Nghiên cứu cải thiện hiệu năng định tuyến mạng ngang hàng p2p (tt)

Mục tiêu chính mà luận án hướng tới là nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống mạng ngang hàng.. luận án đã nghiên cứu xây dựng cấu trúc mạng theo cấu trúc phân cấ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:

Luận án được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Học viện tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Vào hồi: giờ, ngày…… tháng…….năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Quốc Gia Việt Nam

2 Thư viện Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Mạng ngang hàng P2P là một mạng hỗn hợp, được ta ̣o lâ ̣p trên diện rô ̣ng bao gồm cả những người dùng mạng Internet và các mạng máy tính chuyên nghiệp Các mạng chồng phủ, dưới dạng các mạng P2P, đang trở nên rất phổ biến trong những năm gần đây, do các tính năng làm cho chúng phù hợp với việc phát triển hay triển khai các dịch vụ mới như truyền thông đa hướng, chia sẻ dữ liệu phạm vi rộng

và phân phối nội dung như Kazaa, Napster, Bittorrent, Skype, Sopcast Kiến trúc của ma ̣ng viễn thông ngày nay đang chuyển thành hướng di ̣ch vu ̣ thay vì xu hướng ma ̣ng trước đây, nhằm cho phép mở

hạ tầng viễn thông cho các nhà phát triển ứng du ̣ng để ta ̣o ra các di ̣ch

vụ mới theo mô hình của ma ̣ng Internet

Mạng ngang hàng với các ưu điểm như: Khả năng mở rộng, khả năng chịu đựng lỗi, dễ dàng triển khai, Tuy nhiên chính cơ chế truyền thông ngang hàng và các yêu cầu cung cấp chất lượng dịch vụ

đã cho thấy một số thách thức mà ma ̣ng P2P cần phải giải quyết

Các tính chất đă ̣c thù của ma ̣ng ngang hàng chính là nguyên nhân làm ảnh hưởng tới hiê ̣u năng của ma ̣ng như: Tiêu tốn băng thông cho quá trình duy trì cấu hình ma ̣ng, tỷ số trễ dãn cách trung

bình Tstretch tăng (tỷ số giữa đường đi ̣nh tuyến lớp ma ̣ng chồng phủ

và đường đi ̣nh tuyến lớp nền), tỷ lệ tổn thất gói tin cao

Mục tiêu chính mà luận án hướng tới là nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống mạng ngang hàng Để đạt được mục tiêu chính này,

luận án đã nghiên cứu xây dựng cấu trúc mạng theo cấu trúc phân cấp và cải thiện hiệu năng thuật toán định tuyến trong hệ thống này Phạm vi nghiên cứu giới hạn với các hệ thống mạng ngang hàng có cấu trúc Chord-DHT Tham số hiệu năng của hệ thống được đánh giá, khảo sát trong luận án là: Băng thông tiêu tốn, trễ (latency), tỷ lệ trễ dãn cách trung bình, tỷ lệ tổn thất gói tin, đô ̣ dài đường tìm kiếm,

kích thước bảng đi ̣nh tuyến, tỷ lệ tìm kiếm thành công, chi phí bầu chọn siêu nút

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu nêu trên, các nhiệm vụ nghiên

cứu trong quá trình thực hiện luận án được xác định bao gồm: (1) nghiên cứu tổng quan về mạng P2P, (2) đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng hệ thống mạng P2P và (3) kiểm chứng các giải pháp đã đề xuất Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận

án là nghiên cứu lý thuyết dựa trên mô hình giải tích với các công cụ toán học kết hợp với mô phỏng

Luận án bố cục thành bốn chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về ma ̣ng ngang hàng (P2P)

Chương 2 : Đánh giá hiệu năng thuâ ̣t toán định tuyến DHTs Chương 3 : Cải thiê ̣n hiê ̣u năng thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến Chord Chương 4 : Xây dựng ma ̣ng ngang hàng Chord_SL phân cấp cải thiện hiê ̣u năng

Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp theo

Hà nội, tháng 2 năm 2017

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG P2P

Tóm tắt: Chương một tập trung nghiên cứu các đặc tính kỹ thuật của mạng ngang hàng cùng với các ứng dụng điển hình, các vấn đề ảnh hưởng tới hiê ̣u năng mạng ngang hàng; tiếp cận giải quyết vấn đề cải thiê ̣n hiê ̣u năng mạng ngang hàng và các điểm mấu chốt của thuật toán định tuyến dựa trên bảng băm phân tán và tìm kiếm tối ưu Đặc biệt, các giải pháp cải thiện hiệu năng thuật toán đi ̣nh tuyến DHTs của các nghiên cứu trong nước và trên thế giới cũng được phân tích nhằm sáng

tỏ cách thức tiếp cận mục tiêu của luận án

1.1 Tổng quan về mạng ngang hàng

Mạng chồng phủ ngang hàng là mạng máy tính được xây dựng trên nền của một mạng khác Các nút trong mạng ngang hàng được kết nối với nhau bằng liên kết logic, mỗi liên kết logic có thể bao gồm rất nhiều các liên kết vật lý của mạng nền tảng (Internet)

Hình 1-1 Mô hi ̀nh ma ̣ng chồng phủ ngang hàng

Overlay

IP

1.1.1 Kiến trúc mạng ngang hàng P2P

Chia se ̉ file, tin nhắ n tức thời, luồng

video, phân ta ́n, tính toán,…

Application Layer ( Lơ ́ p ứng du ̣ng) Qua ̉n lý nút ma ̣ng phủ, quản lý

va ̀ tìm kiếm tài nguyên,…

Overlay Network Layer ( Lơ ́ p ma ̣ng chồng phủ)

( Lơ ́ p ma ̣ng nền )

Hình 1-2 Kiến tru ́ c phân lớp điển hình ma ̣ng ngang hàng P2P

Dựa trên cấu trúc và thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến trong lớp ma ̣ng chồng phủ , kiến trúc ma ̣ng chồng phủ P2P được chia thành mô hình tâ ̣p trung, phân tán và lai ghép [48], [63] Mô hình phân tán được chia

làm hai loa ̣i không cấu trúc, có cấu trúc, phân cấp và không phân cấp

1.1.2 Thách thức khi nghiên cứu mạng ngang hàng P2P

Bên cạnh các ưu điểm về khả năng mở rộng, khả năng chịu đựng lỗi, dễ dàng triển khai, chính cơ chế truyền thông ngang hàng và các yêu cầu cung cấp chất lươ ̣ng dịch vụ, đã cho thấy một số thách thức

mà mạng P2P cần phải vươ ̣t qua về mặt hiệu năng: Tính động (Churn rate); Không đồng nhất hiệu năng giữa mạng chồng phủ ngang hàng

và mạng nền (Topology Mismatch); Tính bảo mật; Đô ̣ tin câ ̣y ; Cân bằng tải

1.2 Tham số hiê ̣u năng ma ̣ng ngang hàng

- Đô ̣ dài đường tìm kiếm (Query path length )

- Tỷ lê ̣ tìm kiếm thành công (Lookup Success Rate)

- Độ dài đường tìm kiếm trung bình (Mean Hop Count)

- Trễ (Latency)

- Tỷ lê ̣ trễ dãn cách trung bình (Average stretch) Tstretch là tỷ

số giữa trễ trung bình tìm kiếm qua mạng chồng phủ P2P và trễ trung bình tìm kiếm qua mạng nền (IP)

IP delay

overlay delayT

T





stretch

- Băng thông tiêu tốn (bandwidth consumption)

1.3 Các hươ ́ ng tiếp câ ̣n nghiên cứu cải thiê ̣n hiê ̣u năng ma ̣ng ngang ha ̀ng

1.3.1 Các công trình nghiên cứu trong nước

Ở Việt Nam số lượng các kết quả nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến hệ thống P2P phân cấp còn rất hạn chế

1.3.2 Các công trình nghiên cứu trên thếgiới

Để có thể triển khai các di ̣ch vu ̣ trên quy mô lớn hầu hết nghiên

cứ u đều tâ ̣p trung vào ma ̣ng ngang hàng có cấu trúc Qua khảo sát hướng nghiên cứu cải thiê ̣n hiê ̣u năng của tác giả trước chủ yếu tập trung vào hai hướng chính:

(i) Hướng nghiên cứu thứ nhất: Tối ưu cấu trúc ma ̣ng chồng phủ:

các tác giả trước đều tâ ̣p trung giải quyết hai vấn đề: Mạng có có độ ổn định thấp và hiệu năng không đồng nhất giữa mạng nền và ma ̣ng chồng phủ Mô hình phân cấp có hiê ̣u năng đi ̣nh tuyến tốt hơn so với mô hình không phân cấp [37], [14], [25], [2], [35], [61] Viê ̣c tính toán kích thước của nhóm trong ma ̣ng phân cấp cũng ảnh hưởng tới đô ̣ dài đường

tìm kiếm [37]

(ii) Hướng nghiên cứu thứ hai: Cải thiê ̣n đi ̣nh tuyến DHTs: Đi ̣nh

tuyến bao gồm xây dựng cấu trúc bảng đi ̣nh tuyến (Routing Structure)

và kỹ thuật đi ̣nh tuyến (Routing Scheme), đây là vấn đề then chốt ảnh hưởng tới hiê ̣u năng tổng thể ma ̣ng P2P [75] Hiê ̣n nay với các cách

tiếp câ ̣n khác nhau nên DHTs có nhiều kỹ thuâ ̣t đi ̣nh tuyến được đề xuất như Kademlia, Chord, Pastry, Tapestry, CAN, Tuy nhiên DHTs

mớ i chỉ giải quyết đươ ̣c vấn đề mở rô ̣ng quy mô và hiê ̣u quả tìm kiếm Nhưng khi triển khai DHTs trong ma ̣ng không đồng nhất và đô ̣ ổn đi ̣nh thấp thì DHTs có nhiều ha ̣n chế [43], [53], [63], [80], [36], [77], [27], [54]

1.4 Hướng nghiên cứu của luận án

1.4.1 Nhận xét về công trình nghiên cứu của các tác giả khác

Từ những khảo sát và phân tích các nghiên cứu về cải thiê ̣n hiê ̣u năng

mạng ngang hàng đã được đề xuất trước đây, cho thấy các nghiên cứu mới chỉ quan tâm giải quyết được một trong hai vấn đề tính ổn định và tính không đồng nhất Tuy nhiên cả hai vấn đề trên đều ảnh hưởng tới hiệu năng của hệ thống, để cải thiện hiệu năng của P2P cần phải cân bằng được hai yếu tố giảm chi phí để duy trì mạng và giảm trễ qua mạng chổng phủ Xuất phát từ các khảo sát và phân tích ở trên luận án

đề xuất cải thiện cấu trúc của mạng P2P và cải thiện thuật toán định tuyến, đưa trễ qua mạng IP vào xem xét trong quá trình tìm đường để cân bằng hai yếu tố phân tích ở trên Trên cơ sở kết quả phân tích các hạn chế của các nghiên cứu liên quan, hướng nghiên cứu được đề xuất trong luận án này là:

(1) Cải thiện hiệu năng thuật toán định tuyến Chord trong quá trình tìm đường

(2) Đề xuất mô hình mạng Chord_SL phân cấp cải thiê ̣n hiê ̣u năng định tuyến

(3) Đề xuất hàm giá bầu chọn siêu nút cải thiện hiệu năng trong

mô hình phần cấp

1.5 Kết luận chương 1

Mô hình P2P dựa trên bảng băm phân tán DHT có khả năng mở rộng, khả năng chịu lỗi, dễ dàng triển khai, đươ ̣c coi là giải pháp then chốt của ma ̣ng ngang hàng thế hê ̣ thứ 3 Tuy nhiên DHTs mới chỉ giải quyết đươ ̣c vấn đề quy mô và hiê ̣u quả tìm kiếm Các khó khăn khi triển khai các thuâ ̣t toán DHTs trên ma ̣ng P2P cũng đươ ̣c phân

tích trong chương mô ̣t Mu ̣c cuối của chương 1 đề câ ̣p đến các tham

số hiê ̣u năng của các DHTs và phân tích hướng nghiên cứu cải thiê ̣n hiệu năng của P2P Kết quả nô ̣i dung của chương mô ̣t được thể hiê ̣n trong bài báo khoa ho ̣c [V1]

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG

THUẬT TOÁN ĐI ̣NH TUYẾN DHTs

Tóm tắt:Ca ́ c thuật toán đi ̣nh tuyến DHTs đã được các nghiên cứu chư ́ ng minh là có hiê ̣u năng tốt như: Cân bằng tải, tìm kiếm vị trí dữ liệu dễ dàng, khả năng chịu đựng lỗi, khả năng mở rộng Chương hai phân ti ́ch hoạt động của ba thuật toán đi ̣nh tuyến DHTs: Kademlia, Tapestry và Chord Việc mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng OverSim Kết quả của việc nghiên cứu đã chỉ ra những điểm mạnh và điểm yếu của các thuật toán DHTs, là tiền đề cho việc cải thiện các thuật toán đi ̣nh tuyến DHTs trong nghiên cứu tiếp theo

2.1 Bảng băm phân ta ́ n – DHT

DHT sử du ̣ng hàm băm nhất quán SHA1 để cung cấp ánh xạ từ khóa/giá tri ̣ (key/value) Nhưng không giống như bảng băm thông thường, các giá trị trong một DHT được lưu trên các nút khác nhau trong mạng chứ không phải lưu trong một cấu trúc dữ liệu cục bộ

Hình 2-1 Ti ̀m kiếm và lưu trữ dữ liê ̣u trong DHT

2.2 Một số thuật toán đi ̣nh tuyến DHTs

Ba thuật toán đi ̣nh tuyến DHTs được lựa chọn nghiên cứu: Kademlia, Tapestry và Chord Cả ba thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến này được thiết kế nhằm cải thiện hiệu năng tìm kiếm dữ liệu [74], [34], [47] Tuy nhiên, những thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến này lại sử dụng các cách tiếp cận khác nhau Sở dĩ các thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến DHTs này được luận án chọn để nghiên cứu bởi chúng có những đặc tính tiêu biểu để so sánh với các thuâ ̣t toán DHTs khác

2.3 Phân ti ́ch, đánh giá hiê ̣u năng mô ̣t số thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến DHTs

2.3.1 Lựa chọn công cụ mô phỏng mạng chồng phủ ngang hàng

Qua nghiên cứu và phân tích và khảo sát, luận án đã chọn OverSim để thực hiện mô phỏng thử nghiệm cho các kịch bản trong luận án

2.3.2 Mô phỏng đánh giá hiệu năng ca ́ c thuâ ̣t toán định tuyến

DHTs

2.3.2.1 Tham số hiệu năng

Tham số hiê ̣u năng đươ ̣c dùng để so sánh hiê ̣u năng của ba thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến DHTs là: tỷ lê ̣ tìm kiếm thành công, tỷ lệ trễ dãn cách trung bình Tstretch và băng thông tiêu tốn, thời gian trễ, độ dài đường tìm kiếm (Hop count)

2.3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luâ ̣n

Dựa trên kết quả mô phỏng, có thể thấy Tapestry hoạt động tốt khi số nút tăng, băng thông tiêu tốn tăng không đáng kể, tỷ lệ thành công được duy trì trên 99%, Tstretch hầu như không thay đổi Đối với Kademlia, khi số nút tăng, tỷ lệ tìm kiếm thành công giảm xuống dưới 96%, Tstretch tăng, băng thông tiêu tốn giảm Điều đó chỉ ra rằng, Kademlia hoạt động tốt với số nút ít hơn nhưng tiêu tốn băng thông nhiều hơn Đối với Chord, khi số nút tăng, băng thông tiêu tốn tăng không đáng kể, tỷ lệ thành công được duy trì trên 96% Tuy nhiên khi mạng có độ ổn định thấp có nghĩa là khi thời gian hoạt động trung bình của nút nhỏ thì tỷ lệ tìm kiếm thành công giảm đáng kể Hơn nữa tỷ lệ trễ dãn cách trung bình giữa đường định tuyến lớp chồng phủ và đường định tuyến của lớp nền tảng quá lớn khoảng gấp ba lần Điều này dẫn tới trễ tìm kiếm tăng và dẫn tới giảm chất lượng dịch vụ khi triển khai qua mạng P2P

Qua kết quả phân tích và mô phỏng để phù hợp với mục tiêu của luận án, thuật toán Chord sử dụng kỹ thuật tìm kiếm đệ quy đã được chọn vì các tham số hiệu năng của Chord khá ổn định khi triển khai trên mạng diện rộng, đặc biệt chi phí cho việc duy trì ổn định của mạng nhỏ hơn so với các thuật toán khác Chord tìm kiếm đệ quy còn cải thiện 50% thời gian trễ trung bình so với Chord tìm kiếm lặp Tuy nhiên Chord cũng còn một số vấn đề cần giải quyết như: đường định tuyến lớp chồng phủ quá xa so với đường định tuyến lớp nền tảng, hiệu năng thấp khi mạng không ổn định

2.4 Kết luận chương 2

Chương hai phân tích hoa ̣t đô ̣ng của ba thuâ ̣t toán DHTs, qua kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng Chord phù hợp với các ứng du ̣ng

quy mô lớ n triển khai trên ma ̣ng ngang hàng, với rất nhiều các đă ̣c tính

hấp dẫn như: Đơn giản, phân tán, tự tổ chức, khả dụng, mở rộng, cân

bằng tải,…Bên ca ̣nh đó viê ̣c đánh giá hiệu năng của các thuâ ̣t toán định tuyến DHTs cũng được thực hiê ̣n qua phần mềm mô phỏng OverSim, qua kết quả mô phỏng cho thấy các tham số hiê ̣u năng của thuâ ̣t toán Chord duy trì ổn định khi ma ̣ng có kích thước lớn và cấu trúc ma ̣ng có

“Churn rate” cao Nội dung của chương là kết quả nghiên cứu được công bố ta ̣i [V2]

CHƯƠNG 3: CẢI THIỆN HIỆU NĂNG THUẬT TOÁN

ĐI ̣NH TUYẾN CHORD

Tóm tắt:Chord là một thuật toán đi ̣nh tuyến DHT được đánh giá đơn

gia ̉n, dễ triển khai, hiê ̣u quả tìm kiếm phù hợp với mạng có kích thước

lơ ́ n Chương ba phân tích hoạt động của thuật toán đi ̣nh tuyến Chord, qua đó thấy được ưu nhược điểm của thuật toán; đồng thời phân tích

ca ́ c hướng nghiên cứu cải thiện Chord của các tác giả trước để đưa ra hướng nghiên cứu cải thiê ̣n Chord đại diê ̣n tiêu biểu cho thuật toán

đi ̣nh tuyến DHT, được phát triển từ lâu và rất thích hợp để triển khai

ca ́ c di ̣ch vụ trên diê ̣n rộng Nội dung chương phân tích lý do chọn thuật toa ́ n Chord trong nghiên cứu; Các hướng cải thiê ̣n thuật toán Chord;

Ca ̉i thiê ̣n thuật toán đi ̣nh tuyến Chord và phân tích đánh giá mô phỏng

so sa ́ nh với các nghiên cứu cải thiê ̣n trước đây

3.1 Thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến Chord

Hình 3-1 Biểu diễn vòng Chord (M= 6) gồm 10 nút

Thuật toán Chord đã được IETF P2PSIP nhóm 79 lựa chọn như

một tiêu chuẩn của bô ̣ giao thức P2PSIP [76], [77] Như vậy, tất cả các ứng du ̣ng thoa ̣i VoIP qua ma ̣ng P2P cho ̣n Chord như mô ̣t giao thức nền

tảng [2], [25], [54], [77], [75], v.v Do đó, việc cải thiê ̣n hiê ̣u năng thuâ ̣t toán đi ̣nh tuyến Chord góp phần cải thiê ̣n chất lươ ̣ng di ̣ch vu ̣ thoa ̣i qua

mạng ngang hàng (P2P VoIP)

3.2 Cải thiê ̣n hiê ̣u năng thuâ ̣t toán Chord

3.2.1 Phân ti ́ch các điểm yếu của thuâ ̣t toán Chord

Chord có rất nhiều ưu điểm, tuy nhiên khi triển khai trên ma ̣ng có

đô ̣ ổn đi ̣nh thấp (các nút gia nhập/rời mạng liên tục trong thời gian ngắn) thì Chord đã bộc lộ những những vấn đề sau: Không có sự cập nhập bảng định tuyến tức thời khi có sự thay đổi nút mạng; Chord thiếu các cơ chế nhớ đệm (Cache memory); Trễ định tuyến qua mạng chồng phủ lớn hơn rất nhiều so với trễ định tuyến qua lớp nền; dư thừa dữ liê ̣u

trong bảng finger và không gian tìm kiếm chỉ giới ha ̣n trong mô ̣t nửa

vòng tròn Chord