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1 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke Sommersemester 2004 30.07.2004 15. Vorlesung.

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1 1 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke Sommersemester Vorlesung Christian Schindelhauer

2 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 2 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Programm Organisation Überblick und Zusammenfassung der Vorlesung –Motivation und Zielsetzung –Inhalte und Methoden –Weiterführende Themen Ausblicke –Forschung P2P-Netzwerk in FG Algorithmen und Komplexität –Lehre Vorlesung Search Algorithms Projektgruppe Large Scale Ad Hoc Networks Studienarbeiten, Diplomarbeiten Öffentliche mündliche Prüfung

3 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 3 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer ORGANISATION Abschlussveranstaltung: Dienstag ab 19 Uhr Veranstaltungsform:Grillen Getränkebestellung jetzt und hier. Essen:Wird über P2P-Netzwerk organisiert Zu besorgenGrill, Kohle, Feuer, Teller, Besteck, Liegestühle,... Und natürlichSalat, Brot, Steaks, Würstchen, Senf, Ketchup,... Ort: Grillplatz am Querweg (südlich B64)

4 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 4 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Orientierung I , 19 Uhr

5 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 5 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Orientierung II , 19 Uhr

6 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 6 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer ORGANISATION Abgabe der Ausarbeitung der Übungsaufgaben: Bis zum: Bei:Peter Mahlmann Mündliche Prüfung: Termine: (10-17 Uhr) (10-17 Uhr) Anmeldeschluss: heute! Skript: Stand:noch unvollständig und fehlerhaft umfasst momentan Vorlesung Fertig:

7 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 7 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Geschichte und Motivation der Peer-to-Peer- Netzwerke Napster –Initialzündung der Entwicklung –Client-Server-Architektur –Die Schwächen von Napster prägen die weitere Entwicklung Copyright-Verletzung Angreifbarkeit von Napster Mangelnde Skalierbarkeit Gnutella –Nachfolger mit fehlender geordneter Datenstruktur –Dadurch nicht skalierender Lookup Hybride Lösungen Kazaa, Gnutella II Halbherzige Lösung

8 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 8 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Methoden und Algorithmen für skalierende P2P- Netzwerke Distributed Hash-Tables (Consistent Hashing) –Kommt aus Relieving Hot Spots in the World Wide Web Stochastik –Erwartungswert, Varianz, Markoff –Chernoff-Schranken –Das Prinzip der mehrfachen Auswahl –Zufällige Graphen Datenstrukturen –Hash-Tabellen –Binäre Suche –Suchbäume –Skip-Listen (in Skip-Graphs) Routing-Netzwerke –Gitter –Butterfly-Graphen –DeBrujin-Graphen –Hyper-Würfel

9 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 9 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Skalierende P2P-Netzwerke CAN –Vorteile: Sublineare Suche kleiner Grad –Nachteil: Suche benötigt polynomiell viele Sprünge Chord –Vorteile: Einfach logarithmischer Grad Lookup logarithmisch Einfügen O(log 2 n) –Nachteil: Lange Latenzzeiten (gelöst in Dhash++) Koorde –Chordverbesserung mit konstantem Grad Tapestry –Beweisbar effiziente Umsetzung des Routing-Verfahren von Plaxton et al. –Geringe Latenzzeiten Pastry –Ähnliche Adaption des Routing- Verfahren von Plaxton –Einfachere Umsetzung als Tapestry –Effizienz nur empirisch nachgewiesen Viceroy –Erstes P2P-Netzwerk mit konstantem Grad –Umständlicher als Koorde und Distance-Halving Distance-Halving –Konstanter Grad –Einfache Konstruktion –Prinzip des Übergangs von Kontinuierlichen (Intervallen) zu Diskreten (Knoten)

10 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 10 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Weitere Problemstellungen Epidemische Informationsverbreitung –Push/Pull-Kommunikationsmodell –Terminierung von Gerüchten durch Min/Median-Counter-Algorithmus Datenaggregation –Robuste Informationsverarbeitung in Netzwerken –Empirisch belegt –Analytisch noch kaum verstanden Sicherheit in Peer-to-Peer-Netzwerken –Sibyl-Attacken –Byzantinische Generäle –Kryptographische Protokolle Minimierung der Latenzzeiten –Dhash++ –Reihe von Techniken zur Latenzzeit-Optimierung von Chord

11 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 11 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Ausblicke - Anregungen zur Weiterbeschäftigung Skip-Graphen –Architektur arbeitet wie Skip-Listen –Können beliebige Wörterbücher effizient umsetzen logarithmische Suche polylogarithmisches Einfügen –Erlauben Nachbarschafts-Suche Ontologische Strukturen –Berücksichtigen semantische Ähnlichkeiten Grid Computing –Effiziente Berechnungen in Peer-to-Peer-Netzwerken Mobile Ad-Hoc-Netzwerke –Peer-to-Peer-Netzwerke der Funknetzwerke –Keine Basis-Stationen mehr

12 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 12 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Forschungsprojekte P2P-Algorithmen für Suchmaschinen –Kooperation mit Gerhard Weikum (Max-Planck-Institut für Informatik, Saarbrücken) –Weitere Partner im EU-Projekt DELIS SFB 376, Teilprojekt Mobile Ad-Hoc-Netzwerke –Kooperation (u.a.) mit AG Schaltungstechnik (Elektrotechnik) Ulrich Rückert PAMANET, Kooperation mit –FG Entwurf paralleler Systeme, Franz Rammig –Electronic Commerce und Datenbanken, Stefan Böttcher Sensornetzwerke –AG Sensorik, Ulrich Hilleringmann (Elektrotechnik)

13 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 13 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer P2P-Netzwerke für WWW-Suchmaschinen Projektziel –Kann man die WWW-Suche mit einem P2P-Netzwerk durchführen? –Untersuchung und Konstruktion geeigneter verteilte P2P-Netzwerke und Algorithmen Start –Herbst 2004 –Finanzierung über DFG (geplant) Mitglieder –Christian Schindelhauer –Peter Mahlmann Kooperation mit EU-Projekt DELIS (Dynamically Evolving Large Integrated Systems) SP3, insbesondere Gerhard Weikum (Uni. Saarland) und Holger Bast (MPII Saarbrücken) Zielsetzung –Keine weitere Suchmaschine, sondern –Algorithmische Grundlagen zu schaffen, damit P2P-Netzwerke eines Tages die Rechnerpools der Suchmaschinen-Dienstleister ersetzen

14 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 14 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Das Mobile Ad-hoc-Netzwerk Ein mobiles Ad-hoc-Netzwerk ist ein drahtloses, spontanes und dynamisches Netzwerk ohne feste Infrastruktur und ohne zentrale Verwaltung, in dem sich jeder Teilnehmer frei bewegen darf * Bild zeigt prototypische Realisierung im Rahmen SFB 376, Teilprojekt C6 in Kooperation mit Schaltungstechnik, Universität Paderborn

15 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 15 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer SFB 376 Massive Parallelität Teilprojekt C6: Mobile Ad-hoc-Netzwerke Leitung: –Elektrotechnik, Schaltungstechnik Prof. Dr.-Ing. Ulrich Rückert –Algorithmen und Komplexität Prof. Meyer auf der Heide PD Dr. Christian Schindelhauer Milestones –Simulationsumgebung eines Mobilen Ad- hoc-Netzwerks (SAHNE) 2002 –Entwurf und Implementierung eines IR- Kommunikationsmodul für Miniroboter Khepera 2002 –Algorithmische Analyse möglicher Basisnetzwerke 2002 –Prototypische Umsetzung und Demonstration 2003 Nächstes Ziel –Heterogene, dynamische, skalierbare Netzwerke (PAMANET)

16 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 16 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Mobile Ad-hoc-Netzwerke für W-LAN Implementierung von PaMANet (Paderborn Mobile Ad-hoc-Network) Skalierendes Mobiles Ad-hoc-Netzwerk mit integrierter verteilter Peer-to-Peer Datenbank –Multi-Hop auf Linux über W-LAN IEEE –Konsistentes Hashing –Landmark-Routing –XML-basiertes Peer-to-Peer-Netzwerk mit Query-and-Caches Operation zur Verkehrsminimierung –Kompensation von Dynamik und Mobilität durch Kantengewichtung Implementierung bis Herbst 2004 Entwurf paralleler Systeme –Prof. Franz-Josef Rammig –Simon Oberthür Electronic Commerce & Datenbanken –Prof. Stefan Böttcher –Adelhard Türling Algorithmen und Komplexität –Christian Schindelhauer –Gunnar Schomaker –Michelle Jin Liu

17 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 17 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Komponenten von PAMANET

18 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 18 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Sensor-Netzwerke im Supermarkt Projektziel Sensornetzwerk im Supermarkt zur automatischen Preisauszeichnung und Produktmengenerfassung Projektteilnehmer Firma POS Tuning –Udo Voßhenrich –Auftraggeber: Phillipp Morris Elektrotechnik: Sensortechnik, Universität Paderborn –Prof. Hilleringmann –Martin Dierkes, Andreas Bellgardt, Rüdiger Ibers Informatik: Algorithmen und Komplexität, Universität Paderborn –Christian Schindelhauer –Michelle Jing Liu, Stefan Rührup, Klaus Volbert

19 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 19 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Malbor go Rauchzeichen reizen Indianer Aufgabenstellung Neuartige Sensoren –messen die Anzahl von Produkten in den einzelnen Regalschubladen –Digitale Preisanzeigen zeigen variablen Preis an –Zentrale Einheit sammelt Daten tauscht Daten per GSM mit Firmenzentrale aus passt die Produktpreise an Anforderungen an Sensoreinheit –klein und billig –muss einige Jahre (ohne Batteriewechsel) funktionieren Kommunikationsnetzwerk –funkbasiert und selbstkonfigurierend Malbor go Rauchzeichen reizen Indianer Central server connected to headquarter 13,99

20 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 20 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Lösungsansatz Proaktives selbstkonfigurierendes Netzwerk –Beaconing mit zufälligen Sende/Empfanszeiten –Berechnet Energie-Distanzmaß zur zentralen Einheit –Sammelt Namen der direkten Nachbarschaft Multi-Hop-Routing von den Sensoren zur Zentraleinheit –Hot Potato Routing mit integrierten Netzwerkflussmodell Multi-Hop-Routing von der Zentraleinheit zu den Sensoren –Hot Potato Routing mit vollständiger Pfadinformation als Hilfslinie –Routennahe Knoten bieten sich als Zwischenstationen an Netzwerkkonfiguration durch Broadcasting durch Beacon-Signale Projekt wird gefördert durch den Forschungspreis der Universität Paderborn 2004

21 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 21 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Vorlesung im Wintersemester 04/05 Search Algorithms In englischer Sprache Ziel: Die verschiedensten Aspekte der Suche Inhalte: –Suche in Texten –Suche im Web –Suche in der DNS –Suche im Labyrinth –Suche auf hoher See –Suche: Zeit versus Speicher –Suchen oder Entscheiden. Was ist schwieriger? –...

22 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 22 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Project Group: Large Scale Ad Hoc Networks The Goal We build up a real Mobile Ad Hoc Network with at least some 100s nodes

23 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 23 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer What happened so far? SFB 376, C6 Mobile Ad-Hoc-Netzwerke –MANET with Kephera-robots –Simulation environment SAHNE –Network algorithms Cooperation Sensor Technology –Communication protocol for sensors in a super-market Project group: MANET-WLAN in cooperation with Rammig and Böttcher –PAMANET (A large scale mobile ad-hoc-network for Linux-laptops over WLAN) Funding –Rewarded by the Forschungspreis der Universität Paderborn –Financed by Euro Goal: –Combine this into ONE experimental plattform

24 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 24 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer What will we do? Learn what we need to know about mobile ad hoc networks Design our experimental platform Explore and compare network algorithms Cooperate with partners within and outside the University

25 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 25 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer What do you need to know Form –Modelle und Algorithmen –Language: English –Maximum number of participants: 10 (6 places left) Registration – to: Christian Schindelhauer –Deadline: Thursday, Oct, 14th, 2004, 3pm More information appears on the home page –http://www.upb.de/cs/schindel.html

26 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 26 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Studienarbeiten oder Diplomarbeiten Peer-to-Peer-Netzwerke –Peanuts Basis-Netzwerk: Zufallsgraph Hoher (polynomieller) Grad Konstanter Durchmesser Selbstreparaturmechanismus durch Münchhausen-Pull Einfügen wie in Skip-Graphen –Aufgabe(n): Simulation und Analyse des Selbstreparaturmechanismus Implementation von Peanuts (In Java) Einsatz von Peanuts mit der P2P-Websuchmaschine von Gerhard Weikum Mindestens zwei ein-wöchige Aufenthalte in Saarbrücken zur Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Informatik

27 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 27 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Datenaggregation / Konsistentes Hashing Analyse und Simulation der Geschwindigkeit der der Datenaggregation –Wo unterscheiden sich die diskrete und kontinuierliche Informationsausbreitung? –Welche Funktionen taugen zur Datenaggregation? –Welche Kommunikationsmethoden sind besonders gut geeignet? Gewichtetes konsistentes Hashing –Im Zusammenhang mit PAMANET wurde eine neuartige gewichtete konsistente Hash-Funktion entwickelt –Anwendung auf Storage-Area-Netzwerken Kooperationspartner: ausgegründetes Unternehmen der FG Meyer auf der Heide –Simulation von Extremsituation, Analyse von Worst-Case-Fällen

28 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 28 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer Mobile Ad-Hoc-Netzwerke Studienarbeit/Diplomarbeit (in Zusammenarbeit mit AG Rückert) –Mobile Datenstrukturen für Ad-Hoc-Netzwerke –Transport-Protokolle für Ad-Hoc-Netzwerke –Routing-Algorithmen für Ad-Hoc-Netzwerke Sensor-Netzwerke (in Zusammenarbeit mit AG Hilleringmann) –Spezifikation einer Sensornetzwerk-Zentralstation –Simulation eines verteilten Sensornetzwerk-Protokolls Das Paderborn Mobile Ad-Hoc-Network –Schaffung einer Open-Source-Plattform für PAMANET –Simulation, Analyse und Verbesserung der Distanzmetrik von PAMANET

29 Algorithmen für Peer-to-Peer- Netzwerke 29 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Christian Schindelhauer HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Diplomarbeit Positionsbasiertes Routing Beim positionsbasierten Routing nutzt man die Positionsinformationen, die z.B. von GPS-Empfängern geliefert werden, um Pakete in Richtung des Ziels zu leiten. Dies hat insbesondere in dynamischen Netzen den Vorteil, dass Routing ohne Wegesuche durch Fluten und ohne den Aufbau von Routingtabellen durchgeführt werden kann. In der Arbeit soll ein positionsbasiertes Routingverfahren entwickelt und in einer Simulationsumgebung implementiert und experimentell untersucht werden. Weitere Details auf Anfrage Ansprechpartner: Stefan Rührup Raum F2.313

30 30 HEINZ NIXDORF INSTITUT Universität Paderborn Algorithmen und Komplexität Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Ende der Vorlesung Übungsbetrieb ist beendet Lösungen können noch bis zum per eingereicht werden Prüfungsanmeldung heute per an Nächster Termin: Abschlussveranstaltung am Uhr


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