PeertoPeer Netzwerke Christian Schindelhauer Sommersemester 2006 4 Vorlesung

Peer-to-Peer. Netzwerke Christian Schindelhauer Sommersemester 2006 4. Vorlesung 04. 05. 2006 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 1

Inhalte Ø Kurze Geschichte der Peer-to-Peer. Netzwerke Ø Das Internet: Unter dem Overlay Ø Die ersten Peer-to-Peer-Netzwerke – Napster – Gnutella – Die Verbindungsstruktur von Gnutella Ø Chord Ø Pastry und Tapestry Ø Gradoptimierte Netzwerke – Viceroy – Distance-Halving – Koorde Ø Netzwerke mit Suchbäumen – Skipnet und Skip-Graphs – P-Grid Peer-to-Peer-Netzwerke Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Ø Selbstorganisation – Pareto-Netzwerke – Zufallsnetzwerke – Selbstorganisation – Metrikbasierte Netzwerke Sicherheit in Peer-to-Peer-Netzwerken Ø Anonymität Ø Datenzugriff: Der schnellere Download Ø Peer-to-Peer-Netzwerke in der Praxis – e. Donkey – Fast. Track – Bittorrent Ø Peer-to-Peer-Verkehr Ø Juristische Situation 4. Vorlesung - 2

Die Internet-Schichten TCP/IP-Layer Anwendung Application Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Peer-to-Peer-Netzwerke, HTTP (Web), SMTP (E-Mail), . . . TCP (Transmission Control Protocol) Transport UDP (User Datagram Protocol) Vermittlung Network Verbindung Link Peer-to-Peer-Netzwerke IP (Internet Protocol) + ICMP (Internet Control Message Protocol) + IGMP (Internet Group Management Protoccol) LAN (z. B. Ethernet, Token Ring etc. ) 4. Vorlesung - 3

IPv 6 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Wozu IPv 6: ØIP-Adressen sind knapp – Zwar gibt es 4 Milliarden in IPv 4 (32 Bit) – Diese sind aber schlecht organisiert ØAutokonfiguration – DHCP, Mobile IP, Umnummerierung ØNeue Dienste – Sicherheit (IPSec) – Qualitätssicherung (Qo. S) – Multicast ØVereinfachungen für Router – keine IP-Prüfsummen – Keine Partitionierung von IP-Pakete Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 4

TCP-Header Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Ø Sequenznummer – Nummer des ersten Bytes im Segment – Jedes Datenbyte ist nummeriert modulo 256 Ø Bestätigungsnummer – Aktiviert durch ACK-Flag – Nummer des nächsten noch nicht bearbeiteten Datenbytes • = letzte Sequenznummer + letzte Datenmenge Ø Sonstiges: – Port-Adressen • Für parallele TCPVerbindungen • Ziel-Port-Nr. • Absender-Port – Headerlänge • data offset – Prüfsumme • Für Header und Daten Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 5

Gleitende Fenster (sliding windows) Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ØDatenratenanpassung durch Fenster – Empfänger bestimmt Fenstergröße (wnd) im TCP-Header ACKSegmente – Ist Empfangspuffer des Empfängers voll, sendet er wnd=0 – Andernfalls sendet Empfänger wnd>0 ØSender beachtet: – Anzahl unbestätigter gesender Daten ≤ Fenstergröße Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 6

Slow Start Congestion Fenster Segment 1 ACK: Segment 1 Segment 2 ACK: Segment 3 Segment 4 Segment 5 Segment 6 Segment 7 Empfänger Segment 3 Sender Ø Sender darf vom Empfänger angebotene Fenstergröße nicht von Anfang wahrnehmen Ø 2. Fenster: Congestion-Fenster (cwnd/Congestion window) – Von Sender gewählt (FSK) – Sendefenster: min {wnd, cwnd} – S: Segmentgröße – Am Anfang: • cwnd ← S – Für jede empfangene Bestätigung: • cwnd ← cwnd + S – Solange bis einmal Bestätigung ausbleibt Ø „Slow Start“ = Exponentielles Wachstum Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ACK: Segment 5 ACK: Segment 7 Segment 8 Segment 9 Segment 10 … Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 7

Durchsatzoptimierung in der Transportschicht Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ØHauptproblem von TCP: Durchsatzoptimierung durch Stauvermeidung – Jacobson: min. 99% aller verlorenen Pakete durch IP wegen Datenüberlaufs (congestion) an Routern – Feedback in der Transportschicht nur durch Ackn. -Pakete: • Wird ein Paket nicht bestätigt, war der gewählte Datendurchsatz zu hoch § TCP verringert Datendurchsatz • Werden alle Pakete bestätigt, war der Datendurchsatz genau richtig oder zu niedrig § TCP erhöht Datendurchsatz Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 8

Durchsatz und Antwortzeit Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ØKlippe: – Hohe Last – Geringer Durchsatz – Praktisch alle Daten gehen verloren ØKnie: – Hohe Last – Hoher Durchsatz – Einzelne Daten gehen verloren Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 9

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Modell ØRundenmodell – In Runde t steht Bandweite ut zur Verfügung – Algorithmus fordert in Runde Bandweite xt an – Feedback zu Beginn von Runde t+1: • Ist xt > ut? (d. h. sind Pakete verloren gegangen) – Algorithmus erfährt nie die wirklich verfügbaren Bandweiten Host A Runde sendet xt Pakete t Internet Host B Bandweite läßt maximal ut Pakete durch erhält min(xt, ut) Pakete schickt Bestätigung (Ack. ) erhält Ack. und berechnet xt+1 sendet xt+1 Pakete Peer-to-Peer-Netzwerke Bandweite läßt maximal ut+1 Pakete durch erhält min(xt+1, ut+1) Pakete 4. Vorlesung - 10

Stauvermeidung in TCP Tahoe Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer x: Anzahl Pakete pro RTT ØJacobson 88: – Parameter: cwnd und Slow-Start-Schwellwert (ssthresh=slow start threshold) – S = Datensegmentgröße = maximale Segmentgröße ØVerbindungsaufbau: x← 1 – cwnd ← S ssthresh ← 65535 y ← max ØBei Paketverlust, d. h. Bestätigungsdauer > RTO, – Dann multiplicatively decreasing x← 1 cwnd ← S ssthresh ← y ← x/2 ØWerden Segmente bestätigt und cwnd ≤ ssthresh, – dann slow start cwnd ← cwnd + S x ← 2⋅x, bis x = y ØWerden Segmente bestätigt und cwnd > ssthresh, – dann additively increasing x ← x +1 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 11

TCP Tahoe Peer-to-Peer-Netzwerke Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 4. Vorlesung - 12

Fast Retransmit und Fast Recovery Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ØTCP Tahoe [Jacobson 1988]: – Geht nur ein Paket verloren, dann • Wiederversand Paket + Restfenster • Und gleichzeitig Slow Start – Fast retransmit • Nach drei Bestätigungen desselben Pakets (triple duplicate ACK), • sende Paket nochmal, starte mit Slow Start ØTCP Reno [Stevens 1994] – Nach Fast retransmit: y ← x/2 • ssthresh ← min(wnd, cwnd)/2 x←y+3 • cwnd ← ssthresh + 3 S – Fast recovery nach Fast retransmit • Erhöhe Paketrate mit jeder weiteren Bestätigung • cwnd ← cwnd + S – Congestion avoidance: Trifft Bestätigung von P+x ein: • cwnd ← ssthresh Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 13

Stauvermeidungsprinzip: AIMD Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ØKombination von TCP und Fast Recovery verhält sich im wesentlichen wie folgt: ØVerbindungsaufbau: x← 1 ØBei Paketverlust, MD: multiplicative decreasing x ← x/2 ØWerden Segmente bestätigt, AD: additive increasing x ← x +1 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 14

Beispiel: TCP Reno in Aktion Fast Retransmit Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Fast Recovery Additively Increase Slow Start Peer-to-Peer-Netzwerke Multiplicatively Decrease 4. Vorlesung - 15

Ein einfaches Datenratenmodell Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Øn Teilnehmer, Rundenmodell – Teilnehmer i hat Datenrate xi(t) – Anfangsdatenrate x 1(0), …, xn(0) gegeben ØFeedback nach Runde t: – y(t) = 0, falls – y(t) = 1, falls – wobei K ist Knielast ØJeder Teilnehmer aktualisiert in Runde t+1: – xi(t+1) = f(xi(t), y(t)) – Increase-Strategie f 0(x) = f(x, 0) – Decrease-Strategie f 1(x) = f(x, 1) ØWir betrachten lineare Funktionen: Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 16

Lineare Datenratenanpassung Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ØInteressante Spezialfälle: – AIAD: Additive Increase Additive Decrease – MIMD: Multiplicative Increase/Multiplicative Decrease – AIMD: Additive Increase Multiplicative Decrease Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 17

Konvergenz Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ØKonvergenz unmöglich ØBestenfalls Oszillation um Optimalwert – Oszillationsamplitude A – Einschwingzeit T Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 18

Vektordarstellung (I) Peer-to-Peer-Netzwerke Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 4. Vorlesung - 19

Vektordarstellung (II) Peer-to-Peer-Netzwerke Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 4. Vorlesung - 20

AIAD Additive Increase/ Additive Decrease Peer-to-Peer-Netzwerke Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 4. Vorlesung - 21

MIMD Peer-to-Peer-Netzwerke Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 4. Vorlesung - 22

AIMD Peer-to-Peer-Netzwerke Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 4. Vorlesung - 23

Ende der 4. Vorlesung Peer-to-Peer-Netzwerke Christian Schindelhauer Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 24