Simulacijski alati i njihova ograničenja pri analizi i unapređenju rada mreža istovrsnih entiteta

242 Pages·2010·5.33 MB·Croatian

by  Tedo Vrbanec

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET ORGANIZACIJE I INFORMATIKE VARAŽDIN
Tedo Vrbanec
SIMULACIJSKI ALATI I NJIHOVA OGRANIČENJA PRI ANALIZI I
UNAPREĐENJU RADA MREŽA ISTOVRSNIH ENTITETA
MAGISTARSKI RAD
Varaždin, 2010.
PODACI O MAGISTARSKOM RADU
I. AUTOR
Ime i prezime Tedo Vrbanec
Datum i mjesto rođenja 7. travanj 1969., Čakovec
Naziv fakulteta i datum diplomiranja Fakultet organizacije i informatike, 10. listopad 2001.
Sadašnje zaposlenje Učiteljski fakultet Zagreb – Odsjek u Čakovcu
II. MAGISTARSKI RAD
Simulacijski alati i njihova ograničenja pri analizi i
Naslov
unapređenju rada mreža istovrsnih entiteta
Broj stranica, slika, tablica, priloga, XIV + 181 + XXXVIII stranica, 53 slike, 18 tablica, 3
bibliografskih podataka priloga, 288 bibliografskih podataka
Znanstveno područje, smjer i disciplina iz koje Područje: Informacijske znanosti
je postignut akademski stupanj Smjer: Informacijski sustavi
Mentor Prof. dr. sc. Željko Hutinski
Sumentor Prof. dr. sc. Vesna Dušak
Fakultet na kojem je rad obranjen Fakultet organizacije i informatike Varaždin
Oznaka i redni broj rada
III. OCJENA I OBRANA
Datum prihvaćanja teme od Znanstveno-
17. lipanj 2008.
nastavnog vijeća
Datum predaje rada 9. travanj 2010.
Datum sjednice ZNV-a na kojoj je prihvaćena
18. svibanj 2010.
pozitivna ocjena rada
Prof. dr. sc. Neven Vrček, predsjednik
Sastav Povjerenstva koje je rad ocijenilo Prof. dr. sc. Željko Hutinski, mentor
Prof. dr. sc. Vesna Dušak, sumentor
Datum obrane rada 1. lipanj 2010.
Prof. dr. sc. Neven Vrček, predsjednik
Sastav Povjerenstva pred kojim je rad obranjen Prof. dr. sc. Željko Hutinski, mentor
Prof. dr. sc. Vesna Dušak, sumentor
Datum promocije
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET ORGANIZACIJE I INFORMATIKE VARAŽDIN
P
OSLIJEDIPLOMSKI ZNANSTVENI STUDIJ INFORMACIJSKIH ZNANOSTI
S : I
MJER STUDIJA NFORMACIJSKI SUSTAVI
Tedo Vrbanec
Broj indeksa: P-802/2001
SIMULACIJSKI ALATI I NJIHOVA OGRANIČENJA PRI ANALIZI I
UNAPREĐENJU RADA MREŽA ISTOVRSNIH ENTITETA
MAGISTARSKI RAD
Mentor:
Prof. dr. sc. Željko Hutinski
Sumentor:
Prof. dr. sc. Vesna Dušak
Varaždin, travanj 2010.
ZAHVALA
Hvala supruzi Nataši te djeci Davidu, Juditi,
Dominiku i Justini na ljubavi, strpljivosti, prijateljstvu i
radosti što postojite i što ste tako divni! Žao mi je što sam
vam bio mnogo manje dostupan nego što sam htio. Vama
posvećujem ovaj rad.
Hvala mentoru, prof. dr. sc. Željku Hutinskom na
njegovu prijateljstvu, razgovorima, savjetu, vodstvu i
podršci još od vremena prve godine dodiplomskog studija.
Hvala sumentorici, prof. dr. sc. Vesni Dušak, na
razumijevanju, pomoći, utjesi te vrlo kvalitetnim
primjedbama. Oboje imate veliko srce.
Hvala prof. dr. sc. Nevenu Vrčeku na konstruktivnim
i pronicljivim primjedbama koje su znatno podigle
kvalitetu rada.
Hvala Nadici Hrgarek na prijateljstvu, lekturi,
recenziji, vremenu, trudu i vrlo konkretnim savjetima, a
posebno u podršci kad više nisam imao snage.
Hvala ženinim i mojim roditeljima na daru života i
pomoći i kada su mogli i kada nisu.
Hvala svima koji su molili za ovu nakanu, moju
obitelj i mene te konačno, a zapravo prvo, hvala Bogu na
svemu!
Tedo
Magistarski rad: Simulacijski alati i njihova ograničenja pri analizi i unapređenju rada mreža istovrsnih entiteta
PREDGOVOR
Mreže istovrsnih entiteta1 (engl. peer-to-peer, skraćeno P2P) oblik su
distribuiranih2 računalnih sustava s naglaskom na samoorganiziranje, decentralizaciju i
neovisnost njihovih čvorova. Navedena obilježja omogućuju stvaranje visoko
prilagodljivih, robusnih i proširivih mreža, ujedno izuzetno jeftinih te vrlo zanimljivih kao
način oblikovanja distribuiranih sustava. U radu se ravnopravno koristite izrazi istovrsni
entiteti, engl. izvornik peer-to-peer i pripadna kratica P2P, radi njene praktičnosti i
uvriježenosti njena korištenja. Sva se tri izraza smatraju ekvivalentnima.
Sustavi istovrsnih entiteta pružaju podršku za dijeljenje resursa, razmjenu datoteka,
razmjenu podataka, publiciranje sadržaja, pretraživanje, preuzimanje i distribuciju
sadržaja, spletnu obradu, trenutno dopisivanje, distribuiranu pohranu, distribuirane mrežne
usluge, video na zahtjev te Internet telefoniju, ..., a nove se primjene stalno pojavljuju u
različitim područjima.
P2P tehnologija izrazito povećava iskorištenost3 komunikacijskih kanala i računala
povezanih na Internet. U većini slučajeva P2P tehnologije su mrežno orijentiranog modela
koji ne ovisi o središnjim kontrolnim točkama ili je njihov broj toliki i razmještaj takav da
na prihvatljivu razinu smanjuje broj veza iz punog mrežnog modela. Na taj način se, osim
povećanja performansi u traženju, dostavi i obradi informacija, poboljšava i ukupna
pouzdanost sustava.
Zašto su mreže istovrsnih entiteta tako učinkovite? Kada korisnik želi preuzeti
datoteke sa primjerice web stranica, on pritiskom tipke miša na određenu web poveznicu ili
upisom određene web adrese posredstvom tipkovnice zapravo podnosi HTTP GET zahtjev.
Ovaj zahtjev za datotekom koristi jednu TCP vezu, te komunicira s jednim poslužiteljem s
kojeg prenosi cijelu datoteku. Nasuprot tome, mreže istovrsnih entiteta odnosno njihovi
protokoli stvaraju TCP veze s većim brojem čvorova i ostvaruju niz malih zahtjeva za
prijenosom podataka. Programski klijent mreže istovrsnih entiteta na kraju od svih
pristiglih dijelova ponovo stvara cjelovitu datoteku. Svaki čvor ima ograničeni predajni
kapacitet (engl. upload) komunikacijskog kanala kojim je povezan na Internet, ali
povezanost sa mnogim čvorovima u mrežama istovrsnih entiteta omogućava brži ukupni
1Entitet je, sasvim općenito, nešto što postoji. Formalno, istovrsni entiteti opisani su uređenim skupom
istovrsnih atributa. Danas se u poslovnoj primjeni mreža prevladavajuće koristi model mrežne arhitekture
koji nazivamo klijent-poslužitelj. I klijent i poslužitelj su entiteti – čvorovi mreže – različitih uloga i zadaća.
Istovrsni entiteti su, nasuprot tome, ravnopravnih uloga, zadaća i mogućnosti odnosno odgovornosti.
2Vidjeti prilog Distribuirani računalni sustavi.
3Cinici bi mogli s pravom reći opterećenost.
I
Magistarski rad: Simulacijski alati i njihova ograničenja pri analizi i unapređenju rada mreža istovrsnih entiteta
prijenos datoteke. Čim se djelić datoteke prenese s jednog čvora na drugi, onaj drugi i sam
postaje poslužitelj za druge korisnike koji taj djelić još nisu preuzeli te doprinosi kako
bržoj cirkulaciji podataka, tako i disperziji troškova prijenosa među korisnicima. Sustav
ujedno postaje i robustan, jer se zalihost podataka povećava. Isti djelić datoteke može se
nalaziti kod mnoštva korisnika, a da niti jedan od njih ne mora imati cijelu datoteku(!).
Eksperimentalna evaluacija i testiranje najbolji su načini za analizu distribuiranih
sustava. Implementacija mreža istovrsnih entiteta zahtijeva angažiranje značajnih resursa u
obliku velikog broja čvorova i korisnika, te ih je u stvarnom životu moguće testirati tek
kada se izgrade. Kako bi se ipak unaprijed testiralo i predvidjelo njihovo ponašanje, dva su
moguća rješenja: jedno predstavljaju simulacije programskim simulatorima, a drugo je
uključenje u PlanetLab, odnosno Emulab projekte. PlanetLab [1] je testna mreža
oformljena od mnoštva računala, (gotovo tisuću, što je i ciljna veličina), distribuiranih po
cijelom svijetu, s ciljem evaluacije mrežnih i distribuiranih sustava u stvarnim uvjetima.
Svaki istraživački projekt koji koristi PlanetLab dobije virtualne strojeve na podskupu
raspoloživih čvorova. Emulab je jedan od projekata koji koristi fizičke resurse PlanetLaba.
To je također [2] testna mreža povezanih računala koja istraživačima omogućava slobodu
korištenja kakve god računalne okoline (OS i potrebne aplikacije na čvorovima korisnici
sami instaliraju), pomoću koje istraživači razvijaju, ispravljaju i procjenjuju svoje
distribuirane sustave. Korisnički računi su kod PlanetLaba ograničeni na korporacije i
sveučilišta koja svojim računalnim i komunikacijskim resursima sudjeluju u projektu
PlanetLab. Emulab ima liberalniji pristup dozvoljavajući da se korisnički računi otvaraju
od strane akademskih istraživača, bez obveze participacije računalnim i mrežnim
resursima.
Korištenje programskih simulatora predstavlja brži i jednostavniji pristup, ali i
manje precizan i vjerodostojan. Po logici stvari trebalo bi ih koristiti u prvim razvojnim
fazama novih P2P protokola, a kada se krene s implementacijom poželjno ih je testirati u
nekom testnom distribuiranom sustavu, poput navedenih PlanetLab i Emulab. Postavlja se
pitanje koliko su postojeći simulatori pogodni za simulacije pojedinih vrsta mreža
istovrsnih entiteta, a s obzirom na kriterije poput prilagodljivosti simulacije ili detaljizacije
načina rada i komuniciranja korisnika, aplikacija, protokola i fizičke mreže.
U Čakovcu, 7. travanj 2010. Tedo Vrbanec
II
Magistarski rad: Simulacijski alati i njihova ograničenja pri analizi i unapređenju rada mreža istovrsnih entiteta
SADRŽAJ
Predgovor................................................................................................................................I
Popis kratica........................................................................................................................VII
Popis slika..............................................................................................................................X
Popis tablica........................................................................................................................XII
Sažetak...............................................................................................................................XIII
Abstract.............................................................................................................................XIV
1 Uvod....................................................................................................................................1
1.1 Uzroci nastanka sustava istovrsnih entiteta..................................................................3
1.2 Definicija sustava istovrsnih entiteta............................................................................6
1.3 Ciljevi istraživanja........................................................................................................7
1.4 Hipoteze........................................................................................................................7
1.5 Struktura rada...............................................................................................................8
2 Sustavi istovrsnih entiteta..................................................................................................10
2.1 Opće značajke.............................................................................................................10
2.1.1 Usporedba modela P2P i klijent-poslužitelj........................................................10
2.1.2 Usporedba HTTP i P2P prometa.........................................................................18
2.2 Povijest razvoja i generacije.......................................................................................19
2.2.1 Počeci masovnije razmjene datoteka...................................................................19
2.2.2 Razvijena konvencionalna razmjena datoteka....................................................19
2.2.3 Suvremena masovna razmjena datoteka..............................................................20
2.2.3.1 Prva generacija: centralizirani sustavi..........................................................21
2.2.3.2 Druga generacija: decentralizirani sustavi...................................................22
2.2.3.3 Treća generacija: hibridni sustavi.................................................................24
2.2.3.4 Četvrta generacija: današnji razvoj..............................................................25
2.3 Mreže istovrsnih entiteta............................................................................................26
2.3.1 Tradicionalne mreže istovrsnih entiteta..............................................................27
2.3.2 Kućne mreže istovrsnih entiteta..........................................................................27
2.3.3 Suvremene mreže za dijeljenje datoteka.............................................................28
2.3.3.1 Vrste mreža istovrsnih entiteta.....................................................................28
2.3.3.1.1 Centralizirane mreže istovrsnih entiteta................................................29
2.3.3.1.2 Decentralizirane mreže istovrsnih entiteta............................................30
2.3.3.1.2.1 Strukturirane mreže istovrsnih entiteta...........................................31
III
Magistarski rad: Simulacijski alati i njihova ograničenja pri analizi i unapređenju rada mreža istovrsnih entiteta
2.3.3.1.2.2 Nestrukturirane mreže istovrsnih entiteta.......................................31
2.3.3.2 Distribuirana tablica raspršivanja.................................................................32
2.3.3.3 Prekrivajuća mreža.......................................................................................35
2.3.3.4 Taksonomija mreža istovrsnih entiteta.........................................................37
2.3.3.5 Primjene mreža istovrsnih entiteta...............................................................43
2.3.3.5.1 Znanstvena primjena mreža istovrsnih entiteta.....................................43
2.3.3.5.2 Primjeri poslovne primjene mreža istovrsnih entiteta...........................46
2.4 P2P protokoli i aplikacije...........................................................................................49
2.4.1 Stanje i odnosi vrsta Internet prometa.................................................................50
2.4.2 Pregled i usporedba P2P aplikacija.....................................................................52
2.4.3 Pregled P2P protokola.........................................................................................59
2.4.3.1 Nestrukturirani P2P protokoli......................................................................60
Napster..................................................................................................................60
Seti@Home..........................................................................................................61
BOINC.................................................................................................................61
Gnutella................................................................................................................62
NeuroGrid.............................................................................................................63
FastTrack..............................................................................................................64
EDonkey...............................................................................................................64
BitTorrent.............................................................................................................65
OpenFT.................................................................................................................66
Direct Connect......................................................................................................68
2.4.3.2 Strukturirani (DHT) P2P protokoli..............................................................70
FreeNet.................................................................................................................70
Chord....................................................................................................................72
CAN.....................................................................................................................74
Tapestry................................................................................................................74
Pastry....................................................................................................................75
Kademlia..............................................................................................................75
JXTA....................................................................................................................76
2.5 Sažetak........................................................................................................................77
3 Kriterijska analiza P2P mreža...........................................................................................83
3.1 Ciljevi korištenja P2P mreža......................................................................................84
3.2 Parametri opisa P2P mreža.........................................................................................86
IV
Magistarski rad: Simulacijski alati i njihova ograničenja pri analizi i unapređenju rada mreža istovrsnih entiteta
3.3 Evaluacija značaja parametara P2P mreža.................................................................94
4 Simulacije i simulatori P2P sustava................................................................................102
4.1 Simulacija sustava i značajke...................................................................................102
4.2 Vrste računalnih simulacija......................................................................................103
4.3 Simulacija s diskretnim događajima.........................................................................104
4.4 Kriteriji usporedbe i vrednovanja P2P simulatora korištenih u istraživanju............105
4.5 Metoda vrednovanja.................................................................................................107
4.6 Pregled korištenih P2P simulatora...........................................................................108
4.6.1 P2P simulatori prekrivajuće mreže....................................................................112
NeuroGrid...............................................................................................................112
FreePastry...............................................................................................................113
PeerSim..................................................................................................................115
RangeSim...............................................................................................................116
GnutellaSim............................................................................................................116
GnucNS..................................................................................................................117
p2psim....................................................................................................................118
PlanetSim...............................................................................................................119
PeerfactSim.KOM..................................................................................................120
GPS.........................................................................................................................123
4.6.2 P2P mrežni simulatori.......................................................................................124
Narses.....................................................................................................................124
NS-2, NS-3.............................................................................................................126
OMNeT++..............................................................................................................128
OverSim.................................................................................................................129
J-Sim.......................................................................................................................131
4.7 Usporedba simulatora...............................................................................................132
4.8 Zaključak..................................................................................................................137
5 Model P2P simulatora.....................................................................................................138
5.1 Funkcionalni zahtjevi...............................................................................................139
5.2 Nefunkcionalni zahtjevi...........................................................................................142
5.3 Koncepcijski model..................................................................................................144
5.3.1 Model mrežnog sloja.........................................................................................146
5.3.2 Model protokola................................................................................................149
5.3.3 Model aplikativnog sloja...................................................................................150
V
Magistarski rad: Simulacijski alati i njihova ograničenja pri analizi i unapređenju rada mreža istovrsnih entiteta
5.3.4 Model korisničkog ponašanja............................................................................151
5.4 ER model..................................................................................................................153
6 Zaključak i preporuke za daljnje istraživanje..................................................................155
Literatura............................................................................................................................161
Prilozi......................................................................................................................................I
I Distribuirani računalni sustavi..........................................................................................I
II ARPANET....................................................................................................................IV
III Kategorije primjena P2P mreža s primjerima.............................................................VI
Čvorovi - agenti..........................................................................................................VII
Suradnja.....................................................................................................................VIII
Razvojne okoline..........................................................................................................XI
Uređaji kao čvorovi....................................................................................................XII
Raspodijeljeno računanje..........................................................................................XIV
Distribuirani objekti.................................................................................................XVII
Distribuirane tražilice.............................................................................................XVIII
Dijeljenje datoteka......................................................................................................XX
Igre..........................................................................................................................XXIII
Infrastruktura..........................................................................................................XXIV
Internetski operacijski sustavi...............................................................................XXVII
Distribucija licenciranih sadržaja..........................................................................XXVII
Platforme za dopisivanje......................................................................................XXVIII
Metapodaci..............................................................................................................XXX
Upravljanje ugledom i imovinom...........................................................................XXXI
Sigurnost...............................................................................................................XXXII
Poslužitelji i servisi kao P2P čvorovi..................................................................XXXIII
Superdistribucija (višekanalna razmjena sadržaja).............................................XXXVI
Stvaranje web sadržaja.......................................................................................XXXVII
VI