Khóa luận Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng “Tham gia mà không đóng góp” lên hệ thống chia sẻ file ngang hàng bittorrent

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Quang Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG

“THAM GIA MÀ KHÔNG ĐÓNG GÓP” LÊN HỆ

THỐNG CHIA SẺ FILE NGANG HÀNG

BITTORRENT

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

HÀ NỘI - 2009

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Lê Quang Tuấn

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN

TƯỢNG “THAM GIA MÀ KHÔNG ĐÓNG GÓP”

LÊN HỆ THỐNG CHIA SẺ FILE NGANG HÀNG

BITTORRENT

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: Tiến sỹ Nguyễn Đại Thọ

HÀ NỘI - 2009

Lời cảm ơn

Mở đầu cho khóa luận, em xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới

các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin, Trường đại học

Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà nội đã tận tình dạy dỗ em trong 4

năm học vừa qua. Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn tiến sỹ

Nguyễn Đại Thọ, người đã hướng dẫn, chỉ bảo em trong quá trình

thực hiện khóa luận này.

Mình cũng muốn gửi lời cám ơn tới những người bạn học K50CB

và K50MMT, những người đã cùng với em chia sẽ những ngày tháng

trên ghế giảng đường đại học, cùng chia sẻ niềm vui cũng như giúp

đỡ lẫn nhau trong quá trình học tập tại trường.

Cuối cùng, với tất cả lòng biết ơn, con muốn nói lời cám ơn cha

mẹ, những người đã luôn tin tưởng và động viên em, cho em chỗ

dựa vững chắc để vững tin hơn trong cuộc sống.

Tháng 5 năm 2009

Lê Quang Tuấn

Tóm tắt

Đề tài nghiên cứu của khóa luận tập trung vào vấn đề “nghiên cứu ảnh hưởng của

hiện tượng “tham gia mà không đóng góp”(tiếng Anh: free-riding) đối với hệ thống

chia sẻ file ngang hàng BitTorrent”. Trước hết, khóa luận sẽ cung cấp một cái nhìn

tổng quan về hệ thống mạng ngang hàng hiện nay. Tiếp đó, chúng ta sẽ đi sâu vào

nghiên cứu hệ thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent (khái niệm, cơ chế và hoạt

động). và để làm rõ nội dung của đề tài nghiên cứu, Hệ thống BitTorrent sẽ được mô

hình hóa bởi các tham số, các nút tham gia trong mạng được chia làm 3 loại đó là seed

(nút chỉ upload mà không download), free-rider (nút tham gia vào hệ thống chỉ

download mà không đóng góp) và non free-rider (các nút bình thường, vừa tham gia

download vừa tham gia upload), từ đó xem xét khả năng tự bảo vệ chống lại free-

riding trong cơ chế của BitTorrent, và đề xuất phương án cải thiện. Trong phần sau của

khóa luận, tôi đã sử dụng chương trình mô phỏng OctoSim (một chương trình mô

phỏng hệ thống BitTorrent của Microsoft Research) để thực hiện các thử nghiệm

chứng minh tính đúng đắn của những nghiên cứu.

Mục lục

Giới thiệu chung .................................................................................................................................................... 1

Chương 1. Tổng quan về mạng ngang hàng........................................................................................................ 3

1.1. Khái niệm về mạng ngang hàng ....................................................................................................................... 3

1.2. Phân loại mạng ngang hàng............................................................................................................................. 3

1.2.1. Mạng ngang hàng thuần túy và mạng ngang hàng lai ghép ............................................................... 3

1.2.2. Mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu trúc ............................................. 4

1.3. Ưu thế và các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng ............................................................................. 5

1.3.1. Các ưu thế của mạng ngang hàng....................................................................................................... 5

1.3.2. Các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng ............................................................................... 5

1.3.3. Tiềm năng phát triển của mạng ngang hàng....................................................................................... 6

Chương 2. Mạng chia sẻ file ngang hàng BitTorrent ......................................................................................... 7

2.1. BitTorrent là gì?............................................................................................................................................. 7

2.2. Cơ chế và hoạt động của BitTorrent ............................................................................................................... 8

2.2.1. Quá trình chia sẻ file .......................................................................................................................... 8

2.2.2. Sự lựa chọn các phần đơn vị (Piece Selection) .................................................................................. 9

2.2.3. Thuật toán Choking.......................................................................................................................... 10

2.3. Optimistic Unchoking và Free-Rider.............................................................................................................. 10

2.4. So sánh BitTorrent và một số hệ thống chia sẻ file ngang hàng khác........................................................... 11

Chương 3. Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của free-riding lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent.......... 13

3.1. Một số nghiên cứu liên quan .......................................................................................................................... 13

3.2. Mô hình và các tham số................................................................................................................................. 13

3.3. Nghiên cứu hệ thống ở trạng thái ổn định (steady-state) .............................................................................. 16

Chương 4. Chương trình mô phỏng OctoSim................................................................................................... 23

4.1. Cài đặt và sử dụng chương trình................................................................................................................... 23

4.1.1. Giới thiệu, cách thức cài đặt và thiết lập môi trường để chạy chương trình OctoSim...................... 23

4.1.2. Đầu vào và đầu ra của chương trình mô phỏng................................................................................ 24

4.2. Cấu trúc và chức năng của chương trình mô phỏng ...................................................................................... 25

4.2.1. File Main.cs:..................................................................................................................................... 25

4.2.2. File WorkloadProcessor.cs:.............................................................................................................. 26

4.2.3. File Sim.cs:....................................................................................................................................... 27

4.2.4. File ProtocolMain.cs: ....................................................................................................................... 28

4.2.5. File Node.cs: .................................................................................................................................... 29

4.2.6. File SimParameters.cs...................................................................................................................... 30

4.2.7. Các file khác..................................................................................................................................... 30

Chương 5. Các thí nghiệm mô phỏng và đánh giá............................................................................................ 31

5.1. Kết luận sau khi xem xét mô hình và đề xuất phương án cải thiện................................................................ 31

5.1.1. Kết luận thu được từ quá trình phân tích và tính toán ...................................................................... 31

5.1.2. Đề xuất phương án cải thiện............................................................................................................. 31

5.2. Tiến hành các thử nghiệm .............................................................................................................................. 32

5.2.1. Thử nghiệm thứ nhất........................................................................................................................ 32

5.2.2. Thử nghiệm thứ hai.......................................................................................................................... 34

5.2.3. Thử nghiệm thứ ba........................................................................................................................... 36

Chương 6. Kết luận và phương hướng tiếp theo............................................................................................... 37

Tài liệu tham khảo............................................................................................................................................... 39

Giới thiệu chung

Hiện nay, máy tính đã trở thành công cụ không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi

con người. Máy tính đã hỗ trợ rất đắc lực cho chúng ta trong công việc, học tập cũng

như giải trí hầu như mọi nơi, mọi lúc. Và một trong những lý do lớn khiến cho máy

tính có thể len lỏi vào từng ngõ ngách của cuộc sống như vậy chính là do có sự xuất

hiện của mạng Internet. Internet giúp chúng ta thu hẹp mọi khoảng cách, mở cánh cửa

bước vào kho tài nguyên tri thức vô tận của nhân loại.

Trong quá trình phát triển của Internet, bên cạnh những ứng dụng theo mô hình

Client / Server truyền thống như WWW, email, FTP,… trong thời gian gần đây, đã

xuất hiện các ứng dụng theo mô hình ngang hàng (Peer to Peer – P2P). Với các ưu

điểm như tốn ít chi phí xây dựng cơ sở hạ tầng, tận dụng được tài nguyên của các máy

tham gia vào mạng, giải quyết được vấn đề điểm chết trung tâm của mô hình Client /

Server truyền thống, các ứng dụng trên mạng ngang hàng ngày càng được quan tâm

phát triển nhiều hơn.

Từ sự xuất hiện của Napster vào năm 1999, có nhiều ứng dụng chia sẻ file ngang

hàng được phát triển, ví dụng như Gnutella, KaZaA và BitTorren. Nhưng trong đó

BitTorrent có số lượng người dùng lớn nhất và đã trở thành giải pháp chính cho việc

chia sẻ file ngang hàng. Trong một nghiên cứu đã cho thấy rằng, các tài khoản sử dụng

BitTorrent chiếm tới 35% lưu lượng trung chuyển trên mạng Internet, đó là 1 con số

lớn, hơn tất cả các hệ thống chia sẻ file khác gộp lại.

Sự phát triển mạnh mẽ của BitTorrent trong thời gian vừa qua cho thấy sự hiệu

quả và ổn định trong cơ chế và giao thức của nó. Tuy nhiên, cũng như hầu hết các hệ

thống hoạt động trên mô hình mạng ngang hàng, hoạt động của BitTorrent cũng dựa

trên sự tự nguyện đóng góp của các thành phần tham gia trong mạng. Do đó,

BitTorrent cũng phải đối mặt với vấn đề free-riding (có những người dùng tham gia

vào mạng chỉ để lấy tài nguyên về mà không chịu đóng góp cho hệ thống).

Trong khuôn khổ của khóa luận, chúng ta sẽ từng bước tìm hiểu qua 6 chương:

Chương 1: Tổng quan về mạng ngang hàng, Trình bày các kiến thức cơ bản về

mạng ngang hàng (P2P Network),ưu nhược điểm của mạng ngang hàng và các vấn đề

cần chú ý khi nghiên cứu mạng ngang hàng.

Chương 2: Hệ thống chia sẻ file ngang hàng BitTorrent, giới thiệu về

BitTorrent, cơ bản về giao thức, cách thức chia sẻ file, cơ chế thúc đẩy các nút tham

1

gia đóng góp cho hệ thống. So sánh BitTorrent với một vài hệ thống chia sẻ file ngang

hàng khác. Trong chương này cũng trình bày nguyên nhân dẫn đến khả năng tồn tại

của các nút free-rider.

Chương 3: Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của hiện tượng free-riding

lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent, trong chương này tôi nghiên cứu mô hình

BitTorrent được đề xuất trong bài báo “Free-Riding on BitTorrent-like File Sharing

System: Modeling, Analysis and Improvement” của các tác giả Jiadia Yu, Minglu Li,

Jie Wu. Qua đó thấy được mức độ ảnh hưởng của hiện tượng free-riding lên hệ thống

cũng như khả năng tự bảo vệ của hệ thống BitTorrent. Từ đó, đề xuất cơ chế khắc hạn

chế hiện tượng free-riding.

Chương 4: Chương trình mô phỏng OctoSim, chương này giới thiệu và mô tả

cấu trúc chức năng của chương trình mô phỏng OctoSim ( một chương trình mô phỏng

hệ thống BitTorrent của Microsoft Research được viết bằng ngôn ngữ C#)

Chương 5: Các thí nghiệm mô phỏng và đánh giá, trong chương này tôi rút ra

một số kết luận từ quá trình nghiên cứu và đề xuất phương án nhằm hạn chế hiện

tượng free-riding, sau đó sử dụng chương trình mô phỏng OctoSim để thực hiện các

thí nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả nghiên cứu và hiệu quả của đề xuất, và có

những nhận xét cũng như giải thích về những kết quả đã đạt được.

Chương 6: Kết quả thu được trong quá trình làm khóa luận và phương hướng

nghiên cứu trong tương lai.

2

Chương 1. Tổng quan về mạng ngang hàng

1.1. Khái niệm về mạng ngang hàng

Mạng ngang hàng (Peer-to-Peer hay P2P) [1] là một mạng máy tính trong đó

hoạt động của mạng chủ yếu dựa vào khả năng tính toán và băng thông của các máy

tham gia chứ không tập trung vào một số nhỏ các máy chủ trung tâm như các mạng

thông thường. Mạng ngang hàng thường được sử dụng để kết nối các máy thông qua

một lượng kết nối dạng ad hoc. Mạng ngang hàng có nhiều ứng dụng. Các loại ứng

dụng thường xuyên gặp nhất là các ứng dụng chia sẻ tập tin, tất cả các dạng như âm

thanh, hình ảnh, dữ liệu,... hoặc ứng dụng truyền dữ liệu thời gian thực như điện thoại

VoIP.

Một mạng ngang hàng đúng nghĩa không có khái niệm máy chủ và máy khách,

nói cách khác, tất cả các máy tham gia đều bình đẳng, mỗi máy là một nút mạng (còn

gọi là peer) đóng vai trò đồng thời là máy khách và máy chủ đối với các máy khác

trong mạng.

1.2. Phân loại mạng ngang hàng

1.2.1. Mạng ngang hàng thuần túy và mạng ngang hàng lai ghép

Mạng ngang hàng thuần túy:

- Các máy trạm có vai trò vừa là máy chủ vừa là máy khách.

- Không có máy chủ trung tâm quản lý mạng.

- Không có máy định tuyến (bộ định tuyến) trung tâm. Các máy trạm có khả năng

tự định tuyến.

Mạng ngang hàng lai ghép:

- Có một máy chủ trung tâm dùng để lưu trữ thông tin của các máy trạm và trả lời

các truy vấn thông tin này

- Các máy trạm có vai trò lưu trữ thông tin, tài nguyên được chia sẻ để cung cấp

các thông tin về chia sẻ tài nguyên của nó cho máy chủ.

- Sử dụng các trạm định tuyến để xác định đia chỉ IP của các máy trạm

3

1.2.2. Mạng ngang hàng không có cấu trúc và mạng ngang hàng có cấu

trúc

Mạng phủ (Overlay) ngang hàng bao gồm tất cả các nút mạng đại diện cho các

máy tham gia và các liên kết giữa các nút mạng này. Một liên kết tồn tại giữa hai nút

mạng khi một nút mạng biết vị trí của nút mạng kia. Dựa vào cấu trúc liên kết giữa các

nút mạng trong mạng phủ ta có thể phân loại hệ thống mạng ngang hàng phân tán

thành 2 loại: có cấu trúc hay không cấu trúc.

Một mạng ngang hàng không cấu trúc khi các liên kết giữa các nút mạng trong

mạng phủ được thiết lập ngẫu nhiên (tức là không theo qui luật nào). Những mạng như

thế này dễ dàng được xây dựng vì một máy mới khi muốn tham gia mạng có thể lấy

các liên kết có sẵn của một máy khác đang ở trong mạng và sau đó dần dần tự bản thân

nó sẽ thêm vào các liên kết mới của riêng mình. Khi một máy muốn tìm một dữ liệu

trong mạng đồng đẳng không cấu trúc, yêu cầu tìm kiếm sẽ được truyền trên cả mạng

để tìm ra càng nhiều máy chia sẻ càng tốt. Hệ thống này thể hiện rõ nhược điểm:

không có gì đảm bảo tìm kiếm sẽ thành công. Đối với tìm kiếm các dữ liệu phổ biến

được chia sẻ trên nhiều máy, tỉ lệ thành công là khá cao, ngược lại, nếu dữ liệu chỉ

được chia sẻ trên một vài máy thì xác suất tìm thấy là khá nhỏ. Tính chất này là hiển

nhiên vì trong mạng ngang hàng không cấu trúc, không có bất kì mối tương quan nào

giữa một máy và dữ liệu nó quản lý trong mạng, do đó yêu cầu tìm kiếm được chuyển

một cách ngẫu nhiên đến một số máy trong mạng. Số lượng máy trong mạng càng lớn

thì khả năng tìm thấy thông tin càng nhỏ.

Một nhược điểm khác của hệ thống này là do không có định hướng, một yêu cầu

tìm kiếm thường được chuyển cho một số lượng lớn máy trong mạng làm tiêu tốn một

lượng lớn băng thông của mạng, dẫn đến hiệu quả tìm kiếm chung của mạng thấp.

Hầu hết các mạng ngang hàng phổ biến là không cấu trúc như Napster, Gnutella,

Fasttrack và eDonkey2000.

Mạng ngang hàng có cấu trúc khắc phục nhược điểm của mạng không cấu trúc

bằng cách sử dụng hệ thống DHT (Bảng Băm Phân Tán, tiếng anh: Distributed Hash

Table). Hệ thống này định nghĩa liên kết giữa các nút mạng trong mạng phủ theo một

thuật toán cụ thể, đồng thời xác định chặt chẽ mỗi nút mạng sẽ chịu trách nhiệm đối

với một phần dữ liệu chia sẻ trong mạng. Với cấu trúc này, khi một máy cần tìm một

dữ liệu, nó chỉ cần áp dụng một giao thức chung để xác định nút mạng nào chịu trách

nhiệm cho dữ liệu đó và sau đó liên lạc trực tiếp đến nút mạng đó để lấy kết quả.

4

Một số mạng ngang hàng có cấu trúc nổi tiếng bao gồm Chord, CAN, Kademlia,

Pastry và Tapestry.

Như vậy có thể thấy hệ thống BitTorrent mà chúng là nghiên cứu thuộc loại

mạng ngang hàng lai ghép ☺

1.3. Ưu thế và các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng

1.3.1. Các ưu thế của mạng ngang hàng

Các ưu thế của mạng ngang hàng cũng chính là các mục đích ban đầu khi tạo ra

mạng ngang hàng người ta nghĩ đến. Mạng ngang hàng là tập hợp liên kết của các máy

tính đơn lẻ với nhau và đóng góp tài nguyên (bao gồm dung lượng ổ cứng, băng thông

và khả năng tính toán). Do đó, sức mạnh của mạng ngang hàng tăng lên khi số nút

tham gia mạng tăng lên(trái với mô hình client/server truyền thống, sức mạnh và hiệu

năng của mạng giảm khi số lượng client tham gia vào mạng tăng lên). Một ưu thế khác

của mạng ngang hàng so với mô hình client/server truyền thống đó chính là tính chất

phân tán. Điều này đảm bảo được tính bền vững của mạng khi có một(hoặc một vài

nút) gặp phải sự cố. Mặt khác, do tính chất bền vững của mạng là lớn nên nếu có cơ

chế phân phối thông tin hợp lý thì sẽ luôn đảm bảo được tính sẵn sàng cao trong mạng.

Một ưu thế đáng được nói đến nữa của mô hình P2P đó chính là chi phí xây dựng hệ

thống thấp, do đó việc triển khai một hệ thống mạng cũng khá dễ dàng.

1.3.2. Các vấn đề cần xem xét trong mạng ngang hàng

Các hệ thống mạng ngang hàng đều được xây dựng nên dựa trên sự tự nguyện

tham gia của các nút thành viên. Do đó khi thiết kế và nghiên cứu cần chú ý đến các

vấn đề sau:

-

Tính ổn định và dễ mở rộng của mạng: Làm thế nào để cho các nút có

thể tham gia vào mạng một cách dễ dàng nhất có thể, đồng thời cũng phải giữ

được tính ổn định của mạng, có nghĩa là mạng vẫn có thể hoạt động bình thường

khi có một số nút rời mạng (tự nguyệt hay đột ngột bị lỗi).

-

Tận dụng tối đa tài nguyên đóng góp của các nút tham gia mạng: Sức

mạnh của một hệ thống mạng ngang hàng phụ thuộc vào việc hệ thống đó tận

dụng được các tài nguyên đóng góp của các nút tham gia mạng. Đặc biệt chú ý

đến vấn đề tận dụng băng thông của các nút tham gia mạng.

5

-

Đảm bảo được tính công bằng trên mạng: Vai trò của các nút trong một

hệ thống mạng ngang hàng là ngang nhau, do đó mức độ đóng góp và dịch vụ

được hưởng cũng phải ngang nhau. Trong vấn đề về tính công bằng trên mạng

cần đặc biệt chú ý đến hiện tượng free-riding, đây cũng là yếu tố được nghiên

cứu trong khóa luận này.

-

Duy trì tính sẵn có(avaibility) của tài nguyên: Mục đích của việc lưu trữ

và chia sẻ file, ai cũng muốn file được lưu trữ lâu dài và có thể lấy về bất cứ lúc

nào. Tuy nhiên trong mạng ngang hàng thì không có ràng buộc gì để đảm bảo

được điều đó do trong mạng ngang hàng, sự đóng góp là hoàn toàn tự nguyện.

-

Còn một vấn đề khác cần được lưu ý ngoài các vấn đề về mặt kĩ thuật

trên. Đó chính là vấn đề về bản quyền của các thông tin được chia sẻ trên mạng.

Hiện tại, P2P là nơi lý tưởng để trao đổi các file nhạc, film không có bản quyền

(cũng là một phần lý do thúc đẩy mạng P2P phát triển như hiện nay).

1.3.3. Tiềm năng phát triển của mạng ngang hàng

Hiện nay, khái niệm mạng ngang hàng hoàn toàn không lạ lẫm. Số người biết đến

và sử dụng những ứng dụng trên nền tảng công nghệ mạng ngang hàng đang tăng lên

từng ngày. Mặc dù vẫn còn những vấn đề về bảo mật hay vấn đề về bản quyền của

những nội dung được trao đổi trong mạng ngang hàng, nhưng với những ưu thế và lợi

ích mà mạng ngang hàng đem lại, chúng ta vẫn có thể thấy được sự phát triển mạnh

mẽ của nó.

Trên thực tế, cũng đang có rất nhiều nghiên cứu phát triển các ứng dụng trên nền

công nghệ mạng ngang hàng, từ những lĩnh vực bình thường của đời sống như giải trí

hay truyền hình( các ứng dụng về truyền video thông qua mạng ngang hàng) đến công

việc kinh doanh hay nghiên cứu khoa học. Đặc biệt, quân đội Mỹ cũng đã có những dự

án nghiên cứu phát triển những ứng dụng quân sự trên nền công nghệ mạng ngang

hàng.

Chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng rằng, trong tương lai gần, mạng ngang hàng

sẽ tiếp tục phát triển và cung cấp thêm nhiều lợi ích cho cuộc sống.

6

Chương 2. Mạng chia sẻ file ngang hàng BitTorrent

2.1. BitTorrent là gì?

BitTorrent là tên một giao thức chia sẻ file được lập trình viên Bram Cohen thiết

kế vào tháng 4 năm 2007, và chỉ 3 tháng sau đó, tháng 7 năm 2001, giao thức này đã

được đưa vào triển khai trong thực tế và tạo ra một hệ thống chia sẻ file theo mô hình

mạng ngang hàng mới, cũng được mang tên là BitTorrent. Ngoài chương trình

BitTorrent Client đầu tiên được viết bởi Bram Cohen là BitTorrent (hay Mainline)

cũng đã có rất nhiều chương trình BitTorrent Client khác được phát triển và có thể

chạy được trên nhiều nền tảng khác nhau (Windows, Mac, Linux,...).

Hình 1: Giao diện một chương trình BitTorrent Client

Trong hình trên là giao diện của µTorrent, một chương trình BitTorrent Client

khá phổ biến. Về cơ bản thì nó cũng khá giống một chương trình hỗ trợ download bình

thường. Để triển khai về mặt ứng dụng, hệ thống BitTorrent chỉ cần một máy chủ có

cài ứng dụng Tracker và các nút tham gia sử dụng một chương trình BitTorrent client

nào đó. Quá trình hoạt động cụ thể của việc chia sẻ file sẽ được nói chi tiết trong phần

sau.

7

Một số khái niệm (thuật ngữ) hay được dùng trong BitTorrent:

Seed: Nút nắm giữ toàn bộ file, chỉ tham gia quá trình upload file.

Peer(or downloader/leecher): Nút tham gia vào cả quá trình download và

upload file.

Neiborghs (Swarm): Các nút giữ liên kết với một nút nào đó trong quá trình

download 1 file nhất định.

Tracker: Máy chủ có nhiệm vụ theo dõi và nắm thông tin về các nút nào đang

tham gia download file nào.

*.torrent: File lưu trữ các thông tin về file chia sẻ, địa chỉ của tracker.. (sẽ nói

chi tiết hơn trong phần sau).

Piece/chunk/share/block…: Một đơn vị sau khi chia nhỏ file trong BitTorrent.

Sự chia sẻ file trong BT được thực hiển bởi sự trao đổi các đơn vị này.

2.2. Cơ chế và hoạt động của BitTorrent

2.2.1. Quá trình chia sẻ file

Ý tưởng cơ bản của BitTorrent là chia file thành các phần đơn vị (piece) bằng

nhau (thường là có kích thước 256KB) và một nút khi tham gia vào mạng thì có thể

download cùng lúc các phần khác nhau từ các nút khác nhau.

Để bắt đầu chia sẻ 1 file, người nắm giữ file này sẽ tạo ra một file tĩnh có phần mở

rộng là .torrent. File .torrent này có chứa các thông tin về file muốn chia sẻ như, dung

lượng file, tên file, số lượng các phần và giá trị băm của nội dung file cũng như nội

dung từng phần nhỏ đó, đồng thời trong file đó cũng có chứa địa chỉ url của Tracker

(server có nhiệm vụ liên kết các nút với nhau). Cụ thể, Tracker sẽ nắm giữ các thông

tin như có những nút nào đang download file nào và các nút đó đang lắng nghe ở cổng

nào…, các thông tin này được cập nhật mỗi 30 phút. Và để đảm bảo là người dùng

khác có thể download, người muốn chia sẻ ban đầu phải giữ kết nối vào mạng trong

thời gian nhất định. Nút mạng này được gọi là seed. Ngoài ra, seed còn để chỉ các nút

nắm giữ toàn bộ các phần của file và tự nguyện tham gia quá trình upload các phần đó

cho các nút khác. Các nút còn lại trong mạng được gọi là downloader hay leecher.

Khi ai đó muốn download 1 file qua BitTorrent, bằng cách nào đó có được file

.torrent của file đó (ví dụ như tải về từ 1 trang web nào đó .v.v..), từ thông tin có trong

8

file .torrent, nút đó sẽ kết nối đến tracker và nhận về 1 danh sách(khoảng 40 nút) ngẫu

nhiên các nút đang tham gia vào quá trình download file đó. Sau đó, nó sẽ tiến hành

kết nối đến các nút đó và bắt đầu trao đổi các phần đơn vị của file. Tập hợp các nút

cùng đang chia sẻ 1 file gọi là 1 swarm hay torrent, tập hợp các nút đang liên kết với 1

nút nào đó gọi là neiborghs hay peers của nút đó. Để quá trình trao đổi được thuận lợi,

mỗi nút sẽ thông báo cho tất cả các nút kết nối với nó rằng nó đang nắm giữ những

phần đơn vị nào của file đang chia sẻ.

2.2.2. Sự lựa chọn các phần đơn vị (Piece Selection)

Như đã nói ở trên, quá trình chia sẻ file trong BitTorrent chính là quá trình trao

đổi các phần đơn vị (pieces) của file đó giữa các nút mạng. Vì thế giải thuật lựa chọn

các phần này sao cho hợp lý rất quan trọng. Trong BitTorrent, giải thuật lựa chọn được

áp dụng ở các nút tuân theo các nguyên tắc sau.

Ưu tiên nghiêm ngặt( Strict Priority): Khi một piece được chọn, nó phải được

download xong trước khi chọn piece khác. Quy tắc này để đảm bảo nút có được đầy

đủ pieces một cách nhanh nhất có thể.

Ít nhất trước(Local Rarest First): Để quyết định xem piece nào sẽ được chọn,

nút sẽ so sánh số lượng của mỗi piece trong tập tất cả các nút đang liên kết với nó(bao

gồm cả chính bản thân nút đó) và lựa chọn tải về piece có số lượng ít nhất. Chiến lược

này để đảm bảo sự cân bằng của số lượng mỗi piece trong mạng.

Một vấn đề nữa là đối với nút đầu tiên tham gia upload file lên mạng (original

seed) là làm sao có thể phát tán tất cả các piece của file vào mạng 1 cách nhanh nhất

có thể. Khi đó, chiến lược LRF được áp dụng cho seed là, trong các yêu cầu pieces từ

các nút kết nối đến nó, nó sẽ ưu tiên phục vụ piece nào có số lượng được phục vụ ít

nhất.

Đơn vị đầu tiên ngẫu nhiên(Random First Piece): Khi một nút mới gia nhập

mạng, nó sẽ chọn ngẫu nhiên 1 piece để tải về. Quy tắc này để khiến cho nút có được

mẩu đầu tiên một cách nhanh nhất để bắt đầu upload.

Chế độ kết thúc(Endgame Mode): Để giúp nút có thể kết thúc nhanh quá trình

download, nút có thể yêu cầu piece cuối từ tất cả các nút liên kết với nó.

9

2.2.3. Thuật toán Choking

BitTorrent là một hệ thống chia sẻ file ngang hàng, do đó sự tham gia của các nút

vào quá trình up và download ảnh hưởng rất lớn đến sự sống còn của mạng. Nút trong

mạng sẽ không đáp ứng tất cả các yêu cầu download các piece từ các nút liên kết với

nó, mỗi yêu cầu đó chỉ được đáp ứng khi nút có yêu cầu đảm bảo được những điều

kiện nhất định. Quy tắc được đặt ra để nhằm khuyến khích các nút tham gia upload

vào mạng nhiều hơn, được gọi là cơ chế thúc đẩy (Incentive Mechanism) của

BitTorrent.

Thông thường, một nút chỉ đáp ứng yêu cầu của 4 nút hàng xóm cung cấp cho nó

tốc độ download cao nhất, và quá trình xác định tốc độ download của các nút liên kết

với nó được thực hiện 10 giây một lần. Khi chiến lược này được áp dụng, nút nào có

tốc độ upload vào mạng càng cao thì càng có được tốc độ download cao. Chiến lược

này gọi là chiến lược ăn miếng trả miếng (Tit-for-tat Strategy).

Optimistic Unchoking: Nếu chỉ áp dụng quy tắc như trên sẽ bó hẹp sự trao đổi

dữ liệu giữa các nút liên kết với nhau. Để tạo cơ hội tìm kiếm các nút có cung cấp tốc

độ download cao hơn cũng như để cho nút mới tham gia vào mạng có thể có được đáp

ứng về piece đầu tiên, BitTorrent sử dụng “optimictic unchoke” 30 giây 1 lần.

Optimistic unchoke sẽ mở đáp ứng cho một kết nối ngẫu nhiên mà không tính đến tốc

độ download cũng như upload.

Trong Khóa luận này, chúng ta sẽ nghiên cứu kĩ hơn tác dụng của cơ chế thúc

đẩy của BitTorrent trong việc hạn chế hiện tượng free-riding trong BitTorrent.

2.3. Optimistic Unchoking và Free-Rider

Free-rider là nút không upload đến các nút khác, do đó theo chiến lược TFT, nó

cũng không nhận được dữ liệu từ các nút khác. Tuy nhiên do có Optimistic Unchoke

như đã nói ở trên, free-rider vẫn có được cơ hội nhận được dữ liệu từ hệ thống. Chúng

ta sẽ xem xét cụ thể hơn vấn đề này.

Gọi G{p₀,p₁, …, p_xn-1, q₀,q₁, …, q_xf-1} là tập hợp các nút trong mạng

BitTorrent. Trong đó x_nlà số lượng các nút bình thường (non free-rider) và x_flà số

lượng của free-rider trong mạng. Giả sử tất cả các nút trong mạng có cùng một băng

thông upload , và không có seed trong G. Gọi µ là băng thông upload của mỗi nút, như

vậy tổng băng thông upload của hệ thống là µx_n. Gọi u là số lượng kết nối upload của

10

nút trong mạng, trong đó có 1 kết nối là optimistic unchoking. Tốc độ của mỗi kết nối

bị giới hạn bởi µ/u. Theo quy tắc Optimistic Unchoking, mỗi nút bình thường sẽ chọn

ngẫu nhiên một nút khác để gửi dữ liệu, từ đó tổng số kì vọng tốc độ download của

free-rider trong G là:

(1)

Trong trường hợp x_n+x_f>> u

Từ (1) cho thấy rằng mặc dù không đóng góp cho hệ thống như free-rider vẫn

nhận được tốc độ download được tính bởi (1). Gọi ρ là tỉ lệ của tổng tốc độ download

của free-rider so với tổng băng thông upload của các nút bình thường. ta có:

(2)

Với 0 ≤ ρ ≤ 1. Từ (2) cho thấy free-rider vẫn có được một phần tốc độ download

của cả hệ thống. Nói cách khác, cơ chế của BitTorent không thể loại trừ hoàn toàn hiện

tượng free-riding, và free-rider có thể nhận được tài nguyên từ các nút bình thường

thông qua optimistic unchoking. Để rút ra kết luận trên và các đẳng thức (1) và (2),

tôi đã tham khảo trong [13].

2.4. So sánh BitTorrent và một số hệ thống chia sẻ file ngang hàng

khác

Phương pháp dùng để phân phối tệp giữa mạng eDonkey2000 và BitTorrent là

giống nhau, như các máy trong mạng eDonkey thường chia sẻ và tải về rất nhiều tệp,

làm cho băng thông cho mỗi vận chuyển trở nên ít hơn. Ngược lại, vận chuyển

BitTorrent nhanh hơn nhiều do các máy tập trung vào một tệp hay một nhóm tệp cụ

thể. Giao thức eDonkey2000 nguyên thủy cung cấp rất ít khả năng chống free-riding,

các phiên bản client mới của eDonkey2000 có cài đặt hệ thống khuyến khích tải lên

11

nhiều hơn. Ví dụ chương trình eMule có hệ thống điểm (credits system) để thưởng các

máy tải lên nhiều. Một máy sẽ ưu tiên các máy vận chuyển cho mình trước đây bằng

cách chuyển vị trí các máy này lên đầu của hàng đợi làm cho thời gian chờ ít hơn. Hệ

thống này tỏ ra khá hiệu quả vì hàng đợi trong mỗi máy khách sử dụng eMule thường

lên đến hàng trăm, thậm chí hàng ngàn.

KaZaA là một giao thức gần giống với giao thức BitTorrent nhưng nó có một

điểm khác đó là nó phân biệt các máy trạm theo cấp cống hiến (Participation Level).

Cấp cống hiến tăng khi bạn tải lên và giảm khi bạn tải về. Khi bạn tải lên một tài

nguyên thì người có cấp cống hiến cao nhất nhận đầu tiên sau đó người có cấp cống

hiến cao nhất này tải lên cho người có cấp cống hiến thấp hơn và cứ tiếp tục như vậy.

Mô hình này tương tự như mô hình kim tự tháp, với người tải lên nhiều nhất ở vị trí

đỉnh của kim tự tháp, và người ít tải lên ở các vị trí đáy của kim tự tháp. Mô hình

KaZaA chỉ thích hợp phân phối tài nguyên cho một số lượng lớn người dùng, nó đã

được chứng minh là người ở đáy kim tự tháp tải tệp về nhanh hơn trường hợp tải tệp

về bằng phương pháp HTTP (trong trường hợp tệp rất lớn). Nhưng mô hình KaZaA có

một nhược điểm nhỏ đó là nó tin tưởng vào báo cáo của các máy trạm về cấp cống

hiến vì vậy các máy trạm có thể gian lận cấp cống hiến với rất nhiều các máy trạm

không chính thức.

12

Chương 3. Mô hình hóa và xem xét ảnh hưởng của free-

riding lên hệ thống chia sẻ file BitTorrent

3.1. Một số nghiên cứu liên quan

BitTorrent là hệ thống chia sẻ file ngang hàng phổ biến nhất hiện nay, vì thế nó

cũng dành được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học. Có nhiều nghiên

cứu nhằm cải tiến nâng cao hiệu năng của hệ thống BitTorrent với nhiều đề xuất khác

nhau. Tuy nhiên đa số những khảo sát, cả về mô phỏng lẫn theo dõi thực thế

[4][6][7][10][11] đều cho thấy rằng hệ thống BitTorrent tỏ ra rất hiệu quả trong việc

tận dụng tài nguyên hệ thống và hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng. Và vấn đề tối ưu

hóa hệ thống BitTorrent thường tập trung hơn vào vấn đề đảm bảo tính công bằng trên

mạng.

Một vài nghiên cứu về “cơ chế thúc đẩy” của BitTorrent được trình bày trong

[4][8][9][12]. Các thử nghiệm trong [4] đã chỉ ra rằng cơ chế của BitTorrent không thể

đảm báo được tính công bằng trong hệ thống. Jun và Ahamad [8] xem xét hệ thống

BitTorrent dưới lý thuyết trò chơi (vấn đề song đề tù nhân lặp lại – Iterated Prisoner’s

Dilemma) và cho thấy rằng free-rider không bị trừng phạt thích đáng và những nút

đóng góp cho hệ thống cũng không được đền đáp tương ứng. Qiu và Skirant [12] đã

mô tả sơ lược ảnh hưởng của optimistic unchoking đối với hiện tượng free-riding, và

cho thấy optimistic unchoking có thể dẫn đến hiện tượng free-ring trong hệ thống.

Locher và các tác giả khác [9] cũng đã cho thấy trong BitTorrent một nút có thể tải file

về thành công mà không có sự đóng góp gì cho mạng.

Trong nội dung của khóa luận này, tôi sử dụng mô hình của các tác giả Jiadia Yu,

Minglu Li, Jie Wu được giới thiệu trong [13]. Mô hình chia các downloader trong

mạng thành 2 loại chính free-rider và non free-rider và xem xét ảnh hưởng của free-

rider trong hệ thống BitTorrent một cách khá toàn diện.

3.2. Mô hình và các tham số

Dựa trên các kết luận trình bày trong phần 4.1.1, chúng ta sẽ xây dựng một mô

hình mạng trong đó các nút trong mạng được chia làm 3 loại chính: seed, free-rider và

non free-rider. Các nút non free-rider được xem là đóng góp cho mạng ngang nhau

trong khi các nút free-rider hoàn toàn không có đóng góp gì cho hệ thống. Seed không

phân biệt free-rider hay non free-rider trong quá trình upload. Hệ thống được mô tả bởi

các tham số (mô hình “Fluid model”) sau:

13

• x_n(t) : số lượng của non free-rider trong hệ thống tại thời điểm t

• x_f(t): số lượng của free-rider trong hệ thống tại thời điểm t

• y(t): số lượng seed trong hệ thống tại thời điểm t

• λ_n: Tốc độ tham gia vào mạng của non free-rider

• λ_f: Tốc độ tham gia vào mạng của free-rider

• µ: Băng thông upload của một nút

• c: Băng thông download của một nút

• θ: Tốc độ rời mạng của nút bình thường

• γ: Tốc độ rời mạng của seed

• η: Hiệu năng của quá trình chia sẻ file [3]

• ρ(t): Tỉ lệ của tổng tốc độ download của free-rider so với tổng tốc độ

upload của non free-rider tại thời điểm t.

• κ(t): Tỉ lệ của số lượng free-rider trên tổng số lượng của free-rider và

non free-rider tại thời điểm t.

Mô hình trên được mở rộng từ mô hình trong [3] và được trình bày trong [4]. Ta

giả sử free-rider rời mạng ngay sau khi download hoàn thành(bởi vì free-rider khi đó

có ở lại mạng cũng không có ý nghĩa gì). Như vậy, trong hệ thống tồn tại 3 trạng thái:

Seed, free-rider và non free-rider. Quan hệ giữa các trạng thái được trình bày như hình

sau:

14

Hình 2: Mô hình chung biểu diễn 3 trạng thái trong hệ thống chia sẻ file

BitTorrent

Hình vẽ trên cho ta thấy quan hệ giữa 3 trạng thái, tốc độ các nút tham gia và rời

khỏi các trạng thái và thành phần phân phối băng thông của 3 trạng thái trong hệ thống

BitTorrent. Trong mô hình này, tốc độ gia nhập mạng của free-rider và non free rider

tương ứng là λ_fvà λ_n. Tham số η biểu thị hiệu quả của việc chia sẻ file và được tính

toán là rất gần với 1 trong [8]. Hiệu năng chia sẻ file của free-rider bằng 0. Tại thời

điểm t, tốc độ upload của toàn bộ hệ thống là µ(ηx_n(t) + y(t)). Tất cả các nút trong

mạng cùng chia sẻ tốc độ upload được cung cấp bởi non free-rider và seed. ρ(t) cho

biết tỉ lệ băng thống upload của non free-rider bị chiếm vởi free-rider. Áp dụng đẳng

thức (2) ta có

(3)

Với 0 ≤ ρ(t) ≤ 1.

Với seed khi upload không phân biệt free-rider hay non free-rider, do đó, tỉ lệ

băng thông upload của seed bị chiếm bởi free-rider là:

(4)

Với 0 ≤ κ(t) ≤ 1.

Do đó, tổng tốc độ download của non free-rider là :

µ[(1-ρ(t))ηx_n(t) + (1-κ(t))y(t)]

Và tổng tốc độ download của free-rider là :

µ[ρ(t)ηx_n(t) + κ(t)y(t)]

Tuy nhiên, tốc độ download của free-rider và non free-rider bị giới hạn bởi cx_n(t)

và cx_f(t). Ta có :

(5)

15

Trong đó D_n(t) và D_f(t) biểu thị tương ứng là tổng tốc độ download của non free-

rider và free-rider tại thời điểm t(tốc độ non free-rider và free-rider rời khỏi các trạng

thái tương ứng sau khi download xong).

θx_n(t) và θx_f(t) tương ứng là tốc độ của non free-rider và free-rider rởi khỏi các

trạng thái tương ứng khi đang download dở. Non free-rider chuyển sang trạng thái

seed với tốc độ D_n(t) sau khi download xong. Seed rời bỏ trạng thái với tốc độ γ. Từ

đó, tốc độ thay đổi của 3 trạng thái được xác định tương ứng bằng phương trình sau :

(6)

3.3. Nghiên cứu hệ thống ở trạng thái ổn định (steady-state)

Để nghiên cứu hệ thống ở trạng thái ổn định, chúng ta giả sử lim_t→∞x_n(t),

lim_t→∞x_f(t), lim_t→∞y(t) tồn tại và :

Trong đó x_n, x_f, và y là các giá trị cân bằng tương ứng của x_n(t), x_f(t) và y. Ở

trạng thái ổn định t→∞ ta có :

(7)

Để đơn giản, chúng ta giả sử nút không bao giờ rời mạng khí chưa download

xong (θ =0) và sẽ rời mạng ngay sau khi download hoàn thành (γ→∞). Với giả sử

trên, từ (6) và (7) phương trình biểu thị trạng thái ổn định được viết lại thành :

(8)

Với

16

(9)

là giá trị cân bằng của ρ(t) và 0 ≤ ρ ≤ 1

Dễ thấy, với điều kiện thực tế c > µ thì

. Kết hợp với (8) ta thu được :

và

(10)

Với

và

Định lý 1 : Gọi T_nvà T_flà thời gian download trung bình tương ứng của non

free-rider và free-rider trong hệ thống. Trong một hệ thống không có seed, chúng ta có

kết quả sau :

(11)

Chứng minh :

Trong [12], áp dụng Little Law[3]. Ta có thời gian download trung bình cho một

nút ở trạng thái ổn định được xác định bởi:

λ −θ x

x = (λ −θ x)T

λ

Với T là thời gian download trung bình. Tương tự, trong mô hình của chúng ta,

thời gian download trung bình tương ứng của non free-rider và free-rider được tính bởi

Khi có một nút hoàn thành download, khả năng nó là free-rider là ρ , và khả năng

nó là non free-rider là 1 – ρ. Do đó thời gian download trung bình của toàn bộ hệ

thống là:

17

Thay tương ứng các giá trị trong các biểu thức (9), (10), ta được kết quả của định

Nhận xét: Thông qua việc mô hình hóa hệ thống BitTorrent, chúng ta đã thấy

lý.

được hiệu năng của hệ thống ở trạng thái ổn định và ảnh hưởng của hiện tượng free-

riding lên hệ thống BitTorrent. Từ kết quả của định lý 1, xét trong điều kiện số lượng

liên kết upload của một nút u=5, và với giá trị hiệu năng chia sẻ file η được xem xét

trong [12] là gần như bằng 1, chúng ta thu được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thời gian

download trung bình của non free-rider, free-rider và hệ thống thông qua sự biến thiên

của α:

Hình 3: Thời gian download trung bình của non free-rider, free-rider và hệ thống

theo sự biến thiên của α.

Từ đồ thị trên cho thấy thời gian download trung bình T_fcủa free-rider luôn luôn

lớn hơn thời gian download trung bình T_ncủa non free-rider. Đồng thời, giá trị của T_f

cũng tăng rất nhanh khi α tăng lên, ngược lại T_nhầu như không tăng khi giá trị α nhỏ.

18

Hơn nữa, khi α đạt giá trị 0.2 (=1/u) thì T_fkhông tồn tại (có nghĩa là một số free-rider

không có đủ tài nguyên để kết thúc quá trình download).Ngược lại, non free-rider luôn

luôn có thể hoàn thành quá trình download. Từ đó, có thể kết luận là cơ chế của

BitTorrent có khả năng chống lại hiện tượng free-riding trong hệ thống không có seed,

và thông qua Optimistic Unchoking, free-rider cũng không gây ảnh hưởng lớn đối với

hiệu năng của toàn hệ thống.

Từ đẳng thức (11) ta cũng thấy một điều rằng có thể tăng thời gian T_fbằng cách

tăng số liên kết upload của mỗi nút u, tuy nhiên, điều này khó có thể thực hiện trong

thực tế do nếu tăng số lượng kết nối TCP sẽ tăng thời gian trễ và ảnh hưởng đến hiệu

năng của mạng.

Ở trên, chúng ta đã giả sử γ→∞, có nghĩa là nút non free-rider sẽ rời mạng ngay

sau khi quá trình download hoàn thành. Tuy nhiên, trong thực tế, sau khi hoàn thành

download vẫn có một số lượng các nút vẫn ở lại hệ thống và đóng vai trò như seed.

Do đó, free-rider vẫn có cơ hội nhận được thêm tài nguyên từ seed và có thể hoàn

thành dược quá trình download. Bây giờ, chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của hiện

tượng free-riding lên hiệu năng của hệ thống khi giá trị γ thay đổi. Khi có tính đến γ,

phương trình biểu diễn trạng thái ổn định của hệ thống được viết lại thành:

(12)

Trong đó

Với ρ và κ là giá trị cân bằng tương ứng của ρ(t) và κ(t), 0 ≤ ρ, κ ≤ 1. Sau khi

giải phương trình (12) ta thu được:

19

(13)

Khi

Ngược lại, nếu tốc độ rời mạng γ của seed nhỏ hơn

thì băng thông

download c sẽ quyết định hiệu năng của mạng nếu giá trị của c là rất lớn []. Từ đó, ta

có:

(14)

Khi

Định lý 2: Gọi T_nvà T_flà thời gian download trung bình tương ứng của non free-

rider và free-rider trong hệ thống có seed, chúng ta có kết quả sau :

(15)

Khi

Và

(16)

20

Khi

Chứng minh: Dễ dàng chứng minh được định lý 2 tương tự như chứng minh định

Nhận xét: Khi tốc độ rời mạng của seed giảm, đồng nghĩa với việc số lượng seed

lý 1.

có trong hệ thống tăng lên, số lượng tài nguyên dành cho các nút download cũng nhiều

hơn. Từ kết luận của định lý 2, ta có đồ thị sau:

Hình 4: Tỉ số giữa thời gian download trung bình của non free-rider trên thời

gian download trung bình của free-rider biến thiên theo γ.

Biểu đồ trong hình 4 biểu thị sự thay đổi về tỉ lệ giữa T_nvà T_fkhi thay đổi giá trị

của γ. Ta thấy rằng, tỉ số này tăng lên khi tốc độ rời mạng của seed giảm đi. Và khi γ

giảm đến 1 giá trị xác định (

) thì thời gian download trung bình của non free-

rider và free-rider lúc đó là ngang nhau (thời gian này được xác định bởi băng thông

21

download c). Khi γ tăng lên, thời gian download của free-rider dần dần tăng lên do đó,

tỉ số giữa T_nvà T_fgiảm xuống.

Từ đồ thị trên ta cũng thấy được một điều nữa là khi giá trị của α tăng lên, tỉ số

giữa T_nvà T_fcũng giảm xuống do thời gian download T_ftăng lên tương tự như trong

hệ thống không có seed đã xét ở phần trước.

Từ nhận xét trên, chúng ta có thể kết luận rằng cơ chế của BitTorrent không có

hiệu quả trong việc hạn chế free-riding khi hệ thống có nhiều seed. Khi số lượng seed

trong hệ thống tăng lên đến một giá trị nhất định, thời gian download của free-rider và

non free-rider là ngang nhau.

22

Chương 4. Chương trình mô phỏng OctoSim

4.1. Cài đặt và sử dụng chương trình

4.1.1. Giới thiệu, cách thức cài đặt và thiết lập môi trường để chạy

chương trình OctoSim

OctoSim : A BitTorrent Simulator là một ứng dụng viết bằng ngôn ngữ C# bởi

các tác giả Ashwin Bharambe, Cormac Herley và Venkat Padmanabhan. Mã chương

trình được các tác giả viết ra để thực hiện các thử nghiệm trong [4]. Có thể tìm và

download chương trình tại địa chỉ trang web của Microsoft Research

(http://research.microsoft.com/apps/dp/dl/downloads.aspx và tìm với từ khóa

BitTorrent Simulator).

Chương trình mô phỏng lại hệ thống BitTorrent theo các chi tiết sau: File được

chia nhỏ thành các pieces, và không thể chia nhỏ hơn nữa, đồng thời, thuật toán

Choking của BitTorrent cũng được triển khai một cách chính xác. Tuy nhiên, chế độ

kết thúc (EndGame Mode) không được tính đến, tuy nhiên điều này cũng không ảnh

hưởng nhiều đến các kết quả thử nghiệm.

Để cài đặt và chạy chương trình, trên Linux, cần có mono và mcs (để biên dịch

ngôn ngữ C#), trên Windows, sử dụng bộ công cụ lập trình Visual Studio. Để thực

hiện các thử nghiệm trong khóa luận này, tôi đã sử dụng Visual Studio 2005 trên hệ

điều hành Windows XP để build và chạy chương trình mô phỏng. Cấu hình cần thiết

để chạy được chương trình mô phỏng này là máy tính có thể cài và chạy được Visual

Studio, tuy nhiên, chương trình sử dụng các hàm tính toán và xử lý khá nhiều sự kiện

nên một máy tính có CPU với tốc độ xử lý cao có thể giúp rút ngắn thời gian tiến hành

các thử nghiệm.

Đối với môi trường Windows, sau khi tải về mã nguồn chương trình từ Microsoft

Research (sẽ được 1 file có đuôi là .msi), sau khi bung nén, chúng ta sẽ được một thư

mục chứa mọi file liên quan đến chương trình (địa chỉ mặc định khi bung nén của thư

mục thường là “C:\Program Files\Microsoft Research\MSR Simulator for the

BitTorrent Protocol”, trong đó chúng ta cần chú ý đến 2 thư mục con là OctoSim chứa

mã nguồn C# của chương trình và workloads chứa các file mẫu đầu vào của chương

trình mô phỏng.

23

4.1.2. Đầu vào và đầu ra của chương trình mô phỏng

Về mặt thực thi, OctoSim là một ứng dụng dòng lệnh (Console Application) cho

phép nhập các giá trị đầu vào thông qua các tham số dòng lệnh hoặc file text. Các kết

quả thử nghiệm được hiện một phần ngay trong cửa sổ Console và kết xuất trong các

file text. Bây giờ chúng ta sẽ mô tả ngắn gọn về các file text đầu vào và đầu ra của

chương trình.

- File đầu vào: Một vài mẫu của file đầu vào có thể tìm thấy trong thư mục

workloads. Các file có phần mở rộng là .wl. Trong file này các lệnh được bố trí

theo dòng, các dòng bắt đầu bằng # chỉ đó là những dòng chú thích, và chương

trình sẽ bỏ qua khi đọc đến những dòng này. Cấu trúc của một dòng bình

thường được xử lý bởi chương trình mô phỏng như sau:

<time> <command> <command arguments> [end]

Có thể hiểu một cách khái quát nội dung của 1 dòng sẽ xác định một sự kiện

(một lệnh) được thực hiện vào thời điểm nào trong quá trình mô phỏng. Chi tiết

cụ thể sẽ được mô tả kĩ hơn trong phần sau, khi chúng ta nói về nội dung file

mã nguồn WorkloadProcessor.cs

- File đầu ra: Khi chạy chương trình mô phỏng OctoSim sẽ kết xuất ra 4 file text

đầu ra có phần mở rộng lần lượt là .out.prm, .out.nds, .out.bw, .out.gph. Trong

đó:

File .out.prm lưu thông tin về giá trị của các tham số sử dụng trong chương

trình như thời gian tiến hành thử nghiệm, thời gian và tốc độ tham gia vào

mạng của các nút, kích cỡ file chia sẻ …

File .out.nds có chứa các thông tin chung về các sự kiện xảy ra với các nút.

Cấu trúc chung của một dòng trong file này là:

[time] [node] [event] <details>

Có thể hiểu nội dung của dòng này là thời gian diễn ra sự kiện đối với nút, nút

diễn ra sự kiện là nút nào, sự kiện đó là sự kiện gì và các thông tin chi tiết

tương ứng với mỗi loại sự kiện. Thông tin chi tiết về từng loại sự kiện đối với 1

nút chúng ta có thể xem thêm trong file Logger.cs

File .out.bw, file này chính xác đóng vai trò là file log của hệ thống. Cấu trúc

của file chia thành các khối, mỗi khối bắt đầu bằng một dòng có nội dung là

“time <thời điểm>”. Các dòng tiếp theo trong khối mô tả một cách vắn tắt về

24

tình trạng của toàn bộ các nút trong mạng tại thời điểm xét, mỗi nút trên 1

dòng, cụ thể, thông tin trên mỗi dòng sẽ là:

<định danh của nút> #d <số lượng kết nối download> <tổng tốc độ download

của các kết nối> #u <số lượng kết nối upload> <tổng tốc độ upload của các

kết nối> p <số piece đã có được> <số piece đang download dở> s <bit đánh

dấu xem nút đang có vai trò là seed hay không> #p <số lượng các nút hàng

xóm> <số lượng các kết nối Interested> <số lượng các kết nối không bị

choke> <số lượng các kết nối useful> <số lượng các kết nối upload

interested> <số lượng các kết nối upload không bị choke> <số lượng các kết

nối upload useful> D <khoảng cách đến seed trong đồ thị>

Muốn biết chi tiết và hiểu hơn các khái niệm, có thể xem trong phương thức

Dump của class Node trong file Node.cs.

4.2. Cấu trúc và chức năng của chương trình mô phỏng

Tại thư mục được tạo ra sau khi bung nén chương trình, có chứa các thư mục con

như sau:

+ cmu_scripts

+ exp_scripts

+ OctoSim

+ plotscripts

+ scripts

+ workloads.

Tuy nhiên, khi xem xét và thực thi chương trình ta chỉ cần chú ý và tác động vào

các file trong 2 thư mục OctoSim và workloads.

Thư mục OctoSim chứa toàn bộ mã nguồn C# của chương trình. Sau đây, chúng

ta sẽ mô tả một vài file mã nguồn quan trọng của chương trình

4.2.1. File Main.cs:

Chức năng chính của file này là xử lý các tham số dòng lệnh và lưu vào một

mảng tĩnh để xử lý sau.

Về mặt cấu trúc trong file chứa class MainWrapper là class chứa hàm

public static int Main(String[] args) sẽ được gọi đến đầu tiên khi chạy

chương trình. Ngoài ra, trong lớp này còn khai báo một mảng tĩnh public static

ArrayList cmdline_arguments dùng để lưu giá trị các tham số dòng lệnh.

25