CC BY
13УДК 004.728.8:004.75
Особенности передачи данных в децентрализованных пиринговых сетях
А.В. Городилов, А.И. Кононова, В.Ф. Шаньгин Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Основными характеристиками пиринговой сети, где каждый узел может быть как клиентом, так и сервером, являются перечень узлов, составляющих сеть, и такие параметры каждого из соединяющих их каналов, как пропускная способность, колебания пропускной способности и латентности. Анализ существующих технологий передачи данных показывает, что большая часть протоколов не учитывает характеристики сети, что не обеспечивает выбора оптимального маршрута. Протоколы, учитывающие особенности сети, делятся на группы соответственно используемому уровню модели OSI. При этом обеспечивается оптимальность одной из характеристик при неудовлетворительном качестве других [1, 2].
Предлагается разработка открытой сетевой инфраструктуры, обеспечивающей выбор оптимального маршрута, реализованной на наиболее высоких уровнях модели OSI и учитывающей как особенности сети, так и требования приложений. Прототипом такой инфраструктуры является сетевой протокол, разработанный на основе математического и имитационного моделирования сети.
Структура пиринговой сети описывается математической моделью в виде связного взвешенного графа, вершины которого соответствуют узлам сети (компьютерам, маршрутизаторам, брандмауэрам, абонентским терминалам), ребра - соединяющим их каналам (рис.1). Вес ребер характеризует пропускную способность соответствующих каналов. Для учета асимметрии каналов связи граф должен быть ориентированным и сильно связным.
Для того чтобы организовать построение эффективных сетевых путей, необходимо использовать алгоритмы поиска кратчайшего пути на графе. Традиционно для поиска кратчайшего пути применяется алгоритм Дейкстры [3]. Наличие у узлов сведений о других узлах, связанных с ними, позволяет применить распределенную реализацию этого алгоритма. Однако для возможности использования такой реализации требуется передавать большое количество служебного трафика, что снижает скорость работы сети.
Рис. 1. Структура самоорганизующейся пиринговой сети:
ц. ■ узлы, участвующие в пиринговой сети; -широкополосный проводной или wi-fi-канал;
- 2G- или ЗО-канал (более медленный или дорогой);
- пути передачи файла от узла А узлам В, С, D, F, Н в традиционной пиринговой сети;
- пути передачи файла от узла А узлам В, С, A F, Н в пиринговой сети с возможностью учета особенностей сети (F, С получают файл через В, который к ним ближе, Н использует./ и С' для обхода NAT, что позволяет задействовать широкополосный канал)
Для уменьшения объема передаваемых данных и увеличения быстродействия в разрабатываемом протоколе предлагается использовать для поиска кратчайшего маршрута алгоритм A* [4], достигающий более высокой производительности (по времени) с помощью эвристики. Кроме того, для ускорения расчета маршрута следует хранить информацию не только об узлах, непосредственно связанных с данным узлом, но и о тех, с которыми можно
© А.В. Городилов, А.И. Кононова, В.Ф. Шаньгин, 2012
связаться через промежуточные узлы сети. В [5] показано, что оптимальная схема - сохранение информации об узлах, удаленных от данного не более чем на три промежуточных.
Маршрут, построенный с помощью нижележащего протокола («прямой» маршрут, не включающий промежуточные узлы сети), может оказаться неоптимальным для конкретной задачи или его построение может быть невозможно (например, если узлы разделяют более одного транслятора адресов). Кроме того, адрес целевого узла может быть неизвестен узлу-отправителю. На построение этого маршрута нельзя повлиять непосредственно, но можно построить маршрут, включающий промежуточные узлы сети. При этом маршрут между каждой парой узлов строится нижележащим протоколом. Передача данных по такому маршруту может занять меньше времени, чем по прямому, и он может быть построен там, где прямого маршрута не существует.
Рассмотрим построение маршрута в пиринговой сети с предлагаемым протоколом с помощью алгоритма А*. Метрика Ь(Х, У) является а (ХУ ) - сумма расстояния от X до У и значения эвристической функции к(У):
Ь(Х,У ) = а (Х,У )+к(У ). (1)
Для того чтобы послать пакет узлу У, узел X (узлу X неизвестен адрес У) посылает запрос ближайшему (по метрике Ь(Х,2)) известному узлу ^ Если узел Z знает узел У, то строится прямой маршрут или маршрут через узел Z. Если Z не знает У, то Z аналогично начинает опрашивать своего соседа Ж, если меньше, чем расстояние до следующего ближайшего
к X узла Z1. Иначе \ь(Х, Z)+Ь(2,Ж) > Ь(Х, 21)] запрос возвращается к X и передается Z1.
В качестве эвристической функции алгоритма А* предлагается использовать функцию, которая зависит от пропускной способности и загруженности каналов связи узла:
И(Х) = авЬКСвЬК(х)+авхСвх(х)+РвыАьк (Х)+Рвх^х(х), (2)
где X - текущий узел; Свых(X) и Свх(X) - пропускная способность исходящего и входящего каналов связи узла X; (X) и £вх (X) - их загруженность. Коэффициенты авых, авх, Рвых и Рвх подбираются индивидуально для каждого класса сетевых приложений. Это позволяет учесть при построении маршрута как особенности сети, так и требования приложений.
Имитационное моделирование (использовалась система имитационного моделирования компьютерных сетей ^-3 версии 3.10) подтвердило эффективность выбранного подхода. Моделировалась работа сети, состоящей из множества узлов и соединяющих их каналов. Конкретная топология сети генерировалась случайно с некоторыми ограничениями на количество циклов и пропускную способность каналов. Далее по сети передавались потоки данных, характеристики которых определялись видом передаваемых данных. В течение моделируемого периода собиралась статистика работы.
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
а б
Рис.2. Количество отказов на 10 тыс. запросов (а) и скорость передачи данных (б) в различных вариантах использования современных систем (штриховка) и разрабатываемого протокола (белый цвет): 1 - файловый сервер; 2 - файлообменная сеть; 3 - потоковое видео; 4 - 1Р-телефония; 5 - мгновенные сообщения
При одинаковом объеме полезных передаваемых данных при использовании разрабатываемого протокола снижается количество отказов для файлового сервера, файлообмен-ной сети, потокового видео и IP-телефонии, а также значительно повышается скорость передачи данных для всех вариантов использования (рис.2). Больше всего выигрывают приложения для IP-телефонии и передачи потокового видео, в этом случае надежность сети возрастает в несколько раз при одновременном повышении скорости передачи полезных данных от 20 до 40%.
Применение разработанного протокола значительно повышает скорость обмена для централизованной и децентрализованной передачи файлов и мультимедийных данных.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках программы «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009-2011 годы» (ГК № 7.1534.2011).
Литература
1. SudameP., Badrinath B.R. Transformer tunnels: A framework for providing route-specific adaptations // In Proceedings of the USENIX Annual Technical Conference. - 1998. - С. 191-200.
2. Касперски К Skype - скрытая угроза // Хакер. - 2007, № 4. - С. 64-69.
3. Moy J. RFC 1245. OSPF protocol analysis [Электронный ресурс]. - 1991. - URL: http://tools.ietf.org/html/rfc1245 (дата обращения: 02.08.2012).
4. Стаут Б. Алгоритмы поиска пути [Электронный ресурс] // Искусственный интеллект [сайт]. - 2000. -URL: http://pmg.org.ru/ai/stout.htm (дата обращения: 02.08.2012).
5. ГагаринаЛ.Г., Ананьина Е.В., Апрелов С.А., Городилов А.В. Эстафетная передача видеосигнала в компьютерных сетях общего пользования // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2007. - Т. 2. -С. 51-54.
Поступило 31 августа 2012 г.
Городилов Алексей Владиславович - аспирант кафедры информатики и программного обеспечения вычислительных систем (ИПОВС) МИЭТ. Область научных интересов: распределенные вычисления, имитационное моделирование, технологии программирования, UNIX-системы, свободно распространяемое программное обеспечение.
Кононова Александра Игоревна - доцент кафедры ИПОВС МИЭТ. Область научных интересов: системный анализ, компьютерное моделирование, технологии программирования, свободно распространяемое программное обеспечение. E-mail: illinc@bk.ru
Шаньгин Владимир Федорович - доктор технических наук, профессор кафедры ИПОВС МИЭТ. Область научных интересов: защита информации, распределенные системы.
