LUẬN VĂN:NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG “THAM GIA MÀ KHÔNG ĐÓNG GÓP” LÊN HỆ THỐNG CHIA SẺ FILE NGANG HÀNG BITTORRENT

Chia sẻ: Lan Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:44

Thêm vào BST

Báo xấu

141
lượt xem 33
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu của khóa luận tập trung vào vấn đề "nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng "tham gia mà không đóng góp"(tiếng Anh: free-riding) đối với hệ thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent". Trước hết, khóa luận sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về hệ thống mạng ngang hàng hiện nay. Tiếp đó, chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu hệ thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent (khái niệm, cơ chế và hoạt động). và để làm rõ nội dung của đề tài nghiên cứu, Hệ thống BitTorrent sẽ được mô hình...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: LUẬN VĂN:NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG “THAM GIA MÀ KHÔNG ĐÓNG GÓP” LÊN HỆ THỐNG CHIA SẺ FILE NGANG HÀNG BITTORRENT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Quang Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG “THAM GIA MÀ KHÔNG ĐÓNG GÓP” LÊN HỆ THỐNG CHIA SẺ FILE NGANG HÀNG BITTORRENT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Quang Tuấn NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG “THAM GIA MÀ KHÔNG ĐÓNG GÓP” LÊN HỆ THỐNG CHIA SẺ FILE NGANG HÀNG BITTORRENT KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: Tiến sỹ Nguyễn Đại Thọ HÀ NỘI - 2009
Lời cảm ơn Mở đầu cho khóa luận, em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, Trường đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội đã tận tình dạy dỗ em trong 4 năm học vừa qua. Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn tiến sỹ Nguyễn Đại Thọ, người đã hướng dẫn, chỉ bảo em trong quá trình thực hiện khóa luận này. Mình cũng muốn gửi lời cám ơn tới những người bạn học K50CB và K50MMT, những người đã cùng với em chia sẽ những ngày tháng trên ghế giảng đường đại học, cùng chia sẻ niềm vui cũng như giúp đỡ lẫn nhau trong quá trình học tập tại trường. Cuối cùng, với tất cả lòng biết ơn, con muốn nói lời cám ơn cha mẹ, những người đã luôn tin tưởng và động viên em, cho em chỗ dựa vững chắc để vững tin hơn trong cuộc sống. Tháng 5 năm 2009 Lê Quang Tuấn
Tóm tắt Đề tài nghiên cứu của khóa luận tập trung vào vấn đề “nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng “tham gia mà không đóng góp”(tiếng Anh: free-riding) đối với hệ thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent”. Trước hết, khóa luận sẽ cung cấp một cái nhìn tổng quan về hệ thống mạng ngang hàng hiện nay. Tiếp đó, chúng ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu hệ thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent (khái niệm, cơ chế và hoạt động). và để làm rõ nội dung của đề tài nghiên cứu, Hệ thống BitTorrent sẽ được mô hình hóa bởi các tham số, các nút tham gia trong mạng được chia làm 3 loại đó là seed (nút chỉ upload mà không download), free-rider (nút tham gia vào hệ thống chỉ download mà không đóng góp) và non free-rider (các nút bình thường, vừa tham gia download vừa tham gia upload), từ đó xem xét khả năng tự bảo vệ chống lại free- riding trong cơ chế của BitTorrent, và đề xuất phương án cải thiện. Trong phần sau của khóa luận, tôi đã sử dụng chương trình mô phỏng OctoSim (một chương trình mô phỏng hệ thống BitTorrent của Microsoft Research) để thực hiện các thử nghiệm chứng minh tính đúng đắn của những nghiên cứu.
Mục lục Giới thiệu chung .................................................................................................................................................... 1 Chương 1. Tổng quan về mạng ngang hàng........................................................................................................ 3 1.1. Khái niệm về mạng ngang hàng ....................................................................................................................... 3 1.2. Phân loại mạng ngang hàng............................................................................................................................. 3 1.2.1. Mạng ngang hàng thuần túy và mạng ngang hàng lai ghép ............................................................... 3 1.2.2. Mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc ............................................. 4 1.3. Ưu thế và các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng ............................................................................. 5 1.3.1. Các ưu thế của mạng ngang hàng....................................................................................................... 5 1.3.2. Các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng ............................................................................... 5 1.3.3. Tiềm năng phát triển của mạng ngang hàng....................................................................................... 6 Chương 2. Mạng chia sẻ file ngang hàng BitTorrent ......................................................................................... 7 2.1. BitTorrent là gì?............................................................................................................................................. 7 2.2. Cơ chế và hoạt động của BitTorrent ............................................................................................................... 8 2.2.1. Quá trình chia sẻ file .......................................................................................................................... 8 2.2.2. Sự lựa chọn các phần đơn vị (Piece Selection) .................................................................................. 9 2.2.3. Thuật toán Choking.......................................................................................................................... 10 2.3. Optimistic Unchoking và Free-Rider.............................................................................................................. 10 2.4. So sánh BitTorrent và một số hệ thống chia sẻ file ngang hàng khác ........................................................... 11 Chương 3. Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của free-riding lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent.......... 13 3.1. Một số nghiên cứu liên quan .......................................................................................................................... 13 3.2. Mô hình và các tham số ................................................................................................................................. 13 3.3. Nghiên cứu hệ thống ở trạng thái ổn định (steady-state) .............................................................................. 16 Chương 4. Chương trình mô phỏng OctoSim................................................................................................... 23 4.1. Cài đặt và sử dụng chương trình ................................................................................................................... 23 4.1.1. Giới thiệu, cách thức cài đặt và thiết lập môi trường để chạy chương trình OctoSim...................... 23 4.1.2. Đầu vào và đầu ra của chương trình mô phỏng................................................................................ 24 4.2. Cấu trúc và chức năng của chương trình mô phỏng ...................................................................................... 25 4.2.1. File Main.cs:..................................................................................................................................... 25 4.2.2. File WorkloadProcessor.cs:.............................................................................................................. 26 4.2.3. File Sim.cs:....................................................................................................................................... 27 4.2.4. File ProtocolMain.cs: ....................................................................................................................... 28 4.2.5. File Node.cs: .................................................................................................................................... 29 4.2.6. File SimParameters.cs ...................................................................................................................... 30 4.2.7. Các file khác..................................................................................................................................... 30 Chương 5. Các thí nghiệm mô phỏng và đánh giá............................................................................................ 31 5.1. Kết luận sau khi xem xét mô hình và đề xuất phương án cải thiện................................................................ 31 5.1.1. Kết luận thu được từ quá trình phân tích và tính toán ...................................................................... 31 5.1.2. Đề xuất phương án cải thiện............................................................................................................. 31 5.2. Tiến hành các thử nghiệm .............................................................................................................................. 32 5.2.1. Thử nghiệm thứ nhất ........................................................................................................................ 32 5.2.2. Thử nghiệm thứ hai .......................................................................................................................... 34 5.2.3. Thử nghiệm thứ ba ........................................................................................................................... 36 Chương 6. Kết luận và phương hướng tiếp theo............................................................................................... 37 Tài liệu tham khảo............................................................................................................................................... 39
Giới thiệu chung Hiện nay, máy tính đã trở thành công cụ không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi con người. Máy tính đã hỗ trợ rất đắc lực cho chúng ta trong công việc, học tập cũng như giải trí hầu như mọi nơi, mọi lúc. Và một trong những lý do lớn khiến cho máy tính có thể len lỏi vào từng ngõ ngách của cuộc sống như vậy chính là do có sự xuất hiện của mạng Internet. Internet giúp chúng ta thu hẹp mọi khoảng cách, mở cánh cửa bước vào kho tài nguyên tri thức vô tận của nhân loại. Trong quá trình phát triển của Internet, bên cạnh những ứng dụng theo mô hình Client / Server truyền thống như WWW, email, FTP,… trong thời gian gần đây, đã xuất hiện các ứng dụng theo mô hình ngang hàng (Peer to Peer – P2P). Với các ưu điểm như tốn ít chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng, tận dụng được tài nguyên của các máy tham gia vào mạng, giải quyết được vấn đề điểm chết trung tâm của mô hình Client / Server truyền thống, các ứng dụng trên mạng ngang hàng ngày càng được quan tâm phát triển nhiều hơn. Từ sự xuất hiện của Napster vào năm 1999, có nhiều ứng dụng chia sẻ file ngang hàng được phát triển, ví dụng như Gnutella, KaZaA và BitTorren. Nhưng trong đó BitTorrent có số lượng người dùng lớn nhất và đã trở thành giải pháp chính cho việc chia sẻ file ngang hàng. Trong một nghiên cứu đã cho thấy rằng, các tài khoản sử dụng BitTorrent chiếm tới 35% lưu lượng trung chuyển trên mạng Internet, đó là 1 con số lớn, hơn tất cả các hệ thống chia sẻ file khác gộp lại. Sự phát triển mạnh mẽ của BitTorrent trong thời gian vừa qua cho thấy sự hiệu quả và ổn định trong cơ chế và giao thức của nó. Tuy nhiên, cũng như hầu hết các hệ thống hoạt động trên mô hình mạng ngang hàng, hoạt động của BitTorrent cũng dựa trên sự tự nguyện đóng góp của các thành phần tham gia trong mạng. Do đó, BitTorrent cũng phải đối mặt với vấn đề free-riding (có những người dùng tham gia vào mạng chỉ để lấy tài nguyên về mà không chịu đóng góp cho hệ thống). Trong khuôn khổ của khóa luận, chúng ta sẽ từng bước tìm hiểu qua 6 chương: Chương 1: Tổng quan về mạng ngang hàng, Trình bày các kiến thức cơ bản về mạng ngang hàng (P2P Network),ưu nhược điểm của mạng ngang hàng và các vấn đề cần chú ý khi nghiên cứu mạng ngang hàng. Chương 2: Hệ thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent, giới thiệu về BitTorrent, cơ bản về giao thức, cách thức chia sẻ file, cơ chế thúc đẩy các nút tham 1
gia đóng góp cho hệ thống. So sánh BitTorrent với một vài hệ thống chia sẻ file ngang hàng khác. Trong chương này cũng trình bày nguyên nhân dẫn đến khả năng tồn tại của các nút free-rider. Chương 3: Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của hiện tượng free-riding lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent, trong chương này tôi nghiên cứu mô hình BitTorrent được đề xuất trong bài báo “Free-Riding on BitTorrent-like File Sharing System: Modeling, Analysis and Improvement” của các tác giả Jiadia Yu, Minglu Li, Jie Wu. Qua đó thấy được mức độ ảnh hưởng của hiện tượng free-riding lên hệ thống cũng như khả năng tự bảo vệ của hệ thống BitTorrent. Từ đó, đề xuất cơ chế khắc hạn chế hiện tượng free-riding. Chương 4: Chương trình mô phỏng OctoSim, chương này giới thiệu và mô tả cấu trúc chức năng của chương trình mô phỏng OctoSim ( một chương trình mô phỏng hệ thống BitTorrent của Microsoft Research được viết bằng ngôn ngữ C#) Chương 5: Các thí nghiệm mô phỏng và đánh giá, trong chương này tôi rút ra một số kết luận từ quá trình nghiên cứu và đề xuất phương án nhằm hạn chế hiện tượng free-riding, sau đó sử dụng chương trình mô phỏng OctoSim để thực hiện các thí nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả nghiên cứu và hiệu quả của đề xuất, và có những nhận xét cũng như giải thích về những kết quả đã đạt được. Chương 6: Kết quả thu được trong quá trình làm khóa luận và phương hướng nghiên cứu trong tương lai. 2
Chương 1. Tổng quan về mạng ngang hàng 1.1. Khái niệm về mạng ngang hàng Mạng ngang hàng (Peer-to-Peer hay P2P) [1] là một mạng máy tính trong đó hoạt động của mạng chủ yếu dựa vào khả năng tính toán và băng thông của các máy tham gia chứ không tập trung vào một số nhỏ các máy chủ trung tâm như các mạng thông thường. Mạng ngang hàng thường được sử dụng để kết nối các máy thông qua một lượng kết nối dạng ad hoc. Mạng ngang hàng có nhiều ứng dụng. Các loại ứng dụng thường xuyên gặp nhất là các ứng dụng chia sẻ tập tin, tất cả các dạng như âm thanh, hình ảnh, dữ liệu,... hoặc ứng dụng truyền dữ liệu thời gian thực như điện thoại VoIP. Một mạng ngang hàng đúng nghĩa không có khái niệm máy chủ và máy khách, nói cách khác, tất cả các máy tham gia đều bình đẳng, mỗi máy là một nút mạng (còn gọi là peer) đóng vai trò đồng thời là máy khách và máy chủ đối với các máy khác trong mạng. 1.2. Phân loại mạng ngang hàng 1.2.1. Mạng ngang hàng thuần túy và mạng ngang hàng lai ghép Mạng ngang hàng thuần túy: - Các máy trạm có vai trò vừa là máy chủ vừa là máy khách. - Không có máy chủ trung tâm quản lý mạng. - Không có máy định tuyến (bộ định tuyến) trung tâm. Các máy trạm có khả năng tự định tuyến. Mạng ngang hàng lai ghép: - Có một máy chủ trung tâm dùng để lưu trữ thông tin của các máy trạm và trả lời các truy vấn thông tin này - Các máy trạm có vai trò lưu trữ thông tin, tài nguyên được chia sẻ để cung cấp các thông tin về chia sẻ tài nguyên của nó cho máy chủ. - Sử dụng các trạm định tuyến để xác định đia chỉ IP của các máy trạm 3
1.2.2. Mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc Mạng phủ (Overlay) ngang hàng bao gồm tất cả các nút mạng đại diện cho các máy tham gia và các liên kết giữa các nút mạng này. Một liên kết tồn tại giữa hai nút mạng khi một nút mạng biết vị trí của nút mạng kia. Dựa vào cấu trúc liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ ta có thể phân loại hệ thống mạng ngang hàng phân tán thành 2 loại: có cấu trúc hay không cấu trúc. Một mạng ngang hàng không cấu trúc khi các liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ được thiết lập ngẫu nhiên (tức là không theo qui luật nào). Những mạng như thế này dễ dàng được xây dựng vì một máy mới khi muốn tham gia mạng có thể lấy các liên kết có sẵn của một máy khác đang ở trong mạng và sau đó dần dần tự bản thân nó sẽ thêm vào các liên kết mới của riêng mình. Khi một máy muốn tìm một dữ liệu trong mạng đồng đẳng không cấu trúc, yêu cầu tìm kiếm sẽ được truyền trên cả mạng để tìm ra càng nhiều máy chia sẻ càng tốt. Hệ thống này thể hiện rõ nhược điểm: không có gì đảm bảo tìm kiếm sẽ thành công. Đối với tìm kiếm các dữ liệu phổ biến được chia sẻ trên nhiều máy, tỉ lệ thành công là khá cao, ngược lại, nếu dữ liệu chỉ được chia sẻ trên một vài máy thì xác suất tìm thấy là khá nhỏ. Tính chất này là hiển nhiên vì trong mạng ngang hàng không cấu trúc, không có bất kì mối tương quan nào giữa một máy và dữ liệu nó quản lý trong mạng, do đó yêu cầu tìm kiếm được chuyển một cách ngẫu nhiên đến một số máy trong mạng. Số lượng máy trong mạng càng lớn thì khả năng tìm thấy thông tin càng nhỏ. Một nhược điểm khác của hệ thống này là do không có định hướng, một yêu cầu tìm kiếm thường được chuyển cho một số lượng lớn máy trong mạng làm tiêu tốn một lượng lớn băng thông của mạng, dẫn đến hiệu quả tìm kiếm chung của mạng thấp. Hầu hết các mạng ngang hàng phổ biến là không cấu trúc như Napster, Gnutella, Fasttrack và eDonkey2000. Mạng ngang hàng có cấu trúc khắc phục nhược điểm của mạng không cấu trúc bằng cách sử dụng hệ thống DHT (Bảng Băm Phân Tán, tiếng anh: Distributed Hash Table). Hệ thống này định nghĩa liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ theo một thuật toán cụ thể, đồng thời xác định chặt chẽ mỗi nút mạng sẽ chịu trách nhiệm đối với một phần dữ liệu chia sẻ trong mạng. Với cấu trúc này, khi một máy cần tìm một dữ liệu, nó chỉ cần áp dụng một giao thức chung để xác định nút mạng nào chịu trách nhiệm cho dữ liệu đó và sau đó liên lạc trực tiếp đến nút mạng đó để lấy kết quả. 4
Một số mạng ngang hàng có cấu trúc nổi tiếng bao gồm Chord, CAN, Kademlia, Pastry và Tapestry. Như vậy có thể thấy hệ thống BitTorrent mà chúng là nghiên cứu thuộc loại mạng ngang hàng lai ghép ☺ 1.3. Ưu thế và các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng 1.3.1. Các ưu thế của mạng ngang hàng Các ưu thế của mạng ngang hàng cũng chính là các mục đích ban đầu khi tạo ra mạng ngang hàng người ta nghĩ đến. Mạng ngang hàng là tập hợp liên kết của các máy tính đơn lẻ với nhau và đóng góp tài nguyên (bao gồm dung lượng ổ cứng, băng thông và khả năng tính toán). Do đó, sức mạnh của mạng ngang hàng tăng lên khi số nút tham gia mạng tăng lên(trái với mô hình client/server truyền thống, sức mạnh và hiệu năng của mạng giảm khi số lượng client tham gia vào mạng tăng lên). Một ưu thế khác của mạng ngang hàng so với mô hình client/server truyền thống đó chính là tính chất phân tán. Điều này đảm bảo được tính bền vững của mạng khi có một(hoặc một vài nút) gặp phải sự cố. Mặt khác, do tính chất bền vững của mạng là lớn nên nếu có cơ chế phân phối thông tin hợp lý thì sẽ luôn đảm bảo được tính sẵn sàng cao trong mạng. Một ưu thế đáng được nói đến nữa của mô hình P2P đó chính là chi phí xây dựng hệ thống thấp, do đó việc triển khai một hệ thống mạng cũng khá dễ dàng. 1.3.2. Các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng Các hệ thống mạng ngang hàng đều được xây dựng nên dựa trên sự tự nguyện tham gia của các nút thành viên. Do đó khi thiết kế và nghiên cứu cần chú ý đến các vấn đề sau: - Tính ổn định và dễ mở rộng của mạng: Làm thế nào để cho các nút có thể tham gia vào mạng một cách dễ dàng nhất có thể, đồng thời cũng phải giữ được tính ổn định của mạng, có nghĩa là mạng vẫn có thể hoạt động bình thường khi có một số nút rời mạng (tự nguyệt hay đột ngột bị lỗi). - Tận dụng tối đa tài nguyên đóng góp của các nút tham gia mạng: Sức mạnh của một hệ thống mạng ngang hàng phụ thuộc vào việc hệ thống đó tận dụng được các tài nguyên đóng góp của các nút tham gia mạng. Đặc biệt chú ý đến vấn đề tận dụng băng thông của các nút tham gia mạng. 5
- Đảm bảo được tính công bằng trên mạng: Vai trò của các nút trong một hệ thống mạng ngang hàng là ngang nhau, do đó mức độ đóng góp và dịch vụ được hưởng cũng phải ngang nhau. Trong vấn đề về tính công bằng trên mạng cần đặc biệt chú ý đến hiện tượng free-riding, đây cũng là yếu tố được nghiên cứu trong khóa luận này. - Duy trì tính sẵn có(avaibility) của tài nguyên: Mục đích của việc lưu trữ và chia sẻ file, ai cũng muốn file được lưu trữ lâu dài và có thể lấy về bất cứ lúc nào. Tuy nhiên trong mạng ngang hàng thì không có ràng buộc gì để đảm bảo được điều đó do trong mạng ngang hàng, sự đóng góp là hoàn toàn tự nguyện. - Còn một vấn đề khác cần được lưu ý ngoài các vấn đề về mặt kĩ thuật trên. Đó chính là vấn đề về bản quyền của các thông tin được chia sẻ trên mạng. Hiện tại, P2P là nơi lý tưởng để trao đổi các file nhạc, film không có bản quyền (cũng là một phần lý do thúc đẩy mạng P2P phát triển như hiện nay). 1.3.3. Tiềm năng phát triển của mạng ngang hàng Hiện nay, khái niệm mạng ngang hàng hoàn toàn không lạ lẫm. Số người biết đến và sử dụng những ứng dụng trên nền tảng công nghệ mạng ngang hàng đang tăng lên từng ngày. Mặc dù vẫn còn những vấn đề về bảo mật hay vấn đề về bản quyền của những nội dung được trao đổi trong mạng ngang hàng, nhưng với những ưu thế và lợi ích mà mạng ngang hàng đem lại, chúng ta vẫn có thể thấy được sự phát triển mạnh mẽ của nó. Trên thực tế, cũng đang có rất nhiều nghiên cứu phát triển các ứng dụng trên nền công nghệ mạng ngang hàng, từ những lĩnh vực bình thường của đời sống như giải trí hay truyền hình( các ứng dụng về truyền video thông qua mạng ngang hàng) đến công việc kinh doanh hay nghiên cứu khoa học. Đặc biệt, quân đội Mỹ cũng đã có những dự án nghiên cứu phát triển những ứng dụng quân sự trên nền công nghệ mạng ngang hàng. Chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng, trong tương lai gần, mạng ngang hàng sẽ tiếp tục phát triển và cung cấp thêm nhiều lợi ích cho cuộc sống. 6
Chương 2. Mạng chia sẻ file ngang hàng BitTorrent 2.1. BitTorrent là gì? BitTorrent là tên một giao thức chia sẻ file được lập trình viên Bram Cohen thiết kế vào tháng 4 năm 2007, và chỉ 3 tháng sau đó, tháng 7 năm 2001, giao thức này đã được đưa vào triển khai trong thực tế và tạo ra một hệ thống chia sẻ file theo mô hình mạng ngang hàng mới, cũng được mang tên là BitTorrent. Ngoài chương trình BitTorrent Client đầu tiên được viết bởi Bram Cohen là BitTorrent (hay Mainline) cũng đã có rất nhiều chương trình BitTorrent Client khác được phát triển và có thể chạy được trên nhiều nền tảng khác nhau (Windows, Mac, Linux,...). Hình 1: Giao diện một chương trình BitTorrent Client Trong hình trên là giao diện của µTorrent, một chương trình BitTorrent Client khá phổ biến. Về cơ bản thì nó cũng khá giống một chương trình hỗ trợ download bình thường. Để triển khai về mặt ứng dụng, hệ thống BitTorrent chỉ cần một máy chủ có cài ứng dụng Tracker và các nút tham gia sử dụng một chương trình BitTorrent client nào đó. Quá trình hoạt động cụ thể của việc chia sẻ file sẽ được nói chi tiết trong phần sau. 7
Một số khái niệm (thuật ngữ) hay được dùng trong BitTorrent: Seed: Nút nắm giữ toàn bộ file, chỉ tham gia quá trình upload file. Peer(or downloader/leecher): Nút tham gia vào cả quá trình download và upload file. Neiborghs (Swarm): Các nút giữ liên kết với một nút nào đó trong quá trình download 1 file nhất định. Tracker: Máy chủ có nhiệm vụ theo dõi và nắm thông tin về các nút nào đang tham gia download file nào. *.torrent: File lưu trữ các thông tin về file chia sẻ, địa chỉ của tracker.. (sẽ nói chi tiết hơn trong phần sau). Piece/chunk/share/block…: Một đơn vị sau khi chia nhỏ file trong BitTorrent. Sự chia sẻ file trong BT được thực hiển bởi sự trao đổi các đơn vị này. 2.2. Cơ chế và hoạt động của BitTorrent 2.2.1. Quá trình chia sẻ file Ý tưởng cơ bản của BitTorrent là chia file thành các phần đơn vị (piece) bằng nhau (thường là có kích thước 256KB) và một nút khi tham gia vào mạng thì có thể download cùng lúc các phần khác nhau từ các nút khác nhau. Để bắt đầu chia sẻ 1 file, người nắm giữ file này sẽ tạo ra một file tĩnh có phần mở rộng là .torrent. File .torrent này có chứa các thông tin về file muốn chia sẻ như, dung lượng file, tên file, số lượng các phần và giá trị băm của nội dung file cũng như nội dung từng phần nhỏ đó, đồng thời trong file đó cũng có chứa địa chỉ url của Tracker (server có nhiệm vụ liên kết các nút với nhau). Cụ thể, Tracker sẽ nắm giữ các thông tin như có những nút nào đang download file nào và các nút đó đang lắng nghe ở cổng nào…, các thông tin này được cập nhật mỗi 30 phút. Và để đảm bảo là người dùng khác có thể download, người muốn chia sẻ ban đầu phải giữ kết nối vào mạng trong thời gian nhất định. Nút mạng này được gọi là seed. Ngoài ra, seed còn để chỉ các nút nắm giữ toàn bộ các phần của file và tự nguyện tham gia quá trình upload các phần đó cho các nút khác. Các nút còn lại trong mạng được gọi là downloader hay leecher. Khi ai đó muốn download 1 file qua BitTorrent, bằng cách nào đó có được file .torrent của file đó (ví dụ như tải về từ 1 trang web nào đó .v.v..), từ thông tin có trong 8
file .torrent, nút đó sẽ kết nối đến tracker và nhận về 1 danh sách(khoảng 40 nút) ngẫu nhiên các nút đang tham gia vào quá trình download file đó. Sau đó, nó sẽ tiến hành kết nối đến các nút đó và bắt đầu trao đổi các phần đơn vị của file. Tập hợp các nút cùng đang chia sẻ 1 file gọi là 1 swarm hay torrent, tập hợp các nút đang liên kết với 1 nút nào đó gọi là neiborghs hay peers của nút đó. Để quá trình trao đổi được thuận lợi, mỗi nút sẽ thông báo cho tất cả các nút kết nối với nó rằng nó đang nắm giữ những phần đơn vị nào của file đang chia sẻ. 2.2.2. Sự lựa chọn các phần đơn vị (Piece Selection) Như đã nói ở trên, quá trình chia sẻ file trong BitTorrent chính là quá trình trao đổi các phần đơn vị (pieces) của file đó giữa các nút mạng. Vì thế giải thuật lựa chọn các phần này sao cho hợp lý rất quan trọng. Trong BitTorrent, giải thuật lựa chọn được áp dụng ở các nút tuân theo các nguyên tắc sau. Ưu tiên nghiêm ngặt( Strict Priority): Khi một piece được chọn, nó phải được download xong trước khi chọn piece khác. Quy tắc này để đảm bảo nút có được đầy đủ pieces một cách nhanh nhất có thể. Ít nhất trước(Local Rarest First): Để quyết định xem piece nào sẽ được chọn, nút sẽ so sánh số lượng của mỗi piece trong tập tất cả các nút đang liên kết với nó(bao gồm cả chính bản thân nút đó) và lựa chọn tải về piece có số lượng ít nhất. Chiến lược này để đảm bảo sự cân bằng của số lượng mỗi piece trong mạng. Một vấn đề nữa là đối với nút đầu tiên tham gia upload file lên mạng (original seed) là làm sao có thể phát tán tất cả các piece của file vào mạng 1 cách nhanh nhất có thể. Khi đó, chiến lược LRF được áp dụng cho seed là, trong các yêu cầu pieces từ các nút kết nối đến nó, nó sẽ ưu tiên phục vụ piece nào có số lượng được phục vụ ít nhất. Đơn vị đầu tiên ngẫu nhiên(Random First Piece): Khi một nút mới gia nhập mạng, nó sẽ chọn ngẫu nhiên 1 piece để tải về. Quy tắc này để khiến cho nút có được mẩu đầu tiên một cách nhanh nhất để bắt đầu upload. Chế độ kết thúc(Endgame Mode): Để giúp nút có thể kết thúc nhanh quá trình download, nút có thể yêu cầu piece cuối từ tất cả các nút liên kết với nó. 9
2.2.3. Thuật toán Choking BitTorrent là một hệ thống chia sẻ file ngang hàng, do đó sự tham gia của các nút vào quá trình up và download ảnh hưởng rất lớn đến sự sống còn của mạng. Nút trong mạng sẽ không đáp ứng tất cả các yêu cầu download các piece từ các nút liên kết với nó, mỗi yêu cầu đó chỉ được đáp ứng khi nút có yêu cầu đảm bảo được những điều kiện nhất định. Quy tắc được đặt ra để nhằm khuyến khích các nút tham gia upload vào mạng nhiều hơn, được gọi là cơ chế thúc đẩy (Incentive Mechanism) của BitTorrent. Thông thường, một nút chỉ đáp ứng yêu cầu của 4 nút hàng xóm cung cấp cho nó tốc độ download cao nhất, và quá trình xác định tốc độ download của các nút liên kết với nó được thực hiện 10 giây một lần. Khi chiến lược này được áp dụng, nút nào có tốc độ upload vào mạng càng cao thì càng có được tốc độ download cao. Chiến lược này gọi là chiến lược ăn miếng trả miếng (Tit-for-tat Strategy). Optimistic Unchoking: Nếu chỉ áp dụng quy tắc như trên sẽ bó hẹp sự trao đổi dữ liệu giữa các nút liên kết với nhau. Để tạo cơ hội tìm kiếm các nút có cung cấp tốc độ download cao hơn cũng như để cho nút mới tham gia vào mạng có thể có được đáp ứng về piece đầu tiên, BitTorrent sử dụng “optimictic unchoke” 30 giây 1 lần. Optimistic unchoke sẽ mở đáp ứng cho một kết nối ngẫu nhiên mà không tính đến tốc độ download cũng như upload. Trong Khóa luận này, chúng ta sẽ nghiên cứu kĩ hơn tác dụng của cơ chế thúc đẩy của BitTorrent trong việc hạn chế hiện tượng free-riding trong BitTorrent. 2.3. Optimistic Unchoking và Free-Rider Free-rider là nút không upload đến các nút khác, do đó theo chiến lược TFT, nó cũng không nhận được dữ liệu từ các nút khác. Tuy nhiên do có Optimistic Unchoke như đã nói ở trên, free-rider vẫn có được cơ hội nhận được dữ liệu từ hệ thống. Chúng ta sẽ xem xét cụ thể hơn vấn đề này. G{p0,p1, …, pxn-1, q0,q1, …, qxf-1 } là tập hợp các nút trong mạng Gọ i BitTorrent. Trong đó xn là số lượng các nút bình thường (non free-rider) và xf là số lượng của free-rider trong mạng. Giả sử tất cả các nút trong mạng có cùng một băng thông upload , và không có seed trong G. Gọi µ là băng thông upload của mỗi nút, như vậy tổng băng thông upload của hệ thống là µxn. Gọi u là số lượng kết nối upload của 10
nút trong mạng, trong đó có 1 kết nối là optimistic unchoking. Tốc độ của mỗi kết nối bị giới hạn bởi µ/u. Theo quy tắc Optimistic Unchoking, mỗi nút bình thường sẽ chọn ngẫu nhiên một nút khác để gửi dữ liệu, từ đó tổng số kì vọng tốc độ download của free-rider trong G là: (1) Trong trường hợp xn+xf >> u Từ (1) cho thấy rằng mặc dù không đóng góp cho hệ thống như free-rider vẫn nhận được tốc độ download được tính bởi (1). Gọi ρ là tỉ lệ của tổng tốc độ download của free-rider so với tổng băng thông upload của các nút bình thường. ta có: (2) Với 0 ≤ ρ ≤ 1. Từ (2) cho thấy free-rider vẫn có được một phần tốc độ download của cả hệ thống. Nói cách khác, cơ chế của BitTorent không thể loại trừ hoàn toàn hiện tượng free-riding, và free-rider có thể nhận được tài nguyên từ các nút bình thường thông qua optimistic unchoking. Để rút ra kết luận trên và các đẳng thức (1) và (2), tôi đã tham khảo trong [13]. 2.4. So sánh BitTorrent và một số hệ thống chia sẻ file ngang hàng khác Phương pháp dùng để phân phối tệp giữa mạng eDonkey2000 và BitTorrent là giống nhau, như các máy trong mạng eDonkey thường chia sẻ và tải về rất nhiều tệp, làm cho băng thông cho mỗi vận chuyển trở nên ít hơn. Ngược lại, vận chuyển BitTorrent nhanh hơn nhiều do các máy tập trung vào một tệp hay một nhóm tệp cụ thể. Giao thức eDonkey2000 nguyên thủy cung cấp rất ít khả năng chống free-riding, các phiên bản client mới của eDonkey2000 có cài đặt hệ thống khuyến khích tải lên 11
nhiều hơn. Ví dụ chương trình eMule có hệ thống điểm (credits system) để thưởng các máy tải lên nhiều. Một máy sẽ ưu tiên các máy vận chuyển cho mình trước đây bằng cách chuyển vị trí các máy này lên đầu của hàng đợi làm cho thời gian chờ ít hơn. Hệ thống này tỏ ra khá hiệu quả vì hàng đợi trong mỗi máy khách sử dụng eMule thường lên đến hàng trăm, thậm chí hàng ngàn. KaZaA là một giao thức gần giống với giao thức BitTorrent nhưng nó có một điểm khác đó là nó phân biệt các máy trạm theo cấp cống hiến (Participation Level). Cấp cống hiến tăng khi bạn tải lên và giảm khi bạn tải về. Khi bạn tải lên một tài nguyên thì người có cấp cống hiến cao nhất nhận đầu tiên sau đó người có cấp cống hiến cao nhất này tải lên cho người có cấp cống hiến thấp hơn và cứ tiếp tục như vậy. Mô hình này tương tự như mô hình kim tự tháp, với người tải lên nhiều nhất ở vị trí đỉnh của kim tự tháp, và người ít tải lên ở các vị trí đáy của kim tự tháp. Mô hình KaZaA chỉ thích hợp phân phối tài nguyên cho một số lượng lớn người dùng, nó đã được chứng minh là người ở đáy kim tự tháp tải tệp về nhanh hơn trường hợp tải tệp về bằng phương pháp HTTP (trong trường hợp tệp rất lớn). Nhưng mô hình KaZaA có một nhược điểm nhỏ đó là nó tin tưởng vào báo cáo của các máy trạm về cấp cống hiến vì vậy các máy trạm có thể gian lận cấp cống hiến với rất nhiều các máy trạm không chính thức. 12
Chương 3. Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của free- riding lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent 3.1. Một số nghiên cứu liên quan BitTorrent là hệ thống chia sẻ file ngang hàng phổ biến nhất hiện nay, vì thế nó cũng dành được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học. Có nhiều nghiên cứu nhằm cải tiến nâng cao hiệu năng của hệ thống BitTorrent với nhiều đề xuất khác nhau. Tuy nhiên đa số những khảo sát, cả về mô phỏng lẫn theo dõi thực thế [4][6][7][10][11] đều cho thấy rằng hệ thống BitTorrent tỏ ra rất hiệu quả trong việc tận dụng tài nguyên hệ thống và hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng. Và vấn đề tối ưu hóa hệ thống BitTorrent thường tập trung hơn vào vấn đề đảm bảo tính công bằng trên mạng. Một vài nghiên cứu về “cơ chế thúc đẩy” của BitTorrent được trình bày trong [4][8][9][12]. Các thử nghiệm trong [4] đã chỉ ra rằng cơ chế của BitTorrent không thể đảm báo được tính công bằng trong hệ thống. Jun và Ahamad [8] xem xét hệ thống BitTorrent dưới lý thuyết trò chơi (vấn đề song đề tù nhân lặp lại – Iterated Prisoner’s Dilemma) và cho thấy rằng free-rider không bị trừng phạt thích đáng và những nút đóng góp cho hệ thống cũng không được đền đáp tương ứng. Qiu và Skirant [12] đã mô tả sơ lược ảnh hưởng của optimistic unchoking đối với hiện tượng free-riding, và cho thấy optimistic unchoking có thể dẫn đến hiện tượng free-ring trong hệ thống. Locher và các tác giả khác [9] cũng đã cho thấy trong BitTorrent một nút có thể tải file về thành công mà không có sự đóng góp gì cho mạng. Trong nội dung của khóa luận này, tôi sử dụng mô hình của các tác giả Jiadia Yu, Minglu Li, Jie Wu được giới thiệu trong [13]. Mô hình chia các downloader trong mạng thành 2 loại chính free-rider và non free-rider và xem xét ảnh hưởng của free- rider trong hệ thống BitTorrent một cách khá toàn diện. 3.2. Mô hình và các tham số Dựa trên các kết luận trình bày trong phần 4.1.1, chúng ta sẽ xây dựng một mô hình mạng trong đó các nút trong mạng được chia làm 3 loại chính: seed, free-rider và non free-rider. Các nút non free-rider được xem là đóng góp cho mạng ngang nhau trong khi các nút free-rider hoàn toàn không có đóng góp gì cho hệ thống. Seed không phân biệt free-rider hay non free-rider trong quá trình upload. Hệ thống được mô tả bởi các tham số (mô hình “Fluid model”) sau: 13
xn(t) : số lượng của non free-rider trong hệ thống tại thời điểm t • • xf(t): số lượng của free-rider trong hệ thống tại thời điểm t • y(t): số lượng seed trong hệ thống tại thời điểm t • λn: Tốc độ tham gia vào mạng của non free-rider • λf: Tốc độ tham gia vào mạng của free-rider • µ: Băng thông upload của một nút • c: Băng thông download của một nút • θ: Tốc độ rời mạng của nút bình thường • γ: Tốc độ rời mạng của seed • η: Hiệu năng của quá trình chia sẻ file [3] • ρ(t): Tỉ lệ của tổng tốc độ download của free-rider so với tổng tốc độ upload của non free-rider tại thời điểm t. • κ(t): Tỉ lệ của số lượng free-rider trên tổng số lượng của free-rider và non free-rider tại thời điểm t. Mô hình trên được mở rộng từ mô hình trong [3] và được trình bày trong [4]. Ta giả sử free-rider rời mạng ngay sau khi download hoàn thành(bởi vì free-rider khi đó có ở lại mạng cũng không có ý nghĩa gì). Như vậy, trong hệ thống tồn tại 3 trạng thái: Seed, free-rider và non free-rider. Quan hệ giữa các trạng thái được trình bày như hình sau: 14
Hình 2: Mô hình chung biểu diễn 3 trạng thái trong hệ thống chia sẻ file BitTorrent Hình vẽ trên cho ta thấy quan hệ giữa 3 trạng thái, tốc độ các nút tham gia và rời khỏi các trạng thái và thành phần phân phối băng thông của 3 trạng thái trong hệ thống BitTorrent. Trong mô hình này, tốc độ gia nhập mạng của free-rider và non free rider tương ứng là λf và λn. Tham số η biểu thị hiệu quả của việc chia sẻ file và được tính toán là rất gần với 1 trong [8]. Hiệu năng chia sẻ file của free-rider bằng 0. Tại thời điểm t, tốc độ upload của toàn bộ hệ thống là µ(ηxn(t) + y(t)). Tất cả các nút trong mạng cùng chia sẻ tốc độ upload được cung cấp bởi non free-rider và seed. ρ(t) cho biết tỉ lệ băng thống upload của non free-rider bị chiếm vởi free-rider. Áp dụng đẳng thức (2) ta có (3) Với 0 ≤ ρ(t) ≤ 1. Với seed khi upload không phân biệt free-rider hay non free-rider, do đó, tỉ lệ băng thông upload của seed bị chiếm bởi free-rider là: (4) Với 0 ≤ κ(t) ≤ 1. Do đó, tổng tốc độ download của non free-rider là : µ[(1-ρ(t))ηxn(t) + (1-κ(t))y(t)] Và tổng tốc độ download của free-rider là : µ[ρ(t)ηxn(t) + κ(t)y(t)] Tuy nhiên, tốc độ download của free-rider và non free-rider bị giới hạn bởi cxn(t) và cxf(t). Ta có : (5) 15