Seminar Virtuelle Präsenz Peer to Peer Netze

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1 Seminar Virtuelle Präsenz Peer to Peer Netze Bertolt Schmidt 29. Februar 2004 Zusammenfassung In dieser Ausarbeitung wird der Unterschied zwischen Client/Server Systemen und Peer to Peer Systemen betrachtet. Des weiteren wird auf spezielle Probleme bei Peer to Peer Systemen wie Einloggen und Suchen eingegangen. 1

2 INHALTSVERZEICHNIS 2 Inhaltsverzeichnis 1 Allgemeines zu Peer to Peer Netzen Modelle Client/Server Modell Peer to Peer Modell Unterscheidung Pure Hybrid Peer to Peer Benötigte Infrastruktur Klassifizierung Probleme bei Peer to Peer Netzen Einloggen ins Netz Einloggen ins Gnutella Netz Partitionen Suchen im Netz Suchen am Beispiel Gnutella Weitere Probleme Zusammenfassung Einsatzszenarien Vor und Nachteile von Peer to Peer Systemen

3 1 ALLGEMEINES ZU PEER TO PEER NETZEN 3 1 Allgemeines zu Peer to Peer Netzen 1.1 Modelle Client/Server Modell Im Client/Server Modell existiert ein zentraler Server, der Dienste für (mehrere) Clients anbietet. Die Clients nutzen die Dienste des Servers, bieten selbst aber keine Dienste an. Modellhaft ergibt sich somit eine Stern -Struktur (s. Abbildung 1). Abbildung 1: Client/Server Modell Peer to Peer Modell Im Gegensatz zum Client/Server Modell steht das Peer to Peer Modell. In diesem Modell existiert nur eine Art von Knoten (Im Gegensatz zu den 2 Arten Client und Server). Jeder dieser Knoten ist gleichberechtigt (wobei es je nach Unterart auch hierbei Unterschiede geben kann; siehe Unterscheidung Pure Hybrid Peer to Peer Netze). Vom Client/Server-Modell her gesehen bedeutet dies, dass ein Knoten quasi Client und Server zugleich ist. Ein Knoten bietet den anderen Knoten Dienste an und nutzt die Dienste der anderen Knoten. Modellhaft ergibt sich somit ein vermaschtes Netz (s. Abbildung 2). Die Knoten haben allerdings nur eine gewisse Anzahl von Verbindungen zu anderen Knoten, d.h. das Netz muss nicht vollständig vermascht sein.

4 1 ALLGEMEINES ZU PEER TO PEER NETZEN 4 Abbildung 2: Peer to Peer Modell Unterscheidung Pure Hybrid Peer to Peer Bei Peer to Peer Netzen kann zwischen Pure und Hybrid Peer to Peer Netzen unterschieden werden. Bei Hybrid Peer to Peer Netzen dürfen zentrale Knoten, sogenannte Superknoten, existieren, die einen bestimmten Teildienst des Peer to Peer Netzes übernehmen (siehe Abbildung 3). Abbildung 3: Hybrides Peer to Peer Modell Superknoten sind meist Knoten, die über eine sehr hohe Kommunikationsbandbreite verfügen. Da über die Superknoten der meiste Verkehr geleitet wird und sich viele Knoten an ihnen einloggen (dadurch dass Superknoten eine höhere Kommunikationsbandbreite haben, kann ein Superknoten mehr Verbindungen unterhalten als ein normaler Knoten mit geringerer Kommunikationsbandbreite) bilden die Superkno-

5 1 ALLGEMEINES ZU PEER TO PEER NETZEN 5 ten oft auch eine Art von Rückrad eines Peer to Peer Netzes, indem grafisch gesehen die Superknoten die Mitte des Netzes bilden und die normalen Knoten als Blätter am Rand sind. Zum Beispiel kann in einem Filesharing Netz die Suche nach Dateien über diese Superknoten abgewickelt werden (da es weniger Superknoten gibt, ist die Suche schneller). Der Download der Datei findet dann aber direkt zwischen den beiden Knoten statt. Bei Pure Peer to Peer Netzen dürfen solche zentralen Knoten nicht existieren. Es ergibt sich daraus ein Modell wie in Abbildung Benötigte Infrastruktur Voraussetzung für ein Peer to Peer Netz ist, dass die Knoten untereinander bidirektional kommunizieren können. Im Client/Server Modell müssen die Clients nur mit dem Server kommunizieren können, jedoch nicht untereinander. Beispiele: Ein Ethernet Segment: Da in einem Ethernet Segment alle Knoten miteinander kommunizieren können, eignet es sich sehr gut für Peer to Peer Netze. Das Internet: Historisch gesehen wurde der Vorgänger des Internet (ARPANET) als Peer to Peer Netz ausgelegt. Alle Knoten haben eine eindeutige Adresse (IP Adresse) mittels derer sich jeder Knoten eindeutig ansprechen lässt. Die Pakete werden entsprechend dieser IP Adresse zum Empfänger geroutet. Heute ist die Kommunikation zwischen den Knoten teilweise durch Firewall, Network Adress Translation NAT und Proxy eingeschränkt. Dadurch können nicht mehr alle Knoten frei miteinander kommunizieren, was in heutigen Peer to Peer Netzen zu Problemen führt. 1.3 Klassifizierung Die Klassifikation eines Netzes nach Peer to Peer oder Client/Server kommt allerdings auch auf die Sichtweise an. Beispiel: (siehe Abbildung 4) Client Mail-Programm und Mail-Server: Dies ist eine Client/Server-Verbindung. Der Mail-Server bietet einen Dienst an (Mailbox, Mail verschicken) und der Client nutzt diesen Dienst, indem er die Mailbox abruft oder eine Mail verschickt.

6 1 ALLGEMEINES ZU PEER TO PEER NETZEN 6 Abbildung 4: Beispiel: Mail-Server untereinander: Die Mail-Server untereinander bilden ein Peer to Peer Netz. Wenn eine Mail verschickt werden soll, so baut der Versender eine Verbindung direkt mit dem Empfänger auf und übermittelt die Nachricht.

7 2 PROBLEME BEI PEER TO PEER NETZEN 7 2 Probleme bei Peer to Peer Netzen In diesem Abschnitt werden die wichtigsten Probleme und Herausforderungen von Peer to Peer Netzen angesprochen. Als Beispiel dient hier das Peer to Peer Netz Gnutella. Gnutella ist ein File- Sharing -Netzwerk. Gnutella wurde ursprünglich als ein Pure -Peer to Peer Netzwerk von Justin Frankel und Tom Pepper bei der Firma Nullsoft entwickelt. Allerdings wurde nach der Veröffentlichung einer Beta-Version die Entwicklung dort eingestellt. Gnutella wurde dann von der Open Source Bewegung aufgenommen und das zugrundeliegende Kommunikationsprotokoll frei zugänglich gemacht. Daraufhin konnten verschiedene Programme geschrieben werden, die dieses Protokoll unterstützten und somit das Gnutellanetzwerk aufgebaut werden. 2.1 Einloggen ins Netz Ein Problem bei Peer to Peer Netzen ist das Einloggen ins Netz. Insbesondere wenn das Netz aus dynamischen Knoten, d.h. Knoten die sich oft ins Netz ein- und ausklinken, besteht. Es existieren keine festen Einwahlknoten, die immer unter einer bestimmten Adresse erreichbar sind. Bei Hybrid -Peer to Peer Netzen sind evtl. die Superknoten unter einer festen Adresse erreichbar, so dass sich neue Knoten bei den Superknoten einloggen können. Bei Pure -Peer to Peer Netzen ist dies jedoch nicht möglich. Hier muss ein neuer Knoten die Adresse eines aktiven Knoten im Netz kennen. Eine Möglichkeit ist eine Liste von Knoten mittels anpingen durchzuprobieren, ob ein darin enthaltener Knoten online ist. Diese Liste muss allerdings außerhalb des Peer to Peer Netzes gehalten und aktualisiert werden. Bei Instant Messengern (z.b. ICQ, Jabber) loggt sich der Benutzer auf einem Server ein. Dieser Server übermittelt, wer gerade online ist. Nachrichten können dann aber direkt, d.h. ohne den Server ausgetauscht werden. Oftmals reicht es, wenn ein neuer Knoten anfangs nur 1 Adresse von einem aktiven Knoten kennt und zu diesem eine Verbindung aufbaut. Das Peer to Peer Netz kann dann diesem neuen Knoten die Adressen von weiteren aktiven Knoten übermitteln. Eine weitere Möglichkeit wäre eine Broadcast-/Multicast-Nachricht (z.b. über ein Ethernet-Segment) zu verschicken und auf die Antwort eines aktiven Knoten zu warten. Jedoch muss die verwendete Infrastruktur Broad- bzw. Multicast-Nachrichten unterstützen Einloggen ins Gnutella Netz Da Gnutella ein Pure -Peer to Peer Netz ist ergibt sich auch hier das Problem, dass das Gnutellaprogramm vor dem Einloggen keine Information hat, welche Knoten online sind. Zunächst wurde bei Gnutella dies von Hand gelöst. Das bedeutet, dass sich

8 2 PROBLEME BEI PEER TO PEER NETZEN 8 der Anwender über andere Quellen (z.b. IRC, Webseiten) eine Adresse eines aktiven Knoten suchen und diese Adresse dann dem Gnutellaprogramm übergeben musste. Für das Gnutella-Netzwerk gibt es inzwischen ein Programm namens GWebCache. Dies ist ein Script, das Betreiber von Webservern auf ihrem Server betreiben können. Der Server hat eine bekannte und permanente Adresse. Ein neuer Gnutella-Knoten kann dann auf diesen Server zugreifen und vom GWebCache aktive Knoten zum Einloggen beziehen und sich somit ins Gnutellanetzwerk einloggen. Hat sich ein neuer Gnutella-Knoten bei einem Knoten eingeloggt, so kann er über diesen eine Broadcastnachricht (PING) ins Gnutellanetzwerk verschicken. Dieser PING wird dann von Knoten mit einem PONG beantwortet und der neue Knoten kann somit Verbindungen zu mehreren anderen Knoten aufbauen Partitionen Ein weiteres Problem, das sich mit dem Einloggen ergibt, ist die Bildung von Partitionen. Damit ist die Existenz von mehreren voneinander unabhängigen Netzen gemeint (s. Abbildung 5). Abbildung 5: Partitionen Partitionen bilden sich vor allem bei Pure -Peer to Peer Netzen. Das Problem bei partitionierten Netzen ist, dass ein Dienst womöglich in einer Partition vorhanden ist, von der anderen jedoch nicht darauf zugegriffen werden kann. 2.2 Suchen im Netz Im Gegensatz zum Client/Server-Modell stellt die Suche nach Informationen/Dateien bei Peer to Peer Netzen eine große Herausforderung dar. Beim Client/Server-Modell sind sämtliche Informationen/Dateien auf einem Server zentralisiert. Alle Suchanfragen werden an den Server geschickt und der Server antwortet auf alle Suchanfragen und liefert, falls vorhanden, die gesuchte Information/Datei.

9 2 PROBLEME BEI PEER TO PEER NETZEN 9 In Peer to Peer Netzen sind die Informationen/Dateien aber auf die aktiven Knoten verteilt. Zudem ändern sich die aktiven Knoten ständig und damit evtl. auch das momentan erreichbare Angebot an Informationen/Dateien. Daraus ergibt sich das Problem, dass möglichst keine Ergebnisse auf Suchanfragen zurückgegeben werden sollen, die nicht (mehr) erreichbar sind. (Dieses Problem kennt man auch von heutigen serverbasierten Web-Suchmaschinen. Diese halten einen zentralen Index, der zwar ständig aktualisiert wird, jedoch können auch dort sogenannte tote Links in den Suchergebnissen auftauchen.) Für ein Peer to Peer Netzwerk bedeutet dies, dass es sich ständig selbst durchsuchen muss Suchen am Beispiel Gnutella Im Gnutellanetzwerk wird folgendermaßen gesucht: Der Knoten von dem die Suche ausgeht (in den Abbildungen Knoten A) erzeugt ein entsprechendes Anfragepaket. Dieses Anfragepaket wird von Knoten A ins Gnutellanetzwerk geflutet. Das bedeutet, dass Knoten A das Anfragepaket an alle seine Nachbarn verschickt. Nachbarn eines Knotens sind alle Knoten zu denen der Knoten eine Verbindung innerhalb des Gnutellanetzwerks hat (Im Beispiel: Knoten A hat als Nachbarn Knoten B,C und D). Abbildung 6: Fluten der Anfrage Wenn ein Knoten ein Anfragepaket bekommt, so flutet es das Anfragepaket wiederum an alle Nachbarn mit Ausnahme des Knotens von wo das Paket kam. Da das Gnutellanetzwerk nicht zyklenfrei ist (im Beispiel bildet Knoten A, B und C einen Zyklus) können Anfragepakete auch mehrmals bei einem Knoten eintreffen (siehe Abbildung 7: In den Knoten B und C trifft das Anfragepaket jeweils doppelt ein).

10 2 PROBLEME BEI PEER TO PEER NETZEN 10 Abbildung 7: Fluten der Anfrage; Erkennung von Duplikaten Um zu verhindern, dass das Anfragepaket endlos im Zyklus kreist, werden diese Duplikate verworfen und nicht weiterversendet. Um die Duplikate zu erkennen, muss jeder Knoten, der ein Anfragepaket bekommt, sich dieses merken. Dazu hat jedes Anfragepaket eine im Gnutellanetz eindeutige Identifikationsnummer. Außerdem enthalten die Anfragepakete noch eine TTL (Time-to-Live). Dieser Wert wird in jedem Knoten dekrementiert. Kommt ein Anfragepaket mit TTL=0 bei einem Knoten an, so wird das Anfragepaket nicht mehr weiterversendet. Dieser Mechanismus ist zur Beschränkung des Netzverkehrs, damit Anfragepakete quasi nicht endlos tief durch das Netzwerk durchgeflutet werden, da dies in großen Netzen viel zu lange dauern würde bis alle Knoten die Anfrage erhalten haben. Die TTL wird vom Knoten, der das Anfragepaket erzeugt gesetzt (sie ist also nicht direkt vorgegeben). Dadurch wird ein Suchhorizont eines Knotens gebildet. Ein Knoten bekommt nur Ergebnisse innerhalb dieses Suchhorizonts und nicht unbedingt alle Ergebnisse die im gesammten Gnutellanetz verfügbar wären. Dies führt quasi auch zu einer Art von Partitionierung innerhalb des Netzes. Allerdings hat sich eine typische TTL von 7 etabliert. Damit werden ca Knoten erreicht (bei je ca. 4 Verbindungen zu Nachbarknoten und Zyklen im Netzwerk). Außerdem arbeitet Gnutella inzwischen auch mit Superknoten, so dass damit noch wesentlich mehr Knoten erreicht werden können.

11 2 PROBLEME BEI PEER TO PEER NETZEN 11 Abbildung 8: Antwort Jeder Knoten der ein Anfragepaket bekommt, wertet die darin enthaltene Anfrage aus und prüft ob er eine Antwort darauf hat. Dabei ist nicht festgelegt, wie die Anfrage zu interpretieren ist. Wenn eine Anfrage aus mehreren Begriffen ist so ist nicht festgelegt ob dies eine Konjunktion oder Disjunktion darstellt. Die Gnutellaprogramme können dies frei interpretieren. Wenn ein Knoten auf eine Anfrage eine entsprechende Antwort hat, so generiert dieser Knoten ein Antwortpaket mit der gleichen Identifikationsnummer des Anfragepakets. Dieses Antwortpaket wird dann zu dem Knoten zurückgeschickt, von dem das der Knoten das Anfragepaket bekommen hat, bis es beim Absender des Anfragepaketes ankommt (siehe Abbildung 8). Dies bedeutet, dass das Antwortpaket auf der gleichen Route zum Absender des Anfragepaketes kommt, wie das Anfragepaket.

12 2 PROBLEME BEI PEER TO PEER NETZEN 12 Abbildung 9: Download der gesuchten Datei Der suchende Knoten (A) bekommt dadurch Antwortpakete von allen Knoten (E) innerhalb seines Suchhorizonts, die die Anfrage beantworten konnten. Der Benutzer kann nun auswählen welche Antwort ihn interessiert bzw. welche Datei er herunterladen will. In den Antwortpaketen steht jeweils die Adresse des Knotens (E) der die Antwort geschickt hat. Somit kann der suchende Knoten (A) eine direkte Verbindung zum Absender des Antwortpaketes aufbauen und die entsprechende Datei herunterladen herunterladen (siehe Abbildung 9).

13 2 PROBLEME BEI PEER TO PEER NETZEN Weitere Probleme Leistung bzw. Performance: Die Leistung des Netzes hängt von den darin enthaltenen Knoten und deren Verbindungsbandbreite ab. Da die Knoten im Allgemeinen stark variieren und nur temporär zur Verfügung stehen, kann die Leistung des Systems sehr starken Schwankungen unterworfen sein. Im Falle von Filesharing Netzwerken wie Gnutella hängt die Anzahl und Güte von Suchantworten davon ab, bei welchen Knoten man eingeloggt ist und ob die gesuchten Dateien innerhalb des Suchhorizonts sind. Auch kann es sein, dass bestimmte Dienste nicht immer zur Verfügung stehen, obwohl das Peer to Peer Netz ansich funktioniert. Wenn ein Knoten mit einem bestimmten Dienst im Netz ausfällt, so bedeutet das im Peer to Peer System nur, dass dieser Dienst nicht zur Verfügung steht. In einem Client/Server System, bei dem der Server mit dem Dienst ausfällt ist das komplette Netz nicht mehr verfügbar. Protokoll-Overhead : Wie bei Gnutella gesehen existiert in Peer to Peer Netzen oftmals ein enormer Protokoll- und Datenaufwand um z.b. Knoten ins Netz einzuloggen und Informationen zu suchen. Dies belastet die Kommunikationsbandbreite in erheblichen Maße. Bei Client/Server Systemen kann der Protokollaufwand meist gering gehalten werden, da die Kommunikation auf die Verbindung von Client zu Server beschränkt ist.

14 3 ZUSAMMENFASSUNG 14 3 Zusammenfassung 3.1 Einsatzszenarien Für die Peer to Peer Netze gibt es vielfältige Einsatzszenarien: Filesharing: (Zum Beispiel Gnutella, KaZaA,... ) Die grundlegende Funktionsweise von Gnutella wurde oben beschrieben. Filesharing Netze dienen (wie der Name sagt) dazu, Dateien mit anderen Nutzern des Netzes zu teilen. Das bedeutet, dass Knoten Dateien im Netz zur Verfügung stellen können und die anderen Knoten im Netz auf diese Dateien zugreifen können. Instant Messaging: (Zum Beispiel Jabber,... ) Für einen Chat ist es wesentlich effizienter, wenn die Knoten direkt miteinander kommunizieren anstatt alle Nachrichten vorher über einen Server zu schicken. Suchmaschinen : (Zum Beispiel opencola,... ) Wie im Kapitel 2.2 angesprochen können Peer to Peer Systeme auch Suchen von Informationen eingesetzt werden. Wenn man Webserver als Knoten in einem Peer to Peer Netzwerk einbaut, könnte man bei Suchanfragen immer aktuelle Ergebnisse bekommen (keine toten Links ). Verteiltes Rechnen: (Zum Beispiel SETI@home,... ) Hierbei wird die Rechenleistung der einzelnen Knoten im Netz zusammengefasst. Eine Aufgabe kann dann an das Netz gestellt werden, wo die Aufgabe in Teile zerlegt von den einzelnen Knoten abgearbeitet wird. Im Unterschied zum Client/Server Modell wird der Dienst (die Rechenleistung) hier nicht von einem einzelnen Server, sondern von vielen Knoten eines Netzwerks zur Verfügung gestellt. Netzwerkspiele: Viele Spiele die einen (lokalen) Multiplayer-Modus anbieten, realisieren diesen als ein Peer to Peer Netz.

15 3 ZUSAMMENFASSUNG Vor und Nachteile von Peer to Peer Systemen Vorteile von Peer to Peer Systemen: Geringer Administrationsaufwand Im Beispiel Gnutella gibt es überhaupt keinen zentralen Administrationsaufwand. Die Gnutellaknoten werden lediglich einmalig von den Benutzern eingestellt (sofern nötig). Hohe Skalierbarkeit Durch das Ein- und Ausloggen von Knoten ins Netz skaliert das Netz automatisch. Allerdings muss dies nicht bedeuten, dass dadurch die Leistungsfähigkeit immer mitskaliert. Ausnutzung der Ressourcen der Knoten Durch Peer to Peer Netze können die Ressourcen der Knoten (Rechenleistung, Speicherkapazität,... ) für andere Knoten erschlossen werden, oder einen Dienst des Netzes darstellen (z.b. SETI@home: Hier wird die Rechenleistung der Knoten verwendet). Ausnutzung der Kommunikationsbandbreite der Knoten Statt Dateien über einen Downloadserver zur Verfügung zu stellen (dessen Kommunikationsbandbreite beschränkt ist und dessen Kommunikationsvolumen Geld kostet) kann man Dateien auch über Peer to Peer Netze verteilen. Dabei werden die Dateien an viele Knoten verteilt. Downloads werden dann von diesen Knoten abgewickelt. (Zum Beispiel BitTorrent [1]) Hohe Verfügbarkeit des Systems Bei einem Client/Server System ist die Verfügbarkeit fest an die Verfügbarkeit des Servers gebunden. Wenn der Server ausfällt steht der Dienst nicht mehr zur Verfügung. Bei Peer to Peer Netzen führt der Ausfall eines Knotens nicht zum Ausfall des ganzen Netzes. Lediglich der Dienst des ausgefallenen Knoten steht nicht mehr zur Verfügung. Hohe Redundanz In Peer to Peer Netzen kann eine sehr hohe Redundanz erreicht werden, da der angebotene Dienst sich auf sehr viele Knoten im Netz verteilt. Nachteile von Peer to Peer Systemen: Keine konstante Leistung Wie in Kapitel 2.3 beschrieben kann die Leistung eines Peer to Peer Netzes sehr stark schwanken, je nach Momentananzahl und -leistung der eingeloggten Knoten.

16 3 ZUSAMMENFASSUNG 16 Teilweise großer Overhead Wie in Kapitel 2.3 beschrieben wird für die Kommunikation ein großer Protokolloverhead benötigt. Verfügbarkeit mancher Dienste im System Beispiel Filesharing Netze: Wenn eine Datei nur auf einem Knoten verfügbar ist, und dieser Knoten sich aus den Netz ausloggt, so steht diese Datei nicht mehr zur Verfügung. Allgemein kann ein Peer to Peer System nicht immer garantieren, dass zu jeder Zeit jeder Dienst (z.b. Dateien) verfügbar sind. Rechtliche Probleme In Filesharing Peer to Peer Netzen wird urheberrechtlich geschützes Material angeboten und getauscht. Die Peer to Peer Netze stellen hierfür (bis jetzt) keine Möglichkeit zur Verfügung dieses zu kontrollieren.

17 LITERATUR 17 Literatur [1] Bram Cohen. BitTorrent [2] Hauke Dämpfling. Gnutella Web Caching System [3] Andy Oram (editor). Peer to Peer: Harnessing the Power of Disruptive Technologies. O Reilly & Associates, Inc., 1005 Gravenstein Highway North, Sebastopol, CA 95472, [4] Wikipedia Die frei Enzyklopädie