Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng

Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

MỤC LỤC

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

1


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

MỞ ĐẦU
Trong nhiều năm trở lại đây, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ của Internet băng
thông rộng, cùng với nó là sự phát triển mạnh mẽ của các ứng dụng P2P. Với nhiều ưu
điểm hứa hẹn như tính hiệu quả, linh hoạt và khả năng mở rộng cao, các mạng P2P đã và
đang thu hút được nhiều sự quan tâm từ cộng đồng nghiên cứu. Mạng P2P đã phát triển
qua nhiều thế hệ, thế hệ hiện nay là mạng có cấu trúc dựa trên khả năng lưu trữ và tìm
kiếm dữ liệu hiệu quả theo cơ chế Bảng băm phân tán (DHT).
Vấn đề cốt lõi của các mạng ngang hàng P2P là các thuật toán định tuyến, nó đóng
vai trò quyết định hiệu quả hoạt động khi thiết lập các dịch vụ hệ thống nền tảng của
mạng ngang hàng nói riêng và mạng ảo trên Internet nói chung. Chord là giao thức đang
được sử dụng rộng rãi trong các mạng ngang hàng có cấu trúc. Điểm khác biệt của giao
thức Chord với các giao thức khác là sự đơn giản của nó và khả năng chịu lỗi cao. Tuy
nhiên giao thức này vẫn còn nhiều vấn đề cần xem xét và hướng cải thiện hiệu năng định
tuyến cho Chord chính là vấn đề chính mà đề tài này đề cập đến.
Nội dung của đề tài bao gồm ba phần chính:
Chương I: Lý thuyết chung về mạng ngang hàng
Chương II: Các giao thức định tuyến DHT-P2P
Chương III: Cải thiện hiệu năng định tuyến trong Chord

Chương IV: Mô phỏng và đánh giá hiệu năng
Do trình độ và thời gian có hạn nên đề tài không tránh khỏi những sai sót. Kính mong
được sự góp ý từ quý thầy cô và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn. Xin kính chúc
thầy cô và các bạn có sức khỏe dồi dào và thật nhiều niềm vui trong cuộc sống.
Xin chân thành cám ơn!
Nhóm sinh viên

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

2


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ Viết Tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BNN-Chord

Bidirectional Neighbor’s
Neighbor Chord

NN-Chord hai chiều

DHT

Distributed Hash Table

Bảng băm phân tán

NN-Chord

Neighbor’s Neighbor Chord

Giao thức Chord cải tiến

P2P

Peer – to – Peer

Mạng ngang hàng

RTT

Round Trip Time

Thời gian đi hết một vòng

SETI

Search for Extraterrestrial
Intelligence

Tìm kiếm nền văn minh ngoài trái đất

TTL

Time To Live

Thời gian sống

ID

Identifier

Số nhận dạng

SHA

Secure Hash Algorithm

Thuật toán băm bảo mật

IP

Internet Protocol

Giao thức mạng Internet

MIT

Massachusetts Institute of
Technology

Viện công nghệ Massachusetts

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

3


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

4


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGANG HÀNG
1.1 Tổng quan về mạng ngang hàng
1.1.1 Khái niệm
Mạng ngang hàng là mạng mà trong đó hai hay nhiều máy tính chia sẻ các tập tin và
truy nhập các thiết bị như máy in mà không cần đến máy chủ hay các phần mềm máy chủ.
Ở dạng đơn giản nhất mạng ngang hàng được tạo ra bởi hai hay nhiều máy tính kết nối
với nhau và chia sẻ tài nguyên mà không phải thông qua một máy chủ dành riêng. Mạng
ngang hàng dựa vào khả năng và băng tần của các máy tính tham gia vào mạng hơn là tập
trung vào một số các máy tính gọi là server. Nó được sử dụng cho kết nối các node thông

qua các kết nối đặc biệt và được dùng cho nhiều mục đích như chia sẻ tài liệu, chia sẻ âm
nhạc, hình ảnh, dữ liệu, lưu lượng điện thoại… Mô hình của mạng ngang hàng được thể
hiện trên Hình 1.1.

Hình 1.1: Mạng ngang hàng

1.1.2 Ưu nhược điểm của mạng ngang hàng
 Ưu điểm
• Không phải đầu tư thêm về phần cứng và phần mềm máy chủ.
• Dễ cài đặt, giá thành rẻ.
• Không cần người quản trị mạng
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

5


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

•
•

Người sử dụng có thể kiểm soát việc dùng chung tài nguyên.
Tăng cường khả năng cân bằng tải trong mạng.
 Nhược điểm của mạng ngang hàng
• Máy trạm phải gánh thêm việc phục vụ chia sẻ tài nguyên.
• Máy trạm không có khả năng kiểm soát nhiều liên kết như một máy chủ
• Thiếu tính tập trung, rất khó tìm kiếm dữ liệu
• Không có khả năng lưu trữ tập trung
• Mỗi người sử dụng trên máy trạm phải có khả năng quản trị trên chính hệ thống

của mình
• Khả năng bảo mật kém, khó kiểm soát
• Quản lý thiếu tập trung, các mạng ngang hàng rất khó làm việc với nhau.
1.2 Phân loại mạng ngang hàng
1.2.1 Theo mức độ phân quyền
a. Mạng ngang hàng tập trung
Mạng ngang hàng tập trung là một trong những thế hệ mạng ngang hàng đầu tiên, đặc
trưng của mạng này vẫn dựa vào một máy chủ tìm kiếm trung tâm. Tô pô xếp chồng của
một mạng ngang hàng tập trung do đó có thể được miêu tả như là một mạng hình sao.
Trong mô hình mạng này, mỗi điểm nút kết nối tới máy chủ tìm kiếm trung tâm để có
thể gửi truy vấn tìm kiếm tài nguyên, sau khi gửi yêu cầu tới máy chủ tìm kiếm trung tâm,
máy chủ tìm kiếm trung tâm trả về thông tin phản hồi tương ứng với từ khóa được quy
định trong truy vấn. Tức là tại máy chủ tìm kiếm trung tâm, từ khóa trong thông báo truy
vấn sẽ được ánh xạ với bảng danh sách tài nguyên mà máy chủ có. Nếu máy chủ tìm kiếm
trung tâm có thông tin mà điểm nút đó yêu cầu thì nó sẽ trả về thông tin vị trí truy cập tới
các điểm nút chia sẻ (đa phần là trả về các địa chỉ IP và các cổng). Sau khi điểm nút đã
nhận được thông tin từ máy chủ tìm kiếm trung tâm thì lúc này quá trình trao đổi thông
tin cần tìm được thực hiện theo đúng cơ chế của mạng ngang hàng, tức là trao đổi trực
tiếp giữa các nút mạng với nhau mà không cần qua máy chủ tìm kiếm trung tâm.
 Hoạt động giữa nút  máy chủ tìm kiếm trung tâm:
- Tìm kiếm tài nguyên
- Đăng nhập vào mạng xếp chồng
- Đăng ký
- Cập nhật thông tin các bảng định tuyến
- Cập nhật thông tin tài nguyên được chia sẻ
 Hoạt động giữa điểm nút điểm nút
- Trao đổi dữ liệu
 Ứng dụng cho mô hình mạng kiểu này là: Napster, hỗ trợ việc chia sẻ file và nhạc
miễn phí giữa người dùng mạng Internet.
 Ưu điểm:

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

6


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

- Tìm kiếm nhanh và hiệu quả
- Quản lý tập trung/quản trị tin cậy
- Dễ xây dựng
 Nhược điểm:
- Dễ dàng bị tấn công
- Nút cổ chai
- Khả năng tắc nghẽn
- Khó mở rộng
- Cần quản trị
b. Mạng ngang hàng thuần nhất
Đặc trưng nổi bật của mô hình này là không có máy chủ tìm kiếm tập trung như trong
mô hình mạng ngang hàng tập trung, do đó không gặp phải vấn đề nút cổ chai. Các điểm
nút giao tiếp trực tiếp với các điểm nút khác trong mạng mà không cần tới máy chủ trung
tâm riêng biệt nào, các điểm nút thiết lập kết nối với nhau ngẫu nhiên.

Hình 1.2: Mạng ngang hàng thuần nhất
Trong mô hình mạng ngang hàng này, việc tìm kiếm file sử dụng phương pháp phát
tràn(phương pháp này có sử dụng giá trị giới hạn phạm vi tìm kiếm là TTL và sử dụng
GUID để trao đổi). Khi muốn tìm kiếm một file nào đó thì yêu cầu tìm kiếm được gửi từ
điểm nút nguồn tới tất cả điểm nút mạng là hàng xóm của nó. Nếu tài nguyên được tìm
thấy thì khi đó điểm nút có tài nguyên chia sẻ sẽ trao đổi với điểm nút yêu cầu dựa vào
GUID của điểm nút yêu cầu.

Ứng dụng phần mềm điển hình cho mô hình mạng này là: Gnutella 0.4, FreeNet,
GnuNet …

 Ưu điểm:
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

7


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

- Không có điểm duy nhất chịu lỗi khó bị tấn công
- Có thể thích nghi với mạng vật lý
- Cho phép nặc danh
- Dễ xây dựng
- Các điểm nút tham gia và rời khỏi mạng một cách tùy mà không ảnh hưởng đến
cấu trúc toàn mạng
 Nhược điểm:
- Tốn tài nguyên băng thông
- Tìm kiếm phức tạp
- Các điểm nút có khả năng khác nhau (sức mạnh xử lý CPU, băng thông, không
gian lưu trữ…) đều có thể phải chịu tải như nhau.
c. Mạng ngang hàng lai ghép
Được phát triển để khắc phục nhược điểm của các mô hình mạng ngang hàng trước
đó. Mô hình mạng ngang hàng lai bao gồm: các siêu điểm nút, các điểm nút thông thường
(client). Trong các siêu điểm nút tạo thành một mạng không có cấu trúc, và mỗi siêu điểm
nút kết nối đến nhiều điểm nút thông thường, mỗi siêu điểm nút quản lý vùng của nó, vai
trò siêu điểm nút giống như một máy chủ trong mô hình mạng ngang hàng tập trung.
Có một máy chủ trung tâm để lưu trữ thông tin của các máy trạm và trả lời các truy

vấn thông tin này. Các máy trạm có vai trò lưu trữ thông tin, tài nguyên được chia sẻ,
cung cấp các thông tin về chia sẻ tài nguyên của nó cho máy chủ.Sử dụng các trạm định
tuyến để xác định địa chỉ IP của các máy trạm
Ứng dụng điển hình cho mô hình này: Gnutella 0.6, Kazaa/FastTrack. Ngoài ra còn
có: Edonkey, Emule, OpenNap, JXTA, Skype….

 Ưu điểm:
- Không có điểm duy nhất chịu lỗi vì có nhiều siêu điểm nút
- Cho phép nặc danh
- Phù hợp với các nhóm lợi ích đặc biệt
- Khả năng mở rộng quy mô tốt
- Hiệu quả thỏa mãn các truy vấn
- Hạn chế phát tràn các truy vấn và tránh được hiện tượng nút cổ chai.
 Nhược điểm:
- Phân chịu tải không cân bằng: các siêu điểm nút chịu tải cao hơn

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

8


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Hình 1.3: Mạng ngang hàng lai ghép
Có hai kiểu mạng lai ghép: mạng lai ghép chỉ số hóa tập trung và mạng lai ghép chỉ
số hóa phân tán.

Hình 1.4: Mạng lai ghép với chỉ số hóa tập trung
Trong mạng lai ghép chỉ số hoá tập trung có một máy chủ trung tâm bảo trì các chỉ số

của dữ liệu hoặc tài nguyên hiện tại đang được chia sẻ bởi các máy khách tích cực, mỗi
máy khách giữ gìn một kết nối tới máy chủ trung tâm để gửi các yêu cầu. Hệ thống này
với một server trung tâm đơn giản nhưng xử lí nhanh, có thể tìm kiếm phát hiện thông tin
hiệu quả đảm bảo trên toàn bộ hệ thống. Tuy vậy khả năng mở rộng không cao mô hình
này rất dễ bị lỗi và sụp đổ khi máy chủ trung tâm bị lỗi hoặc bị tấn công, kích thước cơ sở
dữ liệu và khả năng đáp ứng yêu cầu của nó là có giới hạn. Kiến trúc này được sử dụng
trong mạng Napster.
Trong hệ thống mạng lai ghép với chỉ số phân tán, tồn tại một số siêu node lưu chỉ
mục thông tin về các peer cục bộ. Truy vấn thông tin được gửi tới siêu node, nó là proxy
cho các peer cục bộ. Do đó truy vấn thông tin nhanh hơn và lưu lượng trao đổi thông tin
giữa các node ít hơn so với hệ thống P2P thuần nhất. So với hệ thống chỉ số tập trung nó
có ưu điểm là giảm tải đáng kể cho server tránh lỗi cho toàn hệ thống nhưng phát hiện
thông tin chậm hơn. Ví dụ: mạng Kazaa, Morpheus.

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

9


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Hình 1.5: Mạng lai ghép với chỉ số hóa phân tán

1.2.2Phân loại theo cấu trúc liên kết
Dựa vào cấu trúc liên kết giữa các mạng ta có thể phân loại mạng ngang hàng thành 2
loại: có cấu trúc và không có cấu trúc
a. Mạng ngang hàng không cấu trúc
Một mạng ngang hàng không cấu trúc khi các liên kết giữa các nút mạng trong mạng
phủ được thiết lập ngẫu nhiên. Những mạng như thế này dễ dàng được xây dựng vì một

máy mới khi muốn tham gia mạng có thể lấy các liên kết có sẵn của 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.
Một nhược điểm của mô hình hệ thống này là do không 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. Hầu hết các
mạng ngang hàng không cấu trúc phổ biến như Napster, Gnutella, Fasttrack và
eDonkey2000.
b. Mạng ngang hàng có cấu trúc
Khắc phục nhược điểm của mạng ngang hàng không cấu trúc bằng cách sử dụng hệ
thống DHT (Distributed Hash Table: bảng băm phân tán). Với cấu trúc này, khi một máy
tính 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. Một số ứng dụng cho mạng này như: Chord, CAN, Kademlia, Pastry và Tapestry.
Hash Table (bảng băm) là một cấu trúc dữ liệu ánh xạ giữa key (khóa) và value (giá
trị)
Distributed Hash Table (DHT) là thuật toán được sử dụng trong các ứng dụng P2P,
DHT cho phép quản lý mạng P2P theo đúng nghĩa với độ tin cậy cao, khả mở, hiệu quả
và có khả năng chịu lỗi. DHT là một hash table được cài đặt như một hệ thống phân tán.
Cũng như một hash table, DHT cung cấp ánh xạ từ key đến value.
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

10


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Hình 1.6: Chức năng chính của DHT

1.2.3Phân loại theo cơ chế tìm kiếm

Cơ chế định vị thông tin trong hệ thống là đặc điểm căn bản trong hệ thống P2P. Cơ
chế tìm kiếm trong mạng ngang hàng được phát triển từ thế hệ thứ nhất với cấu trúc danh
mục tập trung tới thế hệ thứ hai với cơ chế yêu cầu liên tục và thế hệ thứ ba dựa vào bảng
băm phân tán.
a. Cơ chế danh mục tập trung

Hình 1.7: Cơ chế danh mục tập trung
Cơ chế này được sử dụng trong mạng lai ghép, các máy khách kết nối tới máy chủ
chứa trung tâm thư mục, là nơi lưu trữ tất cả các thông tin về vị trí và cách sử dụng tài
nguyên. Dựa trên yêu cầu từ máy khách trung tâm chỉ số sẽ đưa yêu cầu tới máy khách tốt
nhất mà có thư mục phù hợp với yêu cầu. Máy khách tốt nhất có thể là rẻ nhất, nhanh
nhất, gần nhất, hoặc sẵn sàng nhất, phụ thuộc vào người sử dụng cần. Sau đó dữ liệu sẽ
được trực tiếp trao đổi giữa hai máy khách. Mạng Napster sử dụng phương pháp này, một
máy chủ trung tâm sẽ giữ gìn chỉ số của dữ liệu với các trường tiêu đề của tất cả các file
trên mạng, một bảng các thông tin đăng kí kết nối của người dùng như địa chỉ IP, tốc độ
kết nối…, một bảng danh sách các file mà người sử dụng giữ và chia sẻ trong mạng. Khi
bắt đầu, máy khách sẽ tiếp xúc với máy chủ trung tâm và đưa ra một danh sách với các
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

11


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

file mà nó giữ. Khi máy chủ thu được một yêu cầu từ người dùng. Nó sẽ tìm kiếm cho chỉ
số phù hợp file cần tìm, trả lại danh sách những người dùng đang giữ file phù hợp. Người
dùng sẽ thiết lập một kết nối trực tiếp tới máy đang giữ file và lấy nó về.
Mô hình này có nhược điểm là khả năng mở rộng không cao, dễ bị lỗi toàn hệ thống.
b. Cơ chế yêu cầu liên tục

Hình 1.8: Cơ chế yêu cầu liên tục
Đây là mô hình mạng ngang hàng hoàn toàn trong đó mỗi điểm (peer) không lưu giữ
bất kỳ trung tâm thư mục nào và mỗi điểm sẽ công bố thông tin về nội dung chia sẻ trong
mạng ngang hàng. Vì vậy không một điểm đơn nào biết về tất cả các tài nguyên, một
điểm khi cần tìm kiếm tài nguyên nó sẽ gửi yêu cầu tới tất cả các điểm đang kết nối với
nó, cứ như thế yêu cầu được gửi đi cho tới khi được trả lời hoặc khi số bước gửi yêu cầu
là cực đại. Khi số điểm trên mạng lớn thì lưu lượng trên mạng sẽ rất lớn, đây là nhược
điểm của mô hình tìm kiếm này. Hệ thống này chỉ làm việc hiệu quả với mạng nhỏ như
Gnutella. Mô hình cải tiến đưa vào khái niệm super peer giảm tiêu thụ băng thông và cho
khả năng mở rộng cao hơn ví dụ Kazaa.

c. Cơ chế bảng băm phân tán
Đây là là mô hình tiên tiến nhất và được sử dụng trong mạng ngang hàng hoàn toàn.
Mô hình định tuyến thêm vào cấu trúc thông tin về những tài nguyên được lưu trữ sử
dụng bảng băm phân tán. Giao thức này cung cấp một ánh xạ giữa số nhận dạng của tài
nguyên (ID) và vị trí lưu trữ. Trong cấu trúc của bảng định tuyến một truy vấn có thể
được định tuyến hiệu quả tới node có tài nguyên mong muốn. Giao thức này làm giảm bớt
số bước mà node trong mạng cần thiết để định vị tài nguyên tìm kiếm. Mỗi node được gắn
một giá trị ID và nó biết một vài các node khác. Khi một node muốn chia sẻ tài liệu, tên
và nội dung của tài liệu đó được băm tạo ra một ID gắn với tài liệu đó. Tài liệu được định
tuyến tới node có ID gần với ID của tài liệu nhất. Khi một node muốn lấy một tài liệu nào
đó nó gửi yêu cầu chứa ID của tài liệu. Yêu cầu được chuyển tới node có ID gần với ID
của tài liệu nhất, sau đó tài liệu được chuyển tới node yêu cầu. Các mạng ngang hàng thế
hệ mới đều sử dụng phương pháp tìm kiếm này như: Freenet, Chord, Kademlia…
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

12

Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Hình 1.9: Cơ chế bảng băm phân tán
Mô hình này được chứng minh là có hiệu quả với mạng có số peer lớn. Tuy vậy nó
vẫn tồn tại các nhược điểm đó là khó cài đặt tính năng tìm kiếm do phải biết trước ID của
file trước khi gửi yêu cầu. Băm tên file hoặc nội dung khác nhau tạo ra ID khác dẫn đến
không tìm thấy file. Các node khi chia vào các nhóm khác nhau không có sự liên hệ dẫn
đến vấn đề ‘’islanding’’(cô lập).

1.3 Ứng dụng của mạng ngang hàng
Có thể chia ứng dụng của P2P thành 4 loại:
1.3.1 Chia sẻ tài liệu
Lưu trữ và trao đổi tài nguyên là một trong những mặt thành công nhất của công nghệ
mạng ngang hàng. Ứng dụng chia sẻ tài liệu tập trung vào sự lưu trữ thông tin và khôi
phục thông tin từ nhiều máy khác trên mạng. Một trong những ví dụ tốt nhất của mạng
ngang hàng là Napster, nó trở thành hệ thống chia sẻ ca nhạc nổi tiếng .
1.3.2 Phân tán tính toán
Ứng dụng này sử dụng tài nguyên từ một số các máy tính trên mạng (năng lực xử lí
của các máy tính rỗi trên mạng). Ý tưởng đằng sau ứng dụng này là bất kỳ máy tính nào
kết nối vào mạng có thể được sử dụng để giải quyết vấn đề của những máy khác đang yêu
cầu tính toán thêm. Ví dụ dự án SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence: Tìm kiếm
nền văn minh ngoài trái đất).
1.3.3 Hợp tác
Mục đích của ứng dụng hợp tác trong mạng ngang hàng là cho phép cộng tác ở mức
ứng dụng giữa các người dùng ví dụ như chat, instant messaging, online game đến các
ứng dụng chia sẻ có thể sử dụng trong kinh doanh, giáo dục …
1.3.4 Lớp nền

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

13


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

P2P platform cung cấp hạ tầng cho các ứng dụng phân tán sử dụng cơ chế P2P. Các
phần tử P2P sử dụng ngữ cảnh để phát hiện, kết nối, bảo mật, tập hợp tài nguyên…Ví dụ
JXTA là một P2P platform cung cấp một nền cơ bản cho việc lập trình và xử lí trên mạng.
1.4 Các vấn đề với mạng ngang hàng
Hệ thống P2P có một số ưu điểm hơn so với hệ thống client-server truyền thống như
khả năng mở rộng, khả năng chịu lỗi, hiệu năng cao. Tuy nhiên còn nhiều vấn đề mà các
hệ thống P2P hiện nay đang phải giải quyết:
1.4.1 Tính bảo mật
Bảo mật cho hệ thống P2P khó khăn hơn các hệ thống khác, các node trong hệ thống
là động, phân tán khắp nơi, các node không chứng thực lẫn nhau. Các cơ chế bảo mật
truyền thống như tường lửa, xác thực… không thể bảo vệ hệ thống P2P ngược lại có thể
ngăn cản quá trình truyền thông trong hệ thống. Bởi vậy những khái niệm bảo mật mới
được đặt ra đối với hệ thống P2P.
1.4.2 Độ tin cậy
Một hệ thống đáng tin cậy là hệ thống có thể phục hồi khi lỗi xảy ra. Những nhân tố
cần phải quan tâm khi tính toán cho sự tin cậy là: nhân bản dữ liệu, phát hiện node lỗi,
phục hồi… đảm bảo cho thông tin định vị tránh lỗi đơn và khả năng sẵn sàng nhiều đường
dẫn tới dữ liệu. Nhân bản dữ liệu tăng sự tin cậy bằng việc tăng sự dư thừa và định vị. Có
hai chiến lược cho nhân bản: nhân bản nguyên gốc và nhân bản đường dẫn. Trong nhân
bản nguyên gốc, khi tìm kiếm thành công dữ liệu được lưu trữ chỉ tại node yêu cầu. Trong
nhân bản đường dẫn khi tìm kiếm thành công dữ liệu được lưu trữ tại tất cả các node dọc
theo đường dẫn từ node yêu cầu tới node cung cấp.
1.4.3 Độ linh động

Chính là khả năng tự chủ của các node trong việc gia nhập hoặc rời bỏ hệ thống. Để
giải quyết vấn đề quy mô lớn, phân tán và linh động của các hệ thống P2P, khi xây dựng
các hệ thống P2P cần chú ý đến khả năng điều chỉnh và tự tổ chức.
1.4.4 Cân bằng tải
Phân phối dữ liệu để lưu trữ hoặc tính toán trên các node là vấn đề rất quan trọng
trong các hệ thống mạng ngang hàng, một giải pháp đặc biệt cho sự phân phối này là
Bảng băm phân tán (DHT). Trong cách tiếp cận này, cân bằng tải được xem xét trên hai
khía cạnh: cân bằng không gian địa chỉ tức là cân bằng phân phối của không gian key
address trên các node và cân bằng item trong trường hợp phân phối của các item trong
không gian địa chỉ không thể là ngẫu nhiên. Cân bằng tải giữa các node tính toán trong hệ
thống P2P cũng có thể được cài đặt sử dụng mô hình tự tổ chức dựa trên agent.
1.5 Một số ví dụ về mạng ngang hàng
1.5.1Mạng Edonkey
Hay còn gọi là mạng Edonkey2000 là một chương trình chia sẻ tệp trên mạng ngang
hàng, được phát triển bởi MetaMachine, sử dụng giao thức truyền tệp đa nguồn (tiếng
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

14


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Anh: Multisource File Transfer Protocol). Chương trình eDonkey hỗ trợ cả hai mạng
eDonkey và mạng Overnet.
Người dùng eDonkey2000 chủ yếu chia sẻ những tệp rất lớn, hàng trăm mêgabyte,
như đĩa CD, phim, trò chơi, và phần mềm. Không như các phần mềm chia sẻ tệp ngang
hàng khác, tệp chia sẻ trong mạng eDonkey được cung cấp dưới dạng một liên kết ed2k,
chương trình eDonkey2000 sẽ tự khởi động và tải tệp khi liên kết ed2k được kích hoạt.

Hình 1.10: Mô hình mạng Edonkey
Edonkey là mạng ngang hàng phân quyền, tài nguyên không được lưu trữ ở một máy
chủ trung tâm mà được chia sẻ trực tiếp giữa những người sử dụng. Phần mềm của mạng
Edonkey cài đặt trên máy khách kết nối vào mạng để chia sẻ tài nguyên. Các máy chủ
đóng vai trò như những hub truyền thông cho các khách hàng, cho phép người sử dụng
định vị tài liệu trong mạng. Bằng việc chạy phần mềm máy chủ Edonkey trên một máy
tính kết nối vào Internet, bất kỳ người sử dụng nào cũng có thể kết nối tới máy chủ để vào
mạng. Số máy chủ và địa chỉ của nó thường xuyên thay đổi, chương trình chạy trên các
máy khách sẽ thường xuyên cập nhật danh sách các server.
1.5.2Mạng Gnutella
Đây là mô hình mạng ngang hàng hoàn toàn trong chia sẻ tài nguyên và cả trong giao
thức, ở đó các máy kết nối vào mạng bằng cách kết nối với những máy đã tồn tại trong
mạng. Hình thức này hình thành ứng dụng trên mạng vật lý. Tất cả các node trong mạng
có thể quản lý tài nguyên và khôi phục tài nguyên từ node khác. Để tạo điều kiện cho việc
chia sẻ tài liệu một thông báo được gửi giữa các node, truy vấn về tài liệu cần tìm được
phát quảng bá toàn mạng và được lặp lại định tuyến ngược trở lại node đầu tiên đã đưa ra
yêu cầu trong mạng. Thông báo tìm kiếm sẽ được sử dụng để tìm kiếm các node.
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

15


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Hình 1.11: Mô hình mạng Gnutella

1.5.3Mạng Napster
Đây là mạng chia sẻ tài nguyên phân tán với máy chủ cơ sở, máy chủ không giống
như truyền thống, trong nó chỉ chứa danh sách các thư mục. Các máy khách sẽ tải về và

quản lý tài nguyên, trong khi đó máy chủ sẽ giữ chỉ số của tài liệu điều khiển yêu cầu tìm
kiếm của máy khách. Một máy khách gửi yêu cầu tìm kiếm của nó tới máy chủ, máy chủ
sẽ tìm kiếm trong các chỉ mục nó lưu trữ và gửi danh sách phù hợp trở lại cho máy khách.

Hình 1.12: Mô hình mạng Napster
Máy khách sẽ sử dụng danh sách đó để kết nối tới máy khách có chứa tài nguyên và tải về
tài nguyên từ những máy khách đó. Khi máy khách kết nối với máy chủ lần đầu tiên,
chúng sẽ gửi danh sách các tài nguyên mà nó đang muốn chia sẻ lên cho máy chủ, những
tài nguyên này sẽ được thêm vào danh sách chỉ mục của máy chủ. Napster là hệ thống
chia sẻ tài nguyên ngang hàng tập trung, có nghĩa là Napster cung cấp một máy chủ cho
các máy khách để tổ chức và cho phép truy nhập tới bất kỳ hoặc tất cả các file tồn tại trên
các máy khách.

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

16


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

CHƯƠNG II: CÁC GIAO THỨC ĐỊNH TUYẾN DHT-P2P
2.1 Khái niệm về Distributed Hash Table (DHT)
Bảng hàm băm phân tán (Distributed Hash Table) là một lớp của hệ thống phân tán
cung cấp dịch vụ tra cứu tương tự như bảng hàm băm (hash table). Một bảng băm là một
cấu trúc dữ liệu được ánh xạ giữa khóa (key) và giá trị (value). Tức là tương ứng với một
khóa sẽ có một giá trị. Để thực hiện việc ánh xạ, hash table sử dụng hàm băm (hash
function) tính toán vị trí lưu giá trị dựa trên khóa.
Bảng hàm băm phân tán hiểu đơn giản chính là một bảng băm được cài đặt như một
hệ thống phân tán, các tài nguyên được ràng buộc với các khóa (ví dụ được tạo ra bằng

cách băm các tên hoặc nội dung file) và việc duy trì sự ánh xạ từ khóa đến tài nguyên sẽ
được phân tán đều trong mạng. Mỗi node trong hệ thống sẽ có trách nhiệm lưu giữ một
dải các khóa nào đó. Khi muốn tìm kiếm một tài nguyên (giá trị) nào đó, ta sử dụng một
toán tử trong DHT đó là tìm kiếm – lookup(key), nó sẽ trả lại nhận dạng của node lưu trữ
object ứng với key đó. Toán tử này cho phép các node đưa và lấy các tài nguyên trên cơ
sở khóa của chúng.

Hình 2.1: Mô tả quá trình tạo key của DHT
DHT có các ưu điểm khác biệt so với dịch vụ hướng Client – Sever truyền thống:

• Cho phép hoạt động phân tán, không cần duy trì một server trung tâm để điều
khiển hoạt động của mạng P2P.
• Hệ thống có tính khả mở, nghĩa là hệ thống vẫn hoạt động tốt ngay cả với số lượng
node và lưu lượng trong mạng lớn.
• Tải được cân bằng giữa các peer trong mạng.
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

17


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

• Hệ thống dựa trên giả định rằng mạng không tĩnh và các thay đổi xuất hiện thường
xuyên với các node tham gia hay rời khỏi mạng.
• Việc định tuyến và lấy dữ liệu hoàn thành trong thời gian tỷ lệ logarit.
• Cung cấp dịch vụ lưu trữ, tìm kiếm thông qua hai hàm insert và lookup.
Khi thực hiện DHT trong thực tế phải đáp ứng ít nhất các yêu cầu sau:

• Không gian địa chỉ là một thông số của DHT. Rất nhiều hệ thống DHT trong thực

tế sử dụng không gian địa chỉ 128 bit hoặc 160 bit.
• Một số hệ thống DHT sử dụng hàm băm khác với SHA-1.
• Trong thực tế, khóa k thường được băm ra từ nội dung của file (dữ liệu) hơn là từ
tên của file để cung cấp sự lữu trữ nội dung mang tính địa chỉ (content-addressable
storage) và để cho người dùng không gặp các rắc rối khi tìm kiếm một file đã bị
đổi tên.
• Các cặp khóa, dữ liệu sẽ được lưu ở nhiều node thay vì chỉ lưu ở một node. Các
thuật toán DHT trong thực tế sẽ lựa chọn i node phù hợp, với i là một thông số của
DHT. Trong một số thiết kế DHT, các node sẽ lưu trữ một dải không gian khóa,
kích thước của dải này sẽ được chọn lựa một cách tự động.

2.2 Các giao thức định tuyến sử dụng DHT
2.2.1 Chord
Là giao thức và thuật toán sử dụng DHT. Chord là một trong bốn giao thức DHT
truyền thống và được giới thiệu vào năm 2001 bởi Ion Stoica, Robert Morris, David
Karger, Frans Kaashoek, Hari Balakrishnan và được phát triển bởi MIT.

a. Mạng phủ
Trong Chord, các khóa được gán vào một vòng tròn có không gian địa chỉ là 2 m.
Vòng tròn này có thể có dải ID/khóa từ 0 đến 2m – 1.
Các ID và khóa được gán m bit định danh. Đối với node, định danh (ID) này được
băm ra từ địa chỉ IP của node đó. Đối với khóa, ID này được băm ra từ một từ khóa ví dụ
như tên file. Như vậy, cả khóa và ID của node (địa chỉ IP) sẽ chung nhau một không gian
địa chỉ. Thuật toán băm được sử dụng là SHA-1.

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

18

Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Hình 2.2: Vòng không gian địa chỉ Chord
Một node với ID là x có một con trỏ tới node đầu tiên đứng sau nó trong không gian địa
chỉ theo chiều kim đồng hồ kí hiệu là Succ(x) và một con trỏ tới node đứng trước nó kí
hiệu là Pred(x). Ví dụ, node kế tiếp của của node 2 là node 3 và node đứng trước node 1
là node 0. Tuy nhiên, trong thực tế sẽ tồn tại các lỗ hổng trong chuỗi số, ví dụ node kế
tiếp của node 153 có thể là node 167 (do các node từ 154 đến 166 không xuất hiện trong
mạng), trong trường hợp này node trước của node 167 sẽ là node 153. Do các node kế tiếp
(hoặc trước đó) có thể biến mất trong mạng (do lỗi hoặc lý do khác), mỗi node sẽ ghi lại
toàn bộ một phân đoạn của vòng tròn liền kề với nó ví dụ r node đằng trước và r node
đằng sau nó. Danh sách này được các node sử dụng để xác định chính xác node kế tiếp và
trước đó ngay cả khi mạng có tỉ lệ lỗi cao. Các node tạo thành một danh sách liên kết hai
chiều.

Hình 2.3: Không gian ID của mạng Chord (N=64)
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

19


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Một node lưu m=log2(N) con trỏ (hay là mục – entry) gọi là các finger trong đó N là
kích thước vòng. Tập các finger của node ID x được xác định như sau F(x) ={Succ(x + 2 i1
)}, 1 ≤ i ≤ M. Với cách lựa chọn finger thế này, trong mạng Chord, các node quan sát
không gian ID của vòng tròn bắt đầu từ không gian ID của chúng.
Hình trên cho thấy một mạng với số không gian địa chỉ N=64. Mỗi node có

m=log2(N)=6 finger. Mạng có các node với ID lần lượt là 1, 8, 14, 21, 32, 38, 42, 48, 51,
56. Node n lưu một bảng finger với giá trị thứ i trong bảng là successor của các ID được
tính theo công thức: ((n + 2i-1) mod 2m). Tuy nhiên, có thể không có node có ID phù hợp
tại điểm chia, khi đó successor của ID tại điểm chia được chọn làm finger. Bảng finger
cho node 8 được thể hiện như hình trên.

b. Định tuyến

Hình 2.4: Các item lưu trên mạng Chord
Từ hình trên ta thấy, một item được lưu trên node có ID bằng nó (K38, N38) hoặc là
node đầu tiên có ID lớn hơn nó theo chiều kim đồng hồ (K10, N14). Một node có thể lưu
nhiều item nhưng ngược lại một item chỉ được lưu tại một node.
Quá trình định tuyến là kết quả tự nhiên theo cách chia không gian ID dựa trên việc
tìm ID successor. Với hai ví dụ trên, khi node 8 muốn tìm item với key là 54, look up
được chuyển tiếp tới node 42 là node đứng gần K54 nhất trong bảng finger của node 8.
Node 42 lại thực hiện quá trình tượng tự, nó chuyển tiếp yêu cầu tới node 51 trong bảng
finger của nó. Node 51 thấy rằng K54 nằm giữa nó và successor của nó (node 56), do đó
nó trả về kết quả N56 theo đường đi ngược lại. Sau khi nhận được câu trả lời, tầng ứng
dụng trên node 8 sẽ liên lạc với tầng ứng dụng trên node 56 để truyền và nhận dữ liệu.
Trong điều kiện thông thường, độ phức tạp của thuật toán là O(log2(N)).
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

20


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

2.2.2 Kademlia
Kademlia là một giao thức sử dụng DHT cho các mạng P2P, được thiết kế bởi Petar

Maymounkov và David Mazières vào năm 2002.

a. Mạng phủ
Kademlia xem các node là lá của một cây nhị phân, vị trí các node được xác định duy
nhất bởi một số nhị phân là ID của chúng. Hình dưới đây minh họa một node có ID=110.

Hình 2.5: Không gian ID của mạng Kademlia (N=8)
Đối với mỗi node, ta chia cây nhị phân liên tiếp thành các cây con không chứa node
đó. Tương ứng với mỗi cây con này, node sẽ phải lưu ít nhất một địa chỉ đến chúng để
đảm bảo mỗi node có thể truy vấn đến tất cả các node trên mạng. Ví dụ trong hình vẽ trên,
một node có ID 110 sẽ lưu các node có tiền tố lần lượt là 0, 10, 111.
Kademlia không lưu danh sách các node gần với nó trong không gian ID như Chord.
Tuy nhiên với mỗi cây con trong không gian ID, node lưu tới k contact thay vì một
contact và gọi k contact này là k-bucket. Hình dưới đây minh họa các k-bucket của nột
node có ID=0…0.

b. Định tuyến
Kademlia sử dụng một khái niệm đó là “khoảng cách” giữa hai node. Khoảng cách
này được tính bằng phép cộng loại trừ XOR của hai ID (d(x,y)=xy) và kết quả là một số
nguyên. Các khóa và ID của node có cùng định dạng và độ dài, nên khoảng cách giữa
chúng có thể được tính toán theo cùng một cách. ID của node là một số lớn ngẫu nhiên
được chọn duy nhất đối với mỗi node riêng biệt. Chính vì vậy mà hai node ở cách xa nhau

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

21


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

về địa lý ví dụ như Đức và Úc, có thể trở thành hàng xóm nếu chúng chọn các ID tương
tự nhau.

Hình 2.6: Các k-bucket của một node
Bảng định tuyến của Kademlia bao gồm một danh sách (list) cho mỗi bit ID của một
node (ví dụ nếu một node có ID gồm 128 bit thì node đó sẽ chứa 128 list). Mỗi list lại
chứa nhiều mục (entries). Mỗi mục trong một list sẽ chứa dữ liệu cần thiết để định vị các
node khác. Dữ liệu trong mục thường là địa chỉ IP, cổng và ID của node khác. Mỗi list
tương ứng với khoảng cách từ node đó. Các node có list thứ n sẽ khác nhau ở bit thứ n
trong ID. Mỗi k-bucklet là một list chứa k mục bên trong, ví dụ với một mạng có k=20,
mỗi node sẽ có các list chứa 20 node cho mỗi bit riêng biệt.
Quá trình định tuyến sẽ được thực hiện như sau, một node thiết lập yêu cầu
FIND_NODE bằng cách truy vấn đến α các node trong các k-bucket mà gần với khóa
nhất. Khi các node này nhận được yêu cầu, chúng sẽ xem k-bucket của mình và trả lại k
node gần với khóa nhất mà chúng biết. Node yêu cầu khi đó sẽ cập nhật kết quả (các ID
của các node) mà nó nhận được, giữ lại k node tốt nhất và tiếp tục truy vấn đến k node
này. Quá trình này được lặp lại liên tục, và sẽ ngày càng tiến gần hơn đến node gần với
khóa. Quá trình kết thúc khi không có node nào trả về giá trị ID của node gần khóa hơn
nữa. Và giá trị k node gần nhất sẽ được lựa chọn.

2.2.3 Tapestry
a. Mạng phủ
Tapestry sử dụng thuật toán SHA-1 để băm địa chỉ các node thành các ID biểu diễn
theo hệ cơ số 2b. Mỗi node lữu trữ một bảng định tuyến gồm có log 2b(N) hàng và 2b – 1
cột.
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

22

Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Hàng thứ nhất trong bảng định tuyến chưa các node có ID khác với ID của node đó ở
vị trí bit thứ nhất. Hàng thứ hai trong bảng định tuyến chứa các node có ID giống với ID
của node đó ở bit thứ nhất nhưng khác ở bit thứ 2. Các hàng còn lại được tổ chức tương
tự.
Hình dưới đậy minh họa quá trình xây dựng bảng định tuyến của node có
ID=10233102 trên mạng N=(22)8= 65536 node.

Hình 2.7: Minh họa bảng định tuyến của một node

b. Định tuyến

Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

23


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

Tapestry ánh xạ ID của item tới một node duy nhất trên mạng gọi là root của ID. Nếu
tồn tại node N có ID bằng với ID của item thì node được gọi là root của iteam đó. Nếu
không tồn tại node như vậy thì item được ánh xạ vào node có ID gần với ID của nó nhất.
Quá trình tìm kiếm được thực hiện bằng cách so sánh lần lượt các chữ số tiền tố của
ID ví dụ 4*** → 42** → 422* → 4227, quá trình này được gọi là “ánh xạ lân cận”. Bảng
định tuyến của một node X được chia thành nhiều mức (log 2b(N)), mỗi mức i bao gồm các
liên kết (2b – 1) đến các node có tiền tố giống đến chữ số thứ i – 1 với ID của X. Hình 2.6

minh họa các liên kết của node 4227, các mức kí hiệu là L1, L2…

Hình 2.8: Các mức liên kết của node 4227

Hình 2.9: Đường đi của một bản tin từ node 5230 đến node 42AD
Hình 2.9 cho thấy đường đi của một bản tin trên mạng từ node 5230 đến node 42AD.
Khi một node định tuyến đến node đích, nó sẽ đi theo đường đến node có ID gần giống
với ID đích nhất (dựa theo bảng định tuyến). Ví dụ ở đây node 5230 khác node 42AD
mức 1 nên bản tin sẽ đi theo L1 đến 400F tiếp theo 400F lại khác 42AD ở mức 2 nên bản
tin sẽ đi theo L2 đến node 4227 rồi đến node 42A2 và tới đích. Sau mỗi chặng node tiếp
theo sẽ có mức cao hơn là 1, vì vậy sau nhiều nhất là log 2b(N) chặng quá trình tìm kiếm sẽ
kết thúc. Trong trường hợp node ở mức cao hơn không tồn tại trên mạng, node sẽ định
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

24


Cải thiện hiệu năng giao thức định tuyến trong mạng ngang hàng
12/2012

tuyến đến node cùng mức nhưng có ID gần với ID đích nhất (chênh lệch nhỏ nhất) rồi
node này sẽ tiếp tục định tuyến đến đích. Để tăng khả năng tìm kiếm thành công trên
mạng, các node sẽ lưu thêm c liên kết đến các node khác thay vì một node. Như vậy kích
thước của bảng định tuyến lúc này gồm c x 2b x log2b(N) node.
Để thông báo về sự tồn tại của một item I, node n lưu item định kỳ gửi thông báo đến
root của item đó. Mỗi node dọc đường đi của thông báo sẽ lưu một con trỏ ánh xạ (I,n)
thay vì lưu lại item. Khi có vài bản sao của một item trên một số node, mỗi node sẽ thông
báo về bản sao nó lưu. Một node nếu nhận được nhiều thông báo về cùng một item, nó sẽ
lưu ánh xạ theo thứ tự thời gian.
Quá trình truy vấn item được minh họa trong hình dưới đây.

Hình 2.10: Quá trình truy vấn item
Một node muốn truy vấn item nào đó, nó sẽ gửi truy vấn đến root của item. Mỗi node
trên đường đi sẽ kiểm tra xem node đó có ánh xạ vị trí của item đó không, nếu có nó sẽ
chuyển truy vấn theo hướng đến node lưu item, nếu không có nó sẽ chuyển tiêp truy vấn
theo hướng đến root của item.

2.2.4 Kelips
a. Mạng phủ
N

Kelips băm không gian ID vào k nhóm đánh số từ 0 đến k-1 với k=
(N là số node
trong mạng) sử dụng thuật toán consistent hashing. Vị trí nhóm của một node bằng số dư
của phép chia ID của node cho k.
Hình 2.11 dưới đây minh họa bảng định tuyến của node 110 trong hệ thống có 10
nhóm.
Đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

25