Algoritmos distribuídos para ambientes virtuais de larga escala

1. Algoritmos distribuídos para ambientes virtuais de larga escala Trabalho da disciplina Algoritmos Distribuídos (2007.1) Rodrigo de Souza Lima Espinha

2. Conteúdo • Introdução • Algoritmos para ambientes virtuais de larga escala • SOLIPSIS • VON • Análise e comparação • Conclusão • Referências

3. Ambientes virtuais distribuídos • Mundo virtual (Hu et al., 2006; Keller & Simon, 2004) • Espaço virtual gerado por computador • Composto por entidades • Avatares: controlados pelos usuários • Objetos virtuais: controlados por computadores • Dinâmico (tempo-real) • Movimento, entrada e saída de entidades • Interação entre as entidades • Distribuído • Entidades participantes em computadores diferentes

4. Ambientes virtuais distribuídos

5. Ambientes virtuais distribuídos • Aplicações (Hu & Liao, 2004) • Simulações militares • Massively Multiplayer Online Games (MMOG) • World of Warcraft • The Sims Online • Mundos virtuais • SOLIPSIS (Keller & Simon, 2004; SOLIPSIS, 2007) • Second Life

6. Requisitos • Requisitos (Hu et al., 2006) • Desempenho • Tempo-real • Consistência • Mesma visão do mundo • Descoberta de outras entidades • Tolerância a falhas • Disponibilidade • Persistência • Segurança • Autenticação • Detecção de trapaceiros • Escalabilidade

7. Arquiteturas • Cliente-servidor (Knutsson et al., 2004; Chen & Muntz, 2006) • Facilidade para atender a requisitos como segurança e persistência • Mais utilizado comercialmente • Clusters de servidores para suportar grande número de usuários • Alto custo de manutenção • Dificuldades de escalabilidade

8. Arquiteturas • Peer-to-peer(Androutsellis-Theotokis & Spinellis, 2004; Chen & Muntz, 2006) • Descentralizada • Peers independentes • Escalável • Localidade de conexões • Baixo custo • Dificuldades • Segurança • Persistência

9. Arquiteturas • Híbridas (Chen & Muntz, 2006; Lee et al., 2007) • Redução de custos para fabricantes de jogos • Servidores • Autenticação • Persistência • Interações pesadas entre entidades • Peers • Comunicação com peers próximos • Escalabilidade

10. Estratégias para Escalabilidade • Redução do custo de troca de mensagens (Hu & Liao, 2004) • Comunicação localizada • Particionamento do mundo virtual • Cliente-servidor • Região para cada servidor • Peer-to-peer • Conexões com vizinhos • Áreas de interesse

11. Algoritmos estudados • Sistemas peer-to-peer • SOLIPSIS • VON: Voronoi-Bases Overlay Network (Hu & Liao, 2004; Hu et al., 2006) • Estratégias para escalabilidade • Técnicas de geometria computacional

12. SOLIPSIS • Mundo virtual • Toro bidimensional • Grafo (G) de entidades (E) e conexões (C) • Áreas de interesse (AOI) • Imagens extraídas de (Keller & Simon, 2004; SOLIPSIS, 2007)

13. SOLIPSISPropriedades • Conhecimento local (local awareness) • Conhecimento que entidade e tem de seus vizinhos (k(e)) dentro da AOI (A(e)) • Garantido quando , onde a(e) sãoentidades dentro da AOI • Se e pertence a A(e’) e A(e’’) • e’ e e’’ serão notificados de mundaças em e

14. SOLIPSISPropriedades • Conectividade global (global connectivity) • Entidade e só conhece as adjacentes • É preciso que, ao mover-se, a entidade perceba as outras no caminho • Garantido se • Ou, alternativamente, se , onde (Keller & Simon, 2004)

15. SOLIPSISManutenção da consistência local • e monitora seus vizinhos k(e) • e’ move-se para outra posição • e detecta que e’ k(e) entrou na AOI de e’’ k(e), então notifica é’’ sobre e’ • Garante-se que • e’’ é informada da chegada de e’ • e’’ obtém as informações de vizinhança enquanto se move • Mensagens redundantes ajudam a evitar entidades maliciosas (Keller & Simon, 2004)

16. SOLIPSISManutenção da conectividade global • Se a entidade e moveu-se • A propriedade de conectividade global pode ter sido desrespeitada por e • Correção • e detecta a inconsistência (verifica se o ângulo direcional (e1 e ef) < ) • e envia mensagem de query para as entidades no setor . • Se e1 recebe a mensagem e respeita a propriedade, então está conectada a uma entidade e2 do semi-plano 1 t.q.  (e2 e ef) <  (e1 e ef). • Se  (e2 e ef) < , a conectividade global é restaurada. Senão, recursivamente retorna-se para o passo 2, com e2 em vez de e1.. • Eventualmente encontra-se um candidato que atenda à propriedade. Então a conectividade global é restaurada. (Keller & Simon, 2004)

17. SOLIPSISEntrada de entidade • Entidade e quer entrar em pose = (xe, ye) • e encontra um ponto de entrada (outro peer (e0) do mundo) • A partir de e0, caminha-se para e (estratégia gulosa – menor distância). • Quando, para en, não houver vizinho mais próximo de e que en, começa a “circundar” e: • en assume ser vizinho mais próximo de e e estabelece conexão. • Caminha-se para em, a entidade mais próxima de e diferente de en. • em conecta-se a e. • Encontra-se o vizinho mais próximo, formando polígono convexo ao redor de e. • Se d(e, em+1) < d(e, en), retorna-se ao passo 2, com e0 = em+1. • Senão, procuram-se entidades (em+1) mais próximas a e que estão no semi-plano definido por (e, em), na direção iniciada por en. Repetem-se as etapas 3.1 a 3.6, com en = em+1, até que o semi-plano de (e, en) seja atravessado, o que representa a criação de um polígono convexo ao redor de e. • e é notificada sobre o fim do algoritmo, e passa a fazer parte da rede. (Keller & Simon, 2004)

18. VON • Diagrama de Voronoi da entidade e • Vizinhos envolventes • Vizinhos de fronteira • Vizinhos regulares Hu et al., 2006

19. VONEntrada de entidade • Entidade e quer entrar na posição pose • e contacta o servidor de acesso, (pode ser o primeiro peer (e0) a participar da rede) e obtém id global. • Caminha-se na direção de pose (estratégia gulosa - menor distância), até encontrar a região de en, onde e será inserido. • en envia a sua lista de vizinhos para e. • e entra em contato com os novos vizinhos e constrói um diagrama de Voronoi. Os vizinhos também atualizam seus diagramas para incluir a nova entidade. • A região de en será agora dividida com e • Somente as regiões dos vizinhos envolventes serão afetadas. Hu et al., 2006

20. VONSaída / falha de entidade • e se desconecta da rede. • Ausência de e é detectada pelas entidades afetadas • e é vizinho envolvente de outras entidades • Timeouts • Entidades das quais e é vizinho de fronteira são notificadas por outros vizinhos ainda na rede. • Entidades afetadas atualizam seus diagramas de Voronoi. Hu et al., 2006

21. VONMovimentação de entidade • Ao movimentar-se, e notifica todos os vizinhos sobre a nova posição. • Se o receptor en é um vizinho de fronteira • en determina se um de seus vizinhos envolventes agora está dentro da nova AOI de e. • Se sim, notifica-se e. • e conecta-se com os novos vizinhos e envia lista dos seus vizinhos envolventes • Vizinhos de e agora podem notificá-la de outros eventuais vizinhos que ainda estejam faltando. • e desconecta-se dos antigos vizinhos que não estão mais na AOI. Hu et al., 2006

22. Análise e Comparação • Problema tratado: escalabilidade • p2p tem grande potencial • Segurança e persistência não são abordados • Reduzem-se as mensagens trocadas por peer, mas ainda maior que na arquitetura cliente-servidor • Pior caso: n-1 vizinhos • Ocorre raramente Hu & Liang, 2004

23. Análise e Comparação • Modelo de sistema • Assíncrono: algoritmos não assumem limite de tempo • Porém, desejável que participantes do mundo virtual percebam-se sincronizados com os outros • Número de nós da rede e topologia dinâmicos • Falhas temporárias de (poucas) entidades ou de omissão de canais • Vizinhos colaboram para manter consistência • Entidade que voltou a funcionar entra no sistema como uma nova • Canais de comunicação seguros

24. Análise e Comparação • Entidades podem ficar temporariamente inconsistentes • Enventualmente a consistência é restaurada pelos vizinhos • Tamanho da área de interesse (AOI) • Ruim se muito pequena ou grande • AOI dinâmica • Capacidade da entidade • Densidade da AOI

25. Análise e Comparação • Espaço do mundo virtual é 2D • Generalização (?) • SOLIPSIS • Fecho convexo 3D • 3-torus • VON • Diagrama de Voronoi 3D

26. Conclusão • Algoritmos apresentados • Foco em escalabilidade • Segurança, persistência, etc. ainda devem ser investigados • Arquiteturas híbridas?

27. Bibliografia • CAVAGNA, R.; BOUVILLE, C., ROYAN, J. P2P Network for very large virtual environment. In Proceedings of the ACM Symposium on Virtual Reality Software and Technology (Limassol, Cyprus, November 01 - 03, 2006). VRST '06. ACM Press, New York, NY, 269-276. • CHEN, A.; MUNTZ, R. R. Peer clustering: a hybrid approach to distributed virtual environments. In Proc. of 5th ACM SIGCOMM, Out. 2006. • HAMPEL, T.; BOPP, T.; HINN, R. A peer-to-peer architecture for massive multiplayer online games. In Proceedings of 5th ACM SIGCOMM Workshop on Network and System Support For Games (Singapore, October 30 - 31, 2006). • HU, S.; LIAO, G. Scalable peer-to-peer networked virtual environment. In Proceedings of 3rd ACM SIGCOMM Workshop on Network and System Support For Games (Portland, Oregon, USA, August 30 - 30, 2004). NetGames '04. ACM Press, New York, NY, 129-133. • HU, S.; CHEN, J.; CHEN, T. VON: a scalable peer-to-peer network for virtual environments. In IEEE Network, 4(2), pp. 22-32, jul-ago, 2006. • KELLER, J.; SIMON, G. SOLIPSIS: A Massively Multi-Participant Virtual World. In Proc. Of PDPTA 2003,. pg. 262-268; 2003. • KNUTSSON, B.; LU, H.; XU, W.; HOPKINGS, B. Peer-to-peer support for Massively Multiplayer Games. In IEEE INFOCOM, 2004. • Lee, D., Lim, M., Han, S., and Lee, K. 2007. ATLAS: A Scalable Network Framework for Distributed Virtual Environments. Presence: Teleoper. Virtual Environ. 16, 2 (Apr. 2007), 125-156. DOI= http://dx.doi.org/10.1162/pres.16.2.125. • SOLIPSIS. SOLIPSIS Web Site. http://solipsis.netofpeers.net. Acessado em jun. 2007.

28. FIM Perguntas?