Điều khiển tắc nghẽn trên mạng ngang hàng có cấu trúc

I ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN TRỌNG TẤN ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRÊN MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 II ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN TRỌNG TẤN ĐIỀU KHIỂN TẮC NGHẼN TRÊN MẠNG NGANG HÀNG CÓ CẤU TRÚC Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính Mã số: 60 48 15 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Hoài Sơn HÀ NỘI - 2011 III Mục lục Mở đầu ..................................................................................................................... 1 Chương 1. Tổng quan .............................................................................................. 3 1.1. Mạng ngang hàng ......................................................................................... 3 1.1.1. Mức độ phân tán .................................................................................... 3 1.1.2. Cấu trúc mạng ........................................................................................ 5 1.2. Mạng ngang hàng có cấu trúc ....................................................................... 6 1.2.1. Đặc điểm của DHT ................................................................................ 7 1.2.2. Cấu trúc hệ thống ................................................................................... 7 1.3. Mạng Chord .................................................................................................. 9 1.3.1. Mô hình của Chord .............................................................................. 10 1.3.2. Tìm kiếm trong mạng Chord ............................................................... 11 1.3.3. Quá trình tham gia và ổn định mạng ................................................... 14 Chương 2. Vấn đề điều khiển tắc nghẽn trong mạng ngang hàng có cấu trúc ...... 16 2.1. Tắc nghẽn và tầm quan trọng của việc điều khiển tắc nghẽn trong mạng ngang hàng có cấu trúc ...................................................................................... 16 2.2. Phân tích quá trình sụp đổ do tắc nghẽn trong mạng ngang hàng có cấu trúc ............................................................................................................................ 17 2.2.1. Khái quát .............................................................................................. 17 2.2.2. Định nghĩa ............................................................................................ 17 2.2.3. Các mô hình ......................................................................................... 19 2.2.4. Tổng tải đến O ..................................................................................... 19 2.2.5. Ví dụ với một triệu nút ........................................................................ 22 2.2.6. Phân tích các trạng thái tiệm cận của A. .............................................. 22 2.2.7. Kết luận ................................................................................................ 25 Chương 3. Các nghiên cứu về điều khiển tắc nghẽn trên DHT ............................. 26 3.1. Phương pháp CSCC .................................................................................... 26 3.2. Phương pháp BPCC .................................................................................... 27 3.3. Phương pháp Marking ................................................................................ 28 3.4. Phương pháp định tuyến thích nghi ............................................................ 31 Chương 4. Điều khiển tắc nghẽn sử dụng phương pháp thay đổi bảng định tuyến ................................................................................................................................ 34 4.1. Đề xuất phương pháp .................................................................................. 34 4.2. Nội dung chi tiết ......................................................................................... 34 4.2.1. Phát hiện tắc nghẽn. ............................................................................. 34 4.2.2. Xử lý trong trường hợp có tắc nghẽn ................................................... 35 4.2.3. Xử lý khi hết tắc nghẽn ........................................................................ 36 4.3. Ví dụ minh họa ........................................................................................... 37 4.4. Nhận xét về phương pháp ........................................................................... 39 5. Mô phỏng và kết quả ......................................................................................... 41 5.1. Mô phỏng .................................................................................................... 41 5.1.1. Chương trình mô phỏng ....................................................................... 41 IV 5.1.2. Các thay đổi đã áp dụng ....................................................................... 44 5.2. Kết quả ........................................................................................................ 45 5.2.1. So sánh với mô hình Chord chuẩn ....................................................... 45 5.2.2. Đánh giá hiệu năng khi tiến hành tùy chỉnh các tham số và cải tiến phương pháp .................................................................................................. 47 6. Kết luận và hướng phát triển ............................................................................. 50 V Danh mục hình ảnh Hình 1: Mạng ngang hàng phân tán hoàn toàn ........................................................ 4 Hình 2: Mạng ngang hàng phân tán một phần ......................................................... 4 Hình 3: Mạng ngang hàng lai .................................................................................. 5 Hình 4: Bảng băm phân tán – DHT ......................................................................... 7 Hình 5: Mô hình vòng Chord với khóa có chiều dài 6 bit ..................................... 11 Hình 6: Quá trình tìm kiếm đơn giản trên Chord .................................................. 12 Hình 7: Bảng finger của nút 8 ................................................................................ 13 Hình 8: Giả mã của phương pháp tìm kiếm cải tiến .............................................. 13 Hình 9: Quá trình tìm kiếm khóa 54 trên nút 8 ..................................................... 14 Hình 10: (a) tải đến các nút tạo bởi P0, (b) Tải tới và rời khỏi nút ................... 18 Hình 11: Thông lượng đạt được so sánh với tốc độ truy vấn cho hệ thống DHT với một triệu nút trong hai trường hợp tắc nghẽn M1 và M2. Mạng DHT sụp đổ khi tải tới đạt đến giá trị xopt ......................................................................................... 22 Hình 12: Phương pháp CSCC ................................................................................ 26 Hình 13: Phương pháp BPCC ................................................................................ 28 Hình 14: Mạng DHT với 8 nút. ............................................................................. 31 Hình 15: Truy vấn thông thường trên mạng Chord (m=8). ................................... 37 Hình 16: Bảng định tuyến ban đầu của nút P8 ....................................................... 38 Hình 17: Bảng định tuyến của nút P8 khi xảy ra tình trạng tắc nghẽn trên nút P42. ................................................................................................................................ 38 Hình 18: Truy vấn được thay đổi đường đi khi áp dụng giải pháp chống tắc nghẽn ................................................................................................................................ 38 Hình 19: Mô hình mạng mô phỏng ........................................................................ 41 Hình 20: Mô hình lớp Node ................................................................................... 42 Hình 21: Biểu đồ số lượng gói tin bị loại bỏ khi áp dụng và không áp dụng việc điều khiển tắc nghẽn .............................................................................................. 45 Hình 22: Biểu đồ thể hiện số gói tin trung bình phải sử dụng với mỗi truy vấn thành công .............................................................................................................. 46 Hình 23: Ảnh hưởng của việc thay đổi giá trị xác định mức độ tắc nghẽn mềm của nút........................................................................................................................... 47 Hình 24: Ảnh hưởng của số lượng nút được khôi phục bảng định tuyến lên hiệu năng của hệ thống .................................................................................................. 48 Hình 25: Hiệu năng của hệ thống thay đổi khi cải tiến phương pháp điều khiển tắc nghẽn. ..................................................................................................................... 48 1 Mở đầu Ngày nay với mức độ phổ biến của máy tính cá nhân và mạng Internet, mạng ngang hàng với nhiều đặc tính phù hợp cho các hệ thống phân tán, ngày càng thu hút được nhiều chú ý của người sử dụng và giới nghiên cứu phát triển ứng dụng. Cùng với xu thế đó mô hình mạng ngang hàng có cấu trúc cũng dành được nhiều sự quan tâm và phát triển do đặc điểm là mạng ngang hàng thuần túy, không yêu cầu có sự tham gia của các máy chủ trung tâm. Đặc điểm này giúp mạng ngang hàng cấu trúc có khả năng mở rộng tốt hơn, loại bỏ các single- point-of-failure, tuy nhiên cũng tạo ra nhiều các vấn đề kỹ thuật cần phải giải quyết. Rất nhiều ứng dụng phức tạp đã được phát triển trên nền tảng mạng ngang hàng có cấu trúc như các hệ thống truy vấn dữ liệu, hay hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu… Các ứng dụng phức tạp này với số lượng thông điệp được chuyển tải trong mạng là vô cùng lớn sẽ gây khó khăn cho việc duy trì hệ thống hoạt động một cách hiệu quả. Thêm nữa mạng ngang hàng nói chung và mạng ngang hàng có cấu trúc nói riêng thường xuyên xuất hiện việc một số tài nguyên được truy vấn nhiều lần trong một khoảng thời gian nhất định, do đó có thể gây tăng vọt số lượng truy vấn trên một số nút trên mạng. Khi trong mạng tồn tại nút có số lượng truy vấn tới cao hơn khả năng xử lý của nó sẽ gây ra tình trạng tắc nghẽn cục bộ trên nút. Nếu như không có những cơ chế điều khiển tắc nghẽn hợp lý sẽ dẫn đến việc tắc nghẽn lan rộng trên mạng và có thể gây sụp đổ mạng. Điều này có thể gây cản trở đến việc sử dụng mạng ngang hàng có cấu trúc trong các ứng dụng ở môi trường thực tế nơi các nút tham gia mạng có khả năng xử lý và đường truyền rất đa dạng. Do đó việc tạo ra một cơ chế điều khiển tắc nghẽn hiệu quả là nhu cầu thiết yếu với bất kỳ hệ thống mạng ngang hàng có cấu trúc nào. Luận văn này thông qua việc tìm hiểu về mạng ngang hàng có cấu trúc (cụ thể là mô hình mạng Chord) và phân tích quá trình sụp đổ do tắc nghẽn sẽ nêu bật tầm quan trọng của việc điều khiển tắc nghẽn. Khóa luận còn tìm hiểu các nghiên cứu có liên quan trước đây, phân tích ưu nhược điểm của chúng nhằm đề xuất một phương pháp điều khiển tắc nghẽn, bổ sung cho các phương pháp đã có. Phương pháp này sử dụng việc thay đổi bảng định tuyến của các nút trong mạng, nhằm chuyển hướng các thông điệp tránh khỏi những nút đang tắc nghẽn và đi qua những nút còn khả năng phục vụ. Đồng thời giảm thiểu số lượng thông tin và thông điệp phát sinh từ quá trình điều khiển tắc nghẽn này, 2 cũng như không tạo lên các thay đổi quá lớn trong việc tổ chức và định tuyến so với mô hình mạng ban đầu. Giải pháp đã được thử nghiệm trên chương trình mô phỏng mạng Chord. Kết quả thu được cho thấy, việc sử dụng giải pháp đã xử lý được vấn đề tắc nghẽn cục bộ qua đó nâng cao được thông lượng đạt được trên toàn hệ thống. Khóa luận có cấu trúc như sau:  Chương 1: Giới thiệu tổng quan về mạng ngang hàng, mạng ngang hàng có cấu trúc cụ thể là mô hình Chord.  Chương 2: Trình bày vấn đề điều khiển tắc nghẽn trong mạng ngang hàng có cấu trúc và tầm quan trọng của nó. Phân tích quá trình sụp đổ của mạng do tắc nghẽn.  Chương 3: Trình bày các nghiên cứu liên quan. Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp đã đưa ra.  Chương 4: Đề xuất và phân tích giải pháp điều khiển tắc nghẽn dựa trên việc thay đổi bảng định tuyến.  Chương 5: Xây dựng chương trình mô phỏng và các kết quả đã đạt được.  Chương 6: Kết luận và hướng phát triển nhằm giải quyết những tồn đọng và cải tiến giải pháp đã đưa ra. 3 Chương 1. Tổng quan 1.1. Mạng ngang hàng Mạng ngang hàng được định nghĩa như sau: một cấu trúc mạng phân tán, nếu như các thành phần tham gia chia sẻ tài nguyên của chúng (như khả năng tính toán của vi xử lý, dung lượng lưu trữ, đường truyền…). Các tài nguyên được chia sẻ này dùng để cung cấp các dịch vụ và nội dung. Chúng được truy cập một các trực tiếp bởi các nút khác, không thông qua các nút trung gian. Các thành phần tham gia trong mạng vừa đóng vai trò cung cấp tài nguyên và yêu cầu tài nguyên.[6] Ta có thể phân biệt mô hình mạng ngang hàng với mô hình khách chủ thông qua vai trò của các thành phần tham gia trong mạng. Mỗi thành phần trong mạng ngang hàng có thể được gọi là Servent được tạo nên từ hai phần: Serv trong từ server (máy chủ) và ent trong từ client (máy khách), nhằm thể hiện khả năng của một nút trong mạng ngang hàng có thể vừa đóng cả hai vai trò máy chủ và máy khách trong cùng một thời điểm. Điều này hoàn toàn khác biệt với môi hình khách chủ khi nút tham gia chỉ có thể đóng một trong hai vai trò, hoặc máy khách, hoặc máy chủ tại một thời điểm. Hoạt động của bất cứ hệ thống mạng ngang hàng nào cũng phụ thuộc vào mạng bao gồm các nút và kết nối giữa chúng. Mạng này được tạo ở tầng trên và độc lập với mạng vật lý phía dưới (thường là mạng IP), nên được gọi là “mạng phủ”. Mô hình, cấu trúc, mức độ tập trung của mạng phủ, và cách thức định tuyến, định vị trong mạng ảnh hưởng lớn đến hoạt động của hệ thống, do chúng sẽ quyết định tới khả năng tự bảo trì, tự ổn định mạng, chống lỗi, hiệu năng, khả năng mở rộng và mức độ bảo mật. Mạng phủ có thể phân biệt dựa vào mức độ phân tán và cấu trúc [1] 1.1.1. Mức độ phân tán Mặc dù thiết kế mong muốn của mạng phủ là hoàn toàn phân tán, tuy nhiên trong thực tế có thể không đúng như vậy. Dưới đây liệt kê các mô hình dựa trên mức độ phân tán của chúng Mô hình phân tán hoàn toàn: Tất cả các nút trong mạng thực hiện các vai trò như nhau. Vừa đóng vai trò là máy chủ, vừa là máy khách. Do đó không cần phải có bất kỳ thành phần nào đóng vai trò là trung tâm điều phối. 4 Hình 1: Mạng ngang hàng phân tán hoàn toàn Mô hình phân tán một phần: Về cơ bản mô hình này tương tự như mô hình phân tán hoàn toàn. Tuy nhiên có một số nút đóng vai trò quan trong hơn các nút khác, trở thành các điểm điều phối cho một số các nút khác. Các nút này được gọi là siêu nút (supernode) và chúng có thể đảm nhận các vai trò khác nhau tùy thuộc vào từng thiết kế. Hình 2: Mạng ngang hàng phân tán một phần Có một điểm quan trọng cần lưu ý là hệ thống sẽ không lệ thuộc vào một nút nào, dù nút đó có là supernode, do các nút này được gán động và nếu có lỗi sẽ được thay thế bằng nút khác. 5 Mô hình phân tán lai: Trong những hệ thống này, tồn tại một máy chủ trung tâm đóng vai trò duy trì thông tin về các nút và tài nguyên trên các nút. Hình 3: Mạng ngang hàng lai Mặc dù việc trao đổi tài nguyên có thể thực hiện trực tiếp giữa các nút, nhưng máy chủ trung tâm sẽ đóng vai trò tổng hợp và tìm kiếm tài nguyên trên nút. Về cơ bản mô hình này sẽ xuất hiện single point of failure chính là máy chủ trung tâm. Mô hình này sẽ khó mở rộng, và tạo các nguy hiểm tiềm tàng cho hệ thống khi máy chủ trung tâm có sự cố hoặc bị tấn công. 1.1.2. Cấu trúc mạng Cấu trúc ở đây mang nghĩa xác định rõ việc hình thành mạng phủ, cũng như việc nút và các tài nguyên được đưa vào mạng có theo một quy luật nhất định nào đó không. Nhờ đó ta phân loại ra như sau Không có cấu trúc: Vị trí của nội dung hoàn toàn không liên quan tới mô hình của mạng phủ. Trong mạng không có cấu trúc nội dung cần phải được định vị. Phương thức tìm kiếm rất đa dạng từ việc sử dụng các phương pháp bruteforce, đẩy truy vấn ra tất cả các nút cho tới khi có được kết quả, cho đến sử dụng các thuật toán phức tạp và tiết kiệm tài nguyên hơn truy vấn ngẫu nhiên (random walks) hay dùng bảng đinh tuyến. 6 Phương pháp tìm kiếm có liên hệ mật thiết và tác động sâu sắc tới tính ổn định, khả năng mở rộng và độ tin cậy của mạng. Mạng không cấu trúc thương được sử dụng trong môi trường mà các nút trong mạng luôn thay đổi. Có cấu trúc: Mạng không cấu trúc gặp nhiều khó khăn khi mở rộng, để giải quyết vấn đề này mạng có cấu trúc được đưa ra. Trong mạng có cấu trúc, mô hình của mạng phủ được kiểm soát chặt chẽ, các tài nguyên trong mạng được đặt ở các vị trí xác định. Hệ thống đảm nhận trách nhiệm ánh xạ giữa tài nguyên và vị trí của nút chứa tài nguyên đó, dưới dạng bảng định tuyến phân tán. Khi đó truy vấn có thể tới được nút chứa tài nguyên một cách hiệu quả. Mạng có cấu trúc cung cấp khả năng mở rộng cho việc tìm kiếm chính xác truy vấn (truy vấn với định danh chính xác). Nhược điểm của mạng có cấu trúc là việc duy trì mạng sẽ gặp khó khăn khi có quá nhiều nút ra vào mạng. 1.2. Mạng ngang hàng có cấu trúc Mạng không cấu trúc với sự phân bố tự do của nút và tài nguyên sẽ tồn tại nhược điểm về phương thức tìm kiếm gây tốn kém tài nguyên, đồng thời không đảm bảo sẽ luôn tìm được kết quả cho mỗi truy vấn. Vấn đề này càng trở nên khó giải quyết khi số lượng nút trong mạng tăng. Lý do đó khiến mạng không cấu trúc không được áp dụng trong các hệ thống yêu cầu khả năng mở rộng cao. Để khắc phục nhược điểm này ta sử dụng mạng có cấu trúc với kĩ thuật bảng băm phân tán (DHT). [9] Bảng băm phân tán là một hệ thống phân tán cung cấp chức năng tìm kiếm tương tự như bảng băm thông thường. Một cặp khóa và giá trị được lưu trong DHT và bất cứ nút nào tham gia vào hệ thống cũng có thể lấy được giá trị ứng với một khóa xác định. Việc duy trì bảng ánh xạ giữa khóa và các giá trị được lưu phân tán trên các nút, do đó việc thay đổi của một số nút tham gia vào hệ thống sẽ chỉ ảnh hưởng đến một số nhỏ các khóa liên quan. Điều này giúp cho DHT có thể dễ dàng mở rộng với số lượng lớn nút tham gia, và cung cấp khả năng duy trì hệ thống khi có nút tham gia, rời khỏi mạng, hay bị lỗi. 7 Hình 4: Bảng băm phân tán – DHT 1.2.1. Đặc điểm của DHT Các đặc điểm của DHT có thể tóm tắt như sau:  Phân tán: DHT là tập hợp các nút mà không cần bất kì một máy trung tâm nào.  Chống lỗi: hệ thống hoạt động được trong trường hợp các nút liên tục ra, vào, hoặc bị lỗi  Khả năng mở rộng: hệ thống hoạt động ổn định khi có số lượng lớn các nút tham gia. Để đạt được các đặc điểm mô tả ở trên kỹ thuật được sử dụng chủ yếu là mỗi nút phải có liên hệ, trao đổi với một số nút khác có trong mạng – thông thường là O(log n) với mạng có n nút tham gia. Do đó chỉ cần một số ít điều chỉnh khi có sự thay đổi về các nút tham gia mạng. Ngoài ra một hệ thống DHT cũng như bất kỳ hệ thống phân tán khác còn cần phải quan tâm đến các vấn đề như chống tấn công từ bên trong hay ngoài hệ thống, cân bằng tải, xác thực dữ liệu và hiệu năng của hệ thống 1.2.2. Cấu trúc hệ thống Cấu trúc của hệ thống DHT có thể gồm nhiều thành phần chính: Phần quan trọng nhất là không gian khóa ảo, ví dụ như chuỗi có độ dài 160 bit. Cách thức phân vùng của không gian khóa chia không gian khóa cho từng nút trong hệ thống. Một mạng phủ kết nối các nút với nhau, giúp các nút này tìm được nút đang giữ