Exploiting Node Connection Regularity for DHT Replication

International audienceCet article présente un protocole de réplication pour les DHT

Search strategies in unstructured overlays

Trabalho de projecto de mestrado em Engenharia Informática, apresentado à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2008Unstructured peer-to-peer networks have a low maintenance cost, high resilience and tolerance to the continuous arrival and departure of nodes. In these networks search is usually performed by flooding, which generates a high number of duplicate messages. To improve scalability, unstructured overlays evolved to a two-tiered architecture where regular nodes rely on special nodes, called supernodes or superpeers, to locate resources, thus reducing the scope of flooding based searches. While this approach takes advantage of node heterogeneity, it makes the overlay less resilient to accidental and malicious faults, and less attractive to users concerned with the consumption of their resources and who may not desire to commit additional resources that are required by nodes selected as superpeers. Another point of concern is churn, defined as the constant entry and departure of nodes. Churn affects both structured and unstructured overlay networks and, in order to build resilient search protocols, it must be taken into account. This dissertation proposes a novel search algorithm, called FASE, which combines a replication policy and a search space division technique to achieve low hop counts using a small number of messages, on unstructured overlays with nonhierarquical topologies. The problem of churn is mitigated by a distributed monitoring algorithm designed with FASE in mind. Simulation results validate FASE efficiency when compared to other search algorithms for peer-to-peer networks. The evaluation of the distributed monitoring algorithm shows that it maintains FASE performance when subjected to churn.Os sistemas peer-to-peer, como aplicações de partilha e distribuição de conteúdos ou voz-sobre-IP, são construídos sobre redes sobrepostas. Redes sobrepostas são redes virtuais que existem sobre uma rede subjacente, em que a topologia da rede sobreposta não tem de ter uma correspondência com a topologia da rede subjacente. Ao contrário das suas congéneres estruturadas, as redes sobrepostas não-estru-turadas não restringem a localização dos seus participantes, ou seja, não limitam a escolha de vizinhos de um dado nó, o que torna a sua manutenção mais simples. O baixo custo de manutenção das redes sobrepostas não-estruturadas torna estas especialmente adequadas para a construção de sistemas peer-to-peer capazes de tolerar o comportamento dinâmico dos seus participantes, uma vez que estas redes são permanentemente afectadas pela entrada e saída de nós na rede, um fénomeno conhecido como churn. O algoritmo de pesquisa mais comum em redes sobrepostas não-estruturadas consiste em inundar a rede, o que origina uma grande quantidade de mensagens duplicadas por cada pesquisa. A escalabilidade destes algoritmos é limitada porque consomem demasiados recursos da rede em sistemas com muitos participantes. Para reduzir o número de mensagens, as redes sobrepostas não-estruturadas podem ser organizadas em topologias hierárquicas. Nestas topologias alguns nós da rede, chamados supernós, assumem um papel mais importante, responsabilizando-se pela localização de objectos. A utilização de supernós cria novos problemas, como a sua selecção e a dependência da rede de uma pequena percentagem dos nós. Esta dissertação apresenta um novo algoritmo de pesquisa, chamado FASE, criado para operar sobre redes sobrepostas não estruturadas com topologias não-hierárquicas. Este algoritmo combina uma política de replicação com uma técnica de divisão do espaço de procura para resolver pesquisas ao alcançe de um número reduzido de saltos com o menor custo possível. Adicionalmente, o algoritmo procura nivelar a contribuição dos participantes, já que todos contribuem de uma forma semelhante para o desempenho da pesquisa. A estratégia seguida pelo algo- ritmo consiste em dividir tanto os nós da rede como as chaves dos seus conteúdos por diferentes “frequências” e replicar chaves nas respectivas frequências, sem, no entanto, limitar a localização de um nó ou impor uma estrutura à rede ou mesmo aplicar uma definição rígida de chave. Com o objectivo de mitigar o problema do churn, é apresentado um algoritmo de monitorização distribuído para as réplicas originadas pelo FASE. Os algoritmos propostos são avaliados através de simulações, que validam a eficiência do FASE quando comparado com outros algoritmos de pesquisa em redes sobrepostas não-estruturadas. É também demonstrado que o FASE mantém o seu desempenho em redes sob o efeito do churn quando combinado com o algoritmo de monitorização

Optimising Structured P2P Networks for Complex Queries

With network enabled consumer devices becoming increasingly popular, the number of connected devices and available services is growing considerably - with the number of connected devices es- timated to surpass 15 billion devices by 2015. In this increasingly large and dynamic environment it is important that users have a comprehensive, yet efficient, mechanism to discover services. Many existing wide-area service discovery mechanisms are centralised and do not scale to large numbers of users. Additionally, centralised services suffer from issues such as a single point of failure, high maintenance costs, and difficulty of management. As such, this Thesis seeks a Peer to Peer (P2P) approach. Distributed Hash Tables (DHTs) are well known for their high scalability, financially low barrier of entry, and ability to self manage. They can be used to provide not just a platform on which peers can offer and consume services, but also as a means for users to discover such services. Traditionally DHTs provide a distributed key-value store, with no search functionality. In recent years many P2P systems have been proposed providing support for a sub-set of complex query types, such as keyword search, range queries, and semantic search. This Thesis presents a novel algorithm for performing any type of complex query, from keyword search, to complex regular expressions, to full-text search, over any structured P2P overlay. This is achieved by efficiently broadcasting the search query, allowing each peer to process the query locally, and then efficiently routing responses back to the originating peer. Through experimentation, this technique is shown to be successful when the network is stable, however performance degrades under high levels of network churn. To address the issue of network churn, this Thesis proposes a number of enhancements which can be made to existing P2P overlays in order to improve the performance of both the existing DHT and the proposed algorithm. Through two case studies these enhancements are shown to improve not only the performance of the proposed algorithm under churn, but also the performance of traditional lookup operations in these networks

Building Robust Distributed Infrastructure Networks

Many competing designs for Distributed Hash Tables exist exploring multiple models of addressing, routing and network maintenance. Designing a general theoretical model and implementation of a Distributed Hash Table allows exploration of the possible properties of Distributed Hash Tables. We will propose a generalized model of DHT behavior, centered on utilizing Delaunay triangulation in a given metric space to maintain the networks topology. We will show that utilizing this model we can produce network topologies that approximate existing DHT methods and provide a starting point for further exploration. We will use our generalized model of DHT construction to design and implement more efficient Distributed Hash Table protocols, and discuss the qualities of potential successors to existing DHT technologies

Data Storage and Dissemination in Pervasive Edge Computing Environments

Nowadays, smart mobile devices generate huge amounts of data in all sorts of gatherings. Much of that data has localized and ephemeral interest, but can be of great use if shared among co-located devices. However, mobile devices often experience poor connectivity, leading to availability issues if application storage and logic are fully delegated to a remote cloud infrastructure. In turn, the edge computing paradigm pushes computations and storage beyond the data center, closer to end-user devices where data is generated and consumed. Hence, enabling the execution of certain components of edge-enabled systems directly and cooperatively on edge devices. This thesis focuses on the design and evaluation of resilient and efficient data storage and dissemination solutions for pervasive edge computing environments, operating with or without access to the network infrastructure. In line with this dichotomy, our goal can be divided into two specific scenarios. The first one is related to the absence of network infrastructure and the provision of a transient data storage and dissemination system for networks of co-located mobile devices. The second one relates with the existence of network infrastructure access and the corresponding edge computing capabilities. First, the thesis presents time-aware reactive storage (TARS), a reactive data storage and dissemination model with intrinsic time-awareness, that exploits synergies between the storage substrate and the publish/subscribe paradigm, and allows queries within a specific time scope. Next, it describes in more detail: i) Thyme, a data storage and dis- semination system for wireless edge environments, implementing TARS; ii) Parsley, a flexible and resilient group-based distributed hash table with preemptive peer relocation and a dynamic data sharding mechanism; and iii) Thyme GardenBed, a framework for data storage and dissemination across multi-region edge networks, that makes use of both device-to-device and edge interactions. The developed solutions present low overheads, while providing adequate response times for interactive usage and low energy consumption, proving to be practical in a variety of situations. They also display good load balancing and fault tolerance properties.Resumo Hoje em dia, os dispositivos móveis inteligentes geram grandes quantidades de dados em todos os tipos de aglomerações de pessoas. Muitos desses dados têm interesse loca- lizado e efêmero, mas podem ser de grande utilidade se partilhados entre dispositivos co-localizados. No entanto, os dispositivos móveis muitas vezes experienciam fraca co- nectividade, levando a problemas de disponibilidade se o armazenamento e a lógica das aplicações forem totalmente delegados numa infraestrutura remota na nuvem. Por sua vez, o paradigma de computação na periferia da rede leva as computações e o armazena- mento para além dos centros de dados, para mais perto dos dispositivos dos utilizadores finais onde os dados são gerados e consumidos. Assim, permitindo a execução de certos componentes de sistemas direta e cooperativamente em dispositivos na periferia da rede. Esta tese foca-se no desenho e avaliação de soluções resilientes e eficientes para arma- zenamento e disseminação de dados em ambientes pervasivos de computação na periferia da rede, operando com ou sem acesso à infraestrutura de rede. Em linha com esta dico- tomia, o nosso objetivo pode ser dividido em dois cenários específicos. O primeiro está relacionado com a ausência de infraestrutura de rede e o fornecimento de um sistema efêmero de armazenamento e disseminação de dados para redes de dispositivos móveis co-localizados. O segundo diz respeito à existência de acesso à infraestrutura de rede e aos recursos de computação na periferia da rede correspondentes. Primeiramente, a tese apresenta armazenamento reativo ciente do tempo (ARCT), um modelo reativo de armazenamento e disseminação de dados com percepção intrínseca do tempo, que explora sinergias entre o substrato de armazenamento e o paradigma pu- blicação/subscrição, e permite consultas num escopo de tempo específico. De seguida, descreve em mais detalhe: i) Thyme, um sistema de armazenamento e disseminação de dados para ambientes sem fios na periferia da rede, que implementa ARCT; ii) Pars- ley, uma tabela de dispersão distribuída flexível e resiliente baseada em grupos, com realocação preventiva de nós e um mecanismo de particionamento dinâmico de dados; e iii) Thyme GardenBed, um sistema para armazenamento e disseminação de dados em redes multi-regionais na periferia da rede, que faz uso de interações entre dispositivos e com a periferia da rede. As soluções desenvolvidas apresentam baixos custos, proporcionando tempos de res- posta adequados para uso interativo e baixo consumo de energia, demonstrando serem práticas nas mais diversas situações. Estas soluções também exibem boas propriedades de balanceamento de carga e tolerância a faltas

Peer to Peer Information Retrieval: An Overview

Peer-to-peer technology is widely used for file sharing. In the past decade a number of prototype peer-to-peer information retrieval systems have been developed. Unfortunately, none of these have seen widespread real- world adoption and thus, in contrast with file sharing, information retrieval is still dominated by centralised solutions. In this paper we provide an overview of the key challenges for peer-to-peer information retrieval and the work done so far. We want to stimulate and inspire further research to overcome these challenges. This will open the door to the development and large-scale deployment of real-world peer-to-peer information retrieval systems that rival existing centralised client-server solutions in terms of scalability, performance, user satisfaction and freedom

Managing Population and Workload Imbalance in Structured Overlays

Every day the number of data produced by networked devices increases. The current paradigm is to offload the data produced to data centers to be processed. However as more and more devices are offloading their data do cloud centers, accessing data becomes increasingly more challenging. To combat this problem, systems are bringing data closer to the consumer and distributing network responsibilities among the end devices. We are witnessing a change in networking paradigm, where data storage and computation that was once only handled in the cloud, is being processed by Internet of Things (IoT) and mobile devices, thanks to the ever increasing technological capabilities of these devices. One approach, leverages devices into a structured overlay network. Structured Overlays are a common approach to address the organization and distri- bution of data in peer-to-peer distributed systems. Due to their nature, indexing and searching for elements of the system becomes trivial, thus structured overlays become ideal building blocks of resource location based applications. Such overlays assume that the data is distributed evenly over the peers, and that the popularity of those data items is also evenly balanced. However in many systems, due to many factors outside of the system domain, popularity may behave rather randomly, al- lowing for some nodes to spare more resources looking for the popular items than others. In this work we intend to exploit the properties of cluster-based structured overlays propose to address this problem by improving a structure overlay with the mechanisms to manage the population and workload imbalance and achieve more uniform use of resources. Our approach focus on implementing a Group-Based Distributed Hash Table (DHT) capable of dynamically changing its groups to accommodate the changes in churn in the network. With the conclusion of our work we believe that we have indeed created a network capable of withstanding high levels of churn, while ensuring fairness to all members of the network.Todos os dias aumenta o número de dados produzidos por dispositivos em rede. O pa- radigma atual é descarregar os dados produzidos para centros de dados para serem pro- cessados. No entanto com o aumento do número de dispositivos a descarregar dados para estes centros, o acesso aos dados torna-se cada vez mais desafiante. Para combater este problema, os sistemas estão a aproximar os dados dos consumidores e a distribuir responsabilidades de rede entre os dispositivos. Estamos a assistir a uma mudança no paradigma de redes, onde o armazenamento de dados e a computação que antes eram da responsabilidade dos centros de dados, está a ser processado por dispositivos móveis IoT, graças às crescentes capacidades tecnológicas destes dispositivos. Uma abordagem, junta os dispositivos em redes estruturadas. As redes estruturadas são o meio mais comum de organizar e distribuir dados em redes peer-to-peer. Gradas às suas propriedades, indexar e procurar por elementos torna- se trivial, assim, as redes estruturadas tornam-se o bloco de construção ideal para sistemas de procura de ficheiros. Estas redes assumem que os dados estão distribuídos equitativamente por todos os participantes e que todos esses dados são igualmente procurados. no entanto em muitos sistemas, por factores externos a popularidade tem um comportamento volátil e imprevi- sível sobrecarregando os participantes que guardam os dados mais populares. Este trabalho tenta explorar as propriedades das redes estruturadas em grupo para confrontar o problema, vamos equipar uma destas redes com os mecanismos necessários para coordenar os participantes e a sua carga. A nossa abordagem focasse na implementação de uma DHT baseado em grupos capaz de alterar dinamicamente os grupos para acomodar as mudanças de membros da rede. Com a conclusão de nosso trabalho, acreditamos que criamos uma rede capaz de suportar altos níveis de instabilidade, enquanto garante justiça a todos os membros da rede

Airborne Network Data Availability Using Peer to Peer Database Replication on a Distributed Hash Table

The concept of distributing one complex task to several smaller, simpler Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) as opposed to one complex UAV is the way of the future for a vast number of surveillance and data collection tasks. One objective for this type of application is to be able to maintain an operational picture of the overall environment. Due to high bandwidth costs, centralizing all data may not be possible, necessitating a distributed storage system such as mobile Distributed Hash Table (DHT). A difficulty with this maintenance is that for an Airborne Network (AN), nodes are vehicles and travel at high rates of speed. Since the nodes travel at high speeds they may be out of contact with other nodes and their data becomes unavailable. To address this the DHT must include a data replication strategy to ensure data availability. This research investigates the percentage of data available throughout the network by balancing data replication and network bandwidth. The DHT used is Pastry with data replication using Beehive, running over an 802.11 wireless environment, simulated in Network Simulator 3. Results show that high levels of replication perform well until nodes are too tightly packed inside a given area which results in too much contention for limited bandwidth