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

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 bố

n 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.

Sinh viên
Phạm Duy Thăng

Khóa luận tốt nghiệp 2 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 th
ức 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 n
ăng 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 ch
ống 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.

Khóa luận tốt nghiệp 3 Phạm Duy Thăng
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. Ba pha của giao thức khắc phục lỗi 35

Khóa luận tốt nghiệp 4 Phạm Duy Thăng
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




Khóa luận tốt nghiệp 5 Phạm Duy Thăng
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

Khóa luận tốt nghiệp 6 Phạm Duy Thăng
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 th
ức 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 việ
c 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

Khóa luận tốt nghiệp 7 Phạm Duy Thăng
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 truy
ền 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 thứ
c 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.

Khóa luận tốt nghiệp 8 Phạm Duy Thăng
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 điể
m 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 gi
ải 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

Khóa luận tốt nghiệp 9 Phạm Duy Thăng
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 nh
ất 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 b
ất 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.

Khóa luận tốt nghiệp 10 Phạm Duy Thăng
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 t
ới 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,

Khóa luận tốt nghiệp 11 Phạm Duy Thăng
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 v
ề 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 lạ
i 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 đ
ã 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.

Khóa luận tốt nghiệp 12 Phạm Duy Thăng

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 ph
ủ 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. Ư
u 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

Khóa luận tốt nghiệp 13 Phạm Duy Thăng
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.


Khóa luận tốt nghiệp 14 Phạm Duy Thăng
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 m
ạng 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.

Hình 5. Mô hình mạng ngang hàng
Mạng ngang hàng thường được sử dụng để kết nối các máy thông qua một lượng kết
nối dạng ad hoc. Mạng ngang hàng có nhiều ứng dụng. Ứng dụng thường xuyên gặp nhất
là chia sẻ tệp tin, tất cả các dạng như âm thanh, hình ảnh, dữ liệu, hoặc để truyền dữ liệu
thời gian thực như điện thoại VoIP.

Khóa luận tốt nghiệp 15 Phạm Duy Thăng
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củ
a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 l
ại,
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 ng
ưng 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.

Khóa luận tốt nghiệp 16 Phạm Duy Thăng
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 s
ụp 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 m
ạng 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

Khóa luận tốt nghiệp 17 Phạm Duy Thăng
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 s
ẻ giữa
các máy tính trong mạng tốt hơn, tạo nên mô hình mạng peer to peer đầu tiên cuốn hút

Khóa luận tốt nghiệp 18 Phạm Duy Thăng
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 giữ
a hai máy tính giống như trong một
mạng ngang hàng.

Hình 8. Tìm kiếm dữ liệu chia sẻ trong Gnutella

Khóa luận tốt nghiệp 19 Phạm Duy Thăng
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 gử
i 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 đi
ểm: 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 ng
ẫu 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.

Khóa luận tốt nghiệp 20 Phạm Duy Thăng



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
m
ột 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 dự
a vào đó.
System P2P
Decentraliz

Centralized
Unstructured
Structured
Hybrid
CAN CHORD
Gnutella
KaZaA
Hình 9. Mạng ngang hàng có cấu trúc thuộc nhánh các hệ thống phân tán trong các
mô hình mạng ngang hàng

Khóa luận tốt nghiệp 21 Phạm Duy Thăng

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 mạ
ng 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.

Khóa luận tốt nghiệp 22 Phạm Duy Thăng

2.2. Giao thức Chord
Chord [9] là một trong những giao thức mạng ngang hàng có cấu trúc dùng bảng
băm phân tán. Chord hiện đang được phát triển tại MIT.
2.2.1. Bảngbămphântán
Bảng băm phân tán (Distributed hash tables) là một giải thuật cung cấp dịch vụ tìm
kiếm tương tự cấu trúc dữ liệu bảng băm: Một cặp {khóa, giá trị} được lưu trữ vào trong
bảng băm phân tán, và bất kỳ node tham gia nào cũng có thể đưa ra m
ột khóa và dễ dàng
truy vấn lấy giá trị tương ứng. Trách nhiệm duy trì ánh xạ từ không gian khóa vào giá trị
được phân tán ra các node, nên khi thay đổi số node tham gia không ảnh hưởng đáng kể
đến hoạt động của hệ thống. Điều này cho phép bảng băm phân tán có thể mở rộng ra một
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 s
ố 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 2
160
(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 r
ất 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, vi
ệc 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

Khóa luận tốt nghiệp 23 Phạm Duy Thăng
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 củ
a 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 gọ
i 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.

Khóa luận tốt nghiệp 24 Phạm Duy Thăng

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 b
ổ sung các bảng finger
vào một mạng Chord trong trường hợp m = 3.