Search strategies in unstructured overlays

Abstract

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