Luận án nghiên cứu nâng cao hiệu năng hoạt động mạng ngang hàng có cấu trúc

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. 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. 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.) 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. 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.), các ứng dụng tính toán lưới, các ứng dụng truyền thông như Skype, WhatsApp, Lync, Google Talk SETI @ home, IPTV, Video streaming, 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.

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. 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. 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. 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.