Luận án Tiến sĩ Công nghệ thông tin: Nghiên cứu nâng cao hiệu năng hoạt động của mạng ngang hàng có cấu trúc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐÌNH NGHĨA

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU NĂNG HOẠT
ĐỘNG CỦA MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hà Nội - 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN ĐÌNH NGHĨA

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU NĂNG HOẠT
ĐỘNG CỦA MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC

Chuyên ngành: Mạng máy tính và truyền dữ liệu
Mã số: 9480102.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS Nguyễn Hoài Sơn
2. PGS.TS Hồ Sỹ Đàm

Hà Nội - 2019

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................. 1
1. Đặt vấn đề ......................................................................................... 1
2. Mục tiêu của luận án ......................................................................... 8
3. Phạm vi nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu ...................................... 8
4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................. 9
5. Đóng góp của luận án........................................................................ 9
6. Cấu trúc của luận án ........................................................................ 10
Chương 1. KIẾN THỨC NỀN TẢNG ................................................ 13
1.1. Mạng ngang hàng ......................................................................... 13
1.2. Ứng dụng mạng ngang hàng ........................................................ 15
1.2.1. Phân phối nội dung dựa trên mạng ngang hàng .................. 15
1.2.2. Truyền thông dựa trên mạng ngang hàng ............................ 16
1.2.3. Xử lý và tính toán phân tán dựa trên mạng ngang hàng ...... 16
1.2.4. Cộng tác dựa trên mạng ngang hàng ................................... 17
1.2.5. Hạ tầng công nghiệp/nền tảng dựa trên mạng ngang hàng . 17
1.2.6. Các hệ thống cơ sở dữ liệu và tìm kiếm dựa trên mạng ngang
hàng ......................................................................................................... 18
1.2.7. Các ứng dụng khác ............................................................... 18
1.3. Phân loại mạng ngang hàng ......................................................... 18
1.3.1. Phân loại theo mức độ phân tán ........................................... 19
1.3.2. Phân loại theo cấu trúc mạng ngang hàng ........................... 22
1.4. Mạng ngang hàng có cấu trúc ...................................................... 24
1.4.1. Bảng băm phân tán ............................................................... 25
1.4.2. Mạng ngang hàng Chord ...................................................... 28
1.4.3. Một số giao thức mạng ngang hàng có cấu trúc khác .......... 36
i

1.5. Kết luận ........................................................................................ 37
Chương 2. CÂN BẰNG TẢI TRONG MẠNG NGANG HÀNG CÓ
CẤU TRÚC .................................................................................................... 38
2.1. Đặt vấn đề .................................................................................... 38
2.2. Các nghiên cứu liên quan ............................................................. 41
2.2.1. Cân bằng tải theo ngưỡng .................................................... 41
2.2.2. Cân bằng tải dựa trên server ảo. .......................................... 43
2.2.4. So sánh các thuật toán cân bằng tải ..................................... 45
2.3. Cải tiến thuật toán cân bằng tải theo ngưỡng .............................. 46
2.3.1. Một số khái niệm ................................................................... 46
2.3.2. Thuật toán ThresholdPlus ..................................................... 48
2.4. Đánh giá thuật toán ...................................................................... 56
2.4.1. Phương pháp đánh giá .......................................................... 56
2.4.2. Các kết quả mô phỏng........................................................... 57
2.5. Kết luận ........................................................................................ 63
Chương 3. ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRONG MẠNG NGANG
HÀNG CÓ CẤU TRÚC ................................................................................ 65
3.1. Đặt vấn đề .................................................................................... 66
3.2. Các nghiên cứu liên quan ............................................................. 68
3.3. Điều khiển tắc nghẽn bằng thay đổi bảng định tuyến .................. 73
3.4. Đánh giá thuật toán ...................................................................... 82
3.4.1. Phương pháp đánh giá .......................................................... 82
3.4.2. Các kết quả mô phỏng........................................................... 83
3.5. Kết luận ........................................................................................ 94
Chương 4. SAO LƯU DỮ LIỆU TRONG MẠNG MẠNG NGANG
HÀNG CÓ CẤU TRÚC ................................................................................ 95
4.1. Đặt vấn đề .................................................................................... 95
ii

4.2. Các nghiên cứu liên quan ............................................................. 97
4.3. Sao lưu dữ liệu dựa trên phân cụm trong mạng P2P ................. 102
4.3.1 Tổng quan ............................................................................ 102
4.3.2 Quản lý thông tin cụm .......................................................... 103
4.3.3. Sao lưu và truy vấn dữ liệu ................................................. 106
4.3.4. Khôi phục tệp tin ................................................................. 108
4.3.5. Xây dựng cụm...................................................................... 111
4.3.6. Đảm bảo tính cục bộ và cân bằng tải ................................. 116
4.4. Đánh giá thuật toán .................................................................... 118
4.4.1. Phương pháp đánh giá ........................................................ 118
4.4.2. Các kết quả mô phỏng......................................................... 120
4.5. Kết luận ...................................................................................... 132
KẾT LUẬN .......................................................................................... 134
1. Các kết quả đã đạt được ................................................................ 134
2. Những hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo ............................ 136
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .............................................................................. 137
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 138

iii


Danh sách hình vẽ
Hình 1.1. Phân loại mạng ngang hàng .................................................... 19
Hình 1.2. Phân loại mạng ngang hàng theo mức độ phân tán ................ 20
Hình 1.3. Ánh xạ dữ liệu vào mạng DHT ............................................... 26
Hình 1.4. Mạng phủ DHT với 4 nút trong mạng .................................... 27
Hình 1.5. Vòng Chord với độ dài không gian khóa là 6 bit.................... 30
Hình 1.6. Tìm kiếm đơn giản trên Chord................................................ 31

Hình 1.7. Bảng finger của nút n8............................................................. 32
Hình 1.8. Giả mã của phương pháp tìm kiếm nâng cao ......................... 33
Hình 1.9. Quá trình tìm kiếm khóa k54 trên nút n8 .................................. 33
Hình 2.1. Chuyển tải giữa các nút láng giềng. ........................................ 41
Hình 2.2. Khả năng và tải làm việc của một nút..................................... 48
Hình 2.3. Các nút nhẹ tải thông báo thông tin cho thư mục ................... 50
Hình 2.4. Nút n1 thực hiện cân bằng tải, nút láng giềng n5 nhận tải hộ nút
n1 bằng cách dịch chuyển định danh về phía n1 .............................................. 51
Hình 2.5. Nút n1 thực hiện cân bằng tải, nút n1 chia tải cho nút láng giềng
n2 bằng cách dịch chuyển định danh của n1 về phía n5. .................................. 52
Hình 2.6. Di chuyển định danh để thực hiện cân bằng tải ...................... 53
Hình 2.7 Giả mã của thuật toán ThresholdPlus ...................................... 54
Hình 2.8. Thời gian sống trung bình của một nút thay đổi, các câu truy
vấn thực hiện với phân bố Zipf và Uniform. .................................................. 59
Hình 2.9. Số câu truy vấn đặt vào một nút thay đổi, truy vấn được phân
bố ở dạng Zipf và Uniform. ............................................................................ 60
Hình 2.10. Truy vấn đặt vào các nút ở dạng phân bố Zipf ..................... 61
Hình 2.11. Chi phí của các thuật toán cân bằng tải ................................ 62
Hình 3.1. Giả mã thuật toán xử lý tắc nghẽn tại nút n ............................ 76
Hình 3.2. Giả mã thuật toán xử lý hết tắc nghẽn tại nút n ...................... 79
iv


Hình 3.3. Truy vấn thông thường trong mạng Chord (m=6) .................. 80
Hình 3.4. Tỷ lệ truy vấn thành công khi thay đổi thời gian sống trung
bình của nút ..................................................................................................... 84
Hình 3.5. Tỷ lệ thành công với số truy vấn đặt vào mỗi nút thay đổi .... 86
Hình 3.6. Tỷ lệ thành công của các truy vấn khi thay đổi ngưỡng mềm 87
Hình 3.7. Ảnh hưởng của tham số Zipf đến tỷ lệ thành công của truy vấn
......................................................................................................................... 88

Hình 3.8. Ảnh hưởng của số truy vấn đặt vào một nút đến số bước
chuyển tiếp truy vấn ........................................................................................ 90
Hình 3.9. Ảnh hưởng của thời gian sống trung bình đến số bước chuyển
tiếp truy vấn..................................................................................................... 91
Hình 3.10. Ảnh hưởng truy vấn đặt vào nút đến số thông báo tắc nghẽn
......................................................................................................................... 92
Hình 3.11. Ảnh hưởng của số lượng truy vấn đặt vào nút đến số thông
báo hết tắc nghẽn ............................................................................................. 93
Hình 4.1. Phạm vi không gian khóa của các cụm ................................. 103
Hình 4.2. Thông báo cập nhật trong cụm có không gian khóa là
[𝐾𝑓𝑑, 𝐾𝑙𝑑] ..................................................................................................... 104
Hình 4.3. Ví dụ về sao lưu một tệp dữ liệu ........................................... 106
Hình 4.4. Giả mã sao lưu dữ liệu tại nút s ............................................ 107
Hình 4.5. Giả mã của thuật toán khôi phục dữ liệu tại nút quản lý khóa
....................................................................................................................... 109
Hình 4.6. Thủ tục truy vấn và sao lưu tệp tin ....................................... 110
Hình 4.7. Đoạn giả mã thủ tục tách một cụm thành cụm B và C ......... 114
Hình 4.8. Giả mã thủ tục nhập cụm hàng xóm A vào cụm B thành cụm C
....................................................................................................................... 115
Hình 4.9. Giả mã thủ tục tham gia mạng của một nút .......................... 117
Hình 4.10. Ví dụ về mô hình Transit stub ............................................ 119
v


Hình 4.11. Tỷ lệ truy vấn thành công với dữ liệu phân phối vào các nút
so với khả năng lưu trữ của một nút.............................................................. 123
Hình 4.12. Tỷ lệ truy vấn thành công với thời gian sống trung bình của
một nút thay đổi............................................................................................. 125
Hình 4.13. Tỷ lệ truy vấn thành công với số lượng các nút ra/vào trong
mạng thay đổi ................................................................................................ 126

Hình 4.14. Tỷ lệ truy vấn thành công với số lượng vị trí thử khác nhau
của một nút khi tham gia mạng ..................................................................... 127
Hình 4.15. Chi phí duy trì với thời gian sống trung bình của các nút khác
nhau ............................................................................................................... 128
Hình 4.16. Chi phí duy trì với số nút ra/vào khác nhau ........................ 129
Hình 4.17. Ảnh hưởng của các tham số sao lưu đối đến tỷ lệ truy vấn
thành công khi thời gian sống trung bình của một nút thay đổi ................... 130
Hình 4.18. Ảnh hưởng của các tham số truy vấn đến chi phí duy trì khi
thời gian sống của một nút thay đổi .............................................................. 131
Hình 4.19. Ảnh hưởng của các tham số sao lưu đến tỷ lệ thành công của
các truy vấn khi số lượng các tệp tin phân phối vào các nút thay đổi so với
khả năng của một nút .................................................................................... 132

vi


Danh sách bảng
Bảng 1.1 Phân loại các hệ thống mạng ngang hàng ............................... 24
Bảng 2.1. So sánh các thuật toán cân bằng tải ........................................ 46
Bảng 3.1. So sánh các thuật toán điều khiển tắc nghẽn .......................... 73
Bảng 3.2. Bảng định tuyến ban đầu của nút ni........................................ 77
Bảng 3.3. Bảng tìm đường của nút ni sau khi thay đổi ........................... 78
Bảng 4.1. Bảng so sánh các thuật toán sao lưu dữ liệu......................... 101

vii


Thuật ngữ và từ viết tắt
Từ viết tắt
ACK

BPCC
CAN

Từ gốc
Acknowledge receipt of a packet
Back-Pressure Congestion Control
Content Addressable Network

CCLBR
CPU
CSCC
DHT
HTTP

Congestion Control-Based Load
Balanced Routing
Central Processing Unit
Credit System Congestion Control
Distributed Hash Table
Hypertext Transfer Protocol

ID
IM
IP
IPTV
JXTA
P2P
QoS
REC
RTT

SHA
TCP
TTL
VoIP
VoD
XML

Identification
Instant Messaging
Internet Protocol
Internet Protocol Television
Juxtapose
Peer to peer
Quality of Service
Replicated Easure Code
Round-Trip Time
Secure Hash Algorithm
Transmission Control Protocol
Time-to-live
Voice over Internet Protocol
Video on demand
Extensible MarkupLanguage

viii

Giải nghĩa

Giao thức mạng ngang
hàng có cấu trúc

Bộ xử lý trung tâm
Bảng băm phân tán
Giao thức truyền siêu
văn bản
Định danh
Thông điệp tức thì
Giao thức Internet
Truyền hình Internet
Ngang hàng
Chất lượng dịch vụ
Mã xóa
Giải thuật băm an toàn
Thời gian sống
Video theo yêu cầu
Ngôn ngữ đánh dấu mở
rộng


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận án “Nghiên cứu nâng cao hiệu năng hoạt động
của mạng ngang hàng có cấu trúc” là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của
TS Nguyễn Hoài Sơn và PGS.TS Hồ Sỹ Đàm. Luận án không chứa bất kỳ nội
dung nào được sao chép từ các công trình đã được người khác công bố. Các
tài liệu trích dẫn là trung thực và được chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm về lời cam đoan trên.

ix


Lời cảm ơn

Nghiên cứu sinh Nguyễn Đình Nghĩa xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc đến các thầy hướng dẫn khoa học là TS Nguyễn Hoài Sơn và PGS.TS Hồ
Sỹ Đàm những người đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo, khích lệ và động viên
tôi hoàn thành luận án này.
Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Trường Đại học
Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo môi trường thuận lợi và điều
kiện nghiên cứu tốt cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình làm nghiên cứu.
Đồng thời, nghiên cứu sinh cũng xin được cảm ơn các thầy, cô Bộ môn
Truyền thông và Mạng máy tính; các thầy, cô Khoa Công nghệ Thông tin
Trường Đại học Công nghệ; các chuyên gia, các bạn đồng nghiệp đã hỗ trợ
nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và bảo vệ luận án,
các nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên đã tham gia seminar của
Bộ môn Truyền thông và Mạng máy tính.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình
cùng toàn thể bạn bè đã luôn giúp đỡ, động viên tôi những lúc gặp phải khó
khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

x


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu được phát triển từ những năm
giữa thế kỷ 20. Ban đầu phạm vi của mạng còn hạn chế, các dịch vụ triển khai
hết sức đơn giản. Cho đến năm 1980, với sự ra đời của giao thức mạng
TCP/IP, đánh dấu bước phát triển mới để trao đổi thông tin giữa người dùng
máy tính trên toàn thế giới. Giao thức TCP/IP là một giao thức chuẩn được
cài đặt trên tất cả các máy tính kết nối với mạng Internet giúp các máy tính
kết nối và trao đổi dữ liệu với nhau một cách dễ dàng hơn. Với khả năng kết

nối mở như vậy, Internet đã trở thành một mạng lớn nhất trên thế giới với số
lượng các máy tính tham gia vào mạng lên đến 4,4 tỷ người dùng tính đến
tháng 6/2019 [77]. Cũng từ đó, các dịch vụ, ứng dụng trên Internet không
ngừng phát triển và xuất hiện trong các lĩnh vực thương mại, chính trị, quân
sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, xã hội, v.v. Ban đầu các ứng dụng trên
mạng Internet được phát triển theo mô hình Client/Server (hay còn được gọi
là mạng Client/Server). Trong mạng Client/Server gồm hai thành phần đó là
máy chủ và máy khách. Máy khách là nơi gửi các yêu cầu của người dùng tới
máy chủ. Máy chủ là nơi xử lý và gửi kết quả cho máy khách. Các ứng dụng,
dịch vụ tiểu biểu cho mô hình Client/Server có thể kể đến như: File Server,
Print Server, Applcation Server, Mail Server, Web Server, Database Server,
Communication Server, v.v. Mạng Client/Server có nhiều ưu điểm như: tài
nguyên được quản lý tập trung, dễ chia sẻ, dễ bảo mật, tốc độ xử lý nhanh.
Bên cạnh đó nó cũng tồn tại không ít nhược điểm như: khả năng mở rộng
mạng kém, xảy ra hiện tượng nghẽn cổ chai khi số người dùng tăng lên,
không tận dụng được tài nguyên chia sẻ của người dùng (tệp tin, sức mạnh
CPU, bộ nhớ lưu trữ, băng thông, v.v.) tham gia mạng, nhất là trong thời đại

1


ngày nay khi mà số người dùng Internet lớn, tài nguyên mạng nhiều, yêu cầu
xử lý đối với các bài toán lớn, v.v.
Trong bối cảnh đó, các mạng ngang hàng (P2P) đóng một vai trò hết sức
quan trọng để truyền tải nội dung đa phương tiện và mở rộng phạm vi mạng
đến các người dùng khác nhau, khắc phục được các nhược điểm của mô hình
Client/Server. Mạng ngang hàng là một kiến trúc máy tính phân tán xây dựng
trên mạng Internet, cho phép các máy tính riêng lẻ (hay còn gọi là các nút)
trao đổi thông tin và dịch vụ trực tiếp với nhau không cần qua máy chủ trung
tâm. Mỗi nút trong mạng ngang hàng hoạt động với chức năng như một máy

chủ và một máy khách, sử dụng dịch vụ của các nút tham gia mạng đồng thời
cung cấp dịch vụ cho các nút khác [1]. Các nút trong mạng ngang hàng trao
đổi trực tiếp với các nút láng giềng có liên kết với nó để gửi và phục vụ các
yêu cầu. Trong mạng ngang hàng, không có thực thể trung tâm kiểm soát, tổ
chức, quản lý hoặc duy trì toàn bộ hệ thống.
Đã có nhiều ứng dụng được phát triển trên nền tảng công nghệ mạng
mạng ngang hàng bao gồm các ứng dụng chia sẻ tệp tin (như: uTorrent,
BitTorrent, BearShare, eMule, v.v.), các ứng dụng tính toán lưới, các ứng
dụng truyền thông như Skype, WhatsApp, Lync, Google Talk SETI @ home,
IPTV, Video streaming, v.v. Các ứng dụng này cho phép người dùng chia sẻ,
tìm kiếm và thu thập các tệp tin tệp tin hình ảnh, âm thanh, video, tệp tin đa
phương tiện khác; trao đổi thông tin trực tuyến, xem truyền hình, v.v. đồng
thời có thể sử dụng sức mạnh của các máy tính tham gia mạng ngang hàng để
giải quyết các bài toán lớn mà một máy tính thông thường hoặc máy chủ
mạnh không có khả năng thực hiện.
Từ khi ra đời, mạng ngàng hàng đã trải qua ba thế hệ:

2


Mạng ngang hàng thế hệ thứ nhất chủ yếu được sử dụng vào mục đích
chia sẻ tệp tin với quy mô nhỏ như Napster [8]. Trong hệ thống có một số nút
đặc biệt (gọi là máy chủ) làm nhiệm vụ lưu trữ vị trí của các tệp tin. Khi cần
tìm kiếm tệp tin, nút tìm kiếm liên hệ với máy chủ để xác định nút chứa tệp
tin. Tiếp theo, nút tìm kiếm và nút chứa tệp tin sẽ kết nối trực tiếp với nhau để
trao đổi dữ liệu. Mạng ngang hàng thế hệ thứ nhất cho phép tìm kiếm thông
tin nhanh chóng, tuy nhiên khả năng mở rộng mạng bị hạn chế do máy chủ bị
quá tải khi có nhiều nút tham gia mạng gửi yêu cầu tìm kiếm đến máy chủ.
Mạng ngang hàng thế hệ thứ hai khắc phục được điểm yếu của thế hệ thứ
nhất. Trong mạng ngang hàng thế hệ thứ hai các nút có vai trò như nhau,

không có nút nào đóng vai trò là máy chủ. Khi cần tìm kiếm tệp tin, nút tìm
kiếm gửi câu truy vấn tới tất cả các nút tham gia mạng theo kiểu phát tràn
(flooding) cho đến khi nút chứa tệp tin được tìm thấy. Sau đó nút nguồn và
nút chứa tệp tin kết nối trực tiếp với nhau để trao đổi dữ liệu. Kỹ thuật tìm
kiếm theo kiểu phát tràn sinh ra nhiều lưu lượng mạng làm cho khả năng mở
rộng mạng của thế hệ thứ hai kém hơn thế hệ thứ nhất. Mạng ngang hàng điển
hình cho thế hệ thứ hai là Gnutella [10].
Để giải quyết vấn đề mở rộng phạm vi mạng và khác phục các điểm yếu
của mạng ngang hàng thế hệ thứ nhất và thứ hai (các mạng ngang hàng không
có cấu trúc), mạng ngang hàng thế hệ thứ ba (mạng ngang hàng có cấu trúc)
đã ra đời. Mạng ngang hàng thế hệ thứ ba có các cơ chế tốt hơn để đáp ứng số
lượng người dùng ngày càng tăng trong mạng P2P [76]. Các mạng ngang
hàng có cấu trúc được phát triển dựa trên cấu trúc bảng băm phân tán (DHT)
và sử dụng kỹ thuật tìm kiếm theo cơ chế của bảng băm phân tán DHT. Bảng
băm phân tán ra đời để cung cấp cơ chế chỉ mục phân tán, khả năng mở rộng,
độ tin cậy và khả năng chịu lỗi. Các mạng ngang hàng có cấu trúc tiêu biểu là:
Chord [17], CAN [18], Pastry [19], Tapestry [20], v.v.
3


Trong mạng ngang hàng có cấu trúc, các nút tham gia mạng được tổ
chức chặt chẽ. Mỗi nút tham gia mạng được gán một định danh. Định danh
của một nút là giá trị băm thông tin đặc trưng của nút đó như: địa chỉ IP, địa
chỉ cổng TCP/IP. Cơ chế định tuyến và quản lý của DHT tạo ra các liên kết ảo
(liên kết logic) giữa các nút trong mạng, các liên kết ảo này hình thành một
mạng phủ ảo (Overlay Network). Truyền thông trực tiếp giữa hai nút tham gia
mạng được thực hiện dựa trên các liên kết vật lý của mạng lớp phía dưới (ví
dụ mạng Internet). Mạng cho phép mạng phủ ảo hoạt động trên đó được gọi là
mạng nền tảng (Underlay Network).
Trong DHT, dữ liệu lưu trữ dưới dạng cặp khóa/giá trị (key/value). Mỗi

mục dữ liệu lưu trữ trong hệ thống có một định danh duy nhất. Định danh dữ
liệu là giá trị băm của tên tệp tin hoặc nội dung tệp tin. Hàm băm dùng để
sinh ra định danh của nút và định danh của dữ liệu là giống nhau. Định danh
dữ liệu còn được gọi là khóa (key). Mỗi nút tham gia mạng chịu trách nhiệm
quản lý một số lượng khóa nhất định. Số lượng các khóa do một nút quản lý
phụ thuộc vào chất lượng của hàm băm.
Do DHT có khả năng tự tổ chức mạng, khả năng tìm kiếm, khả năng
chịu lỗi và mở rộng mạng, v.v. cho nên các nghiên cứu về mạng ngang hàng
trong những năm gần đây cơ bản tập trung vào mạng ngang hàng có cấu trúc.
Ngoài những ưu điểm trên, DHT cũng tồn tại nhiều yếu tố ảnh hưởng đến
hiệu năng hoạt động của hệ thống mạng ngang hàng có cấu trúc.
Theo cách hiểu thông thường, hiệu năng là một độ đo công việc mà một
hệ thống thực hiện được. Đối với hệ thống mạng ngang hàng có cấu trúc, hiệu
năng của hệ thống được xác định bởi sự kết hợp của các nhân tố: tính sẵn
sàng (availability), thông lượng (throughput) và thời gian đáp ứng (response
time), thời gian trễ (delay), độ tin cậy (reliability), tỉ suất lỗi (error rate), v.v.

4


có yếu tố liên quan đến hệ thống mạng vật lý phía dưới, có yếu tố liên quan
đến đặc điểm của mạng ngang hàng có cấu trúc. Luận án này chỉ đề cấp đến
nhân tố tính sẵn sàng của dữ liệu liên quan đến đặc điểm của mạng P2P. Các
yếu tố ảnh hưởng đến nhân tố tính sẵn sàng của dữ liệu có thể kể đến gồm:
- Các nút tham gia mạng không đồng nhất về băng thông, khả năng xử
lý, năng lực lưu trữ, thời gian kết nối. Với máy tính bảng, máy tính xách tay
hoạt động trong môi trường không dây tham gia mạng thường có thời gian kết
nối mạng ngắn, khả năng xử lý, dung lượng lưu trữ thấp. Trong khi đó, các
máy tính người dùng, các máy chủ tham gia mạng có tốc độ xử lý mạnh, khả
năng lưu trữ lớn, thời gian kết nối mạng dài. Sự không đồng nhất này ảnh

hưởng đến khả năng xử lý và định tuyến các câu truy vấn, làm ảnh hưởng đến
tỷ lệ thành công của các câu truy vấn, do đó làm ảnh hưởng đến tính sẵn sàng
của dữ liệu và làm ảnh hưởng đến hiệu năng hoạt động của hệ thống mạng.
- Định danh của nút tham gia mạng và định danh của dữ liệu phân bố
không đều trong không gian định danh làm cho một số nút trong mạng phải
quản lý nhiều khóa dữ liệu hơn, lưu trữ nhiều dữ liệu hơn các nút khác dẫn tới
hiện tượng nút quá tải (các nút không có khả năng xử lý dữ liệu, không có khả
định tuyến truy vấn) trong mạng. Ngoài ra, một số dữ liệu có tính phổ biển
cao, tỷ lệ truy vấn nhiều cũng ảnh hưởng đến khả năng xử lý truy vấn, khả
năng định tuyến truy vấn của một nút, ảnh hưởng đến băng thông mạng. Khi
một nút bị quá tải sẽ tác động trực tiếp tỷ lệ thành công của các câu truy vấn
và ảnh hưởng đến đến tính sẵn sàng của dữ liệu và làm ảnh hưởng đến hiệu
năng hoạt động của hệ thống mạng.
- Trong mạng ngang hàng có cấu trúc, các nút thường xuyên ra vào
mạng mà không có sự thông báo trước cho nút khác. Khi một nút rời hệ
thống, một nút khác phải gánh trách nhiệm quản lý dữ liệu của nút rời mạng,

5


đồng thời các tệp dữ liệu gốc được lưu trữ trên nút rời mạng cũng không tồn
tại trong mạng. Điều này dẫn tới cấu trúc của mạng thay đổi liên tục trong
khoảng thời gian ngắn làm cho mạng có độ ổn định thấp (hay còn gọi là mạng
có "Churn rate" cao) và làm ảnh hưởng đến tính sẵn sàng của dữ liệu trong
mạng và do đó làm giảm hiệu năng hoạt động của hệ thống.
Đã có nhiều nghiên cứu đề xuất các thuật toán nhằm nâng cao tính sẵn
sàng của dữ liệu qua đó nâng cao hiệu năng hoạt động của mạng ngang hàng
có cấu trúc. Các hướng nghiên cứu đã đề xuất tập trung vào hai hướng chính:
(i) Nâng cao tỷ lệ thành công của các câu truy vấn dữ liệu
Các nghiên cứu đã đề xuất nâng cao tỷ lệ thành công của các câu truy

vấn được thực hiện theo hướng nâng cao khả năng cân bằng tải cho các nút.
Nghiên cứu [27], [28], [37], [38] sử dụng khái niệm server ảo (máy chủ ảo)
cho việc cân bằng tải. Mỗi nút vật lý quản lý một hoặc nhiều server ảo. Các
server ảo hoạt động như các nút tham gia mạng DHT. Mỗi nút vật lý sẽ chọn
một số lượng server ảo tỷ lệ với khả năng của nó để đảm bảo cân bằng tải
hoặc có thể dịch chuyển các server ảo giữa các nút để đảm bảo cân bằng tải
cho các nút. Tuy nhiên, thuật toán sử dụng server ảo cũng tồn tại một số
nhược điểm, như để quản lý được các server ảo thì mỗi nút phải duy trì khá
nhiều liên kết đến các server ảo đó.
Các nghiên cứu [39], [40], [41], [34] thực hiện việc dịch chuyển định
danh của các nút khi trong hệ thống có các nút quá tải để bảo đảm cân bằng
tải cho các nút. Nhược điểm của các thuật toán này là làm tăng tải của hệ
thống khi dịch chuyển dữ liệu cũng như phải cập nhật lại các liên kết khi định
danh của một nút thay đổi.
Các nghiên cứu [47], [48], [49], [50], [52] thực hiện việc điều khiển tắc
nghẽn để nâng cao khả năng định tuyến của một nút. Nghiên cứu này sử dụng
6


bảng định tuyến cố định và kiểm soát tắc nghẽn bằng cách giảm tốc độ gửi
gói tin hoặc sử dụng đường đi khác trong bảng định tuyến và không tính đến
khả năng xử lý của các nút trong mạng. Do đó, có thể làm giảm tốc độ truyền
của mạng khi xảy ra tắc nghẽn.
(ii) Nâng cao tính sẵn sàng của dữ liệu
Các nghiên cứu [21], [53], [54], [55] thực hiện sao lưu dữ liệu một nút
quản lý đến một số nút láng giềng gần nhất. Cách tiếp cận [18], [56], [57] đặt
các bản sao của các tệp dữ liệu ở một số nút khác nhau và định hướng lại các
yêu cầu truy vấn đến các nút này. Hướng nghiên cứu [54], [57], [59] thực hiện
việc sao lưu nhiều khóa, một khoá có liên hệ với một tập gồm r định danh
được lựa chọn trong không gian khóa DHT tương ứng với r nút sao lưu cho

một tệp tin. Nghiên cứu [60] tổ chức các nút trong mạng thành các cụm và tạo
ra bản sao giữa các nút gần nhau về mặt vật lý (các nút có khoảng cách địa lý
gần nhau) dựa trên khả năng lưu trữ sẵn có của các nút, v.v.
Các nghiên cứu nâng cao tính sẵn sàng của dữ liệu đã đề xuất cơ bản cải
thiện được hiệu năng của hệ thống, tuy nhiên vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế
như: chi phí di chuyển dữ liệu cao, không bảo đảm vấn đề cân bằng tải giữa
các nút, thời gian thực hiện chậm, v.v.
Từ những phân tích và đánh giá các nghiên cứu nâng cao tính sẵn sàng
của dữ liệu qua đó nâng cao hiệu năng hoạt động của mạng ngang hàng có
cấu trúc đã đề xuất trước đây cho thấy còn có nhiều vấn đề giải quyết như: chi
phí duy trì dữ liệu lớn, không bảo đảm cân bằng tải giữa các nút nhất là về tải
lưu trữ, không tận dụng được khả năng xử lý của các nút, v.v. Do đó, luận án
nghiên cứu nâng cao hiệu năng hoạt động của mạng ngang hàng có cấu trúc
tập trung vào giải quyết các vấn đề còn tồn tại ở trên.

7


2. Mục tiêu của luận án
Luận án phân tích các đặc điểm của mạng ngang hàng có cấu trúc ảnh
hướng đến cân bằng tải xử lý truy vấn, khả năng định tuyến của các nút và
tính sẵn sàng của dữ liệu trong mạng. Trên có sở đó, luận án đề xuất một số
thuật toán nâng cao hiệu năng hoạt động của mạng ngang hàng có cấu trúc.
Mục tiêu của các thuật toán đề ra trong luận án là tăng tỷ lệ thành công
của các câu truy vấn và nâng cao tính sẵn sàng của dữ liệu qua đó nâng cao
hiệu năng hoạt động của mạng. Luận án đề xuất thuật toán cân bằng tải xử lý
truy vấn và thuật toán điều khiển tắc nghẽn giúp nâng cao tỷ lệ thành công
của các câu truy vấn; đề xuất thuật toán sao lưu dữ liệu để đảm bảo tính sẵn
sàng của dữ liệu trong các ứng dụng mạng P2P.
3. Phạm vi nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án tập trung giải quyết các vấn đề sau:
- Phân tích, đánh giá các nghiên cứu đã đề xuất về nâng cao hiệu năng
hoạt động của mạng ngang hàng có cấu trúc để làm rõ cách thức tiếp cận, giải
quyết vấn đề từ khía cạnh phương pháp luận và xác định công cụ phân tích,
mô phỏng sử dụng trong luận án.
- Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về cân bằng tải trong mạng ngang
hàng có cấu trúc từ đó đề xuất thuật toán cân bằng tải để nâng cao hiệu năng
hoạt động của hệ thống mạng.
- Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về điều khiển tắc nghẽn trong mạng
ngang hàng có cấu trúc và đề xuất thuật toán điều khiển tắc nghẽn trong mạng
ngang hàng có cấu trúc.
- Phân tích, đánh giá các nghiên cứu về sao lưu dữ liệu trong mạng
ngang hàng có cấu trúc và đề xuất thuật toán sao lưu dữ liệu trong mạng
ngang hàng có cấu trúc.

8


4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp chuyên gia, phương pháp nghiên cứu lý
thuyết và phương pháp mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết.
5. Đóng góp của luận án
Luận án có 3 đóng góp chính:
- Thứ nhất, đề xuất thuật toán cân bằng tải xử lý truy vấn trong mạng
ngang hàng có cấu trúc. Thuật toán đề xuất dựa trên thuật toán cân bằng tải
theo ngưỡng do Ganesan [3] đưa ra, kết hợp với việc bổ sung khái niệm thư
mục để lưu trữ thông tin về các nút nhẹ tải có thể di chuyển được, trong đó
xem xét đến tải xử lý các câu truy vấn tìm kiếm một nút trong quá trình thực
hiện cân bằng tải. Các nghiên cứu trước đây bỏ qua vấn đề này.
Thuật toán được đánh giá trong điều kiện môi trường mạng sát với thực

tế và so sánh với thuật toán do Ganesan đề xuất. Kết quả mô phỏng cho thấy
thuật toán đề xuất trong luận án đáp ứng tốt hơn, cho tỷ lệ câu truy vấn thành
công cao hơn trong cùng một điều kiện thí nghiệm, đặc biệt là giảm thiểu số
lượng thông báo tìm kiếm nút nhẹ tải khi hệ thống hoạt động trong tình trạng
nặng tải.
- Thứ hai, đề xuất thuật toán điều khiển tắc nghẽn khi một nút định
tuyến các câu truy vấn. Thuật toán đề xuất thực hiện việc thay thế một nút
trong bảng định tuyến của nút chuyển tiếp câu truy vấn để tạo ra một tuyến
đường mới, tránh tắc nghẽn từ nút chuyển tiếp câu truy vấn đến nút quản lý
khóa. Nút được chọn để thay thế là nút không tắc nghẽn tốt nhất trong danh
sách các nút sau nút tắc nghẽn trên đường tìm kiếm đến nút đích. Do đó, thuật
toán đề xuất có thể sử dụng hiệu quả băng thông mạng, tận dụng tối đa tài

9


nguyên của các nút không tắc nghẽn mà không tăng số nút trong quá trình
chuyển tiếp câu truy vấn.
Thuật toán đề xuất được đánh giá và so sánh với thuật toán định tuyến
trong giao thức Chord thông qua các thí nghiệm mô phỏng hoạt động trên một
hệ thống mạng gần với hệ thống mạng thực. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật
toán đề xuất trong luận án có thể đạt tỷ lệ truy vấn thành công cao hơn thuật
toán định tuyến trong giao thức Chord từ 15% đến 50%.
- Thứ ba, đề xuất thuật toán sao lưu dữ liệu dựa trên phân cụm động
không gian khóa DHT nhằm đảm bảo tính sẵn sàng của dữ liệu. Thuật toán đề
xuất bao gồm cơ chế cập nhật thông tin giữa các nút trong cụm để đảm bảo
cân bằng tải và cơ chế khôi phục dữ liệu khi có nút rời mạng, cơ chế phân
cụm động, cơ chế sao lưu và khôi phục dữ liệu. Ngoài ra, thuật toán cũng đưa
ra cơ chế gia nhập mạng cho phép các nút gần nhau về mặt vật lý sẽ tham gia
vào cùng một cụm nhằm giảm thời gian cập nhật thông tin cụm và chi phí để

duy trì dữ liệu trong cụm.
Kết quả đánh giá cho thấy thuật toán sao lưu dữ liệu đề xuất hiệu quả
hơn so với các thuật toán thông thường khoảng 30% đến 45% tùy theo từng
đánh giá. Tỷ lệ truy vấn dữ liệu thành công cao trong khi chi phí lưu trữ dữ
liệu và chi phí duy trì các mảnh dữ liệu nhỏ. Các nút trong hệ thống đạt được
trạng thái cân bằng tốt hơn, thời gian cập nhật thông tin cụm giảm, v.v.
6. Cấu trúc của luận án
Luận án được tổ chức như sau:
Phần mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của luận án, mục tiêu, phạm vi,
đối tượng nghiên cứu của luận án, những đóng góp chính của luận án. Các kết

10


quả nghiên cứu và đóng góp mới của luận án được trình bày trong các chương
tiếp theo của luận án.
Chương 1 trình bày các kiến thức nền tảng có liên đến việc nghiên cứu
của luận án. Nội dung của chương này đề cập đến các vấn đề của mạng ngang
hàng như khái niệm mạng ngang hàng, các đặc trưng của mạng ngang hàng,
phân loại mạng ngang hàng, các ứng dụng trên mạng ngang hàng, bảng băm
phân tán, giao thức mạng ngang hàng có cấu trúc Chord (đây là giao thức
được sử dụng trong các nghiên của cứu luận án);
Chương 2 trình bày thuật toán cân bằng tải trong mạng ngang hàng có
cấu trúc. Nội dung của chương này giới thiệu tổng quan về cân bằng tải trong
mạng ngang hàng có cấu trúc, đánh giá các nghiên cứu liên quan và đề xuất
thuật toán cân bằng tải nâng cao tỷ lệ thành công các câu truy vấn qua đó
nâng cao hiệu năng hoạt động của mạng ngang hàng có cấu trúc. Kết quả
nghiên cứu của chương 2 được công bố trong công trình khoa học [V5].
Chương 3 trình bày thuật toán điều khiển tắc nghẽn trong mạng ngang
hàng có cấu trúc. Nội dung của chương giới thiệu về điều khiển tắc nghẽn và

một số nghiên cứu liên quan về điều khiển tắc nghẽn trong mạng ngang hàng
có cấu trúc và đề xuất thuật toán điều khiển tắc nghẽn trong mạng ngang hàng
có cấu trúc dựa trên cơ chế thay đổi bảng định tuyến của một nút để nâng cao
tỷ lệ thành công của các câu truy vấn, qua đó nâng hiệu năng hoạt động của
mạng ngang hàng có cấu trúc. Kết quả nghiên cứu của chương 3 được công
bố trong công trình khoa học [V2].
Chương 4 trình bày thuật toán sao lưu dữ liệu đảm bảo tính sẵn sàng của
dữ liệu trong mạng ngang hàng có cấu trúc. Nội dung của chương giới thiệu
khái quát về sao lưu dữ liệu trong mạng ngang hàng có cấu trúc, đánh giá các
nghiên cứu liên quan về sao lưu dữ liệu từ đó đề xuất thuật toán sao lưu dữ
11


liệu nâng cao tính sẵn sàng của dữ liệu, qua đó hiệu năng hoạt động của mạng
ngang hàng có cấu trúc. Kết quả nghiên cứu của chương 4 được công bố trong
công trình khoa học [V1], [V3], [V4].
Phần kết luận đánh giá các kết quả đã đạt được, những hạn chế và
hướng nghiên cứu tiếp theo.

12


Chương 1. KIẾN THỨC NỀN TẢNG
1.1. Mạng ngang hàng
Với sự phát triển mạnh mẽ của Internet, kiến trúc mạng ngang hàng được
quan tâm nghiên cứu, phát triển và đưa vào ứng dụng. Kiến trúc này thích hợp
cho các hệ thống nhiều người dùng. Mạng ngang hàng ra đời cho phép người
dùng tương tác và sử dụng các nội dung đa phương tiện như âm thanh, hình
ảnh, video, v.v. Băng thông Internet được sử dụng bởi các ứng dụng mạng
ngang hàng ngày càng tăng, đặc biệt với các ứng dụng chia sẻ tệp tin, các ứng

dụng truyền hình, các ứng dụng game, v.v. Con số này tăng lên rất nhanh khi
ngày càng có nhiều các thiết bị cầm tay di động tham gia mạng với các kết nối
internet tốc độ cao.
Mạng ngang hàng được định nghĩa là một cấu trúc mạng phân tán, các
thành phần tham gia (nút mạng) cùng nhau chia sẻ tài nguyên như năng lực
xử lý, bộ nhớ lưu trữ, tốc độ đường truyền, v.v. Các tài nguyên chia sẻ tạo nên
dịch vụ và nội dung chia sẻ trong mạng ngang hàng. Các nút mạng truy cập
và sử dụng trực tiếp tài nguyên từ các nút khác mà không thông qua các nút
trung gian. Các nút tham gia mạng vừa đóng vai trò là nút cung cấp tài
nguyên, vừa đóng vai trò là nút yêu cầu tài nguyên [4].
Mô hình mạng ngang hàng khác với mô hình khách/chủ bởi vai trò của
các thành phần tham gia mạng. Mỗi thành phần trong mạng ngang hàng gọi là
Servent (Server + Client). Tại mỗi thời điểm, một nút trong mạng vừa đóng
vai trò máy chủ và vừa đóng vai trò máy khách. Điều này khác với mô hình
khách/chủ tại một thời điểm một nút tham gia chỉ có thể đóng vai trò là máy
chủ hoặc vai trò máy khách.

13