7. Peer-to-peer (P2P) networks PB002: Základy informačních technologií Eva Hladká Fakulta informatiky Masarykovy univerzity Podzim 2010 Klient-Server vs. Peer-to-Peer Osnova přednášky Q Klient-Server vs. Peer-to-Peer • Klient-Server systémy • P2P systémy o Překryvové sítě & P2P • Srovnání Klient-server vs. Peer-to-Peer Q Základní členění P2P systémů • Centralizované P2P systémy • Decentralizované P2P systémy • Hybridní P2P systémy Q Bezdrátové ad-hoc sítě • Motivace • (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě • Bezdrátové senzorové sítě • MANETs vs. WSNs • MANETs vs. P2P O Zd roje informací Klient-Server vs. Peer-to-Peer Distribuované aplikace I. • distribuovaný systém sestává z několika autonomních uzlů (počítačů), vzájemně propojených, komunikujících a jevících se (zvnějšku) jako jednotný integrovaný systém • uzly komunikují a interagují skrze komunikační síť • distribuovaná aplikace je „paralelní výpočet", který je však vykonáván na různých počítačích (distribuovaném systému) • pro vytvoření distribuované aplikace je nezbytné rozhodnout: o jak budou jednotlivé moduly dané aplikace rozděleny na uzlech distribuovaného systému, a • jak každý z modulů objeví ostatní, se kterými musí komunikovat Klient-Server vs. Peer-to-Peer Distribuované aplikace II. dva základní přístupy: • Klient-Server architektura • Peer-to-Peer (P2P) architektura hybridní uspořádání je také možné (a v mnoha případech i výhodné) Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 4 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer Klient-Server systémy Architektura Klient-Server I. Systém klient-server sestává ze dvou druhů softwarových modulů: • serverový modul • jedna centralizovaná instance • která však může být interně replikována pro zvýšení škálovatelnosti a robustnosti • pasivně naslouchá na požadavky klientů o spojení • požadavky více klientů mohou být zpracovávány: • sekvenčně 9 paralelně (vícevláknové servery) • souběžně na několika replikovaných serverech (mohou být umístěny i v různých lokacích) • požadavky čekajících klientů jsou umístěny do fronty • předpokládá se, že servery jsou spolehlivé (umístěné v datových centrech na dedikovaném/virtualizovaném HW) Klient-Server vs. Peer-to-Peer Klient-Server systémy Architektura Klient-Server II. • klientský modul • několik distribuovaných instancí, které mohou být spravovány různými uživateli • aktivně iniciuje spojení na server • mezi jednotlivými klienty není žádný přímý komunikační kanál (nevědí o sobě) • klienti potřebují pouze znát síťovou adresu a číslo portu serveru • často poskytováno tzv. service discovery službou • klienti jsou obecně nespolehliví • příklady klient-server systémů • web servery/webové prohlížeče • web servery/klientské aplikace (web services) • SSH/Telnet/FTP servery/klienti • NFS/SMB servery/klienti Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 6 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer P2P systémy P2P architektura • P2P systém sestává z mnoha identických softwarových modulů (tzv. peerů) běžících na různých uzlech v síti • peerové spolu přímo komunikují (každý s každým) • každý peer je jak serverem, tak klientem: • poskytuje své služby ostatním peerů m (= server) • požaduje/využívá služby od ostatních peerů (= klient) • oproti dedikovaným serverům jsou peerové nespolehliví • vyhledání služeb v P2P síti je komplikované, jelikož na různých místech P2P sítě se v průběhu času peerové připojují a odpojují • již z principu své architektury poskytují velmi dobrou škálovatelnost Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 7 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer P2P systémy Srovnání komunikační struktury Client-Server Peer-to-Peer Klient-Server vs. Peer-to-Peer P2P systémy Definice peer-to-peer systému Peer-to-peer (P2P) systém je distribuovaný systém sestávající ze vzájemně propojených uzlů schopných se vzájemně a samostatně organizovat do definovaných síťových topologií za účelem sdílení zdrojů (jako například obsahu, CPU cyklů, úložné a přenosové kapacity), schopných adaptovat se na výpadky při zachování přijatelné konektivity a výkonu, bez požadavků na zprostředkování či podporu centrálního serveru nebo centralizované autority. Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 9 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer P2P systémy Vlastnosti P2P systému o Symetrické role • každý z participujících uzlů typicky poskytuje jak funkcionalitu serveru, tak funkcionalitu klienta • nicméně, v mnoha P2P architekturách je tato funkcionalita relaxována - jsou využity specializované role některých peerů („super peers" či „relay peers") • Skálovatelnost o P2P systémy mohou škálovat k tisícům uzlů • P2P protokoly nemohou využívat tzv. „all-to-all" komunikaci • Heterogenita • P2P systém je obvykle heterogenní co se HW kapacity uzlů týče • Distribuované řízení (decentralizace) • ideálně, v P2P systému by neměla existovat žádná centralizovaná struktura • Dynamika • topologie P2P systému se mohou velmi rychle měnit díky připojování nových klientů a odpojování existujících • Sdílení zdrojů • každý peer svými zdroji (výpočetní kapacita, data, propustnost, atd.) přispívá k fungování a funkcionalitě P2P systému • Samoorganizace • organizace P2P systému se díky lokálním znalostem s postupem času zlepšuje Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 10 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer P2P systémy P2P aplikace Distributed databases Collaborative work environments Collaborative caching and storage Hlnstant Messaging Gaming Scientific computation Content sharing personal enterprise Obrázek: P2P aplikace. Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 11 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer Překryvové sítě & P2P Překryvové sítě & P2P • P2P síť je typicky „virtuální" síť utvořená nad existující síťovou infrastrukturou (např. nad sítí Internet) • překryvová síť je využita pro indexování a zjišťování sousedů (peerů) ^> P2P systém je tak nezávislý na topologii základové (= fyzické) sítě • vlastní data jsou obvykle přenášena po fyzické síti • nový peer musí za účelem svého připojení k P2P síti získat informaci o nejméně jednom jejím členovi • nezbytné síťové informace: IP adresa, port, atd. • informace o dalších peerech mohou být získány od něj Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 12 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer Překryvové sítě & P2P Překryvová síť Obrázek: Překryvová vs. fyzická (základová Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Překryvová síť Klient-Server vs. Peer-to-Peer Překryvové sítě & P2P Překryvová síť Klient-Server vs. Peer-to-Peer Překryvové sítě & P2P Obrázek: Překryvová vs. fyzická (základová Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Překryvová síť Klient-Server vs. Peer-to-Peer Překryvové sítě & P2P Obrázek: Překryvová vs. fyzická (základová) síť Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 16 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer Srovnání Klient-server vs. Peer-to-Peer Klient-server vs. Peer-to-Peer Srovnání I. Systémy mohou být srovnávány z mnoha úhlů pohledu: • Jednoduchost zbudování • K-S je více zavedeným a známějším systémem než P2P systém • K-S vyžaduje jednoduché modely interakce mezi klienty a serverem, zatímco P2P systém zahrnuje více komplexní interakce • Spravovatelnost • spravování centralizovaného serveru v rámci K-S prostředí je jednodušší než správa mnoha distribuovaných peerů • Skálovatelnost • skálovatelnost K-S modelu je limitována hardwarem serveru; jejího zvýšení může být dosaženo dodatečnými finančními prostředky skrze vyvažování zátěže • P2P systém škáluje už z principu - s nárůstem počtu peerů roste i kapacita těchto „serverů" Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 17 / 51 Klient-Server vs. Peer-to-Peer Srovnání Klient-server vs. Peer-to-Peer Klient-Server vs. Peer-to-Peer Srovnání II. • Bezpečnost 9 zodpovědnost za bezpečnost v rámci K-S systému leží jen na straně serveru, který tak může být umístěn v zabezpečeném prostředí 9 zodpovědnost za bezpečnost v rámci P2P systému je distribuovaná mezi mnoho peerů umístěných v různých administrativních doménách, zajištění bezpečnosti je tak složitější • Spolehlivost • spolehlivost K-S systému je dosažena skrze využití mnoha redundantních serverů (s možností jejich umístění v různých lokací), v případě výpadku jednoho serveru je tento nahrazen jiným • v rámci P2P je spolehlivosti dosaženo již z principu, jelikož více peerů je obvykle schopno poskytnout stejnou funkcionalitu jako vypadnuvší uzel Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 18 / 51 Základní členění P2P systémů Osnova přednášky O Klient-Server vs. Peer-to-Peer • Klient-Server systémy • P2P systémy • Překryvové sítě & P2P • Srovnání Klient-server vs. Peer-to-Peer Q Základní členění P2P systémů • Centralizované P2P systémy • Decentralizované P2P systémy • Hybridní P2P systémy Q Bezdrátové ad-hoc sítě • Motivace • (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě • Bezdrátové senzorové sítě • MANETs vs. WSNs • MANETs vs. P2P Q Zdroje informací Základní členění P2P systémů Základní členění P2P systémů I Obecně lze P2P systémy dělit do dvou základních kategorií: • centralizované - obsahují jeden nebo více centrálních serverů, které poskytují nejrůznější služby • decentralizované - neobsahují žádné centrální servery • jejich návrh musí řešit dvě základní otázky: • struktura - plochá (fiat, single tier) vs. hierarchická (multitier) • topologie překryvné sítě - nestrukturovaná vs. strukturovaná • kromě těchto dvou existují také hybridní P2P systémy • kombinují výhody obou zmíněných architektur Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 20 / 51 Základní členění P2P systémů Základní členění P2P systémů II. Obrázek: Základní členění P2P systémů. Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 Základní členění P2P systémů Centralizované P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Centralizované P2P systémy I. Centralizované P2P systémy • kombinují výhody centralizovaných (klient-server) a decentralizovaných distribuovaných systémů • podobně jako u centralizovaných systémů obsahují jeden nebo více centrálních serverů, které uzlům P2P sítě (peerům) poskytují vyhledávací služby a koordinují akce v síti prováděné • peerové zasílají centrálnímu serveru dotazy na vyhledání uzlu, který obsahuje požadované zdroje 9 podobně jako u decentralizovaných systémů, pokud nějaký peer získá informaci o peerovi, který spravuje požadovaná data, komunikuje s ním napřímo • tj., bez účasti centrálního serveru • nevýhody: 9 citlivé na útoky, obsahují tzv. single point of failure • úzké místo pro sítě s velkým počtem účastníků (degradace výkonu) • slabá škálovatelnost a robustnost 9 příklady: 9 vědecké výpočty - SETI@home, BOINC, Folding@home, Genome@home • sdílení digitálních dat - Napster, Openext • další - Jabber (IM), Net-Z a StarCraft (vzdělání), atd. Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 22 / 51 Základní členění P2P systémů Centralizované P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Centralizované P2P systémy II. Peer A Obrázek: Centralizované P2P systémy: Peer A zasílá dotaz na seznam uzlů mající požadovaná data centrálnímu serveru. Jakmile uzel A od centrálního serveru získá požadovaný seznam uzlů splňujících jeho požadavky (tj. např. uzly B a C), provádí vlastní komunikaci „napřímo", tj. bez intervence centrálního serveru. Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 23 / 51 Základní členění P2P systémů Decentralizované P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Decentralizované P2P systémy I. Decentralizované (tzv. Pure) P2P systémy 9 všichni peerové mají stejná práva a povinnosti • každý z peerů ma pouze částečnou představu o celé P2P síti a poskytuje data, která mohou být relevantní pouze některým dotazům • ^> lokalizace peerů poskytujících definovaná data/služby je v decentralizovaných P2P systémech velkou výzvou • výhody: • imunní vůči tzv. single point of failure • (obvykle) poskytují vysoký výkon, škálovatelnost, robustnost a další žádoucí výhody • příklady: Gnutella, Crescendo, PAST, FreeNet, Canon, atd. Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 24 / 51 Základní členění P2P systémů Decentralizované P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Decentralizované P2P systémy II. Dvě dimenze návrhu decentralizovaných P2P systémů: a plochá (fiat, single-tier) vs. hierarchická (multi-tier) síťová struktura • plochá struktura —>* funkcionalita je rovnoměrně rozložena mezi všechny uzly sítě • hierarchická struktura —>* směrovací struktury sestávají z více vrstev • např.: národní úroveň (propojení států), úroveň států (propojení univerzit), úroveň univerzit (propojení oddělení), atd. • poskytuje jisté výhody (izolace chyb a bezpečnost, efektivní cacheování a využití síťového BW, atd.) Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 25 / 51 Základní členění P2P systémů Decentralizované P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Decentralizované P2P systémy III. • strukturovaná vs. nestrukturovaná logická topologie • nestrukturovaný P2P systém každý z peerů je zodpovědný za svá vlastní data a drží si informace o svých sousedech (dalších peerech), na které může směrovat vyhledávací dotazy • neexistuje žádné striktní mapování mezi identifikátory objektů a identifikátory peerů • lokalizace dat je výzvou (je obtížné přesně určit, který z peerů spravuje vyhledávaná data) • neexistuje žádná garance na kompletnost odpovědi (pokud není prohledána celá síť) • neexistuje žádna garance na dobu potřebnou na odpověď (kromě nejhoršího možného případu, kdy musí být prohledána celá síť) • strukturovaný P2P systém lokace dat je pod kontrolou určité, předem definované strategie (obecně, distribuované hashovacf tabulky - DHT) • existuje mapování mezi daty a peery, na kterých jsou daná data uložena • tyto systémy mohou poskytnout garanci (přesnou či pravděpodobnostní) na dobu nezbytnou pro nalezení odpovědi • nicméně, typicky na úkor vyšší režie (nutno spravovat dodatečné informace) • (existují také systémy kombinující strukturovaný a nestrukturovaný přístup) Základní členění P2P systémů Decentralizované P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Decentralizované P2P systémy IV. Peer D Peer H Obrázek: Nestrukturované decentralizované P2P systémy: (Peer A požaduje určitá data, která jsou uložena na peeru D a peeru H) Požadavek je broadcastován všem sousedům peera A, poté všem jejich sousedům, atd., až je doručen všem peerům v P2P síti. Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 27 / 51 Základní členění P2P systémů Decentralizované P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Decentralizované P2P systémy V. Obrázek: Strukturované decentralizované P2P systémy: Strukturovaná síť Chord hashující datové položky a identifikátory uzlů do logické kružnice. Datové položky tak musí být umístěny na pevně daném uzlu (v závislosti na jejich hashovaném identifikátoru). Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 28 / 51 Základní členění P2P systémů Hybridní P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Hybridní P2P systémy I. Hybridní P2P systémy a hlavní výhodou centralizovaných P2P systémů jsou rychlé a přesné odpovědi na vyhledávací dotazy • ALE na úkor škálovatelnosti sítě • hlavní výhodou decentralizovaných P2P systémů je škálovatelnost • ALE na úkor delšího času nezbytného pro vyhledání požadované informace • =4> Hybridní P2P systémy. • pro udržení škálovatelnosti neexistují žádné centrální servery • nicméně, některé peer uzly jsou vybrány a prohlášeny za servery sloužící dalším peerům o = tzv. super peers či super nodes • lokalizace dat je pak prováděna kombinací decentralizovaného a centralizovaného přístupu (dotazem na super peer uzly) Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 29 / 51 Základní členění P2P systémů Hybridní P2P systémy Základní členění P2P systémů III. Hybridní P2P systémy II. C9 C6 Obrázek: Hybridní P2P systémy: Požadavek na vyhledání určité informace je nejprve směrován na tzv. superpeer (ultrapeer) uzel nadřazený dotazujícímu se uzlu; daný uzel ve spolupráci s ostatními superpeer uzly vyhledá uzel, který požadovaná data spravuje, a dotazující se uzel na něj přesměruje. Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 30 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě Osnova přednášky O Klient-Server vs. Peer-to-Peer • Klient-Server systémy • P2P systémy • Překryvové sítě & P2P • Srovnání Klient-server vs. Peer-to-Peer Q Základní členění P2P systémů • Centralizované P2P systémy • Decentralizované P2P systémy • Hybridní P2P systémy Q Bezdrátové ad-hoc sítě • Motivace • (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě • Bezdrátové senzorové sítě • MANETs vs. WSNs • MANETs vs. P2P Q Zdroje informací Bezdrátové ad-hoc sítě Motivace Bezdrátové sítě I. • Požadavek: jak přistupovat k výpočetním a komunikačním zdrojům/službám z mobilních zařízení? • ^> bezdrátové sítě • bezdrátové sítě - tradičně založeny na tzv. buněčné infrastruktuře • dané území, které má být pokryto bezdrátovým signálem, je rozděleno do tzv. „buněk" • každá z buněk je pak pokryta jednou (základovou) stanicí • základové stanice jsou mezi sebou propojeny drátovou sítí • mobilní uzly se základovými stanicemi komunikují bezdrátově • veškerá komunikace mezi mobilními uzly je směrována skrze základové stanice (a následně i drátovou síť) • podpora mobility je dosažena přepínáním mobilního klienta mezi základovými stanicemi • např., GSM, UMTS, WLAN, ... Bezdrátové ad-hoc sítě Motivace Bezdrátové sítě I. • co však dělat, když: • není žádná infrastruktura dostupná? (např., v oblastech živelných katastrof, záchranných operací, atd.) • např. hurikán Cathrina (2005) poničil rozsáhlé oblasti New Orleans včetně komunikačních sítí • je příliš drahé infrastrukturu vybudovat? (např. vzdálená/rozsáhlá místa, staveniště, atd.) • není dostatek času na její vybudování? (např. vojenské operace) • =4> Wireless Ad-hoc Networks • snaží se vybudovat komunikační síť bez nutnosti vybudované infrastruktury, pouze s využitím sítových schopností účastníků • ad-hoc síť = síť konstruovaná na požádání „pro specializované účely" • termín „ad-hoc" latinsky značí „pro tento účel" Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové ad-hoc sítě • kolekce autonomních uzlů, které spolu komunikují skrze jimi zformovanou bezdrátovou multihop síť, přičemž tato síť je spravována/udržována decentralizovaným způsobem • každý z uzlů v síti vystupuje jak jako koncový uzel, tak jako sítový směrovač • řízení zformované sítě je rozděleno mezi participující uzly • topologie zformované sítě je obecně dynamická • konektivita mezi uzly se může v čase měnit v závislosti na odchodech existujících či příchodech nových uzlů, případně v závislosti na mobilitě uzlů • =^> je zapotřebí efektivních směrovacích protokolů, které uzlům umožní efektivně komunikovat skrze multihop cesty • tyto sítě zahrnují mnoho komplexních problémů =4> existuje v nich celá řada otevřených vědeckých problémů • bez centrální organizace se totiž všechny mechanismy stávají obtížnějšími Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové ad-hoc sítě Jednoduchý příklad Obrázek: Jednoduchý příklad: notebooky v konferenční místnosti - tzv. single-hop ad-hoc síť (všechny síťové uzly jsou navzájem v dosahu přímé komunikace). Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 35 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové ad-hoc sítě Příklad multihop sítě Obrázek: Příklad multihop ad-hoc sítě. Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové ad-hoc sítě Výhody • velmi rychlé vybudování • není potřeba táhnout žádné dráty/kabely za účelem budování infrastruktury • odolnost • neobsahují žádný single point of failure (jako např. základovou stanici) • efektivnější využívání rádiového spektra než u buněčných (infrastrukturních) sítí • každý z uzlů může komunikovat s kterým kol iv jiným (v jistých případech dokonce i současně), takže mohou lépe využít dostupné přenosové kapacity Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 37 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové ad-hoc sítě Problémy/Výzvy • problémy vyvstávají díky: • neexistenci centrální entity organizující participující uzly • participující uzly se tak musí organizovat samostatně =4> samoorganizace 9 omezenému dosahu bezdrátové komunikace • data tak musí být doručována po cestách zahrnujících více uzlů • =>> jsou nezbytné mechanismy pro dynamickou identifikaci a správu směrovacích cest • mobilitě uzlů • síťové uzly se mohou pohybovat • kvalitu sítě lze hodnotit podle rychlosti adaptace na změny v topologii • Mobilní ad-hoc sítě (Mobile Ad-hoc Networks, MANETs) • mimo jiné musí být adresovány následující otázky: • řízení přístupu k médiu (medium access control) - jelikož neexistuje základová stanice, která by určovala oprávnění k přístupu ke sdílenému médiu, musí být toto rozhodováno distribuovaným způsobem • směrování- hledání cest mezi komunikujícími uzly Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě Možné aplikace Factory floor Disaster recovery Car-to-car automation communication • hledání prázdných parkovacích míst ve městech (bez dotazů na centrální server), vyhýbání se dopravním zácpám, atd. (= VANETs) • záchranné operace při přírodních katastrofách • zasíťování osobních zařízení (hodinky, brýle, PDA, medicínské přístroje, ...) • vojenské operace: komunikace mezi tanky, vojáky, . .. • kolaborativní a distribuované výpočty • ... Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 39 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě Dopravní ad-hoc sítě (Vehicular Ad-hoc Networks, VANETs) Dopravní ad-hoc sítě (Vehicular Ad-hoc Networks, VANETs) 9 technologie, která využívá pohybujících se aut jako uzlů/směrovačů pro vytvoření mobilní sítě • auta se mohou vzájemně propojovat a spolu komunikovat (pokud jsou v dosahu svých bezdrátových signálů) a vytvářet tak komunikační síť s velkým rozsahem • v porovnání s MANETy, kde se uzly pohybují nepředvídatelným způsobem, se uzly VANET sítě (tj. auta) pohybují organizovaným způsobem (většinou pouze po cestách :-)) • lze tak navíc poměrně přesně popsat interakce se silničním vybavením • možné využití specializovaných/specifických (a tudíž i efektivnějších) směrovacích protokolů Roadside bass station Eva Hladká (Fl MU) Emergency evenl Inter-VBhicle communicalicms Ve fiicJe-to-íoadside camrnunicalions P2P networks Podzim 2010 40 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě Porovnání s infrastrukturními sítěmi Infrastructure-based network Ad hoc network Prerequisites Pre-deployed infrastructure, e.g. routers, switches, base stations, servers None Node properties End system only Duality of end system and network functions Connections Wired or wireless Usually wireless Topology Outlined by the pre-deployed infrastructure Self-organized topology maintained by the nodes Network functions Provided by the infrastructure Distributed to all participating nodes Obrázek: Srovnání infrastrukturních a ad-hoc sítí. va Hladká f Fl MU) P2P networks Podzim 2010 41 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové senzorové sítě Bezdrátové senzorové sítě • doposud představené sítě interagovaly (skrze nejrůznější zařízení) s lidmi • alternativní koncept: • místo interakce s lidmi interakce s prostředím • síť je zasazena do určeného prostředí (náhodné či pravidelné rozložení) • uzly těchto sítí jsou vybaveny senzorem/ovládacím prvkem pro měření(sledování)/ovládání daného prostředí • uzly zpracovávají získané informace a vzájemně bezdrátově komunikují • Bezdrátové senzorové sítě (Wireless Sensor Networks, WSNs) • případně Bezdrátové senzorové &. ovládací sítě (Wireless Sensor &. Actuator Networks, WSANs) Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové senzorové sítě Bezdrátové senzorové sítě Příklady aplikací Záchranné akce • např. rozhození senzorů na hořící objekt • každý z uzlů měří teplotu okolí • tímto lze získat „teplotní mapu prostředí" Monitoring prostředí • např. senzorové uzly pro sledování přirozeného zvířecího prostřed í • Great Duck Island, ZebraNet, atd. Precizní zemědělství • umělé přihnojování/zavlažování, atp. pouze v místech, kde je skutečně zapotřebí Inteligentní budovy, mosty • redukce energetického plýtvání udržováním správné vlhkosti, ventilace, klimatizace 9 vyžaduje měření obsazenosti místností, teploty, toku vzduchu, atp. • monitoring mechanického namáhání po zemětřeseních Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 43 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě Bezdrátové senzorové sítě Bezdrátové senzorové sítě Důležitost efektivního využívání energie 9 často (avšak ne vždy) participující uzly (nejen senzorových sítí) čerpají energii z bateriového zdroje • je tak vhodné udržet co nejdelší časovou dostupnost: • individuálních uzlů/zařízení • sítě jako celku • obvykle však nejsou aplikace závislé na dostupnosti všech jednotlivých uzlů, pokud je globální funkcionalita celé sítě stále dostupná • využité síťové protokoly tak musí brát v úvahu omezenou energii síťových prvků a chovat se energeticky úsporně • využívat cesty, které představují nízkou energetickou spotřebu (energie per biť) • brát v úvahu dostupnou kapacitu baterií využívaných síťových prvků • Otázka: Jak řešit konflikty mezi rozdílnými optimalizacemi? • lze také využít nějakou z forem dobíjení (solární články, získávání energie z prostředí, atp.) Bezdrátové ad-hoc sítě MANETs vs. WSNs MANETs (VANETs) vs. WSNs Mnoho podobností: • všechny sítě silně spoléhají na samoorganizující mechanismy pro správu vytvořené topologie • všechny sítě se musí vypořádat s omezenou zásobou energie na připojených zařízeních • důležitou roli tak hraje zejména energetická efektivnost využitých algoritmů a mechanismů • všechny sítě využívají bezdrátovou multi-hop komunikaci Mnoho rozdílů: Resources and properties MANET WSN Available energy High Low Processing power High Low Memory and storage High Low Density and scale Low High Mobility High Limited: Heterogeneity Medium* Low* Varying user demands High Low * Depending on the application scenario Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 45 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě MANETs vs. P2P MANETs vs. P2P systémy I. Bezdrátové ad-hoc sítě mají také mnoho podobností s P2P systémy: 9 stejné paradigma • samoorganizující se síť a dynamická topologie • zodpovědnost za směrování dotazů v distribuovaném prostředí • neexistence centrální spravující entity Nicméně, mají i mnoho rozdílů —^ Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 46 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě MANETs vs. P2P MANETs vs. P2P systémy II. Difference P2P Network MANET Motivation for creating the network Logical infra structure to provide a service A physical infra-structure to provide connectivity Connection Between two nodes Fixed medium and direct Wireless and indirect Connection confidence High (physical connections) Low (wireless connections) Peer location Any Internet point Restricted area Structu re Physical apart from logical structure Physical structure corresponds to logical structure Routing reactive Proactive, reactive Peer behavior Fixed Mobile Broadcast Virtual, multiple unicasts Physical, to all nodes in transmission range area Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 47 / 51 Bezdrátové ad-hoc sítě MANETs vs. P2P MANETs vs. P2P systémy III. MANETy jsou tak spíše platformou pro P2P aplikace nicméně, existující přístupy/mechanismy pro P2P aplikace vybudované nad Internetem nelze pro P2P aplikace vybudované nad MANETy přímočaře využít: • sousední uzly na aplikační úrovni (z P2P pohledu) nemusí nezbytně nutně být sousedy na síťové úrovni (z pohledu MANETŮ) pro efektivní využití P2P aplikací nad MANETy tak musí být existující řešení P2P sítí podrobeny důkladným modifikacím (tak, aby byly přizpůsobeny specifikům MANETů) Application Layer Layer Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 48 / 51 Osnova přednášky Q Klient-Server vs. Peer-to-Peer • Klient-Server systémy • P2P systémy • Překryvové sítě & P2P • Srovnání Klient-server vs. Peer-to-Peer Q Základní členění P2P systémů • Centralizované P2P systémy • Decentralizované P2P systémy • Hybridní P2P systémy Q Bezdrátové ad-hoc sítě • Motivace • (Mobilní) Bezdrátové ad-hoc sítě • Bezdrátové senzorové sítě • MANETs vs. WSNs • MANETs vs. P2P roje informací Zdroje informací P2P: Zdroje informací Fl kurzy: • PA159: Počítačové sítě a aplikace I. (doc. Hladká) • PB165: Grafy a sítě (prof. Matýska, doc. Hladká, doc. Rudová) • PA128: Similarity Searching in Multimedia Data (prof. Zezula) Literatura: • O. H. Vu at al. Peer-to-Peer Computing: Principles and Applications. Springer, 2010 • Milojicic et al. Peer-to-Peer Computing. HP Labs, 2002 • D. C. Verma. Legitimate Applications of P2P Networks. Wiley, 2004 • X. Shen, H. Yu, J. Buford, M. Akon. Handbook of Peer-to-Peer Networking. Spriger, 2010 • J. Buford, H. Yu, E. K. Lua. P2P Networking and Applications. Morgan Kaufmann, 2009 Eva Hladká (Fl MU) P2P networks Podzim 2010 50 / 51 Ad-hoc, MANET: Zdroje informací Fl kurzy: o PA159: Počítačové sítě a aplikace I. (doc. Hladká) • PA151: Soudobé počítačové sítě (doc. Staudek) Literatura: • Falko Dressier: Self-Organization in Sensor and Actor Networks. John Wiley & Sons, 2007. • Jon S. Wilson: Sensor technology handbook. Newnes, 2005. • Ana nth ram Swami: Wireless sensor networks: signal processing and communications perspectives. John Wiley & Sons, 2007. • Holger Karl, Andreas Willig: Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks. Wiley-lnterscience, 2007. • Amiya Nayak, Ivan Stojmenovič: Wireless Sensor and Actuator Networks: Algorithms and Protocols for Scalable Coordination and Data Communication. Wiley-lnterscience, 2009.