Christian Schindelhauer Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke Sommersemester 2004 30.07.2004 15. Vorlesung 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

ORGANISATION Abschlussveranstaltung: Dienstag 03.08. ab 19 Uhr Veranstaltungsform: Grillen Getränkebestellung jetzt und hier. Essen: Wird über P2P-Netzwerk organisiert Zu besorgen Grill, Kohle, Feuer, Teller, Besteck, Liegestühle,... Und natürlich Salat, Brot, Steaks, Würstchen, Senf, Ketchup, ... Ort: Grillplatz am Querweg (südlich B64)

Orientierung I 03.08.2004, 19 Uhr

Orientierung II 03.08.2004, 19 Uhr

ORGANISATION Abgabe der Ausarbeitung der Übungsaufgaben: Bis zum: 15.08.2004 Bei: Peter Mahlmann Mündliche Prüfung: Termine: 13.-17.09.2004 (10-17 Uhr) 04.-08.10.2004 (10-17 Uhr) Anmeldeschluss: heute! Skript: Stand: noch unvollständig und fehlerhaft umfasst momentan 1.-7. Vorlesung Fertig: 06.08.2004

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

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

Skalierende P2P-Netzwerke CAN Vorteile: Sublineare Suche kleiner Grad Nachteil: Suche benötigt polynomiell viele Sprünge Chord Einfach logarithmischer Grad Lookup logarithmisch Einfügen O(log2 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)

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

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

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)

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

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 Infrarot-Sende-Empfangskreis * Bild zeigt prototypische Realisierung im Rahmen SFB 376, Teilprojekt C6 in Kooperation mit Schaltungstechnik, Universität Paderborn

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)

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 802.11 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

Komponenten von PAMANET

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

two boxes left Malborgo costs 14,99 Aufgabenstellung Malborgo Malborgo 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 Malborgo Rauchzeichen reizen Indianer Malborgo Rauchzeichen reizen Indianer two boxes left € 13,99 Malborgo costs 14,99 Central server connected to headquarter

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

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? ...

Project Group: Large Scale Ad Hoc Networks The Goal We build up a real Mobile Ad Hoc Network with at least some 100s nodes

What happened so far? Goal: 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 15.000 Euro Goal: Combine this into ONE experimental plattform

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

What do you need to know schindel@upb.de Form „Modelle und Algorithmen“ Language: English Maximum number of participants: 10 (6 places left) Registration Email to: Christian Schindelhauer schindel@upb.de Deadline: Thursday, Oct, 14th, 2004, 3pm More information appears on the home page http://www.upb.de/cs/schindel.html

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

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

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

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  sr@upb.de Raum F2.313

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Ende der Vorlesung Übungsbetrieb ist beendet Lösungen können noch bis zum 14.08. per Email eingereicht werden Prüfungsanmeldung heute per Email an mahlmann@upb.de Nächster Termin: Abschlussveranstaltung am 03.08. 19 Uhr