Progettazione di un protocollo P2P per la comunicazione basata su predicati

Candidato: Daniele Spaccapeli

Relatore: Michele Loreti

Comunicazione

Tipologie di routing più comuni:

Unicast
Broadcast
Multicast

i messaggi sono indirizzati in maniera specifica ai destinatari

Comunicazione basata su predicati

gruppo di destinatari è individuato dinamicamente in base alla valutazione di un predicato logico

astrazione per trattare di complessi sistemi adattivi (CAS)
i nodi non devono essere coscienti della presenza reciproca
adatto in contesti altamente dinamici

Architettura Reti

Modello Client-Server

Modello Peer-to-Peer

Relativa semplicità di sviluppo
Sicurezza
Flessibilità di aggiornamento

Riduzione dei costi
Scalabilità
Assenza del punto critico

Costo
Congestione traffico
Collo di bottiglia

Hash Table Distribuita (DHT)

P2P di seconda generazione

Ricerca (chiave, valore)
Hashing consistente
Lista dei nodi vicini

Esempi: BitTorrent, YaCy, CDN, Chord, Kademlia ...

Framework

Funzionalità generiche che facilitano lo sviluppo software

Framework P2P studiati:

JXTA
XNap
Pastry

Framework - Confronto

	Documentazione	Reperibilità	Semplicità
JXTA	✓
XNap		✓	✓
Pastry	✓	✓	✓

Vediamo Pastry in dettaglio ...

Pastry - Introduzione

sviluppato dalla Rice University e Microsoft Research

Caratteristiche:

identificativi a 128 bit
routing del messaggio al nodo più vicino alla chiave
ogni nodo mantiene un leaf set
ogni nodo mantiene una tabella di routing

Pastry - Routing

ID scelti con probabilità uniforme
contiene indirizzi IP
32 righe e 16 colonne
gli elementi in riga n condividono le prime n cifre

O(log_{16}{N})

O(log_{16}{N})

Numero di salti per ricezione:

Pastry - Esempio

Protocollo P2P per la comunicazione basata su predicati

basato su Pastry, costruito espandendo le primitive per supportare la comunicazione su predicati

i messaggi sono scambiati a seconda degli attributi (servizi) offerti dal nodo
propagazione dei messaggi basato su alberi multicast
ogni agente manterrà una lista di tutti gli attributi presenti nella rete
gli attributi si dividono in federazioni e ognuna di esse avrà un super-nodo responsabile della comunicazio

Protocollo - Definizioni

Albero Multicast

trasmissione unidirezionale
traffico dalla radice alle foglie
filtrato a seconda dei predicati

Formato dei predicati

\bigwedge_{j=1}^n \left( \bigvee_{k=1+j}^{m(j)} L_{j,k-j} \right)

\bigwedge_{j=1}^n \left( \bigvee_{k=1+j}^{m(j)} L_{j,k-j} \right)

Forma normale congiuntiva, massima espressività, parsing semplice

Federazioni

Hashing

Partizioni delle formule possibili. Le formule in due partizioni diverse sono indipendenti tra loro

\forall \;\; \mathit{F}_i, \mathit{F}_j \;\; con \;\; (i\neq j)

\forall \;\; \mathit{F}_i, \mathit{F}_j \;\; con \;\; (i\neq j)

\forall \;\; \varphi \in \mathit{F}_i, \;\; \forall \;\; \psi \in \mathit{F}_j

\forall \;\; \varphi \in \mathit{F}_i, \;\; \forall \;\; \psi \in \mathit{F}_j

\varphi \;\; indipendente \;\; da \;\; \psi

\varphi \;\; indipendente \;\; da \;\; \psi

Ogni attributo e formula appartenente a una stessa federazione indurrà codifica univoca

h_{\mathscr{F}}(\varphi) = id, \; \; \;\forall \varphi \subset \mathscr{F}

h_{\mathscr{F}}(\varphi) = id, \; \; \;\forall \varphi \subset \mathscr{F}

Protocollo - Fase Iniziale

Bootstrapping

operazioni di handshake:

recupero attributi
recupero funzione hash

Advertising

dopo n ingressi un messaggio circolare per iniziare la creazione degli alberi multicast

Impostazione degli attributi

per ogni federazione i nodi faranno sapere al proprio padre dell'albero multicast, i valori dei propri attributi

Protocollo - Fase Principale

Invio dei messaggi

tramite operazione di send
invio al RP (caching)
inoltro a cascata dei messaggi

Protocollo - Post Sequenza Principale

Nuovi arrivi

Cambio di valori

Malfunzionamenti

contatto col nodo/i di bootstrap
inizio immediato Advertising
perdita efficienza per un gran numero di ingressi

nuova impostazione degli attributi
aggiornamento al padre
se necessario catena di aggiornamenti

messaggi di keep-alive per verificare l'integrità
Due scenari possibili

Protocollo - API

/**
 * @param  attributo           l'attributo da modificare
 * @param  valore_booleano     valore - True, False per effettuare un unsubscribe
 * @return                     True se l'operazione ha avuto successo, False altrimenti
 */
Bool set(Attribute attributo, Bool valore_booleano){...};

/**
 * @param  attributo           l'attributo da modificare
 * @param  valore_booleano     valore - True, False per effettuare un unsubscribe
 * @return                     True se l'operazione ha avuto successo, False altrimenti
 */
Bool unset(Attribute attributo, Bool valore_booleano){...};

/**
 * @param  messaggio           messaggio da inviare
 * @param  formula_logica      predicato logico per l'invio
 * @return                     True se l'operazione ha avuto successo, False altrimenti
 */
Bool send(String messaggio, CNF formula_logica){...};

/**
 * @return                     Restituisce una lista di Stringhe, al primo posto il messaggio e al secondo 
 *                             la stringa che identifica la federazione da cui il messaggio proviene.
 */
String[] receive(){...};

Conclusione

In sistemi composti da un gran numero di agenti la topologia dell rete è vitale

È altrettanto importante un instradamento dei messaggi efficiente che non provochi overhead

Il risultato è un protocollo efficiente che permette l'interazione dinamica in reti con churn modesto; corredato da un tipo di comunicazione molto versatile

Miglioramenti

Caching

Load-Balancing

Sicurezza

sfruttando le proprietà di Pastry pensiamo a una possibile replicazione delle strutture dati nei nodi adiacenti ai RP e nodi di bootstrap

il meccanismo di caching può essere sfruttato per alleggerire il carico di lavoro dei RP, dato che molti messaggi passano per i nodi del leaf set

il protocollo presume che gli agenti collaborino tra di loro; si può pensare di introdurre un meccanismo di reputazione

Simulazione

un analisi completa del protocollo necessiterebbe strumenti ad hoc