Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke Sommersemester Vorlesung

Transkript

1 Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke Sommersemester Vorlesung 1

2 Kapitel I Netzw erke 2

3 Inhalte P2P-Netzwerke der 1. Generation: Napster, Gnutella, Kazaa. Moderne P2P-Netzwerke CAN, CHORD, Pastry, Tapestry, etc. Epidemische Informationsausbreitung und verteilte Datenaggregation Sicherheit von P2P-Netzwerken Routing in Overlay-Netzwerken Randomisierte Algorithmen Grundlagen der Wahrscheinlichkeitstheorie Verteilte Algorithmen Graphtheorie Netzw erke 3

4 Termine Vorlesung: jeden Freitag 9-11 (ct), Raum F0.530 Ausnahme: Übung Vorlesung vom Fr wird auf Übungstermin am von verschoben (Raum F0.530) Gruppe A: Mo () Gruppe B: Mo (Peter Mahlmann) Außer Mo Gruppe A: Fr (F0.530) Gruppe B: Fr (F0.530) Anmeldung zum Vorrechnen spätestens am Freitag vor der Übung Ausnahme 1. Übung und Übung am Netzw erke 4

5 Unterlagen Webseite der Veranstaltung enthält alle vorlesungs- und übungsrelevanten Themen, insbesondere Vorlesungsfolien, Skript, Übungen Vorlesungsfolien online zur Veranstaltung als Powerpoint und PDF-Dokument Skript erscheint innerhalb einer Woche als PDF-Dokument ist Grundlage der Prüfung Übungsaufgaben erscheint online am Mittwoch auf der Web-Seite sind Grundlage der Prüfung Prüfungsfragen Mögliche Prüfungsfragen werden im Skript veröffentlicht Lösungen der Übungsaufgaben werden per Peer-to-Peer-Netzwerk verteilt Netzw erke 5

6 Prüfung Zusammensetzung Schriftlicher Teil: Bearbeitung einer Übungsaufgabe innerhalb einer Stunde Mündlicher Teil (im Anschluss) Vorstellung der Lösung und Fragen zur Vorlesung Ausnahmeregelung Schriftlicher Teil entfällt, wenn Teilnehmer im Rahmen der Übung eine Aufgabe erfolgreich bearbeitet hat, d.h. Testierung einer mustergültigen schriftlichen Lösung und Präsentation im Rahmen der Übung Fragenkatalog zur Prüfung im Skript Lösungen der Übungsaufgaben werden vom Veranstalter nicht veröffentlicht Netzw erke 6

7 Übung Zweck Beantwortung von Fragen zur Vorlesung Präsentation (und Testierung) studentischer Lösungen Aufgabenstellungen hauptsächlich aus dem Gebiet der verteilten Algorithmen und Wahrscheinlichkeitstheorie Einteilung (über StudInfo{flex}) Gruppe A: Gruppe B: Peter Mahlmann Gruppe C: Peter Mahlmann Netzw erke 7

8 Kapitel II Netzw erke 8

9 Definition Ein Peer-to-Peer-Netzwerk ist ein Kommunikationsnetzwerk zwischen Rechnern, in dem jeder Teilnehmer sowohl Client als auch Server- Aufgaben durchführt. Beobachtung Das Internet ist (eigentlich auch) ein Peer-to-Peer-Netzwerk Andere Definition von Peer-to-Peer-Working-Group In einem Peer-to-Peer-Netzwerk werden verteilte Rechenresourcen durch direkte Kommunikation gemeinsam genutzt. Was ist ein Peer-to-Peer-Netzwerk nicht? Ein Peer-to-Peer-Netzwerk ist kein Client-Server-Netzwerk! Netzw erke 9

10 Napster-Geschichte Shawn (Napster) Fanning brachte Juni 1999 eine Beta-Version seines mittlerweile legendären Napster- Peer-to-peer-Netzwerks heraus Ziel: File-sharing-System Tatsächlich: Musik-Tauschbörse Herbst 1999 war Napster Download des Jahres Urheberrechtsklage der Musik-Industrie im Juni 2000 Gegen Ende 2000 Kooperationsvertrag zwischen Fanning mit Bertelsmann Ecommerce Seitdem ist Napster eine kommerzielle File-Sharing-Plattform Netzw erke 10

11 Wie funktioniert Napster? Client-Server-Struktur Server unterhält Query Index mit Meta-Daten Dateiname, Datum, etc Tabelle der Verbindungen der teilnehmenden Clients Tabelle aller Dateien der teilnehmenden Clients Client fragt nach Dateinamen Server sucht nach passenden Teilnehmern Server antwortet, wer die Datei besitzt Anfrage-Client lädt Datei von dateibesitzenden Client herunter Netzw erke 11

12 Wie gut ist Napster? Vorteile Napster ist einfach Dateien werden schnell und effizient gefunden Nachteile Zentrale Struktur erleichtert Zensur, feindliche Eingriffe und technisches Pannen wie z.b. Denial-of-Service-Angriff Napster skaliert nicht Resumee d.h. mit zunehmender Teilnehmerzahl verschlechtert sich die Performanz Speicher auf dem Server endlich Napster keine akzeptable Peer-to-Peer-Netzwerklösung Bis auf den Download-Aspekt ist Napster im eigentlichen Sinne kein P2P- Netzwerk Netzw erke 12

13 Gnutella - Geschichte Gnutella wurde im März 2000 herausgegeben von Justin Frankel und Tom Pepper von Nullsoft Nullsoft ist seit 1999 eine Tochter von AOL File-Sharing-System Ziel wie Napster Arbeitet aber völlig ohne zentrale Strukturen Netzw erke 13

14 Gnutella - Originalversion - Anbindung 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) Netzw erke 14

15 Gnutella - Originalversion - Anbindung Protokoll Ping 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 Gnutella Schnappschuss im Jahr 2000 Algorithmen für Peer-to-PeerNetzw erke 15

16 Gnutella - Originalversion - Anfrage Dateianfrage wird an alle Nachbarn geschickt diese senden sie an ihre Nachbarn bis zu einer vorgegebenen Anzahl von Hops Protokoll Query TTL-Feld (time to live) Anfrage nach Datei wird bis zu TTL-hops weitergereicht Query-hits Antwort auf umgekehrten Pfad Wenn Datei gefunden wurde, direkter Download Netzw erke 16

17 Gnutella - Diskussion Vorteile verteilte Netzwerkstruktur Netzwerk skalierbar Nachteil Durch TTL findet für Abfragen eine implizite Netzwerkpartitionierung statt Dadurch Anfrageerfolg gering Durch lange Wege, große Latenzzeiten Verbesserungsvorschläge Random Walks statt Broadcasting Passive Replikation von Information entlang des Pfads Häufigkeit der Replikate nimmt im Quadrat des Abstands ab Netzw erke 17

18 Kazaa, Gnutella (II), Morpheus Hybride Struktur Knoten mit großer Bandbreite werden zu P2P-Server ausgewählt Diese unterhalten P2P-Netzwerk im Stil von Gnutella Normale Knoten werden als Clients an diese Super-Knoten angebunden Eingesetzt in Kazaa Morpheus Gnutella (neuere Ausgabe) Vorteile Verbesserte Skalierbarkeit Geringere Latenzzeiten Nachteile Immer noch unzuverlässig und langsam Clients können sich der Super-Node- Aufgabe verweigern Netzw erke 18

19 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? Netzw erke 19

20 Zusammenfassung Lackmus-Test für P2P-Netzwerk Sind variable Verbindungen und temporäre Netzwerkverbindungen die Norm? Sind die Kanten des Netzwerks autonom? Strukturen von P2P-Netzwerken Zentral siehe Napster Rein dezentral siehe Gnutella (Original-Version) Teilweise zentralisiert siehe Kazaa und neue Version von Gnutella Netzw erke 20

21 Vielen Dank Ende der 1. Vorlesung Nächste Vorlesung: Fr Nächste Übung: Mo Heinz Nixdorf Institut & Institut für Informatik Fürstenallee Paderborn Tel.: / Fax: / schindell@upb.de 21