Definition. Gnutella. Gnutella. Kriterien für P2P-Netzwerke. Gnutella = +

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1 Definition Gnutella Ein -to--netzwerk ist ein Kommunikationsnetzwerk zwischen Rechnern, in dem jeder Teilnehmer sowohl Client als auch Server- Aufgaben durchführt. Beobachtung: Das Internet ist (eigentlich auch) ein -to-- Netzwerk Andere Definition von der -to--working-group: In einem -to--netzwerk werden verteilte Rechenresourcen durch direkte Kommunikation gemeinsam genutzt. Was ist ein -to--netzwerk nicht? Ein -to--netzwerk ist kein Client-Server-Netzwerk! Zusätzliche Quelle: Christian Schindelhauer, Vorlesung: Algorithmen für -to--netzwerke Kriterien für P2P-Netzwerke Handhabbarkeit Wie schwer ist es, dass Netzwerk zu unterhalten Informationskohärenz Wie gut wird Information verteilt? Erweiterbarkeit Wie leicht kann es wachsen? Fehlertoleranz Wie gut können Fehler behoben werden? Sicherheit Wie leicht kann es mutwillig zerstört werden? Schutz gegen politische Verfolgung Wie schwierig ist es, das Netzwerk abzuschalten? Skalierbarkeit Wie groß kann ein Netzwerk wachsen? Gnutella Gnutella = + Unstrukturierte ad-hoc Topologie: s verbinden sich zufällig mit Knoten. Zufällige Suche: Anfragen fluten das ganze Netwerk. Skalierungsproblem: Mit größeren Netzwerken wächst der Overhead der Suche. File-Sharing-System

2 Protokoll Ping Protokoll Teilnehmeranfrage. werden weiter gereicht gemäß TTL-Feld (time to live). Pong Reaktion auf Ping. Werden auf dem Anfragepfad zurückgereicht. IP und Port des angefragten Teilnehmers. Anzahl und Größe zur Verfügung gestellter Dateien. Graphstruktur Entsteht durch zufälligen Prozess. Unterliegt Pareto-Verteilung. Entsteht unkontrolliert. Beispiel Netz Nachbarschaftslisten Gnutella verbindet direkt mit anderen Clients. Beim Download wird ein Liste von Clients mitgeliefert. Diese werden ausprobiert bis ein Aktiver sich meldet. Ein aktiver Client gibt dann seine Nachbarschaftsliste weiter. Nachbarschaftslisten werden immer weiter verlängert und gespeichert. Die Anzahl aktiver Nachbarn ist beschränkt (typisch auf fünf).

3 Gnutella Schnappschuss im Jahr 2000 Anfragen Dateianfragen: Werden an alle Nachbarn geschickt. Diese senden sie an ihre Nachbarn. Bis zu einer vorgegebenen Anzahl von Hops (TTL- Feld (time to live)). Protokoll Query: Anfrage nach Datei wird bis zu TTL-hops weitergereicht. Query-hits: Antwort auf umgekehrten Pfad. Wenn die Datei gefunden wurde, startet der direkte Download. Beispiel Anfrage Vor- und Nachteile Vorteile verteilte Netzwerkstruktur. Netzwerk skalierbar. Nachteil Durch TTL findet für Abfragen eine implizite Netzwerkpartitionierung statt. Dadurch Anfrageerfolg gering.

4 Verbesserungsvorschläge Durch lange Wege, große Latenzzeiten. Random Walks statt Broadcasting. Passive Replikation von Information entlang des Pfads: Häufigkeit der Replikate nimmt im Quadrat des Abstands ab. CAN Content-Addressable Network Zusätzliche Quelle: Christian Schindelhauer, Vorlesung: Algorithmen für -to--netzwerke Eine Hash-Tabelle als -to- -Netzwerk Jeder steht für eine Speicherstelle 0,1,2,..,n-1 Eine allen s bekannte Hash-Funktion, z.b. für n = 7 f(x) = (3x+1 mod 23) mod 7 s sind als Kette verbunden. s Von der Hash-Tabelle zur Verteilte Hash-Tabelle (DHT) Hash-Tabellen: Vorteile Einfache Suche. Nachteile Ein neuer verursacht neue Wahl der Hash-Funktion. Lange Wege f(23)=1 Suche: Berechne f(x). Gehe zu mit Adresse f(x) entlang der Linie. 5 Indexdaten 1 f(1)=4 4 Verteilte Hash-Tabelle: s werden an eine Stelle gehasht und erhalten Bereiche des Wertebereichs der Hashfunktion zugeteilt. Daten werden auch gehasht und je nach Bereich den s zugeordnet.

5 Beispiel DHT Einfügen in die Verteilte Hash- Tabelle (DHT) 1. Verteilte Hash-Tabelle: s werden an eine Stelle gehasht. Dokumente ebenso. Jeder ist für einen Bereich verantwortlich. Einfügen in die Distributed Hash- Table (DHT) 2. Kommt ein neuer Knoten hinzu: müssen die Nachbarn teilen. Einfügen in die Distributed Hash- Table (DHT) 3. Verlässt ein Knoten das Netzwerk: übernehmen die Nachbarn sein Gebiet.

6 Eigenschaften DHT Vorteile Jedes Datum kann einem bestimmten zugewiesen werden. Einfügen und Entfernen von s erzeugt nur Veränderungen in den benachbarten s. DHTs werden von vielen P2P-Netzwerken benutzt. Noch zu klären: Die Verbindungsstruktur. Content Addressable Network (CAN) Dateien werden durch (zweiwertige)-hash-funktionen in das Quadrat abgebildet. Am Anfang ist ein leeres Quadrat mit nur einem als Besitzer. Der Besitzer einer Fläche speichert alle Einträge in der Fläche. Ein wählt einen zufälligen Punkt in der Ebene: Der Besitzer des entsprechenden Quadrats teilt seine Fläche und übergibt die Hälfte dem neuen. Wie groß/klein können solche Flächen werden R(p) : Rechteck eines s p A(p) : Fläche des Rechteck eines s p n : Anzahl s Anfangsquadrat: Fläche 1 Lemma: Für alle s p gilt 1. 1 E[ A( p) ] = n 2. Sei P R,n die Wahrscheinlichkeit, dass keines der n s in das Rechteck R hineinfällt. Dann gilt nvol R P R, n e ( ) Wie gleichmäßig werden die Daten verteilt? Lemma Mit Wahrscheinlichkeit (log n) n -c wird ein Rechteck der Größe 2c(ln n)/n nicht geteilt. Wenn m Elemente insgesamt gespeichert werden, so erhält jeder also maximal 2 c (ln n) m/n Elemente, während der Durchschnitt m/n Elemente speichert. Also speichert mit hoher Wahrscheinlichkeit jeder höchstens 2c (ln n) mal mehr als der Durchschnittspeer.

7 Lookup in CAN Zuerst wird Ort des Indexes durch Berechnung der Hash- Funktion bestimmt. Zwischen den Besitzern benachbarter Rechtecke bestehen Kanten. Anfragen werden in Richtung des Index weitergeleitet. d Dimension des Quadrats: Linie, Quadrat, Würfel,... Erwartete Anzahl Hops in d Dimensionen: n 1/d Durchschnittlicher Grad eines Knotens: O(d). Einfügen in CAN = Random Tree Random Tree Neue Blätter werden zufällig eingefügt. Falls die Wurzel ein interner Knoten ist, gehe zufällig in linken oder rechten Teilbaum. Falls Wurzel ein Blatt ist, füge zwei Blatt an diese Wurzel an. Tiefe: im Erwartungswert: 2 log n + O(1) Tiefe O(log n) mit hoher Wahrscheinlichkeit, d.h. 1-n -c Beobachtung CAN fügt neue s ein wie neue Blätter beim Random Tree eingefügt werden. Beispiel Random Tree Entfernen von s in CAN Verschwindet ein : Meldet er dies nicht vorher an. Daher testen s regelmäßig die Anwesenheit ihrer Nachbarn. Übernimmt der erste Nachbar der das Verschwinden bemerkt das Gebiet des verschwundenen s. s können mehrere Gebiete verwalten. Häufiges Einfügen und Entfernen führt zur Kleinstaaterei (Fragmentierung).

8 Defragmentierung - der einfache Fall Um die Fragmentierung zu beseitigen, wird von Zeit zu Zeit eine Zonenneuzuweisung durchgeführt. Für jeden, der mindestens zwei Zonen hat, lösche die kleinste Zone des s und finde Ersatzpeer für dieses Gebiet. 1. Fall: Nachbarzone im Baum ist ungeteilt: Dann sind beide s Blätter im CAN-Baum. Übertrage Zone dem Nachbarknoten. Defragmentierung - der schwierige Fall 2. Fall: Nachbarzone im Baum ist weiter unterteilt: Führe Tiefensuche in Nachbarbaum durch, bis zwei benachbarte Blätter gefunden worden sind. Übertrage einem Blatt () die Zonen beider Blätter und wähle das andere Blatt () als Ersatzpeer. Bewertung CAN Vorteile Einfaches robustes Verfahren. Balanciert die Datenmenge. Kleiner Grad. Netzwerk ist stark zusammenhängend, dadurch robust. Kennt verschiedene Wege zum Ziel und kann dadurch Routen optimieren. Nachteil Durchmesser bei konstanten Dimensionen des Raums polynomiell groß.

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