Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



NGUYỄN BẠCH LÊ





NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA MỘT SỐ HỆ
THỐNG MẠNG NGANG HÀNG PHI CẤU TRÚC



LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN








HÀ NỘI - 2008
MỤC LỤC
Bảng ký hiệu các chữ viết tắt 4
Tóm tắt luận văn 5
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG P2P 5
1.1. Khái quát về các hệ thống P2P 5

1.2. Phân loại các hệ thống P2P 6
1.3. Vấn đề hiệu năng của các hệ thống P2P phi cấu trúc 8
Chƣơng 2. HỆ THỐNG MẠNG FREENET VÀ MÔ HÌNH THẾ GIỚI NHỎ 13
2.1. Hệ thống mạng Freenet 13
2.2. Mô hình thế giới nhỏ 19
2.3. Liên hệ Freenet và mô hình thế giới nhỏ 25
Chƣơng 3. PHƢƠNG PHÁP LƢU TRỮ NÂNG CAO NHÓM 29
3.1. Các độ đo hiệu năng 29
3.2. Hiệu năng Freenet khi tải mạng tăng 30
3.3. Phƣơng pháp lƣu trữ nâng cao nhóm 35
Chƣơng 4. PHƢƠNG PHÁP LƢU TRỮ NÂNG CAO NHÓM THÍCH NGHI 42
4.1. Một số vấn đề tồn tại của phƣơng pháp nâng cao nhóm 42
4.2. Phƣơng pháp nâng cao nhóm khi mối quan tâm của mạng thay đổi 44
4.3. Phƣơng pháp nâng cao nhóm thích nghi 48
Kết luận 59
Tài liệu tham khảo 60
2
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU
CỤM TỪ ĐƢỢC VIẾT TẮT
GIẢI NGHĨA
P2P
Peer-to-Peer
Mạng ngang hàng
LRU
Least Recently Used
Phƣơng pháp quản lý lƣu trữ cơ sở
của Freenet.

EC
Enhanced-Clustering
Replacement Scheme
Phƣơng pháp quản lý lƣu trữ nâng
cao nhóm

3
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
TÓM TẮT LUẬN VĂN

Ngày nay, xu hƣớng của thế giới thông tin là trải rộng toàn cầu, phân tán mọi
nơi, mỗi thiết bị dù ở nơi đâu nếu có kết nối mạng đều có thể truy cập thông tin đƣợc
cung cấp bởi những nơi rất xa. Xuất hiện và phát triển cùng với môi trƣờng phân tán từ
lúc sơ khai là các hệ thống theo mô hình client/server, nhằm đƣa ra một cơ chế để hỗ
trợ cung cấp các dịch vụ qua mạng. Trong những môi trƣờng phân tán nhỏ, mô hình
client/server đã thể hiện hiệu quả rất lớn và đã mang lại nhiều tiện ích. Tuy nhiên,
trong môi trƣờng phân tán rộng lớn, đa dạng, hỗn tạp ngày nay và trong tƣơng lai, mô
hình client/server đã thể hiện nhiều nhƣợc điểm khó khắc phục. Đây chính là động cơ
thúc đẩy để phát triển một mô hình hệ thống phân tán mới phù hợp hơn.
Mô hình mạng ngang hàng (Peer-to-Peer hay gọi tắt là P2P) đang là xu hƣớng
phát triển mới trong lĩnh vực nghiên cứu xây dựng các hệ thống mạng phân tán hiện
nay. Đặc tính của các hệ thống mạng ngang hàng cho phép các phần tử hỗn tạp tham
gia vào hệ thống, chỉ cần tuân theo một số giao thức giao tiếp nhất định. Các hệ thống
này phù hợp với môi trƣờng phân tán rộng lớn, đa dạng thành phần, hoạt động linh
hoạt và ổn định đối với tác động của lỗi.
Trong các loại hệ thống mạng ngang hàng, các hệ thống phi cấu trúc rất đƣợc
quan tâm do tính đơn giản mà linh hoạt của nó cả trong yêu cầu đối với các phần tử
tham gia và giao thức giao tiếp cũng nhƣ cơ chế hoạt động của mạng, nhờ đó hệ thống
có tính ứng dụng rất cao trong thực tế. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất mà các hệ thống
mạng ngang hàng phi cấu trúc gặp phải xuất phát chính từ tính đơn giản của hệ thống,

đó là hiệu năng thấp. Nguyên nhân của vấn đề này là các hệ thống P2P phi cấu trúc
không có những cơ chế điều khiển chặt chẽ, trong đó các phần tử hoạt động không có
nhiều thông tin để ra quyết định, dẫn đến hiệu năng của mạng thấp.
Bài toán nâng cao hiệu năng của các hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc đã
thu hút nhiều nghiên cứu theo nhiều hƣớng khác nhau nhằm mục đích chung là cải tiến
các hệ thống này để chúng hoạt động hiệu quả hơn. Trong nghiên cứu này, tác giả lựa
chọn nghiên cứu về vấn đề hiệu năng của các hệ thống P2P phi cấu trúc nói chung và
các biện pháp nâng cao hiệu năng của Freenet - một hệ thống lƣu trữ ẩn danh phân tán
đƣợc xây dựng nhƣ là một hệ thống mạng ngang hàng đã đƣợc áp dụng rộng rãi.
Freenet là một trong những hệ thống mạng P2P phi cấu trúc đặc trƣng trong việc
thay thế phƣơng pháp định tuyến phát tràn kém hiệu quả thông thƣờng của các hệ
thống P2P phi cấu trúc bằng một phƣơng pháp thông minh hơn, có lựa chọn tốt hơn.
Tuy nhiên, hệ thống Freenet ban đầu chỉ hoạt động hiệu quả khi số lƣợng file dữ liệu
lƣu trữ trên mạng là nhỏ. Nghiên cứu này xuất phát từ phƣơng pháp lƣu trữ nâng cao
nhóm sử dụng mô hình thế giới nhỏ để nâng cao hiệu năng của Freenet khi số lƣợng
4
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
file lƣu trữ trên mạng lớn mà không làm ảnh hƣởng đến mục đích thiết kế của hệ thống
Freenet ban đầu. Tƣ tƣởng về mô hình thế giới nhỏ đã tồn tại rất phổ biến trong đời
sống xã hội, tự nhiên, kỹ thuật. Những tƣ tƣởng này đã đƣợc mô hình hoá và áp dụng
rất nhiều trong các hệ thống phân tán. Tƣ tƣởng này cũng đã đƣợc áp dụng hiệu quả để
nâng cao hiệu năng của các hệ thống mạng ngang hàng nói chung và Freenet nói riêng.
Xuất phát từ phƣơng pháp trên, tác giả đề tài đã có một số đánh giá chỉ ra những
yếu tố chƣa đƣợc đề cập tới, dẫn tới hiệu năng của Freenet khi áp dụng phƣơng pháp
lƣu trữ nâng cao nhóm không giữ đƣợc nhƣ kết quả tốt nhƣ kết quả đã đƣợc đƣa ra.
Yếu tố quan trọng là nghiên cứu đó chỉ đánh giá hiệu năng của Freenet khi tải mạng
tăng cao mà chƣa xem xét trƣờng hợp xu hƣớng truy cập chính trên mạng thay đổi
theo thời gian. Từ những đánh giá cơ sở, tác giả đề tài đề xuất một phƣơng pháp lƣu
trữ nâng cao nhóm thích nghi, trong đó có những cải tiến phù hợp để tăng tính thích
nghi của mạng Freenet, giúp cho Freenet hoạt động hiệu quả cả khi tải mạng tăng cao

và cả khi xu hƣớng quan tâm của ngƣời dùng thay đổi.
Kết quả luận văn đạt đƣợc đã góp phần vào đƣa ra và bƣớc đầu giải quyết một
số vấn đề liên quan đến bài toán nâng cao hiệu năng của Freenet. Những vấn đề này sẽ
tiếp tục đƣợc nghiên cứu sâu rộng hơn để phù hợp hơn và có thể áp dụng trên thực tế.
Trong tài liệu này, chƣơng 1 sẽ xem xét tổng quát về các hệ thống mạng ngang
hàng, trong đó có các hệ thống không có cấu trúc và một số nghiên cứu nâng cao hiệu
năng có liên quan. Chƣơng 2 tìm hiểu sâu hơn về hệ thống mạng Freenet, đồng thời
tìm hiểu về mô hình thế giới nhỏ và liên hệ của nó với Freenet. Chƣơng 3 trình bày
phƣơng pháp lƣu trữ nâng cao nhóm cải thiện hiệu năng Freenet khi tải mạng lớn dựa
trên tƣ tƣởng mô hình thế giới nhỏ của Hui Zhang và nhóm nghiên cứu. Chƣơng 4
đánh giá lại những vấn đề còn tồn tại của phƣơng pháp của Hui Zhang, sau đó đề xuất
một phƣơng pháp lƣu trữ nâng cao nhóm thích nghi với một số thay đổi cần thiết nhằm
mục đích tăng tính thích nghi của các nút mạng Freenet, để đảm bảo Freenet hoạt động
hiệu quả cả khi tải mạng lớn và xu hƣớng quan tâm trên mạng thay đổi.

5
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG P2P
1.1. Khái quát về các hệ thống P2P
Trong mô hình hệ thống phân tán truyền thống client/server, các tài nguyên
đƣợc đặt trên một hoặc một số nút mạng, đƣợc gọi là server. Các nút khác trên mạng,
đƣợc gọi là client, truy vấn các server để lấy thông tin mong muốn. Các server là điểm
trung tâm trên mạng, đóng vai trò quan trọng chủ yếu trong việc cung cấp dịch vụ
mạng.
Kiến trúc client/server có ƣu điểm là dễ bảo trì khi có thể thay thế, sửa chữa,
nâng cấp server mà không làm ảnh hƣởng đến client. Ngoài ra có thể dễ dàng cập nhật
dữ liệu và đảm bảo an ninh mạng do dữ liệu đƣợc lƣu trữ tập trung. Tuy nhiên cũng do
dữ liệu tập trung nên tồn tại các điểm tập trung lỗi tại các server này, kéo theo hệ
thống có khả năng chịu lỗi kém. Khi server lỗi, dịch vụ mạng sẽ bị gián đoạn và các
yêu cầu từ client không đƣợc đáp ứng. Dù mô hình client/server cho phép các client

truy cập dữ liệu trên server với thời gian đáp ứng chấp nhận đƣợc bằng nhiều thuật
toán cân bằng tải và chịu lỗi rắc rối nhƣng giới hạn về băng thông làm tăng nguy cơ
vấn đề nút cổ chai tại các server, làm giảm khả năng mở rộng.
Chính những vấn đề này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tiếp cận theo hƣớng
xây dựng một hệ thống phân tán trong đó phân tán tải xử lý và băng thông ra cho mọi
nút tham gia trên mạng. Kết quả của sự thúc đẩy này là sự ra đời của các hệ thống
mạng ngang hàng, hay còn gọi là các hệ thống P2P.
Các hệ thống mạng P2P đã khắc phục đƣợc rất nhiều khiếm khuyết của kiến
trúc client/server truyền thống. Khái niệm P2P đã phát triển các mối liên hệ động trên
mạng phân tán, không chỉ giữa máy tính và máy tính mà còn giữa con ngƣời và con
ngƣời. Những hệ thống này đã chứng minh hiệu quả đối với nhiều mục đích khác nhau
nhƣ chia sẻ các file dữ liệu số với nhiều định dạng khác nhau cũng nhƣ dữ liệu thời
gian thực.
Nhìn chung, một hệ thống mạng P2P bao gồm một số lƣợng lớn các điểm nút
phân tán, hỗn tạp, tự trị và có tính động cao, gọi là các peer. Các điểm nút đóng vai trò
tƣơng đƣơng nhau và đƣợc kết nối qua những liên kết đặc biệt, không phụ thuộc vào
mạng vật lý bên dƣới. Trong cùng một thời điểm, mỗi nút mạng có thể hoạt động đồng
thời vừa là một server và vừa là một client, vừa cung cấp dịch vụ cho mạng và vừa sử
dụng dịch vụ mạng do các các nút khác cung cấp.
Mỗi nút tham gia vào hệ thống mạng P2P là một thành phần tích cực và có năng
lực đáng kể. Chúng tham gia vào hệ thống P2P để chia sẻ một phần tài nguyên của bản
thân chúng nhƣ khả năng xử lý, dung lƣợng lƣu trữ, phần mềm, và nội dung file… Các
6
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
điểm nút có thể truy cập trực tiếp đến nút khác mà không qua các thực thể trung gian,
nhờ đó có thể phân tán tải xử lý và băng thông mạng. Việc một hay một số nút mạng
lỗi không gây ảnh hƣởng nhiều đến mạng toàn cục do phần còn lại của mạng vẫn đầy
đủ khả năng cung cấp các dịch vụ mạng theo yêu cầu. Do vậy, các hệ thống P2P có
khả năng chịu lỗi cao và giải quyết đƣợc bài toán nút cổ chai.
Chức năng của các hệ thống P2P đƣợc xây dựng rất đa dạng, trong đó có thể

chia thành các nhóm ứng dụng nhƣ truyền thông thông tin, chia sẻ dịch vụ và chia sẻ
tài nguyên. Để cài đặt các chức năng này, các hệ thống P2P cần mang một số đặc điểm
đặc trƣng [19].
Thứ nhất, các hệ thống P2P cần hoạt động phi tập trung, nghĩa là không có điểm
tập trung lƣu trữ mọi thông tin về hệ thống, dữ liệu và ngƣời dùng. Mỗi nút trong hệ
thống cần có một số chức năng tích hợp gắn liền để nó có khả năng thực hiện thao tác
gia nhập vào hệ thống, có thông tin định tuyến và có khả năng tạo yêu cầu, chuyển tiếp
yêu cầu và nhận đáp ứng. Một số hệ thống P2P có sử dụng cấu trúc client/server, tuy
nhiên chỉ áp dụng cho một số tác vụ trên mạng và hoạt động đồng thời với các tác vụ
phi tập trung theo cấu trúc P2P.
Thứ hai, các hệ thống P2P cần có cấu trúc theo một cách nào đó để thao tác định
tuyến đƣợc dễ dàng và cải thiện đƣợc chức năng tìm kiếm, nhằm hỗ trợ hiệu quả cho
việc chia sẻ dữ liệu và các tài nguyên khác.
Thứ ba, các hệ thống P2P cần có độ tin cậy dù môi trƣờng ứng dụng mang tính
động. Gần nhƣ hoạt động của của mọi hệ thống P2P đều bao gồm việc các nút gia
nhập vào hệ thống, rời khỏi hệ thống, và một số nút tạm thời không hoạt động. Do vậy,
các hệ thống này cần phải có các cơ chế để ổn định đƣợc những thuộc tính quan trọng
của hệ thống nhƣ đƣờng kính mạng và mức độ kết nối của hệ thống.
Thứ tƣ, các hệ thống P2P cần có khả năng mở rộng. Một tác động của tính phi
tập trung là số nút trên mạng có thể lớn tuỳ ý. Dù vậy, hệ thống vẫn phải có khả năng
phục vụ yêu cầu của tất cả các nút theo một cách hiệu quả và nhanh chóng.
1.2. Phân loại các hệ thống P2P
Dù P2P có những nguyên tắc chung về thiết kế nhƣng các hệ thống mạng ngang
hàng P2P khác nhau cũng mang nhiều đặc điểm kiến trúc khác nhau. Dựa vào các tiêu
chí khác nhau ngƣời ta có thể đƣa ra các loại hệ thống P2P khác nhau. Ở đây, ta xem
xét cách phân loại phổ biến nhất. Theo đó, các hệ thống mạng ngang hàng P2P đƣợc
chia thành hai nhóm chính: tập trung và phi tập trung.
Một hệ thống P2P tập trung có một thƣ mục tập trung đặt ở vị trí trung tâm,
thƣờng đặt trên một server. Các server trong hệ thống P2P tập trung không chứa mọi
tài nguyên để cung cấp cho các client nhƣ trong mô hình client/server mà chỉ chứa

7
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
thông tin về tài nguyên nào đƣợc nút nào cung cấp để hỗ trợ các điểm nút trong mạng
định tuyến yêu cầu. Thƣ mục này liên tục đƣợc cập nhật và server chứa thƣ mục đóng
vai trò là nơi nhận các yêu cầu tìm kiếm của ngƣời dùng. Khi các nút trong mạng có
yêu cầu tìm kiếm, chúng gửi yêu cầu đến server thƣ mục tập trung này để tìm kiếm tài
nguyên mong muồn. Các server tập trung chỉ đƣợc sử dụng trong thao tác định tuyến
yêu cầu tìm kiếm còn các tác vụ còn lại theo kiến trúc P2P. Tuy nhiên việc sử dụng
các server vẫn không khắc phục đƣợc nhƣợc điểm khó mở rộng và gây ra điểm tập
trung lỗi nhƣ kiến trúc client/server [4] [14].
Ngƣợc lại, hệ thống P2P phi tập trung không có server thƣ mục tập trung. Các
nút trong hệ thống P2P phi tập trung tự thu thập thông tin về mạng và gửi yêu cầu tới
nút tiềm năng. Các hệ thống mạng ngang hàng phi tập trung lại đƣợc chia thành hai
loại: có cấu trúc và phi cấu trúc [14], dựa vào mối liên quan giữa topo mạng và cơ chế
bố trí dữ liệu trên các nút trong hệ thống.
Một hệ thống P2P đƣợc coi là có cấu trúc khi cơ chế bố trí dữ liệu có mối liên
hệ mật thiết với topo mạng. Topo mạng đƣợc điều khiển một cách chặt chẽ và dữ liệu
không đƣợc đặt ở các nút ngẫu nhiên mà đƣợc sắp đặt ở những vị trí cụ thể, chính xác
dựa trên topo, hay hệ thống có cơ chế ánh xạ mỗi tài nguyên tới một số nút xác định.
Cơ chế này giúp cho các hệ thông P2P có cấu trúc hoạt động hiệu quả, giảm thiểu số
thông báo cần truyền qua mạng, tuy nhiên lại kém linh hoạt. CAN [15], Chord [20],
Tapestry [24] là những hệ thống nhƣ vậy.
Một hệ thống P2P đƣợc coi là phi cấu trúc khi không thƣ mục tập trung nào,
cũng nhƣ không có mối liên hệ nào giữa cơ chế bố trí dữ liệu và topo mạng. Kiến trúc
này rất linh động cho các nút tham gia vào mạng hoặc rời khỏi mạng. Việc sắp đặt dữ
liệu không dựa trên bất kỳ thông tin nào về topo mạng, do vậy các file dữ liệu đƣợc bố
trí trên những nút ngẫu nhiên. Khi nút mạng muốn tìm kiếm dữ liệu, trƣớc tiên nó phải
định vị dữ liệu sau đó mới thực hiện tải dữ liệu về, trong đó cơ chế định vị dữ liệu là
một phần rất quan trọng. Trong quá trình tìm kiếm, nút mạng gửi yêu cầu tới láng
giềng của nó dựa trên một số tiêu chí lựa chọn [9], do vậy tập các nút nhận đƣợc yêu

cầu tìm kiếm không liên quan đến nội dung dữ liệu cần tìm kiếm nhƣ trong các hệ
thống có cấu trúc [4]. Cơ chế tìm kiếm nhƣ vậy trong các hệ thống không cấu trúc kém
hiệu quả hơn do khó hạn chế đƣợc lƣợng thông báo truyền trên mạng nhƣng lại linh
hoạt hơn so với các hệ thống có cấu trúc, cho phép các nút tự tổ chức để tạo topo mạng
mới. Ví dụ điển hình cho các hệ thống P2P không cấu trúc là Gnutella [26], Freenet
[3].
Ngoài ra các hệ thống P2P cũng có thể phân biệt bằng hai nhóm thuần và lai.
Trong hệ thống thuần, mọi nút có vai trò tƣơng đƣơng nhƣ nhau. Với các hệ thống lai,
tồn tại các server giúp cho các điểm nút liên lạc với nhau [1]. Ta có thể nhận thấy cách
phân loại này cũng tƣơng tự nhƣ các hệ thống tập trung và phi tập trung.
8
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
Mỗi kiến trúc P2P đều có ƣu và nhƣợc điểm riêng và tuỳ theo yêu cầu xây dựng
mạng mà ngƣời ta lựa chọn kiến trúc nào. Hiện nay trong môi trƣờng Internet, các hệ
thống P2P phi cấu trúc đƣợc sử dụng rộng rãi nhất nhờ đặc tính tự tổ chức của các nút
và phù hợp với môi trƣờng mạng hỗn tạp và động nhƣ hiện nay.
Bên cạnh những ƣu điểm, một vấn đề lớn với các hệ thống P2P phi cấu trúc là
hiệu năng của mạng. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào vấn đề đánh giá hiệu năng của
các hệ thống mạng P2P phi cấu trúc nói chung và cải thiện hiệu năng của Freenet nói
riêng - một trong những hệ thống P2P phi cấu trúc đƣợc triển khai rộng rãi.
1.3. Vấn đề hiệu năng của các hệ thống P2P phi cấu trúc
Các hệ thống mạng mang hàng mới xuất hiện gần đây và đang trong quá trình
phát triển. Do tính mới mẻ này, quá trình phát triển các hệ thống này đã và đang đặt ra
nhiều vấn đề cần nghiên cứu giải quyết. Lĩnh vực nghiên cứu về các hệ thống mạng
ngang hàng nói chung và các hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc nói riêng hiện
nay đang rất rộng mở và cần nhiều đóng góp hơn nữa để giải quyết các vấn đề phát
sinh và phát triển các hệ thống này ngày càng hoàn thiện hơn, đáp ứng đƣợc những
yêu cầu thực tế.
Với các hệ thống P2P có cấu trúc, dữ liệu đƣợc xác định ở một hoặc một số nút
mạng xác định nên cơ chế quan trọng là cơ chế sắp đặt dữ liệu, còn thao tác tìm kiếm

lại trở nên đơn giản do dữ liệu đã đƣợc ánh xạ tới nút tƣơng ứng. Khi phát sinh dữ liệu
cần lƣu trữ lên mạng, cơ chế sắp đặt dữ liệu của P2P có cấu trúc sẽ điều khiển chặt chẽ
để lƣu dữ liệu đó ở một nút chính xác nào đó. Sau khi dữ liệu đã đƣợc lƣu trữ, thao tác
tìm kiếm không phải định vị dữ liệu mà chỉ cần gửi yêu cầu đến nút tƣơng ứng đang
chứa dữ liệu đó. Chính cơ chế này làm cho các hệ thống P2P có cấu trúc định tuyến rất
hiệu quả. Tuy nhiên, thao tác tìm kiếm trên các hệ thống P2P phi cấu trúc lại không hề
đơn giản nhƣ vậy.
Trong các hệ thống P2P phi cấu trúc, đặc tính nổi bật là cơ chế sắp đặt dữ liệu
không rõ ràng và tính ngẫu nhiên cao. Dữ liệu đƣợc đƣa lên mạng không dựa trên bất
kỳ thông tin nào về topo mạng nên đƣợc bố trí trên những nút ngẫu nhiên. Giữa dữ liệu
và nút lƣu trữ dữ liệu đó không có mối liên hệ nào cả. Vì thế, vấn đề phức tạp chính
với các hệ thống này là cơ chế tìm kiếm.
Nguyên tắc tìm kiếm chung trong các hệ thống phi cấu trúc là các nút mạng
chuyển tiếp các thông báo chứa thông tin về dữ liệu cần tìm qua nhiều bƣớc, từ nút này
sang nút khác, cho đến khi thông báo tìm kiếm tới đƣợc nút có dữ liệu cần tìm hoặc
thông báo đó hết hạn. Tại mỗi nút nhận đƣợc thông báo tìm kiếm, nếu nó không chứa
dữ liệu cần tìm, nút đó sẽ tự quyết định lựa chọn một hoặc một số nút kế tiếp để
chuyển tiếp thông báo mà không theo điều khiển toàn cục nào. Cơ chế tìm kiếm nhƣ
vậy rất khó khăn và không có đảm bảo nào rằng yêu cầu tìm kiếm sẽ đƣợc đáp ứng,
9
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
dẫn đến hiệu năng của mạng thấp với tỷ lệ thành công thấp và số chặng trung bình cho
một tìm kiếm tăng cao.
Từ nguyên tắc tìm kiếm chung, các hệ thống P2P phi cấu trúc thƣờng áp dụng
các thuật toán tìm kiếm đơn giản, đa số dựa trên phát tràn (flood-based-technique)
[17]. Gnutella [26] là một trong những mạng P2P không cấu trúc phát triển sớm nhất
và sử dụng quảng bá phát tràn. Khi một nút cần tìm kiếm dữ liệu, nó gửi thông báo yêu
cầu tới mọi nút láng giềng. Đến lƣợt các nút nhận đƣợc thông báo yêu cầu, nếu nó
không có dữ liệu cần tìm, các nút này lại gửi thông báo yêu cầu đến mọi nút láng giềng
trừ nút vừa gửi thông báo cho nó. Quá trình cứ tiếp tục đến khi yêu cầu tìm kiếm tới

đƣợc nút chứa dữ liệu cần tìm hoặc thông báo hết hạn. Cách tìm kiếm này chỉ hiệu quả
trong một mạng nhỏ. Với một hệ thống mạng lớn với nhiều nút tham gia, cơ chế tìm
kiếm đó có thể dẫn tới lƣợng thông báo lƣu thông trên mạng là rất lớn làm cho khả
năng mở rộng của hệ thống rất thấp.
Các hệ thống P2P phi cấu trúc phát triển sau này vẫn sử dụng nguyên tắc tìm
kiếm chung, tuy nhiên đã áp dụng các thuật toán thông minh hơn để giải quyết vấn đề
về hiệu năng, nhƣ nghiên cứu [16] và Freenet [3]. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng
đồng thời đề xuất nhiều biện pháp giải quyết bài toán cải thiện hiệu năng cho các hệ
thống P2P phi cấu trúc đã có. Đa số các kỹ thuật đó đều tập trung cải tiến thuật toán
định tuyến yêu cầu trên mạng để nâng cao hiệu năng của toàn hệ thống.
1.3.1. Một số nghiên cứu nâng cao hiệu năng Freenet
Nhƣ ta đã thảo luận, bài toán cải tiến hiệu năng của các mạng P2P không cấu
trúc nói chung là một bài toán phổ biến và thu hút nhiều nghiên cứu. Nghiên cứu này
sẽ tập trung thảo luận về hiệu năng của các hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc nói
chung và hệ thống mạng Freenet nói riêng. Trong phần này, chúng ta xem xét sơ lƣợc
về một số nghiên cứu trong đó đƣa ra các biện pháp để nâng cao hiệu năng của hệ
thống mạng Freenet.
Trong nghiên cứu [2] tác giả đã đánh giá về hiệu năng của một số mạng P2P
không cấu trúc, trong đó có Freenet. Tác giả chỉ ra việc sử dụng các thuật toán tìm
kiếm dựa trên phát tràn dẫn đến hiệu năng của mạng thấp. Tác giả đã đề xuất một số
thuật toán mới dựa trên ý tƣởng ƣu tiên những nút có mức độ quan tâm đến dữ liệu cao
để nâng cao hiệu năng của Gnutella và Freenet. Các thuật toán mới tổ chức các điểm
nút trên mạng thành các cộng đồng có chung mối quan tâm. Hai nút mạng đƣợc gọi là
có chung mối quan tâm nếu chúng có một vài file lƣu trữ cục bộ giống nhau. Khi nút
mạng muốn tìm dữ liệu, đầu tiên nó liên lạc với một số nút khác - đƣợc sắp xếp theo
mức độ quan tâm chung với dữ liệu cần tìm. Nếu các nút đó không tìm thấy dữ liệu,
thuật toán lại sử dụng giao thức cơ sở của mạng tƣơng ứng là Gnutella hoặc Freenet.
Tác giả đã sử dụng các mô phỏng để đánh giá hiệu năng của các thuật toán đó, trong
đó đƣa vào nhiều đặc điểm của hệ thống thực. Kết quả là các thuật toán mới cải thiện
10

Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
hiệu năng của hệ thống Gnutella khoảng 30%, trong khi đó giảm độ dài đƣờng đi trung
bình hơn 30%. Tuy nhiên phƣơng pháp này gặp một số vấn đề xác định mức độ quan
tâm chung giữa các nút [2].
Nghiên cứu [10] đánh giá trƣờng hợp thuật toán định tuyến cơ sở của Freenet có
thể làm thao tác yêu cầu lún sâu vào vùng mạng không đem lại kết quả, trong khi một
nút gần kề lại đang giữ file cần tìm. Từ đó, tác giả đề xuất cải tiến thuật toán định
tuyến của Freenet để giảm khả năng đi sai hƣớng, nhờ đó giảm độ dài đƣờng đi tìm
kiếm. Tƣ tƣởng tổng quát là thêm vào cơ chế trƣớc tiên kiểm tra các nút xung quanh
nút hiện tại. Theo đó, mỗi khi nút nhận đƣợc yêu cầu tìm kiếm, nó tìm kiếm mọi nút có
kết nối trực tiếp với nó (1-lookahead) hoặc mọi nút cách xa nó N chặng (N-lookahead)
theo thuật toán tìm kiếm theo chiều rộng (BFS). Nếu sau thao tác trên, nút đó tìm thấy
dữ liệu thì nó trả về nút phía trên. Nếu không tìm thấy, nút lại sử dụng thuật toán cơ sở
của Freenet thực hiện tìm kiếm nhƣ bình thƣờng. Phƣơng pháp này cho tỷ lệ % yêu
cầu thành công cao hơn mạng Freenet cơ sở đối với cùng số chặng, tuy nhiên nghiên
cứu lại không đánh giá hiệu năng khi tải mạng tăng.
Nhƣ ta đã biết, sau khi yêu cầu tới đƣợc nút có dữ liệu thoả mãn, dữ liệu này và
thông tin về nút đáp ứng đó sẽ đƣợc sao lặp dọc đƣờng đi từ nút đáp ứng đến nút yêu
cầu đầu tiên. Nghiên cứu [11] xuất phát từ đánh giá rằng khi tỷ lệ yêu cầu tìm kiếm so
với chèn file mới là 99/1 thì hiệu năng của Freenet không giữ đƣợc nhƣ trƣờng hợp tỷ
lệ này là 50/50. Phƣơng pháp [11] đề xuất dựa trên ý tƣởng sau mỗi yêu cầu thành
công, thực hiện chèn thêm thông tin về nút đáp ứng đƣợc dữ liệu cần tìm vào các nút
khác ngoài đƣờng đi của yêu cầu để tạo thêm các cạnh trên mạng phủ. Nghiên cứu
[11] đã chỉ ra rằng hiệu năng của Freenet chịu ảnh hƣởng của hai yếu tố: (1) thêm các
cạnh vào đâu và (2) bao nhiêu cạnh là hợp lý đối với mỗi yêu cầu thành công. Kết quả
mô phỏng cho thấy ra phƣơng pháp chèn từ nút đáp ứng ngẫu nhiên theo chiều sâu
(Depth-Fulfiller-Random) mang lại hiệu quả tốt nhất, có khả năng giảm độ dài đƣờng
đi trung bình với hệ số 22.37. Theo đó nút đáp ứng gửi thông tin rằng khoá vừa tìm
thấy do nó đang giữ tới một dãy nút không thuộc đƣờng đi của yêu cầu vừa thành
công. Tại mỗi bƣớc đi, nút tiếp theo đƣợc chọn một cách ngẫu nhiên. Tuy nhiên

nghiên cứu này lại chƣa trả lời đƣợc câu hỏi liệu mỗi lần chèn với số lƣợng bao nhiêu
là hợp lý để mang lại hiệu quả tốt nhất.
Nghiên cứu [5] đánh giá hiệu năng của Freenet về tốc độ download và tỷ lệ
thành công và nhận thấy hiệu năng của Freenet không thực sự tốt. Tác giả đã đề xuất
hai thay đổi với mạng Freenet để cải tiến tốc độ download và tỷ lệ yêu cầu thành công
cho mọi nút tham gia vào mạng. Để cải tiến tốc độ download, tác giả đề xuất phƣơng
pháp phân chia mạng có ƣu tiên (Precedencial Network Partitioning), bằng cách chia
các láng giềng thành các nhóm theo băng thông và khả năng của nút để hỗ trợ định
tuyến. Tác giả đã sử dụng mô phỏng mạng Freenet và giới hạn băng thông giữa các nút
11
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
cũng nhƣ đƣa vào tính chất phân tán của ngƣời dùng trên mạng. Kết quả đã chỉ ra
những tác động của yếu tố đó với mạng.
Để cải tiến tỷ lệ yêu cầu thành công trong mạng Freenet, tác giả [5] đề xuất
phƣơng pháp truyền thông tin về lƣới file trong đó mỗi nút gửi cho các nút khác một
số thông tin cơ bản về những dữ liệu nào nó có thể cung cấp. Theo phƣơng pháp này,
mỗi nút sử dụng 1 mảng N bit (đƣợc gọi là File Mesh) và không gian khoá cũng đƣợc
phân chia thành N khoảng. Nếu nút có giữ file mà khoá tƣơng ứng thuộc khoảng i của
không gian khoá, nó thiết lập giá trị bit thứ i là 1 để thể hiện sự xuất hiện của khoá đó
trong phần không gian khoá tƣơng ứng. Các nút trao đổi File Mesh với nhau để mỗi
nút biết nhiều hơn về các láng giềng, nhờ đó định tuyến hiệu quả hơn. Kết quả đã chỉ
ra rằng phƣơng pháp đó đã tăng đáng kể tỷ lệ yêu cầu thành công. Tuy nhiên, nghiên
cứu đó chƣa xem xét đến độ phức tạp của phƣơng pháp đƣa ra và đánh giá những độ
đo khác của hiệu năng nhƣ độ dài đƣờng đi trung bình, đồng thời cũng chƣa đánh giá
đƣợc hiệu năng của Freenet khi tải mạng tăng cao.
Trong các nghiên cứu nâng cao hiệu năng của Freenet, [23] là một trong số ít
nghiên cứu sử dụng tƣ tƣởng về mô hình thế giới nhỏ. Hui Zhang và các tác giả đã
thực hiện mô phỏng và đã xác nhận mối quan hệ logarit giữa số chặng trung bình trên
một yêu cầu và kích thƣớc mạng trong Freenet. Tuy nhiên những mô phỏng này đƣợc
bố trí với tải thấp. Trong mô phỏng 1000 nút, số file trung bình đƣợc chèn vào mạng

bởi một node chỉ là 2.5. [23] đã chỉ ra rằng khi tải mạng lớn, hiệu năng của Freenet suy
giảm đáng kể. Khi sử dụng trực giác từ mô hình thế giới nhỏ, nhóm tác giả [23] đã
thiết kế một phƣơng pháp thay thế lƣu trữ nâng cao nhóm thay cho phƣơng pháp thay
thế bộ nhớ cục bộ cơ bản của Freenet là LRU. Sau khi áp dụng phƣơng pháp mới này,
hiệu năng của Freenet đã đƣợc nâng cao đáng kể thậm chí trong trƣờng hợp tải lớn.
Chúng ta sẽ xem xét cụ thể về phƣơng pháp này và kết quả đạt đƣợc trong chƣơng 3
của nghiên cứu này.
Dù những kết quả Hui Zhang chỉ ra là rất thuyết phục, nhƣng những giả thiết
của bài toán chƣa đƣợc linh động. Nghiên cứu trong luận văn này sẽ chỉ ra rằng khi
mối quan tâm đến dữ liệu của ngƣời dùng trên mạng Freenet thay đổi, hiệu quả khi áp
dụng phƣơng pháp lƣu trữ nâng cao nhóm trong [23] sẽ giảm đáng kể do phƣơng pháp
này đã làm mất đi tính thích nghi vốn có của Freenet.
Nghiên cứu này sẽ đề xuất phƣơng pháp lƣu trữ nâng cao nhóm thích nghi,
trong đó thực hiện một số thay đổi cần thiết đối với phƣơng pháp lƣu trữ của Hui
Zhang để tăng tính thích nghi với tình trạng mạng thay đổi trong khi vẫn giữ đƣợc
những đặc tính của mô hình thế giới nhỏ để nâng cao hiệu năng của Freenet. Kết quả
mô phỏng sẽ cho thấy việc áp dụng mô hình thế giới nhỏ để thực hiện một số thay đổi
nhỏ đối với việc xử lý cục bộ tại các điểm nút không làm thay đổi mục đích thiết kế
ban đầu của hệ thống, trong khi có thể nâng cao hiệu năng của Freenet một cách đáng
12
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
kể khi tải mạng lớn và tăng tính thích nghi của các nút mạng khi xu hƣớng truy cập
quan tâm của ngƣời dùng trên mạng có xu hƣớng thay đổi. Phƣơng pháp lƣu trữ nâng
cao nhóm thích nghi này sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 4.


13
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
Chƣơng 2. HỆ THỐNG MẠNG FREENET
VÀ MÔ HÌNH THẾ GIỚI NHỎ

Freenet là một hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc đƣợc đƣa ra từ năm
2000, sau đó đã đƣợc phát triển và áp dụng rộng rãi cho tới nay nhờ chứng minh đƣợc
những ƣu điểm lớn so với nhiều hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc khác.
Trong chƣơng này, đầu tiên ta tìm hiểu về hệ thống mạng Freenet với một số cơ
chế hoạt động chính của mạng. Ta cũng sẽ tìm hiểu về mô hình thế giới nhỏ và liên hệ
của Freenet với mô hình này, đặt nền tảng cho những phƣơng pháp nâng cao hiệu năng
của Freenet sẽ đƣợc xem xét ở những chƣơng sau.
2.1. Hệ thống mạng Freenet
2.1.1. Sơ lược về mạng Freenet
Freenet [3] là một mạng ngang hàng phi cấu trúc đƣợc xây dựng với mục đích
cung cấp một hệ thống lƣu trữ và tìm kiếm thông tin ẩn danh phân tán. Mỗi nút mạng
Freenet đều tham gia vào quá trình chia sẻ tài nguyên không gian lƣu trữ, vừa là một
phần của không gian nhớ toàn cục, vừa tham gia tạo bản sao dữ liệu trên mạng, tìm
kiếm dữ liệu trong khi vẫn đảm bảo tính ẩn danh của cả ngƣời dùng sở hữu dữ liệu gốc
và ngƣời sử dụng dữ liệu. Từ khi lần đầu đƣợc Ian Clarke giới thiệu năm 2000 [3],
Freenet đã liên tục đƣợc phát triển và cải tiến.
Kiến trúc mức cao của Freenet tƣơng tự nhƣ Gnutella, hoàn toàn phi tập trung.
Freenet hoạt động nhƣ một mạng các nút giống nhau tập hợp không gian lƣu trữ lại để
lƣu trữ dữ liệu mà mỗi nút chia sẻ và định tuyến các yêu cầu tới vị trí vật lý của dữ liệu
cần tìm. Các nút mạng Freenet đƣợc kết nối qua giao thức TCP/IP. Do không có điều
khiển tập trung nào, khi nút bắt đầu tham gia vào mạng, nó phải tìm ra một hoặc một
số nút mà nó biết để tạo kết nối. Mỗi nút chỉ biết và kết nối tới các láng giềng trực tiếp
của nó mà không xác định vị trí của các nút khác và thực tế dữ liệu nào đó đƣợc lƣu
trữ ở đâu trên mạng bên ngoài. Không nút nào có quyền điều khiển các nút khác nên
không tạo ra cấu trúc cây, nhờ đó tránh đƣợc điểm tập trung lỗi - một nhƣợc điểm của
các hệ thống tập trung.
Freenet đƣợc coi là một hệ thống file phân tán đƣợc tổ chức độc lập vị trí và
đƣợc tái tạo trong suốt, cho phép ngƣời dùng chia sẻ không gian đĩa của mình và sử
dụng không gian đĩa của các ngƣời dùng khác cùng tham gia nhƣ là phần mở rộng
không gian đĩa của chính họ. Ngƣời dùng tham gia vào mạng Freenet khi có một lƣợng

không gian đĩa trống cụ thể. Sau một thời gian hoạt động, không gian lƣu trữ đó sẽ
đƣợc sử dụng để lƣu trữ dữ liệu do nút đó tạo ra và một số dữ liệu do mạng gửi đến.
14
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
Tất cả file trao đổi trên mạng Freenet và lƣu trữ tại các nút mạng đều đƣợc mã hoá và
mô tả bằng các khoá (key) tạo ra khi áp dụng một hàm băm đối với file. Các thao tác
tạo vận chuyển, tạo bản sao và xoá dữ liệu là hoàn toàn trong suốt đối với ngƣời dùng.
Freenet không có đảm bảo nào về sự tồn tại của các file do khi không đủ không gian
nhớ, các file dữ liệu có thể bị xoá bỏ. Điều này sẽ đƣợc khắc phục khi số nút tham gia
vào mạng đủ lớn, khi đó sẽ đủ không gian nhớ để lƣu trữ vĩnh viễn mọi file.
Hệ thống Freenet hoạt động ở mức ứng dụng, không sử dụng bất kỳ server chỉ
mục vị trí tập trung nào, cũng nhƣ không áp dụng cơ chế tìm kiếm quảng bá phát tràn
nhƣ Gnutella. Các file dữ liệu đƣợc sắp xếp ngẫu nhiên, độc lập vị trí và tự động đƣợc
tạo bản sao gần những nút có yêu cầu dữ liệu, đồng thời đƣợc xoá khỏi những vị trí
không quan tâm đến dữ liệu đó. Trong Freenet, việc phát hiện vị trí nguồn hoặc đích
của file truyền qua mạng là không thể, và rất khó để ngƣời dùng có thể xác định và
điều khiển đƣợc dữ liệu thực tế đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ cục bộ tại nút của họ do các
file dữ liệu đƣợc mã hoá.
Mỗi nút tham gia vào mạng Freenet duy trì hai thành phần chủ yếu. Thành phần
thứ nhất là một bộ nhớ lưu trữ cục bộ dùng để đọc ghi dữ liệu. Bộ nhớ cục bộ chính là
một phần trong toàn bộ không gian nhớ của nút mà nút đƣa ra dùng chung, nơi mà nút
dùng để lƣu trữ các file mà bản thân nó chia sẻ và các file do các nút khác đƣa lên
mạng. Mọi file lƣu trữ tại một nút đều đƣợc mã hoá và mỗi file đƣợc lƣu trữ cùng với
một khoá tƣơng ứng với nó để hỗ trợ tìm kiếm. Thành phần thứ hai là một bảng định
tuyến động, trong đó lƣu trữ các khoản mục có dạng <khoá, con trỏ>. Mỗi khoản mục
định tuyến dạng này lƣu trữ một khoá và con trỏ chứa địa chỉ của nút mà nút đó nghĩ là
nút đó đang giữ khoá tƣơng ứng.
Bảng định tuyến tại mỗi nút đƣợc sử dụng khi nút đó thực hiện thao tác lƣu trữ
file phân tán hay chia sẻ file của bản thân nó hoặc tham gia một yêu cầu tìm kiếm nào
đó. Các cơ chế lƣu trữ file phân tán hay thực hiện yêu cầu tại mỗi nút sẽ dựa vào thông

tin trong bảng định tuyến của nút để lựa chọn nút tiếp theo để chuyển tiếp thông báo.
Do các nút không biết về các thông tin toàn cục nên mỗi nút chỉ đƣa ra đƣợc quyết
định định tuyến cục bộ dựa vào các khoản mục này. Freenet sử dụng cơ chế định tuyến
dựa trên khoá (key – based routing) và thực hiện tìm kiếm chính xác theo khoá chứ
không hỗ trợ tìm kiếm từ khoá (keyword searching) hay tìm kiếm tƣơng tự. Đây là một
bƣớc cơ bản trong quá trình hình thành và phát triển của các hệ thống dùng bảng băm
phân tán DHT (Distributed Hash Table) [15][20][24].
Dƣới đây ta sẽ thảo luận kỹ lƣỡng hơn về các cơ chế hoạt động chủ yếu của
mạng Freenet, bao gồm thủ tục gia nhập mạng của nút mới, thủ tục tìm kiếm dữ liệu và
thủ tục lƣu trữ file phân tán hay nút đƣa file mới lên mạng. Đây là những thủ tục cơ
bản của Freenet, đƣợc thực hiện bởi một loạt các nút cung tham gia và có quyết định
quan trọng tới hiệu năng của hệ thống.
15
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
2.1.2. Các thủ tục chính của Freenet
Trên thực tế, giao thức của Freenet đã đƣợc [3] mô tả cụ thể và rõ ràng. Để có
thể hiểu về mạng Freenet một cách khái quát, phần này chúng ta xem xét những cơ chế
quan trọng trong mạng Freenet có liên quan chính đến hiệu năng của hệ thống.
Thuật toán gia nhập vào mạng
Việc gia nhập vào mạng phát sinh khi có nút mới muốn tham gia vào mạng
Freenet. Khi một nút mới muốn gia nhập mạng, nút đó bắt đầu quá trình gia nhập bằng
cách gửi một thông cáo tới một số nút mà nó biết. Khi các nút kia nhận đƣợc thông
báo, mỗi nút thống nhất với nút mới này về một khoá cụ thể. Khoá đó đƣợc cả hai bên
đƣa vào bảng định tuyến tƣơng ứng với nút mới. Lúc đó nút mới đã đƣợc kết nối vào
mạng qua một số khoản mục vừa tạo trong bảng định tuyến chứa các khoá đã thống
nhất với nút tƣơng ứng. Khi đó thuật toán gia nhập kết thúc.
Trong cơ chế gia nhập mạng, một nút mới không có khả năng tự chọn khoá đầu
tiên. Lý do của điều này là nếu cho phép tự chọn khoá sẽ tạo điều kiện cho các nút mới
tạo ra một khoá hoặc nhiều khoá gần với một khoá cụ thể, làm giảm khả năng tìm
đƣợc khoá cụ thể đó và ảnh hƣởng đến toàn hệ thống. Để giảm bớt khả năng một nút

mới gia nhập vào mạng gây ảnh hƣởng xấu, thuật toán gia nhập mạng của Freenet
chọn cách thống nhất với một nút đã có về một khoá cụ thể nhƣ trên.
Cơ chế cho các nút mới gia nhập vào mạng là một một phần rất phức tạp trong
giao thức của Freenet. Ngay cả trong [3] – tài liệu cơ sở về mạng Freenet – cũng đề
cập chƣa cụ thể về cơ chế này. Trong nghiên cứu này, chúng ta cũng không đi sâu vào
vấn đề này mà chỉ nắm bắt nguyên tắc gia nhập mạng của các nút mới để làm cơ sở
cho những cải tiến hiệu năng của Freenet.
Thủ tục tìm kiếm dữ liệu
Khi một nút cần tìm kiếm dữ liệu, nút đó bắt đầu thao tác Request. Để dễ hiểu
hơn về thủ tục tìm kiếm của Freenet, dƣới đây ta xem xét một ví dụ minh họa đơn giản
trong hình 1.
Trong ví dụ này, yêu cầu xuất phát từ nút A với khoá cần tìm là 8. Node A chỉ
kết nối với nút B nên (1) A chuyển tiếp yêu cầu tới B. Khi B nhận đƣợc yêu cầu, đầu
tiên nó tìm kiếm trong bộ nhớ cục bộ. Khi không thấy khoá cần tìm, B kiểm tra trong
bảng định tuyến thấy có khoá 7 gần với khoá 8 nhất và con trỏ tƣơng ứng trỏ tới nút C,
(2) nút B chuyển tiếp yêu cầu tới C. Khi C nhận đƣợc yêu cầu, nó tìm trong bộ nhớ cục
bộ không có, do vậy (3) C trả về một thông báo quay lui có nội dung không tìm thấy
tới B.
Khi nút B nhận đƣợc phản hồi không tìm thấy từ C, (4) nút B thử với lựa chọn
thứ hai là nút D chứa khoá 10. Đến lƣợt D nhận đƣợc yêu cầu, nó lại tìm trong bộ nhớ
16
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
cục bộ nhƣng không thấy nên D kiểm tra bảng định tuyến, thấy khoá 8 cần tìm đang
đƣợc lƣu ở nút E. (5) D chuyển tiếp yêu cầu tới E. Nút E nhận đƣợc yêu cầu và thấy nó
đang giữ khoá cần tìm nên (6) E trả về dữ liệu cần tìm tới nút D. Nút D chuyển tiếp dữ
liệu cho nút B, rồi nút B chuyển tới nút A. Mỗi nút D, B, A đều lƣu lại dữ liệu đã tìm
thấy và tạo một khoản mục trong bảng định tuyến tƣơng ứng với khoá 8.

Hình 1. Thủ tục tìm kiếm dữ liệu của Freenet
Trên đây là một tìm kiếm đơn giản trong mạng Freenet. Để có thể hiểu đầy đủ

và toàn diện hơn, sau đây ta xem xét chi tiết về thủ tục định tuyến yêu cầu tìm kiếm
trên mạng Freenet.
Khi ngƣời dùng cần tìm kiếm một file dữ liệu trên mạng Freenet, ngƣời dùng
gửi một yêu cầu tới nút mạng cục bộ của họ, trong đó chứa khoá của file cần tìm. Đầu
tiên, nút cục bộ kiểm tra bộ nhớ lƣu trữ cục bộ, nếu tìm thấy, nút đó trả về dữ liệu và
kèm theo thông tin nó là nguồn dữ liệu. Nếu bộ nhớ cục bộ không lƣu trữ file, nút đó
tìm trong bảng định tuyến một khoá gần nhất với khoá cần tìm về mặt từ điển và gửi
một thông báo yêu cầu tới nút tƣơng ứng mà nó nghĩ đang chứa khoá đó với một giá
trị Hop To Live (HTL) nhất định. Giá trị này quyết định xem thông báo yêu cầu sẽ đi
qua bao nhiêu nút cho đến khi tìm thấy dữ liệu cần tìm.
Mỗi nút khi nhận đƣợc một thông báo yêu cầu, nó cũng thực hiện tƣơng tự nhƣ
nút xuất phát yêu cầu. Đầu tiên nút đó cũng kiểm tra bộ nhớ cục bộ, nếu không thấy
khoá cần tìm, nút đó giảm giá trị HTL của thông báo và lại gửi yêu cầu tới nút có khoá
gần nhất trong bảng định tuyến. Nếu cuối cùng, một nút nhận đƣợc thông báo yêu cầu
vẫn còn giá trị HTL hợp lệ và tìm thấy file có khoá tƣơng ứng trong bộ nhớ cục bộ của
nó, nút đó gửi thông báo chứa dữ liệu ngƣợc về hƣớng nút vừa gửi yêu cầu đến nó.
17
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
Mỗi nút trung gian tham gia thao tác tìm kiếm khi nhận đƣợc thông báo chứa dữ
liệu sẽ lƣu trữ file vào bộ nhớ cục bộ, đồng thời tạo một khoản mục mới trong bảng
định tuyến tƣơng ứng với nguồn dữ liệu thực tế của khoá đƣợc yêu cầu, sau đó lại gửi
dữ liệu lên nút trƣớc đó đã gửi yêu cầu, cứ nhƣ vậy đến khi nút đầu tiên tạo ra yêu cầu
khoá đó nhận đƣợc dữ liệu. Nút này cũng lƣu file vào bộ nhớ cục bộ và tạo khoản mục
tƣơng tự trong bảng định tuyến nhƣng không tiếp tục gửi dữ liệu nữa. Khi đó yêu cầu
kết thúc thành công. Nhờ cơ chế sao lặp dữ liệu suốt đƣờng đi từ nút đáp ứng đến nút
yêu cầu nên mạng Freenet có tính dƣ thừa rất lớn, do vậy tăng khả năng chịu lỗi.
Nếu một nút nhận đƣợc một thông báo yêu cầu mà nó không có dữ liệu cần tìm
và hoặc không kết nối với nút nào khác nút mà nó vừa nhận đƣợc thông báo hoặc nếu
gửi tiếp sẽ tạo nên vòng lặp, nó sẽ trả về thông báo không còn lựa chọn tìm kiếm. Nút
phía trƣớc nhận đƣợc thông báo này sẽ thử gửi thông báo tới nút có khoá gần thứ hai,

rồi thứ ba… trong bảng định tuyến. Nếu đã hết khả năng trong bảng định tuyến để thử
mà vẫn chƣa tìm thấy, nút đó lại gửi thông báo không còn lựa chọn tìm kiếm đến nút
trên của nó. Đến lƣợt nút trên này lại thử các khả năng tiếp theo, cứ nhƣ vậy chừng
nào giá trị HTL chƣa tới hạn. Nhƣ vậy Freenet hoạt động theo kiểu tìm kiếm leo đồi
chỗ dốc nhất có quay lui (steepest – ascent hill – climbing search with backtracking).
Nếu một nút nhận đƣợc thông báo yêu cầu có giá trị HTL đã tới hạn, nó tạo một thông
báo thất bại, rồi gửi về nút đã gửi yêu cầu và không thử thêm các nút khác nữa.
Để giảm tải mạng trong tình huống có nguy cơ, các nút nhận đƣợc thông báo có
thể giảm HTL nhiều hơn mức đƣợc phép hoặc nút có thể huỷ bỏ các yêu cầu sau một
thời gian giữ không gian nhớ cho thông báo. Ngoài ra, để phát hiện vòng lặp, mỗi
thông báo trên mạng Freenet đƣợc gắn một giá trị định danh giả duy nhất để các nút có
thể phát hiện những thông báo nó đã nhận đƣợc trƣớc đó.
Trong Freenet ngƣời dùng không truy cập thực tế cục bộ vào bất kỳ dữ liệu nào
đã đƣợc mã hoá, điều này khác với mạng Gnutella. Ngƣời dùng cũng không thể yêu
cầu thông tin từ các nút cụ thể. Tất cả những gì họ có thể làm là gửi yêu cầu tới các nút
láng giềng và đợi phản hồi từ các nút này. Một thao tác tìm kiếm sẽ tạo ra một chuỗi
yêu cầu từ nút này qua nút khác theo kiểu proxy. Mỗi nút sẽ tự đƣa ra quyết định định
tuyến cục bộ để xác định nút tiếp theo để chuyển tiếp yêu cầu dựa theo các thông tin
trong bảng định tuyến của nó.
Thủ tục lƣu trữ phân tán
Một mục đích quan trọng của Freenet là cho phép các nút lƣu trữ dữ liệu lên
mạng. Quá trình lƣu trữ phân tán này đƣợc thực hiện song song với quá trình yêu cầu
tìm kiếm dữ liệu, đƣợc hiểu đơn giản là nút đƣa file mới trên mạng với một khoá cụ
thể. Để chia sẻ một file hay lƣu trữ file phân tán trên mạng, nút bắt đầu một thao tác
Insert và thực hiện yêu cầu lƣu trữ file.
18
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
Khi ngƣời dùng muốn lƣu trữ một file lên mạng, đầu tiên họ áp dụng một hàm
băm đối với file để tạo ra khoá tƣơng ứng cho file. Sau đó ngƣời dùng gửi một thông
báo yêu cầu lƣu trữ phân tán tới nút cục bộ, trong đó chứa khoá và một giá trị HTL.

Giá trị HTL trong trƣờng hợp này sẽ xác định số nút sẽ lƣu trữ file với khoá đó.
Khi một nút nhận đƣợc thông báo yêu cầu lƣu trữ phân tán với một khoá nhất
định, nút đó kiểm tra bộ nhớ lƣu trữ cục bộ xem có khoá đó chƣa. Nếu khoá chƣa đƣợc
lƣu trữ, nút đó sẽ tìm trong bảng định tuyến khoản mục chứa khoá gần nhất gửi thông
báo yêu cầu lƣu trữ phân tán tới nút tƣơng ứng. Quá trình cứ tiếp tục nhƣ vậy cho đến
khi HTL tới hạn hoặc một nút nào đó thấy khoá đã đƣợc lƣu trữ.
Nếu một nút nào đó nhận thấy khoá mới trong yêu cầu lƣu trữ đã lƣu trữ tại nó,
nút đó gửi thông báo trả lời rằng khoá đã tồn tại trở lại theo đƣờng đi của thông báo
yêu cầu lƣu trữ phân tán. Khác với thủ tục yêu cầu, đây là kết quả yêu cầulƣu trữ thất
bại. Nút ban đầu yêu cầu lƣu trữ sẽ hiểu là có xung đột với khoá đã đƣa ra. Nếu nút
này vẫn muốn lƣu trữ file lên mạng, nó có thể thực hiện lại hàm băm để tạo một khoá
khác và thực hiện lại thao tác yêu cầu lƣu trữ phân tán với khoá vừa tạo.
Nếu một nút nhận đƣợc thông báo yêu cầu lƣu trữ phân tán có giá trị HTL tới
hạn, nút này gửi thông báo không có xung đột dọc theo đƣờng đi của yêu cầu trở lại
nút ban đầu. Khi nút ban đầu đề nghị lƣu trữ nhận đƣợc thông báo này, nó hiểu rằng
thao tác lƣu trữ với khoá đã chọn có thể đƣợc thực hiện và gửi dữ liệu đi để lƣu trữ.
Dữ liệu sẽ đƣợc sao lặp trên đƣờng đi và mỗi nút nhận đƣợc khoá đó sẽ tạo một khoản
mục trong bảng định tuyến tƣơng ứng với nút ban đầu đề nghị lƣu trữ là nguồn dữ liệu
của khoá mới. Để an toàn hơn, bất kỳ nút nào dọc đƣờng đi đều có thể tự quyết định
thay đổi thông báo để đƣa vào rằng nó chính là nguồn dữ liệu. Khi đó yêu cầu lƣu trữ
phân tán đƣợc coi là thực hiện thành công.
Tƣơng tự thủ tục tìm kiếm, nếu chuyển tiếp tới nút chứa khoá gần nhất không
thành công mà giá trị HTL vẫn hợp lệ, nút hiện tại có thể thử các khả năng tiếp theo
với các nút tƣơng ứng với khoá gần thứ hai, thứ ba… tƣơng tự nhƣ thủ tục tìm kiếm dữ
liệu. Nếu thông báo trở về nút ban đầu mà HTL chƣa tới hạn, nghĩa là số nút liên lạc
đƣợc ít hơn so với dự định. Khi đó, nút ban đầu có thể giảm HTL và tạm thời ngƣng
chuyển các thông báo yêu cầu lƣu trữ phân tán, và sau một khoảng thời gian nhất định
sẽ tiếp tục thực hiện.
Cơ chế quản lý không gian nhớ
Trong Freenet, mỗi nút có thể cấu hình lƣợng không gian nhớ nhất định dành

cho bộ nhớ lƣu trữ cục bộ tham gia vào mạng. Kích thƣớc bộ nhớ này là hữu hạn và
tuỳ thuộc vào tài nguyên và quyết định chia sẻ của từng nút. Câu hỏi đặt ra là khi nút
nhận đƣợc file mới trong một thao tác tìm kiếm hoặc thao tác lƣu trữ phân tán mà bộ
nhớ lƣu trữ cục bộ đầy, nó lựa chọn lƣu trữ hay loại bỏ file mới này?
19
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
Trả lời câu hỏi này, Freenet đã đƣa ra cơ chế quản lý không gian nhớ, đƣợc gọi
là phƣơng pháp loại bỏ những khoá ít đƣợc sử dụng gần thời điểm đó nhất (gọi tắt là
LRU – Least Recently Used). Theo cơ chế LRU, bộ nhớ cục bộ của mỗi nút lƣu trữ
các khoản mục dữ liệu theo thứ tự giảm dần thời gian truy cập gần nhất (có thể là thời
gian file đƣợc yêu cầu gần nhất hoặc thời gian đƣa vào lƣu trữ mới). Khi một file mới
tới trong một thao tác tìm kiếm hoặc lƣu trữ phân tán mà bộ nhớ cục bộ của nút đã đạt
kích thƣớc giới hạn, nút đó sẽ xoá các file ít đƣợc sử dụng gần thời điểm đó nhất cho
đến khi đủ không gian để lƣu file mới. Sau đó file mới đƣợc lƣu lại và ghi lại thời
điểm thao tác để sử dụng trong những lần thay thế lƣu trữ sau.
Cơ chế LRU cũng đƣợc áp dụng đối với bảng định tuyến khi bảng định tuyến
đầy. Tƣơng tự, khi có khoản mục mới cần đƣa vào bảng định tuyến mà bảng đầy,
khoản mục ít sử dụng gần thời điểm đó nhất cũng bị loại bỏ để ghi khoản mục mới.
Kích thƣớc của bảng định tuyến đƣợc chọn sao cho khoản mục cho một file sẽ đƣợc
lƣu giữ lại lâu hơn thời gian tồn tại của bản thân file trong bộ nhớ lƣu trữ cục bộ.
Dù việc thay thế các file lƣu trữ trong bộ nhớ cục bộ và việc thay thế các khoản
mục trong bảng định tuyến là những cơ chế tách biệt về logic nhƣng cả hai cơ chế đó
đều góp phần quyết định nội dung trong bảng định tuyến. Chính sách thay thế lƣu trữ
quyết định các cặp <khoá, con trỏ> nào đƣợc đƣa vào bảng định tuyến theo cách việc
chọn file đƣợc lƣu trữ đi đôi với việc tạo ra các cặp <khoá, con trỏ> tƣơng ứng với
khoá file đó [23]. Mỗi thao tác ghi nhận một khoản mục mới chính là tạo ra một liên
kết mới giữa các nút trên mạng, dần dần thay đổi topo của mạng Freenet.
Cơ chế lƣu trữ trong bộ nhớ cục bộ và xây dựng bảng định tuyến đóng vai trò
quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả của các yêu cầu về sau. Đây là mấu chốt quan
trọng trong việc áp dụng tƣ tƣởng mô hình thế giới nhỏ để cải thiện hiệu năng của

Freenet qua việc thay đổi cơ chế lƣu trữ LRU bằng một cơ chế hiệu quả hơn. Vấn đề
này sẽ đƣợc chúng ta thảo luận ở những phần sau của nghiên cứu này.
2.2. Mô hình thế giới nhỏ
Nhƣ ta đã biết, để các hệ thống P2P có thể thực hiện đƣợc các chức năng nhƣ
truyền thông thông tin, chia sẻ dịch vụ và chia sẻ tài nguyên, chúng phải bằng cách
nào đó thoả mãn bốn điều kiện, bao gồm tính phi tập trung, có cấu trúc, tin cậy và có
khả năng mở rộng. Tính có cấu trúc ở đây theo ý nghĩa là hệ thống cần có cấu trúc
theo một cách nào đó để có thể hỗ trợ tìm kiếm và định tuyến.
Các nhà nghiên cứu thấy rằng, bốn điều kiện trên của các hệ thống P2P là những
đặc điểm tƣơng tự với các mạng xã hội. Một mạng xã hội vốn đã có phân tán và tính tự
tổ chức nhƣng vẫn có cấu trúc. Dù con ngƣời vẫn sinh ra và chết đi, nhiều thuộc tính tổ
chức toàn cục của mạng xã hội vẫn ổn định. Hơn nữa, dƣờng nhƣ không có giới hạn về
số ngƣời có thể tham gia vào mạng xã hội toàn cầu của chúng ta - tất nhiên chỉ về khía
20
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
cạnh cấu trúc của mạng. Câu hỏi đặt ra là điều gì làm cho các mạng phi tập trung nhƣ
vậy có cấu trúc và ổn định dù chúng có tính động?
Những nghiên cứu gần đây đã phát hiện ra một số thuộc tính quan trọng của các
mạng này giúp chúng thoả mãn các điều kiện trên. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã định
nghĩa một số mô hình mạng phù hợp, trong đó có mô hình thế giới nhỏ, nhằm mô
phỏng đƣợc những tính chất của các mạng thực để áp dụng đƣợc những tính chất hữu
ích vốn có của các mạng thực này. Dƣới đây chúng ta sẽ xem xét một số nghiên cứu
khởi đầu về các mạng xã hội và mô hình thế giới nhỏ, từ đó ứng dụng vào các hệ thống
mạng ngang hàng.
2.2.1. Phân tích các mạng xã hội
Trong những năm 60, Stanley Milgram đƣa ra một số nghiên cứu thực nghiệm
tập trung tìm hiểu về khả năng mà hai ngƣời đƣợc chọn ngẫu nhiên có thể biết về
nhau, từ đó câu trả lời cho câu hỏi: Làm cách nào mà con ngƣời đƣợc tổ chức thành
các mạng xã hội? Nhìn ở góc độ các hệ thống mạng, có thể coi đó là một nghiên cứu
coi toàn bộ dân cƣ là một mạng xã hội và cố gắng tìm ra độ dài đƣờng đi trung bình

giữa hai nút bất kỳ.
Thí nghiệm của Milgram có mục đích đo đƣợc độ dài đƣờng đi bằng cách gửi
những bức thƣ và thống kê kết quả để đếm số mối quan hệ liên kết giữa ngƣời gửi và
ngƣời nhận, từ đó tổng quát hoá cho toàn mạng xã hội. Đây chính là nghiên cứu đầu
tiên để đi đến mô hình thế giới nhỏ [19].
Bắt đầu thí nghiệm, Milgram chọn vùng xuất phát và vùng đích có khoảng cách
xa nhau cả về mặt xã hội và về mặt địa lý. Ông gửi một số lá thƣ tới một số ngƣời
đƣợc lựa chọn ngẫu nhiên trong vùng xuất phát, trong đó mô tả thí nghiệm và thông tin
cơ bản về ngƣời nhận cuối cùng tại vùng đích nhƣ tên, nghề nghiệp, thành phố nơi
sinh sống. Khi ngƣời nhận nhận đƣợc lá thƣ, nếu họ biết ngƣời nhận cuối cùng đƣợc
ghi trong đó thì họ đƣợc yêu cầu gửi trực tiếp tới ngƣời đó. Nếu không, họ cần gửi bức
thƣ tới ai đó mà họ nghĩ rằng ngƣời đó biết về ngƣời nhận cuối cùng hơn họ biết. Cứ
nhƣ vậy các bức thƣ đƣợc gửi đi qua từng ngƣời, đồng thời Milgram đề nghị mỗi
ngƣời nhận bức thƣ đều phản hồi lại thông tin để hỗ trợ thống kê.
Kết quả cuối cùng, một số bức thƣ tới đƣợc ngƣời nhận chỉ qua một hoặc hai
bƣớc. Một số bức thƣ khác qua 9 hoặc 10 bƣớc. Số lƣợng trung bình là không quá 6
bƣớc. Do vậy, dù Milgram không sử dụng thuật ngữ “phân chia sáu cấp” (six degrees
of separation) nhƣng kết quả thí nghiệm này đã giúp cho việc chấp nhận nó rộng rãi
hơn [19][7].
Xét về mặt lý thuyết đồ thị, kết quả này của Milgram thể hiện rằng đƣờng kính
của các mạng xã hội là khá nhỏ dù cấu trúc cục bộ của chúng rất phức tạp, dày đặc, rối
ren. Để có thể ứng dụng vào thực tế, câu hỏi đặt ra là loại mô hình mạng nào có thể
21
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
sao chép lại sự kết hợp đặc biệt của các thuộc tính có cấu trúc cục bộ và đƣờng kính
mạng nhỏ? Cho đến những năm 90, những cách tiếp cận quan trọng về lĩnh vực lập mô
hình các mạng xã hội mới đƣợc đƣa ra. Những đặc điểm của các mạng này có liên hệ
tƣơng quan với các ứng dụng mạng ngang hàng và là nguồn gốc những ý tƣởng về
cách chuyển những thuộc tính của các mạng đó vào các mạng phủ P2P.
2.2.2. Sự ra đời của đồ thị thế giới nhỏ

Từ những năm 50, các nhà nghiên cứu đã tiến hành việc phân tích các mối quan
hệ xã hội nhƣ các đồ thị, trong đó có thí nghiệm của Milgram. Đồng thời, các mô hình
đồ thị đầu tiên có liên quan đến các đồ thị ngẫu nhiên cũng đƣợc giới thiệu. Các mô
hình này đã đƣợc sử dụng nhƣ những mô hình mô phỏng cho nhiều mạng khác nhau
trong hơn 30 năm sau. Các đồ thị ngẫu nhiên rất phổ biến trong thời gian dài do nhiều
thuộc tính của nó có thể giải thích đƣợc bằng những phân tích tỉ mỉ và có thể định
nghĩa theo nhiều cách khác nhau. Ngoài ra, các đồ thị ngẫu nhiên có thể hỗ trợ nhiều
ứng dụng hơn là các mô hình mạng khác. Ở đây, ta xem xét một số kết quả quan trọng
của đồ thị ngẫu nhiên liên quan đến mô hình thế giới nhỏ.
Theo mô hình đồ thị của Gilberts, tác giả đƣa ra mối liên hệ giữa hệ số nhóm
của đồ thị ngẫu nhiên liên quan đến xác suất tồn tại một cạnh giữa hai nút bất kỳ [19].
Với đồ thị ngẫu nhiên, hệ số nhóm của một nút đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa số lƣợng
cạnh giữa các láng giềng của nút đó so với số lƣợng cạnh lớn nhất có thể có giữa
chúng. Ta có thể hiểu hệ số nhóm của một nút đo xác suất mà hai láng giềng ngẫu
nhiên của nút đó cũng là láng giềng của nhau.
Gilberts đã chứng minh hệ số nhóm của một đồ thị ngẫu nhiên tiệm cận bằng
với xác suất tồn tại cạnh giữa hai nút bất kỳ trong đồ thị. Về trực quan, ta thấy hệ số
nhóm đo mức độ kết thành nhóm quanh một nút. Một nút có hệ số nhóm cao thể hiện
một đồ thị con mà hầu nhƣ mọi nút đƣợc kết nối đến tất cả các nút khác. Đối chiếu với
các mạng xã hội thực, hệ số nhóm của một nút trong đồ thị tƣơng đƣơng với mức độ
cấu trúc cục bộ của một phần tử trong mạng thực.
Mục đích của các nhà nghiên cứu là xây dựng các mô hình mạng có sức thuyết
phục để tạo ra các mạng có hệ số nhóm cao và có bán kính nhỏ. Năm 1998, Watts và
Strogatz đã phân tích một số loại mạng thực khác nhau. Mỗi mạng thực đƣợc coi là
một đồ thị để nghiên cứu. Watts và Strogatz đo độ dài đƣờng đi trung bình trong đồ thị
và so sánh với một đồ thị ngẫu nhiên cùng số nút và số cạnh. Độ dài đƣờng đi trung
bình trong mỗi trƣờng hợp có cao hơn một chút so với đồ thị ngẫu nhiên nhƣng tỷ lệ
với độ lớn.
Mặt khác ta có thể nhận thấy rằng, mức độ kết nối cục bộ trong các mạng thực
có tính dày đặc hơn rất nhiều so với các mạng ngẫu nhiên. Để đo mức độ dày đặc của

các kết nối, các tác giả cũng đƣa ra độ đo hệ số nhóm. Watts và Strogatz đã so sánh hệ
22
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
số nhóm trung bình của những mạng thực này với các mạng ngẫu nhiên tƣơng ứng.
Các hệ số nhóm trong mạng ngẫu nhiên ít nhất cao hơn 10 lần trong các mạng thực.
Nhƣ vậy, các mạng thực có đƣờng kính bằng với đồ thị ngẫu nhiên lại có mức độ
nhóm cục bộ cao hơn nhiều lần.
Để có thể xây dựng mô hình mạng vừa có độ dài đƣờng đi trung bình nhỏ, vừa
có mức độ nhóm cục bộ cao, Watts và Strogatz đã giới thiệu một mô hình mạng đơn
giản [19]. Bắt đầu từ một mạng vòng n nút đƣợc đánh số từ 1-n. Sau đó mọi nút đƣợc
kết nối với k láng giềng theo chiều kim đồng hồ. Hình dƣới k đƣợc chọn là 2, tạo ra
một mạng vòng đối xứng có hệ số nhóm cục bộ cao, tuy nhiên bán kính mạng lớn hay
độ dài đƣờng đi trung bình lớn. Đối với mỗi cạnh từ đồ thị ban đầu, lựa chọn và gắn
một số ngẫu nhiên trong khoảng [0,1]. Nếu số ngẫu nhiên này nhỏ hơn một giá trị p
cho trƣớc, cạnh sẽ đƣợc vẽ lại. Việc vẽ lại một cạnh (i,j) thực hiện bằng cách chọn
ngẫu nhiên một nút đích mới u từ tập mọi nút, xoá cạnh cũ (i,j) và thêm cạnh (i,u). Lƣu
ý giảm những cạnh trùng lặp khi vẽ lại.

Hình 2. Đồ thị thế giới nhỏ đầu tiên đƣợc Watts và Strogatz giới thiệu

Hình 3. Liên hệ giữa hệ số nhóm và độ dài đƣờng đi t.bình với xác suất vẽ cạnh mới
Ta có thể thấy p chính là xác suất một cạnh sẽ đƣợc vẽ lại. Các tác giả đã lập đồ
thị mối liên hệ giữa xác suất một cạnh đƣợc vẽ lại với hệ số nhóm cục bộ và độ dài
đƣờng đi trung bình. Đồ thị của mối liên hệ này thể hiện trong hình 3. Khi p quá nhỏ,
gần nhƣ không có cạnh nào bị vẽ lại và hệ số nhóm cục bộ gần nhƣ đƣợc giữ nguyên ở
mức cao và độ dài đƣờng đi trung bình lớn. Khi p tăng dần, hệ số nhóm cục bộ có xu
hƣớng giữ nguyên nhƣng độ dài đƣờng đi trung bình giảm rất nhanh. Nếu p gần bằng
1, đồ thị đƣợc tạo ra là một đồ thị ngẫu nhiên với đƣờng kính mạng nhỏ hay độ dài
đƣờng đi trung bình nhỏ, tuy nhiên lại có hệ số nhóm cục bộ nhỏ. Với một giá trị p
23

Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
đƣợc lựa chọn thích hợp, có thể duy trì hệ số nhóm cục bộ cao, đồng thời đƣờng kính
mạng nhỏ [19].
Nhìn từ khía cạnh khác, phát hiện của Watts và Strogatz chỉ ra rằng một lƣợng
nhỏ cạnh ngẫu nhiên đƣợc kết nối lại có thể giảm độ dài đƣờng đi trung bình một cách
đáng kể trong khi vẫn giữ đƣợc hệ số nhóm. Những cạnh đƣợc vẽ lại có thể coi đó là
những lối tắt trên đồ thị. Watts và Strogatz đặt tên cho những đồ thị có hệ số nhóm cục
bộ cao và độ dài đƣờng đi trung bình nhỏ là các đồ thị thế giới nhỏ (small-world
graph). Đây là hai đặc tính quan trọng của các mạng thực mà các nhà nghiên cứu luôn
mong muốn có thể đƣa vào các hệ thống mạng.
2.2.3. Các mạng thế giới nhỏ
Từ những kết quả của Watts và Strogatz, ta có thể đƣa ra đặc điểm giống nhƣ đồ
thị thế giới nhỏ trong rất nhiều mạng thực nhƣ các mạng xã hội, Internet, các mạng
sinh vật học…
Trong các mạng xã hội, các nhóm cá nhân trong mạng có tính kết nối cục bộ rất
cao. Tuy nhiên, một phần nhỏ số cá nhân trong mỗi nhóm có những mối liên kết xa
hơn ngoài nhóm cục bộ của họ. Chính những mối liên kết này giúp cho độ dài đƣờng
đi trung bình giữa các cá nhân bất kỳ là nhỏ. Những mối liên kết đó không chỉ có ích
cho cá nhân sở hữu nó mà còn có ích cho tất cả những cá nhân trong nhóm có liên kết
cục bộ với họ. Ngoài ra, việc thay đổi một liên kết cục bộ thành liên kết tới cá nhân ở
xa không ảnh hƣởng nhiều đến tính nhóm cục bộ đã có.
Xuất phát từ đồ thị thế giới nhỏ, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa một nhóm
mạng mới, gọi là các mạng thế giới nhỏ (small – world network). Các mạng này mang
những đặc điểm của đồ thị thế giới nhỏ do Watts và Strogatz đã đƣa ra [25]. Thứ nhất,
hầu hết các cặp nút trong các mạng thế giới nhỏ đều đƣợc kết nối với nhau bằng ít nhất
một đƣờng đi ngắn, thể hiện độ dài đƣờng đi trung bình trên mạng nhỏ.Thứ hai, các
mạng thế giới nhỏ thể hiện rõ rệt các nhóm, có thể gọi là các mạng con (sub-network)
mà hầu nhƣ mọi nút trong mạng con đó đều đƣợc kết nối với nhau. Điều này thể hiện
tính chất có nhóm cục bộ cao của các đồ thị thế giới nhỏ. Ngoài liên kết với các nút
khác trong mạng con, một số nút trong đó còn có một số ít kết nối xa hơn tới các nút

khác bên ngoài, đƣợc gọi là các lối tắt. Đây chính là liên kết giữa các nhóm, góp phần
làm giảm độ dài đƣờng đi trung bình trên mạng.
Ngoài ra, mô hình mạng thế giới nhỏ cũng đƣa ra khái niệm các nút trung tâm,
là các nút trong mạng có số lƣợng kết nối lớn hơn so với các nút khác. Những nút
trung tâm này là những điểm kết nối trung gian giữa các cạnh khác nhau và cũng có
khả năng giảm độ dài đƣờng đi trung bình trên mạng.
Những hệ thống mạng thƣờng có topo rất khác nhau nhƣng vẫn có thể thoả mãn
hai tính chất của đồ thị thế giới nhỏ, do vậy vẫn đƣợc coi là các mạng thế giới nhỏ.
24
Nâng cao hiệu năng của một số hệ thống mạng ngang hàng phi cấu trúc
Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rất nhiều mạng thực thể hiện các thuộc tính thế giới nhỏ
nhƣ mạng lƣới đƣờng đi, hệ thống điện, mạng nơron….
2.2.4. Ứng dụng mô hình thế giới nhỏ vào các hệ thống P2P
Để đƣa mô hình mạng thế giới nhỏ vào ứng dụng đối với các hệ thống mạng
ngang hàng, Kleinberg đã xuất phát từ nghiên cứu của Milgram và mô hình thế giới
nhỏ đơn giản của Watts và Strogatz. Kleinberg tập trung vào giải thích lý do tại sao
tồn tại các đƣờng đi ngắn trong mạng xã hội mà trong đó mỗi phần nhỏ các cạnh đều
là ngẫu nhiên và lý do tại sao con ngƣời có thể tìm ra những đƣờng đi ngắn này, tại sao
các những ngƣời lạ có thể tìm ra chuỗi ngắn các mối quen biết để liên kết với nhau?
Đây là câu hỏi hoàn toàn khác với câu hỏi tại sao tồn tại các đƣờng đi ngắn trong
mạng.
Việc tạo ra một mạng có độ dài đƣờng đi trung bình nhỏ là dễ dàng nhƣng việc
tìm ra những đƣờng đi ngắn trên mạng đó là rất khó khăn do mỗi nút trên mạng chỉ
biết các thông tin cục bộ. Mục đích của Kleinbergs là tìm ra một họ mạng đơn giản với
độ dài đƣờng đi trung bình nhỏ trong đó các thuật toán phi tập trung có thể tìm ra các
đƣờng đi ngắn.
Mô hình của Kleinberg bắt đầu từ một đồ thị cơ sở là một lƣới vuông k chiều
trong đó mỗi nút có các kết nối cục bộ tới các láng giềng gần nhất. Sau đó, mỗi nút
thực hiện một thủ tục để thêm một lối tắt bổ sung. Một thông báo đƣợc gửi đi bắt đầu
từ một nút đƣợc chọn bất kỳ. Tại mỗi bƣớc, nút đang giữ thông báo cần truyền đi chỉ

biết vị trí của bản thân nó, vị trí của các láng giềng và vị trí của nút đích cần truyền
thông báo đó tới. Mỗi nút sẽ thêm vào q cạnh ngẫu nhiên có hƣớng đƣợc lựa chọn sao
cho mỗi cạnh lối tắt này từ điểm x tới điểm y với xác suất:
)(),(
1
),(
nHyxd
yx
k
k


Trong đó, d(x,y) là khoảng cách giữa x và y trong đồ thị cơ sở, n là kích thƣớc
mạng, H
k
là hằng số [18].
Kleinberg đã chỉ ra rằng thuật toán định tuyến kiểu tham lam tìm đƣợc đƣờng đi
giữa hai điểm bất kỳ qua trung bình
))((log
2
nO
bƣớc [18]. Định tuyến theo kiểu tham
lam nghĩa là luôn chọn láng giềng (có kết nối trong đồ thị cơ sở hoặc kết nối qua một
lối tắt đã đƣợc bổ sung) để chuyển thông báo tới trong bƣớc tiếp theo là láng giềng có
vị trí gần nhất với điểm đích dƣới dạng khoảng cách trên lƣới.
Kleinbergs cũng đã chỉ ra mô hình đồ thị thế giới nhỏ của Watts và Strogatz
không cho phép định tuyến hiệu quả theo kiểu tham lam nhƣng có khả năng định tuyến
hiệu quả khi có một thủ tục ngẫu nhiên tạo ra các lối tắt trên mạng [22]. Ta có thể thấy,
cơ chế của mạng Freenet đã tạo ra một số thủ tục nhƣ thế.