1 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Peer-to-Peer- Netzwerke Christian Schindelhauer Sommersemester.

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1 1 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Peer-to-Peer- Netzwerke Christian Schindelhauer Sommersemester 2006 4. Vorlesung 04.05.2006

2 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 2 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Inhalte  Kurze Geschichte der Peer-to-Peer- Netzwerke  Das Internet: Unter dem Overlay  Die ersten Peer-to-Peer-Netzwerke –Napster –Gnutella –Die Verbindungsstruktur von Gnutella  Chord  Pastry und Tapestry  Gradoptimierte Netzwerke –Viceroy –Distance-Halving –Koorde  Netzwerke mit Suchbäumen –Skipnet und Skip-Graphs –P-Grid  Selbstorganisation –Pareto-Netzwerke –Zufallsnetzwerke –Selbstorganisation –Metrikbasierte Netzwerke Sicherheit in Peer-to-Peer-Netzwerken  Anonymität  Datenzugriff: Der schnellere Download  Peer-to-Peer-Netzwerke in der Praxis –eDonkey –FastTrack –Bittorrent  Peer-to-Peer-Verkehr  Juristische Situation

3 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 3 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Die Internet-Schichten TCP/IP-Layer AnwendungApplication Peer-to-Peer-Netzwerke, HTTP (Web), SMTP (E-Mail),... Transport TCP (Transmission Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) VermittlungNetwork IP (Internet Protocol) + ICMP (Internet Control Message Protocol) + IGMP (Internet Group Management Protoccol) VerbindungLinkLAN (z.B. Ethernet, Token Ring etc.)

4 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 4 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer IPv6 Wozu IPv6:  IP-Adressen sind knapp –Zwar gibt es 4 Milliarden in IPv4 (32 Bit) –Diese sind aber schlecht organisiert  Autokonfiguration –DHCP, Mobile IP, Umnummerierung  Neue Dienste –Sicherheit (IPSec) –Qualitätssicherung (QoS) –Multicast  Vereinfachungen für Router –keine IP-Prüfsummen –Keine Partitionierung von IP-Pakete

5 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 5 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer TCP-Header  Sequenznummer –Nummer des ersten Bytes im Segment –Jedes Datenbyte ist nummeriert modulo 256  Bestätigungsnummer –Aktiviert durch ACK-Flag –Nummer des nächsten noch nicht bearbeiteten Datenbytes = letzte Sequenznummer + letzte Datenmenge  Sonstiges: –Port-Adressen Für parallele TCP- Verbindungen Ziel-Port-Nr. Absender-Port –Headerlänge data offset –Prüfsumme Für Header und Daten

6 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 6 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Gleitende Fenster (sliding windows)  Datenratenanpassung durch Fenster –Empfänger bestimmt Fenstergröße (wnd) im TCP-Header der ACK- Segmente –Ist Empfangspuffer des Empfängers voll, sendet er wnd=0 –Andernfalls sendet Empfänger wnd>0  Sender beachtet: –Anzahl unbestätigter gesender Daten ≤ Fenstergröße

7 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 7 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Segment 8 Segment 9 Segment 10 Segment 1 ACK: Segment 1 Sender Empfänger Segment 2 Segment 3 ACK: Segment 3 Segment 4 Segment 5 ACK: Segment 7 Segment 6 Segment 7 ACK: Segment 5 … Slow Start Congestion Fenster  Sender darf vom Empfänger angebotene Fenstergröße nicht von Anfang wahrnehmen  2. Fenster: Congestion-Fenster (cwnd/Congestion window) –Von Sender gewählt (FSK) –Sendefenster: min {wnd,cwnd} –S: Segmentgröße –Am Anfang: cwnd ← S –Für jede empfangene Bestätigung: cwnd ← cwnd + S –Solange bis einmal Bestätigung ausbleibt  „Slow Start“ = Exponentielles Wachstum

8 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 8 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Durchsatzoptimierung in der Transportschicht  Hauptproblem von TCP: Durchsatzoptimierung durch Stauvermeidung –Jacobson: min. 99% aller verlorenen Pakete durch IP wegen Datenüberlaufs (congestion) an Routern –Feedback in der Transportschicht nur durch Ackn.-Pakete: Wird ein Paket nicht bestätigt, war der gewählte Datendurchsatz zu hoch  TCP verringert Datendurchsatz Werden alle Pakete bestätigt, war der Datendurchsatz genau richtig oder zu niedrig  TCP erhöht Datendurchsatz

9 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 9 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Durchsatz und Antwortzeit  Klippe: –Hohe Last –Geringer Durchsatz –Praktisch alle Daten gehen verloren  Knie: –Hohe Last –Hoher Durchsatz –Einzelne Daten gehen verloren

10 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 10 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Runde Internet Host B t Bandweite läßt maximal u t Pakete durch Host A sendet x t+1 Pakete schickt Bestätigung (Ack.) erhält Ack. und berechnet x t+1 t+1 sendet x t Pakete erhält min(x t+1,u t+1 ) Pakete Bandweite läßt maximal u t+1 Pakete durch erhält min(x t,u t ) Pakete Modell  Rundenmodell –In Runde t steht Bandweite u t zur Verfügung –Algorithmus fordert in Runde Bandweite xt an –Feedback zu Beginn von Runde t+1: Ist x t > u t ? (d.h. sind Pakete verloren gegangen) –Algorithmus erfährt nie die wirklich verfügbaren Bandweiten

11 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 11 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer x ← 1 x ← x +1 y ← max y ← x/2 x ← 1 x ← 2 ⋅ x, bis x = y x: Anzahl Pakete pro RTT Stauvermeidung in TCP Tahoe  Jacobson 88: –Parameter: cwnd und Slow-Start-Schwellwert (ssthresh=slow start threshold) –S = Datensegmentgröße = maximale Segmentgröße  Verbindungsaufbau: –cwnd ← Sssthresh ← 65535  Bei Paketverlust, d.h. Bestätigungsdauer > RTO, –Dann multiplicatively decreasing cwnd ← Sssthresh ←  Werden Segmente bestätigt und cwnd ≤ ssthresh, –dann slow start cwnd ← cwnd + S  Werden Segmente bestätigt und cwnd > ssthresh, –dann additively increasing

12 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 12 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer TCP Tahoe

13 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 13 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer x ← y + 3 y ← x/2 Fast Retransmit und Fast Recovery  TCP Tahoe [Jacobson 1988]: –Geht nur ein Paket verloren, dann Wiederversand Paket + Restfenster Und gleichzeitig Slow Start –Fast retransmit Nach drei Bestätigungen desselben Pakets (triple duplicate ACK), sende Paket nochmal, starte mit Slow Start  TCP Reno [Stevens 1994] –Nach Fast retransmit: ssthresh ← min(wnd,cwnd)/2 cwnd ← ssthresh + 3 S –Fast recovery nach Fast retransmit Erhöhe Paketrate mit jeder weiteren Bestätigung cwnd ← cwnd + S –Congestion avoidance: Trifft Bestätigung von P+x ein: cwnd ← ssthresh

14 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 14 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer x ← 1 x ← x +1 x ← x/2 Stauvermeidungsprinzip: AIMD  Kombination von TCP und Fast Recovery verhält sich im wesentlichen wie folgt:  Verbindungsaufbau:  Bei Paketverlust, MD:multiplicative decreasing  Werden Segmente bestätigt, AD: additive increasing

15 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 15 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Slow Start Additively Increase Fast Recovery Fast Retransmit Multiplicatively Decrease Beispiel: TCP Reno in Aktion

16 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 16 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Ein einfaches Datenratenmodell  n Teilnehmer, Rundenmodell –Teilnehmer i hat Datenrate xi(t) –Anfangsdatenrate x 1 (0), …, x n (0) gegeben  Feedback nach Runde t: –y(t) = 0, falls –y(t) = 1, falls –wobei K ist Knielast  Jeder Teilnehmer aktualisiert in Runde t+1: –x i (t+1) = f(x i (t),y(t)) –Increase-Strategie f 0 (x) = f(x,0) –Decrease-Strategief 1 (x) = f(x,1)  Wir betrachten lineare Funktionen:

17 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 17 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Lineare Datenratenanpassung  Interessante Spezialfälle: –AIAD: Additive Increase Additive Decrease –MIMD: Multiplicative Increase/Multiplicative Decrease –AIMD: Additive Increase Multiplicative Decrease

18 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 18 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Konvergenz  Konvergenz unmöglich  Bestenfalls Oszillation um Optimalwert –Oszillationsamplitude A –Einschwingzeit T

19 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 19 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Vektordarstellung (I)

20 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 20 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Vektordarstellung (II)

21 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 21 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer AIAD Additive Increase/ Additive Decrease

22 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 22 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer MIMD

23 Peer-to-Peer-Netzwerke 4. Vorlesung - 23 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer AIMD

24 24 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Ende der 4. Vorlesung Peer-to-Peer-Netzwerke Christian Schindelhauer