghiên cứu cải tiến hơn nữa nhằm đạt hiệu quả cao nhất

Mục lục

Mở đầu 2

Chương 1 Truyền tin multicast thời gian thực 3

1.1 Tổng quan về truyền tin multicast thời gian thực 3

1.1.1 IP Multicast 4

1.1.2 Multicast tầng ứng dụng 6

1.1.3 Các mô hình truyền tin multicast tầng ứng dụng 8

1.2 Truyền tin multicast thời gian thực 11

Chương 2 Truyền tin multicast đa luồng thời gian thực 13

2.1 Tổng quan về truyền tin multicast đa luồng 13

2.2 Splitstream 14

Chương 3 Xây dựng cây multicast đa luồng thời gian thực trên mạng ngang hàng có cấu trúc 25

3.1 Vấn đề cần giải quyết 25

3.2 Ý tưởng 25

3.3 Thiết kế giải pháp 27

3.3.1 Xây dựng cây multicast 29

3.3.2 Duy trì cây multicast khi có node rời khỏi mạng 32

Chương 4 Mô phỏng và đánh giá 33

4.1 Chương trình mô phỏng 33

4.1.1 Kiến trúc mạng mô phỏng 33

4.1.2 Các tham số trong mạng mô phỏng 34

4.2 Kết quả và đánh giá 36

4.2.1 Hiệu quả độ chênh lệch số hop nhận được các luồng tại các node 36

4.2.2 Hiệu quả độ cân bằng tải trên toàn hệ thống 38

Chương 5 Kết luận 40

5.1 Kết luận 40

5.2 Hướng phát triển tiếp theo của đề tài 40

1

Danh mục hình ảnh

Hình 1 Một số mô hình truyền tin 3

Hình 2 Mô hình IP Multicast 4

Hình 3 Bộ định tuyến trong truyền tin multicast tầng mạng 6

Hình 4 Truyền thông multicast tầng mạng và tầng ứng dụng 7

Hình 5 Giao thức Narada 9

Hình 6 Mạng phủ 7 node (a) và cây multicast xây tương ứng (b) 10

Hình 7 Truyền tin mulicast đa luồng 13

Hình 8 Bảng định tuyến của node 10233102 trong Pastry 15

Hình 9 Node 10233102 gửi thông điệp m đến node 33321220 16

Hình 10 Quá trình 1 node join vào group 19

Hình 11 Truyền tin multicast trong group Scribe 20

Hình 12 Quá trình tự sửa cây multicast 21

Hình 13 Splitstream F luồng 22

Hình 14 Xác định node cha khi băng thông đi ra vượt quá giới hạn 23

Hình 15 Phân chia vùng gần vùng xa cho các node con 26

Hình 16 Bảng Finger Table trong Chord 28

Hình 17.Lưu giữ key trong mạng Chord 29

Hình 18.Tìm các node con gần và node con xa 30

Hình 19 Node nhận được các luồng 31

Hình 20 Sửa cây multicast khi có node rời khỏi mạng 32

Hình 21 Mô hình mạng thực tế 33

Hình 22 Chênh lệch hop lớn nhất giữa các luồng với 1014 node 37

Hình 23 Chênh lệch hop lớn nhất giữa các luồng với 2072 node 38

Hình 24 Hiệu quả cân bằng tải với 1014 node 38

Hình 25 Hiệu quả cân bằng tải với 2072 node 39

2

Mở đầu

Trong thời gian gần đây ha ̣ tầng Internet phát triển với tốc đô ̣ chóng mă ̣t Tốc đô ̣ truyền tải trên ma ̣ng cao đã làm xuất hiê ̣n nhiều ứng du ̣ng mới sử du ̣ng truyền tin multicast thời gian thực như IP TV , video conference Chúng đang làm thay đổi cách giao tiếp của con người , thu he ̣p mo ̣i khoảng cách vâ ̣t lí , mang đến cho chúng ta những trải nghiê ̣m mới mẻ về cuô ̣c sống

Truyền tin multicast có 2 loại chính là IP multicast và multicast trên tầng ứng dụng IP Multicast có thể xem là phương pháp multicast chính thống , hiê ̣u quả nhất Tuy nhiên khi triển khai trên ma ̣ng Internet thì IP Multicast gă ̣p những trở nga ̣i rất lớn : đó là chi phí cho viê ̣c thay thế router trên toàn ma ̣ng Inter net (do các router trước đây không có khả năng multicast ) và chi phí cho việc duy trì các cây multicast đó trên

hê ̣ thống Internet rô ̣ng lớn Xu hướng truyền tin multicast vì thế chuyển sang truyền tin multicast trên tầng ứng du ̣ng

Tuy nhiên khi triển khai trên truyền tin multicast trên tầng ứ ng du ̣ng cũng gă ̣p không ít vấn đề Thay vì nhân bản các gói tin ta ̣i các router như IP Multicast , cơ chế Multicast trên tầng ứng du ̣ng la ̣i nhân bản các gói tin trên các má y đầu cuối Do đó viê ̣c tối ưu cây multicast nhằm ta ̣o sự cân bằng tải tương đối trên toàn ma ̣ng cũng là

mô ̣t vấn đề Mô ̣t vấn đề nữa phải tính đến là đô ̣ trễ Các gói tin liên tục phải luân chuyển qua nhiều vi ̣ trí đầu cuối nên đô ̣ trễ sẽ tăng cao Viê ̣c xây dựng được mô ̣t cây multicast phù hợp để giảm thiểu đô ̣ trễ cũng là mô ̣t vấn đề quan tro ̣ng

Hiê ̣n nay đã có những nghiên cứu xây dựng cây multicast đa luồng trên ma ̣ng ngang hàng có cấu trúc như Sp litstream Splitstream được xây dựng dựa trên nền tảng Pastry, Scribe thêm vào đó mô ̣t số giải pháp để ha ̣n chế tình tra ̣ng quá tải ta ̣i mô ̣t số node tham gia ma ̣ng Nghiên cứu này đã có kết quả tương đối tốt

Giải pháp của khóa luận đưa ra dựa trên ý tưởng và các ưu điểm của mô hình mạng có cấu trúc Chord được sửa đổi để phù hợp với việc xây dựng cây truyền tin multicast đa luồng Tóm tắt nội dụng trình bày trong các chương:

Chương 1: Truyền tin multicast thời gian thực

Chương 2: Truyền tin multicast đa luồng thời gian thực

Chương 3: Xây dựng cây multicast đa luồng thời gian thực trên mạng ngang hàng

có cấu trúc Chương 4: Mô phỏng và đánh giá

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

3

Chương 1.Truyền tin multicast thời gian thực

1.1.Tổng quan về truyền tin multicast thời gian thực

Trong điều kiện internet phát triển rất nhanh như hiện nay việc truyền tin trên mạng đã trở nên ngày càng quan trọng và phổ biến Mục đích cuối cùng của việc truyền tin là gửi thông tin từ máy này đến máy khác nên để đơn giản và trực quan người ta đã mô hình hóa việc truyền tin giữa các máy thành truyền tin giữa các node Sau đây là 1 số mô hình truyền tin thường gặp :

Hình 1 Một số mô hình truyền tin

Chương này của khóa luận sẽ làm rõ chi tiết việc truyền tin multicast

Truyền tin multicast được định nghĩa là việc 1 máy truyền tin đến 1 nhóm máy

có lựa chọn Quá trình được mô hình hóa thành các node như trên hình 1: gói tin được nhân bản thành nhiều gói tin khác và gửi đi theo các cạnh của cây multicast

Ta có thể thấy truyền tin multcast tỏ ra rất hiệu quả trên mạng Internet So sánh với phương pháp truyền tin broadcast (gửi không có lựa chọn) ta thấy : một node sẽ gửi gói tin đến tất cả các node khác mà nó biết , trong khi những node thực sự cần dữ liê ̣u không phải là tất cả các node ấy Điều này thực sự làm lãng phí băng thông của mạng

Chính nhờ các đặc tính riêng hiệu quả như vậy mà truyền tin multicast đang trở thành hướng phát triển truyền tin chính so với các phương pháp truyền tin khác Truyền tin multicast hiện nay được phân loại thành 2 nhánh chính là : IP Multicast

đi cho n máy có địa chỉ IP Multicast trên (trong hình minh họa là 2 máy có cùng địa chỉ IP Multicast đó)

Deering được xem như là người đầu tiên đề xuất giải pháp IP multicast Năm

1990 IP Multicast ra đời , nó là sự phát triển từ mô hình dịch vụ IP unicast để nhằm nâng cao giao tiếp đa điểm Mô hình dịch vụ multicast cung cấp hai lợi ích chính: (1) hiệu quả sử dụng băng thông và (2) việc địa chỉ nhóm gián tiếp cho phép redezvous tầng mạng Đề xuất này của Deering đã mở ra một lĩnh vực mới cho các ứng dụng của

IP Multicast

Internet thì nó cần 1 định nghĩa nhóm tốt hơn Và IGMP( IGMP - Internet Group Management Protocal) đã ra đời Các máy trên mạng Internet muốn nhận dữ liệu thì

cần phải gia nhập giao thức quản lý nhóm mạng IGMP

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 cây multicast này, nhưng lại là máy nhận trong cây multicast khác

Mỗi một máy cần có địa chỉ multicast là địa chỉ mà mỗi máy tham gia vào nhóm

và mong muốn nhận được dữ liệu IANA ( IANA - Internet Assigned Numbers Authority) sẽ kiểm soát việc gán địa chỉ IP Multicast IANA gán không gian địa chỉ

lớp D được dùng cho IP Multicast Như vậy tất cả địa chỉ Multicast nằm trong dải: 224.0.0.0 – 239.255.255.255

Ngoài ra, để có thể thực hiện multicast, bộ định tuyến (tiếng Anh: Router) trong

mô hình này phải có chức năng multicast(đây là một trong những vướng mắc lớn nhất khiến IP Multicast khó có thể phát triển mạnh) 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 Error! Reference source not found

6

Hình 3 Bộ định tuyến trong truyền tin multicast tầng mạng

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 IP Multicast đang sử dụng hiện nay để triển khai trên hệ thống mạng Internet đang thực sự gă ̣p các vấn đề khó khăn :

 Khi triển khai trên hê ̣ thống lớn như Internet các router phải lưu giữ rất nhiều trạng thái của các nhóm Đây thực sự là mô ̣t vấn đề lớn khi số nhóm tăng lên cao

 Tạo và duy trì một cây multicast mấ t rất nhiều tài nguyên và thời gian

 Khi có quá nhiều kết nối hoặc một node 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 xử lí thâ ̣t tốt

Vấn đề lớn nhất của viê ̣c triển khai IP Multicast là chi phí để thay thế lại hạ tầng mạng đã được xây dựng là cực kỳ lớn Chính vì vậy mà xu hướng chuyển giao sang truyền thông multicast tầng ứng dụng

7

Multicast tầng ứng dụng không thay đổi và phá vỡ hệ thống mạng Thay vào đó,

nó chỉ thực hiện chức năng truyền multicast trên các máy cuối ở tầng ứng dụng Từ tầng ứng dụng sẽ truyền xuống các tầng mạng và tầng giao vận Ở các tầng thấp hơn,

cơ chế hoàn toàn không thay đổi

Hình 4 Truyền thông multicast tầng mạng và tầng ứng dụng (Hình vuông là các router, hình tròn là các máy đầu cuối)

Khi truyền multicast ở tầng ứng dụng, các gói tin không được nhân bản tại các bộ định tuyến giống như mô hình multicast nguyên thuỷ (IP multicast) 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

Có hai thông số đo đạc tính chất của việc truyền multicast trên tầng phủ: stress

và stretch Stress được xác định theo từng kết nối và đếm số gói tin được gửi đi bởi một giao thức ở tầng mạng dưới Stretch được đo bởi mỗi máy và là tỷ lệ của chiều dài

từ nguồn đến thành viên ở một mạng phủ theo đường dẫn unicast

Nhìn chung, các giao thức tầng mạng có thể được đánh giá theo ba hướng:

 Chất lượng của đường truyền dữ liệu: là chất lượng của cây được đo bởi một

số thông số stress, stretch và cấp độ node

 Độ mạnh yếu của tầng phủ: Mỗi máy thường không ổn định như router, các

node có thể rời mạng tạm thời hoặc vĩnh viễn làm ảnh hưởng đến các node nhận phía dưới Độ mạnh yếu của các giao thức tầng ứng dụng được đo bởi việc đo đạc sự mất mát dữ liệu truyền khi các thành viên bị lỗi và thời gian mà nó cần

để giao thức có thể khôi phục lại để truyền cho các thành viên khác

 Quá tải : để sử dụng hiệu quả tài nguyên mạng, quá tải điều khiển ở mỗi thành

viên nên nhỏ Đó là một thông số giá thành quan trọng để đo đạc tính mở rộng của thành viên

8

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 ứng dụng vẫn có khả năng giảm tải nhiều cho đường truyền và nguồn tin multicast

1.1.3.Các mô hình truyền tin multicast tầng ứng dụng

Đề có thể truyền tin multicast được thì trước tiên cần có một cấu trúc topology của mạng phủ Trong topology của tầng mạng phủ - tầng mạng ứng dụng, các máy tính liên kết với nhau Mỗi máy tính gọi là một node mạng liên kết ảo với các node khác Việc xem máy tính là 1 node ảo được sử dụng rất nhiều trong cấu trúc của các mạng ngang hàng như Chord , Pastry do tính chất phân tán và không xác định được về phương diện địa lý của các máy thật

Dựa vào topology đó, các node tương ứng với các node trên cây multicast (node

lá hoặc node con), liên kết ảo sẽ tạo nên cơ chế truyền tin từ node lá sang các node con

Có hai cách thức truyền thông multicast: multicast trên mạng có cấu trúc first) và multicast trên mạng không có cấu trúc (mesh-first) Sau đây ta sẽ nghiên cứu

(tree-phân tích và lựa chọn một hướng truyền thông phù hợp cho video streaming

Multicast theo hướng mesh-first

Trong cách tiếp cận mesh-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 Giao thức Narada là một trong những giao thức multicast tầng ứng dụng đầu tiên

và theo hướng mesh-first Nó chỉ định một máy đặc biệt là Rendezvous Point (RP)

được sử dụng để theo dõi sự gia nhập của một thành viên mới

Tất cả các giao thức multicast tầng mạng cũng sử dụng một hoặc một số các thực thể tương tự như RP trong Narada để tạo cơ chế gia nhập

Xây dựng mesh: khi một node mới muốn gia nhập nhóm multicast, nó sẽ có danh

sách thành viên đã gia nhập vào mesh do RP cung cấp Sau đó thành viên mới sẽ lựa chọn ngẫu nhiên một số các thành viên và gia nhập vào mesh và coi như là láng giềng của những thành viên đó Quy trình gia nhập thành công khi mà ít nhất một thành viên trong danh sách đồng ý để thành viên mới là láng giềng mesh

Khi gia nhập vào mesh, thành viên mới bắt đầu định kỳ trao đổi thông điệp với

các lang giềng mesh của nó Bất cứ khi nào một node gia nhập hoặc một thành viên rời

9

nhóm, nhóm này sẽ thay đổi thông tin của tất cả thành viên Do đó, mỗi thành viên trong nhóm giữ trạng thái của tất cả các thành viên trong nhóm Thông tin này thường xuyên được cập nhật Việc lưu trữ các thông tin trạng thái của tất cả thành viên trong nhóm ở mỗi thành viên dẫn tới quá tải kiểm soát lớn, quá tải kiểm soát lên tới (O(N2)) với N là kích thước của nhóm Do đó, giao thức Narada hiệu quả chỉ khi kích thước nhóm Multicast là nhỏ

Hình 5 Giao thức Narada

Khi cả thành viên D và E cùng lỗi, mesh phân chia thành 2 phần Do đó, các

thành viên A, B và C sẽ ngừng nhận được thông tin trạng thái từ F, G và H; và ngược lại Mỗi thành viên có thể khảo sát các thành viên từ khi nó ngừng nhận được thông điệp trạng thái để tạo ra một kết nối mới và sửa các phần Chý ý rằng, việc sửa không yêu cầu sự hỗ trợ của RP và do đó vẫn có thể thực hiện được ngay cả khi RP bị lỗi

Đường truyền dữ liệu: các thành viên của một nhóm thực hiện một giao thức

định tuyến để tính ra các đường đi unicast trong mesh

Sự chọn lọc của mesh: các đường truyền dữ liệu trong Narada là các cây nhịp

của mesh Do đó, chất lượng của đường truyền dữ liệu phụ thuộc vào chất lượng của các kết nối là một phần của mesh Khi một thành viên mới tham gia, hoặc khôi phục từ

các phần, một tập ngẫu nhiên các cạnh sẽ được thêm vào mesh Do đó, sự chọn lọc

định kỳ cần phải được thực hiện với các cạnh để cải tiến chất lượng của các đường truyền dữ liệu Việc thêm cạnh (J,G) là có ích bởi vì một số lượng lớn các node unicast

Multicast theo hướng tree-first

Trong cách tiếp cận 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

Hình 6 Mạng phủ 7 node (a) và cây multicast xây tương ứng (b)

Scribe là hệ thống multicast tầng ứng dụng mở rộng được xây dựng trên Pastry

Để tạo nhóm multicast, Scribe tạo ra một khoá Pastry tự động được biết như Id của một nhóm Cây multicast tương ứng với một nhóm được thực hiện bằng một tập hợp các bộ định tuyến Pastry từ một node thành viên đến nhóm gốc của Id Bằng việc truyền lùi lại trên đường dẫn, các gói tin multicast từ gốc tới mỗi thành viên SplitStream là hướng phát triển sau của Scribe mà tập trung vào việc phân bổ truyền thông

Ngoài Scribe là hệ thống multicast tầng ứng dụng xây dựng trên Pastry, ta cũng

có thể xây dựng multicast trên các mạng ngang hàng có cấu trúc DHT khác như CAN, CHORD…

11

Mạng ngang hàng có cấu trúc thuộc nhánh các mạng ngang hàng phân tán trong các mô hình mạng ngang hàng 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

Phát triển trên mạng ngang hàng có cấu trúc sẽ tận dụng ưu điểm là khả năng dễ

mở rộng do cấu trúc liên kết rõ ràng; việc tìm kiếm thông tin nhanh hơn Giao thức tìm kiếm chung trong mạng sẽ đảm bảo thông tin được tìm kiếm chính xác Đây là một lợi thế rất quan trọng khi áp dụng mạng ngang hàng có cấu trúc để triển khai truyền tin multicast, do truyền tin multicast yêu cầu khả năng định tuyến của mạng phủ để xây dựng nên cây multicast

Ngoài ra, 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

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

1.2.Truyền tin multicast thời gian thực

Một nhánh trong truyền tin multicast là truyền tin multicast thời gian thực Phương pháp truyền tin này thường được áp dụng trong các ứng dụng video streaming trực tiếp có thể xem là thế mạnh thực sự của mạng ngang hàng so với mô hình mạng client – server truyền thống Ví dụ cụ thể nhất là khi chúng ta muốn xem một trận đá bóng rất được mong đợi giữa Real Maldrid – Barcelona Một thống kê cho biết có đến gần 1 tỷ người theo dõi trận cầu này trên toàn thế giới và chắc chắn là tại thời điểm đó không có 1 server nào có thể đủ mạnh để phát sóng trực tiếp trận đấu lên mạng Internet Thế nhưng với 1 ứng dụng của video streaming thời gian thực trên mạng ngang hàng (như Sopcast , TVU Player) bạn lại có thể theo dõi trận đấu này với chất

12

lượng có thể chấp nhận được Đó chính là ưu điểm vượt trội của mô hình mạng ngang hàng và hiện nay vẫn đang được phát triển để ngày càng tối ưu hóa Khóa luận này cũng là một đề xuất về truyền tin multicast đa luồng thời gian thực dựa trên giao thức Chord nhằm ứng dụng cho video streaming thời gian thực

Trong truyền tin multicast thời gian thực có 2 đặc tính riêng quan trọng nhất cần phải đáp ứng để đạt được chất lượng có thể chấp nhận được :

 Inbound bandwith tại mỗi máy là đủ lớn để decode được thành video với chất lượng chấp nhận được Với các kỹ thuật decode bây giờ thì các máy với mức download lớn hơn 240Kbits/s là có thể xem được video

 Độ trễ tại các máy là không quá lớn để đảm bảo tính thời gian thực Tính chất này thường rất quan trọng trong các ứng dụng video streaming 2 chiều như video call … tuy nhiên trong các ứng dụng 1 chiều như các ứng dụng xem TV trên Internet đặc tính này lại có thể không quá quan trọng

13

Chương 2.Truyền tin multicast đa luồng thời gian thực

Trong chương một, chúng ta đã hiểu được khái niệm và cách thức truyền tin multicast cũng như truyền tin multicast thời gian thực Một trong những đặc tính quan trọng của hệ thống multicast là 1 máy khi tham gia vào hệ thống multicast có thể vừa

là node gửi dữ liệu lại vừa là node nhận dữ liệu Từ tính chất này người ta đã phát triển truyền tin multicast từ đơn luồng thành đa luồng với những ưu điểm , hiệu quả ứng dụng rất đáng ghi nhận trên mạng ngang hàng

2.1 Tổng quan về truyền tin multicast đa luồng

Hình 7 Truyền tin mulicast đa luồng

Về cơ bản truyền tin multicast đa luồng được xây dụng trên cây multicast với mở rộng : các node thay vì chỉ gửi và nhận 1 gói dữ liệu thì bây giờ lại nhận và gửi nhiều

dữ liệu hơn

Xét ví dụ ở Hình 7 Bây giờ giả sử ta chỉ quan tâm đến stripe 1(luồng 1) : đây chính là truyền tin multicast đơn luồng Quá trình truyền tin như sau : node source (nguồn) gửi dữ liệu đến node con 2 Node 2 gửi dữ liệu cho node 3 , 4 Các node 3 , 4 gửi dữ liệu cho các node lá 5 , 6 ,7 ,8 Như vậy ta có thể thấy các node trong 2 , 3 , 4 đều phải gửi dữ liệu đi cho 2 node khác trong lúc đó chỉ nhận về 1 luồng dữ liệu Trong khi đó các node lá 5 , 6 , 7 , 8 chỉ nhận dữ liệu mà không phải gửi Việc truyền tin multicast như thế này trên mạng ngang hàng đã vi phạm tiêu chí quan trọng nhất

trong mạng ngang hàng : tính công bằng Trên mạng ngang hàng các node gửi đi nhiều

dữ liệu thì cũng phải được nhận lượng dữ liệu xứng đáng với mức đóng góp của node

14

đó trong hệ thống mạng Điều kiện này là cơ sở để mạng ngang hàng phát triến mạnh trên hệ thống Internet Trên đây chỉ là trường hợp cây multicast đơn luồng nhị phân , còn trên thực tế mô hình cây multicast chắc chắn sẽ phức tạp hơn nhiều

Theo như nghiên cứu về cây multicast đơn luồng với fanout = 16 (mỗi node gửi

dữ liệu cho 16 node con khác) thì có đến 90% là node lá và chỉ có 10% là node trong 10% đó phải gánh toàn bộ băng thông mạng

Mục đích lớn nhất cuả truyền tin multicast đa luồng là giải quyết được vấn đề vừa đặt ra : làm sao đạt được tính công bằng cho các node tham gia hệ thống multicast Xét ví dụ ở Hình 7 Bây giờ ta quan tâm đến cả 2 luồng stripe 1 , 2 Sau khi xét quá trình truyền tin của cả 2 luồng ta có thể thấy tất cả các node trong cây đều nhận 2

2 luồng dữ liệu và gửi đi 2 luồng dữ liệu Nếu stripe 1 và stripe 2 là tương đương nhau thì quả thực hệ thống này đã đạt được sự công bằng mong muốn

Ví dụ ở Hình 7 có thể xem là hình mẫu đơn giản nhất cho cây multicast đa luồng Việc phát triển và ứng dụng trong hệ thống mạng ngang hàng với độ phức tạp lớn hơn nhiều đã gặp 1 số vấn đề :

 Số luồng mong muốn là lớn để đảm bảo mỗi luồng dữ liệu khi truyền đi trên mạng đủ nhỏ để tránh tắc nghẽn Việc tăng số luồng đồng nghĩa với cách xây dựng việc gửi và nhân các luồng tại mỗi node trong cây multicast cũng sẽ phức tạp hơn để đảm bảo vẫn giữ được tính công bằng

 Tính không ổn định của mạng Đây chính là đặc trưng thực tế của hệ thống mạng ngang hàng Các node trong cây multicast sẽ vào ra liên tục và để cây multicast vẫn đảm bảo truyền tin được đến tất cả các node thì cần phải có cơ chế thay đổi lại cây multicast cho phù hợp

Gần đây đã có một số nghiên cứu liên quan đến xây dựng cây multicast đa luồng trên mạng ngang hàng có cấu trúc sử dụng giao thức DHT(Bảng băm phân tán - Distributed Hash Table) Mục 2.2 sẽ trình bày về những giải pháp này

Pastry cũng sử dụng giao thức DHT để lấy định danh các node 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 hàng , không ngoại trừ đối với Pastry Tuy nhiên điều thú vị của Pastry nằm ở bảng định tuyến sẽ được mô tả dưới đây

Hình 8 Bảng định tuyến của node 10233102 trong Pastry

Node và dữ liệu trong mạng Pastry được định danh bởi một giá trị 128 bit (nodeId, 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 node quản lý dãy các khóa

có chứa giá trị khóa này (giá trị khóa thu được khi băm dữ liệu)

Mỗi node 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

16

Ở Hình 8 là bảng định tuyến của nodeId 10233102 Dựa vào bảng định tuyến này node 10233102 có thể gửi dữ liệu đến cho node khác Ví dụ node 10233102 muốn gửi thông điệp m đến cho node 33321220 Đầu tiên nó sẽ tìm trong các node 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 node cần gửi đến (33321220) với các cột trong Routing table Cụ thể là node 33321220 có ký tự đầu là 3 : nó sẽ tìm trong Routing table tại hàng 1 cột 3 tìm được node 31203203 Do ngay từ ký tự đầu của node cần gửi đã khác node gửi nên quá trình tìm kiếm dừng lại Node 10233102 sẽ gửi đến node 31203203 với yêu cầu sẽ gửi thông điệp m đến node 33321220 Quá trình này tiếp tục xảy ra cho đến khi đến được node cần gửi

Hình 9 Node 10233102 gửi thông điệp m đến node 33321220

Các node định kỳ gửi các gói tin keep-alive cho các node hàng xóm của nó và nếu như một node nào đó không nhận được gói keep-alive của một node hàng xóm trong tập hàng xóm của nó trong một thời gian nhất định thì nó sẽ xem như node hàng xóm đã rời khỏi mạng và tự động update thông tin

Scribe

Scribe là cơ sở hạ tầng cho việc truyền multicast ở tầng ứng dụng dựa trên giao thức Pastry Cũng chính vì thế 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

17

truyền thông điệp multicast ở tầng ứng dụng Giống như Pastry, Scribe là mô hình phân quyền hoàn toàn nó có khả năng xây dựng, duy trình 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 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 node có cùng nhu cầu nhận dữ liệu multicast vào một nhóm, và về mặt logic thì các node trong nhóm sẽ có quan hệ với nhau theo hình cây(sẽ giải thích kỹ ở phần sau) Bất kỳ một node nào trong mạng cũng

có thể thực hiện được 3 thao tác: một là tạo ra 1 group, hai là join vào một group đã có

từ trước (trở thành một node trong cây multicast) và ba là truyền multicast tới tất cả các node có trong group (nguồn multicast) Scribe là một mô hình cung cấp một cách

cố gắng tối đa trong việc truyền multicast nó có thể quản lý và duy trì được nhiều group cùng một lúc, các group có số lượng thành viên lớn cũng như có nhiều tài nguyên trong mạng

Chi tiết giải thuật:

Mô hình:

Mô hình để thực thi Scribe là một mạng Pastry trong đó các máy có cài đặt chương trình ứng dụng của Scrible 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 node) và deliver (được gọi khi thông điệp đến một node mà có nodeId gần với key nhất hoặc nội dung thông điệp chính là địa chỉ của node đó) Các thông điệp trong Scribe có 4 kiểu là : JOIN (xin tham gia vào một group), CREATE (tạo một group mới), LEAVE (rời khỏi group), MULTICAST (truyền thông điệp multicast)

Quản lý nhóm:

– Mỗi nhóm truyền multicast có một định danh groupId duy nhất

 Scirbe node (tức là node trong mạng có cài chương trình ứng dụng Scrible) có

id gần với id của group (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 node Scribe nào đó muốn khởi tạo một group thì các bước thực hiện sẽ là :

18

 B1: node Scribe dùng Pastry định tuyến thông điệp route(CREATE,groupId)

 B2: giao thức Pastry sẽ gửi thông điệp này tới điểm cuối là một node có nodeId gần với groupId nhất Và node này sẽ được xem như là gốc của group 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 group mới vào danh sách các group 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 group multicast

Quản lý thành viên :

Một group về phương diện logic là một cây multicast có gốc là “điểm gặp", mỗi khi có một node mới được join vào group thì nó sẽ trở thành một thành viên của group cũng như trở thành một thành phần của cây multicast, vì thế phải có cơ chế hợp lý để

tổ chức, quản lý các thành viên của group Nếu một node Scribe là một phần của group thì về phương diện cây multicast thì nó là một forwarder Mỗi một forwarder duy trì một bảng gọi là children table mà mỗi entry của bảng này sẽ gồm có 2 trường: địa chỉ

ip của một node “con” nào đó của nó (ip addr), và nodeId tương ứng của node con đó

Join group:

Khi một node muốn join vào một group nào đó nó sẽ thực hiện các bước sau:

 Gửi thông điệp JOIN với groupId của group cần join làm key: route (JOIN,groupId)

 Giao thức Pastry sẽ định tuyến nó tới “điểm gặp”

- Nếu node trung gian trong quá trình truyền thông điệp là một forwarder (một thành phần của group đang định join vào) thì đơn giản chỉ là thêm node cần join vào làm một con của node forwarder này

- Nếu node trung gian không phải là một forwarder của group cần join vào thì thực hiện các bước:

 Tạo một children table cho node trung gian và thêm thông tin của node cần join vào bảng này

 Gửi thông điệp JOIN của node trung gian tới điểm gặp (lúc này thay cho việc thực hiện join node ban đầu ta đi join node trung gian vào group) Và cứ thực hiện đệ quy như thế này ta sẽ có được một danh sách các node mới join vào group thay vì chỉ một node ban đầu

19

Để dễ hiểu ta xét ví dụ sau : một group có điểm gặp là node A có nodeId = 1100 (như hình vẽ ở dưới)

Hình 10 Quá trình 1 node join vào group

Node B có nodeId là 0111 muốn join vào group có A là gốc nó sẽ gửi gói tin route(JOIN,x) với x là groupId của group này, giao thức Pastry sẽ định tuyến gói tin tới node D có nodeId là 1001 Nhưng node D không phải là một thành phần của group này cho nên D sẽ tạo ra một children table của nó và thêm vào đó entry (122.145.1.23;0111) Tiếp đó D sẽ gửi gói tin yêu cầu join vào group có gốc là A: route(JOIN,x) Tiếp tục giao thức Pastry lại định tuyến nó tới node E và E cũng không phải là thành viên của group này vì thế E cũng sẽ tự tạo ra một childeren table của nó

và thêm vào entry (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 được A vì A là một thành của group cho nên ở đây

A sẽ thêm entry (10.10.1.123;1101) vào children table của nó Kết quả là ta sẽ có thêm

3 thành phần mới của group là B ,D, E

Tiếp theo node C có nodeId là 0100 muốn join vào group này Để bắt đầu nó cũng sẽ gửi gói tin yêu cầu route(JOIN,x) gói tin này được định tuyến tới node D và vì bây giờ D đã là một thành phần của group này nên đơn giản D sẽ thêm vào children table của nó một entry mới (123.134.12.12;0100)

Leave group:

Khi một node nào đó muốn rời khỏi group nó sẽ ghi một cách cục bộ rằng nó đã rời khỏi group (tức là chỉ một mình nó biết nó đã rời khỏi mạng) Sau đó nếu bảng children table của node 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 node mà node có con đã rời khỏi group Còn nếu bảng children table của node muốn rời mạng không rỗng thì nó làm