Sistema P2P Persistente e Bilanciato

1. Sistema P2P Persistente e Bilanciato Emanuele Spinella Corso di Reti di Calcolatori LS Prof. Antonio Corradi A.A. 2003/2004

2. Una rete Peer To Peer (P2P) è un sistema distribuito che permette agli utenti in possesso di una certa applicazione di connettersi fra loro e condividere informazioni Paradigma C/S Ogni terminale può fungere alternativamente o simultaneamente da client e da server Comunicazione molti-a-molti Reti Peer To Peer

3. Reti Peer To Peer • 3 possibili modelli: • Centralizzate • Decentralizzate • Ibride • Ogni modello con proprie caratteristiche, punti deboli e punti di forza

4. Reti P2P Centralizzate • Unico sistema centrale che gestisce il traffico degli utenti • Il sistema centrale è costituito da uno o più server coordinati • Il sistema centrale dispone di directories in cui tiene l’elenco dei files condivisi e tutte le info necessarie per localizzare i proprietari e connettersi ad essi • Napster come tipico esempio

5. Reti P2P Centralizzate • Il peer che necessita di un file inoltra la richiesta al sistema centrale, il quale lo indirizza verso il proprietario del documento e fornisce il supporto per stabilire la connessione Search file Data Tranfer Connection Detect source

6. Reti P2P Centralizzate • Vantaggi: • Efficienza e velocità di ricerca (servizio simile a quello di naming) • Svantaggi: • Tempo di aggiornamento delle directories difficile da dimensionare • Sistema centrale come pericoloso punto di rottura da cui dipende la disponibilità di servizio

7. Reti P2P Decentralizzate • Nessun sistema centrale: ogni peer si fa carico delle operazioni di ricerca e connessione (es. Gnutella) Search file Data transfer Detect source Connect

8. Reti P2P Decentralizzate • Vantaggi: • Flessibilità: non esistono punti di rottura che possono inibire il servizio • Anonimato degli utenti • Svantaggi: • La mancanza di registrazione riduce il controllo sugli utenti: QoS non sempre garantita

9. Reti P2P Ibride • Risultato dell’unione delle due precedenti soluzioni • Presenza di molti supernodi (server) presso ognuno dei quali sono registrati un certo numero di utenti • Tutti i moderni sistemi P2P adottano una soluzione ibrida (WinMX, Kazaa, eMule, ecc.)

10. Reti P2P Ibride • Il meccanismo di ricerca è simile a quello delle reti centralizzate, ma il peer cliente e quello servitore possono appartenere a supernodi diversi Access directory: search file in my subnet Access directory: search file in my subnet Not found!  Data transfer Connect Detect source Search file Search file

11. Reti P2P ibride • Il server ricerca il file all’interno dei peers registrati presso di esso e propaga la richiesta anche verso gli altri supernodi, che cercheranno nel proprio gruppo di utenti • A ricerca terminata si effettua la connessione che precede il trasferimento dei dati

12. Reti P2P ibride • Possibilità di gestire il livello di decentralizzazione o centralizzazione • Un elevato numero di supernodi aumenta la decentralizzazione e diminuisce l’incidenza derivante dall’eventuale crash di un server (più supernodi significa meno peers registrati presso ognuno di essi, quindi meno utenti isolati dal servizio in caso di crash), ma si giova meno dei vantaggi che i server stessi possono offrire • Un basso numero di supernodi sposta l’architettura verso il modello centralizzato, con tutti i vantaggi e gli svantaggi che questo comporta

13. Rete P2P persistente e bilanciata • Necessità di dotare una rete P2P di caratteristiche atte ad aumentare la QoS offerta sui fronti della persistenza e del bilanciamento del carico • Applicazioni in contesti che richiedono un alto livello di dependability (es. condivisione di importanti documenti fra stazioni di polizia e organizzazioni per la sicurezza sparse nel mondo e connesse in rete) • Adozione della architettura ibrida

14. Persistenza • La persistenza rappresenta la principale caratteristica del sistema: • Persistenza dell’infrastruttura: necessità di far fronte ad eventuali crash dei supernodi per evitare l’isolameto dalla rete dei peers ad essi connessi • Persistenza dei nodi: ogni singolo nodo deve garantire la persistenza in quanto depositario di importanti informazioni. Necessità di impiego di un modello di replicazione adeguato

15. Bilanciamento del carico • Evitare la presenza contemporanea di nodi inattivi e nodi sovraccarichi • Se un nodo richiede un documento posseduto da più peers, è opportuno che si valuti lo stato di carico di ognuno di essi e si effettui il trasferimento da quello con il numero inferiore di connessioni correnti

16. Architettura • Tre attori principali: • LookUpServer: svolge le funzioni tipiche dei supernodi (supporto per una ricerca efficiente e veloce dei documenti) • Peer: rappresenta un terminale della rete P2P (può essere uno dei computer presenti in una stazione di polizia) • PeerCopy: rappresenta la copia esatta di un Peer e fornisce il supporto per il modello di replicazione atto a garantire la persistenza dei nodi

17. LookUpServer • Ogni peer, al suo ingresso nella rete, deve registrarsi presso un LookUpServer • Novità rispetto al modello ibrido standard: il LookUpServer non possiede nessuna directory delle risorse condivise (utilizzo di messaggi di ricerca) • A fronte di una richiesta il LookUpServer del nodo client (MasterServer) invia dei messaggi di ricerca a tutti i propri peers e agli altri servers (SlaveServer) • Maggiore overhead di comunicazione • Eliminati i problemi derivanti dalla frequenza di aggiornamento delle directories

18. LookUpServer (ricerca) • Il peer client invia la richiesta al proprio LookUpServer (MasterServer) Search message Response message

19. LookUpServer (ricerca) • Il MasterServer replica la richiesta ai propri peers e agli SlaveServer Search message Response message

20. LookUpServer (ricerca) • Gli SlaveServer replicano la richiesta ai propri peers Search message Response message

21. LookUpServer (ricerca) • I peers che hanno ricevuto la richiesta rispondono ai propri LookUpServer Search message Response message

22. LookUpServer (ricerca) • Il MasterServer riceve le risposte raccolte dagli SlaveServer Search message Response message

23. LookUpServer (ricerca) • Il MasterServer compone la risposta complessiva e la invia al client, il quale dovrà poi scegliere il documento che desidera Merge responses Search message Response message

24. Merge responses • Problema dovuto alla formulazione delle richieste con stringhe che non costituiscono un match esatto con il nome del documento desiderato • Possibilità di trovare più documenti che contengono la stringa di query (es. la stringa “ack” può causare il ritrovamento dei files acknowledge.pdf, racket.mp3, sacker.doc, pippo.ack, ecc) • Più peers possono avere lo stesso documento • Il MasterServer deve elaborare le risposte ricevute dai propri peers e dagli SlaveServer raggruppando le occorrenze uguali • Lo stesso devono fare gli SlaveServer con le risposte provenienti dai propri peers

25. RequestFile - Name - PeerList [ ] + addPeerList(in pList[ ]) RequestFile • E’ una struttura dati che rappresenta un file il cui nome contiene la stringa di query • Ogni RequestFile è caratterizzato dal nome del file che rappresenta e dalla lista dei peers che lo possiedono

26. RequestFile • Ogni LookUpServer riceverà un certo numero di RequestFile e dovrà unire quelli omonimi in un unico oggetto, aggregando le liste dei peers proprietari • L’utente che ha inizialmente fatto la richiesta, alla fine del procedimento di ricerca, potrà scegliere fra un insieme di files (RequestFile) diversi senza sapere a chi appartengono (trasparenza della locazione) • Il download di una risorsa appartenente a più nodi viene gestita dal sistema scegliendo il peer ‘migliore’ da cui scaricare, in modo da bilanciare il più possibile il carico sulla rete

27. RequestFile (merging) • Ogni peer istanzia un RequestFile per ogni file in suo possesso che fa match con la query Request File Name = resA PeerList = {p1} Request File Name = resA PeerList = {p2} Request File Name = resB PeerList = {p1} Request File Name = resC PeerList = {p2} Peer p2 Peer p1 LookUpServer

28. RequestFile (merging) • Il LookUpServer riceve i RequestFile di tutti i peers e unisce quelli omonimi modificando opportunamente la PeerList Request File Name = resA PeerList = {p1, p2} Request File Name = resA PeerList = {p1} Request File Name = resA PeerList = {p2} Request File Name = resB PeerList = {p1} Request File Name = resB PeerList = {p1} Request File Name = resC PeerList = {p2} Peer p2 Request File Name = resC PeerList = {p2} Peer p1 LookUpServer Result

29. Peer • Nodo che può effettuare e/o ricevere richieste di ricerca di files • In caso di richiesta ricevuta, il Peer deve controllare nella propria directory di sharing la presenza di uno o più files nel cui nome sia contenuta la stringa di query • Per ogni file compatibile con la query il Peer deve comporre un oggetto RequestFile e inviarlo al proprio LookUpServer

30. PeerCopy • Ogni Peer è dotato di una copia, fisicamente rappresentata da un diverso terminale, che possiede gli stessi files condivisi dall’originale • Il modello di replicazione utilizzato è quello a copie calde e passive: • Calde in quanto vengono create insieme all’originale e si mantengono aggiornate sullo stato del sistema • Passive perchè non eseguono fino al crash del peer associato

31. PeerCopy • Dal punto di vista logico il Peer estende il concetto di copia; infatti quest’ultima è un Peer a tutti gli effetti, a parte il fatto che non può inoltrare richieste, ma solo riceverne ed eventualmente eseguire l’upload dei files • Esattamente come un Peer, la copia si deve registrare presso il LookUpServer (lo stesso del Peer cui è associata)

32. QoS: Persistenza • La persistenza è ottenuta mediante un sistema di heartbeats che consente di testare costantemente lo stato di attività dell’infrastruttura di supporto (LookUpServer) e dei peers • La mancata ricezione dell’heartbeat allo scadere di un timeout, provoca l’innesco di una procedura di recovery

33. QoS: Persistenza dell’infrastruttura di supporto • L’eventuale crash di un LookUpServer può causare l’isolamento dalla rete di tutti i peers (e delle copie) ad esso connessi • Iniziativa dei peers e delle copie per monitorare lo stato del server ed eseguire l’eventuale procedura di recovery (monitoring non centralizzato)

34. QoS: Persistenza dell’infrastruttura di supporto • Invio periodico di heartbeats (hb) dal LookUpServer ai peers connessi

35. QoS: Persistenza dell’infrastruttura di supporto • Dopo la ricezione di ogni hb, il Peer fa partire un timer, prima dello scadere del quale deve essere ricevuto l’hb successivo

36. QoS: Persistenza dell’infrastruttura di supporto • In caso di guasto, gli hb non possono più essere inviati e il timer di ogni Peer scade timer timer

37. QoS: Persistenza dell’infrastruttura di supporto • Ogni Peer esegue una procedura di recovery che consiste nel registrarsi presso un altro server e indurre la copia a fare lo stesso register New Server Info register register New Server Info register

38. QoS: Persistenza dell’infrastruttura di supporto • Viene ristabilito il sistema di hb

39. QoS: Persistenza dei nodi • In caso di crash di un Peer deve essere automaticamente messa in esecuzione la copia, per garantire la continuità del servizio • La copia, calda e passiva, mantiene monitorato lo stato di attività dell’originale ricevendo da questo dei segnali di hb

40. QoS: Persistenza dei nodi • In caso di crash del Peer, la copia non riceve più alcun hb e, allo scadere di un timeout, inizia la propria procedura di recovery PeerCopy timer Server hb

41. QoS: Persistenza dei nodi • PeerCopy disattiva l’originale sul server: il binomio Peer/PeerCopy è sempre presente, un flag stabilisce quale dei due è attivo Deactivate original Peer Server hb

42. QoS: Persistenza dei nodi • I parametri dell’originale vengono mantenuti all’interno del server anche in caso di crash, in modo da poter essere riutilizzati in seguito a una futura riattivazione e per mantenere la corrispondenza con la copia Deactivate original Peer Server hb

43. QoS: Persistenza dei nodi • Le richieste di files arrivano al Peer originale o alla copia a seconda dello stato del flag. PeerCopy è perciò in grado di effettuare l’upload di un file Deactivate original Peer Server hb

44. QoS: Persistenza dei nodi • La seconda fase del protocollo di recovery prevede la redirezione degli hb del server verso la copia: poiché l’originale è down spetta alla copia monitorare lo stato di attività del LookUpServer Server hb Server hb

45. QoS: Persistenza dei nodi • Il crash di un Peer può avvenire in un momento di inattività, ma anche durante il trasferimento di un file • Oltre al protocollo di recovery bisogna gestire anche il fallimento del trasferimento dati • Il Peer sorgente invia al nodo ricevente, prima dell’inizio del trasferimento, l’indirizzo della propria copia • In caso di fallimento del Peer il nodo ricevente può, senza effettuare nuove ricerche, rivolgersi direttamente alla copia per riiniziare il trasferimento

46. QoS: Persistenza generale • E’ anche possibile che i guasti non colpiscano isolatamente il LookUpServer o il Peer, ma entrambe le entità • Di particolare interesse il caso di guasto di un LookUpServer in un momento in cui anche il Peer originale è down

47. Registrazione virtuale • Peer e PeerCopy sono due entità che collaborano per rappresentare un unico concetto di nodo persistente • Finchè la copia è attiva, l’utente percepisce il nodo come attivo, in quanto è in grado di fornire il servizio (anche se l’originale è down)

48. Registrazione virtuale • Esattamente come nel caso di crash del solo Peer originale, il binomio Peer/PeerCopy deve rimanere presente a livello di LookUpServer • Se cade anche il LookUpServer, spetta alla copia effettuare una nuova registrazione presso un altro server, sia di se stessa, sia dell’originale andato in crash (registrazione virtuale) • Sul nuovo server vengono inseriti i parametri della copia e dell’originale, esattamente come sul vecchio. Viene infine opportunamente settato il flag che segnala l’attività della copia • Quando il Peer originale verrà riattivato si ritroverà registrato presso un server differente

49. Bilanciamento del carico • Aspetto relativo alla QoS avente la finalità di distribuire, con politiche che rispettano il principio di minima intrusione, il carico in modo omogeneo sui diversi nodi • Bilanciamento a livello di: • Peer/Copia: per quanto riguarda il trasferimento dati • LookUpServer: per quanto riguarda il numero di registrazioni

50. Registration Balancing • L’ingresso nella rete da parte di un Peer presuppone la sua registrazione presso un LookUpServer • Ogni Peer dispone di una lista di server memorizzata in locale sotto forma di file • Il Peer contatta il primo server attivo della lista, il quale: • Aggiorna la server-list del Peer con l’elenco attuale dei server attivi • Rileva il numero di connessioni di tutti i server attivi e dirige la registrazione del peer verso il LookUpServer meno carico