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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HEINZ NIXDORF INSTITUTUniversität Paderborn

Algorithmen und Komplexität

Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke

Sommersemester 200430.07.2004

15. Vorlesung

Christian Schindelhauer

Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke 2


Algorithmen und KomplexitätChristian 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




ORGANISATIONAbschlussveranstaltung: 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

Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“

benötigt.

03.08.2004, 19 Uhr




Orientierung II


benötigt.


benötigt.

03.08.2004, 19 Uhr




ORGANISATIONAbgabe 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. VorlesungFertig: 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–Vorteile:

• 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-HalvingDistance-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-AlgorithmusDatenaggregation

– Robuste Informationsverarbeitung in Netzwerken

– Empirisch belegt

– Analytisch noch kaum verstandenSicherheit in Peer-to-Peer-Netzwerken

– Sibyl-Attacken

– Byzantinische Generäle

– Kryptographische ProtokolleMinimierung 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-SucheOntologische Strukturen

– Berücksichtigen semantische ÄhnlichkeitenGrid Computing

– Effiziente Berechnungen in Peer-to-Peer-NetzwerkenMobile 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 DELISSFB 376, Teilprojekt Mobile Ad-Hoc-Netzwerke

– Kooperation (u.a.) mit AG Schaltungstechnik (Elektrotechnik) Ulrich RückertPAMANET, Kooperation mit

– FG Entwurf paralleler Systeme, Franz Rammig

– Electronic Commerce und Datenbanken, Stefan BöttcherSensornetzwerke

– 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

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




SFB 376 Massive ParallelitätTeilprojekt 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


benötigt.




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




MalborgoRauchzeichen 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

MalborgoRauchzeichen reizen Indianer

Centralserver

connected toheadquarter

€ 13,99




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 04/05Search 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?

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-WLANin 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


benötigt.





benötigt.

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


benötigt.


benötigt.

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What do you need to know

Form

– „Modelle und Algorithmen“

– Language: English

– Maximum number of participants: 10 (6 places left)

Registration

– Email to: Christian Schindelhauer

•[email protected]– 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-NetzwerkeSensor-Netzwerke (in Zusammenarbeit mit AG Hilleringmann)

– Spezifikation einer Sensornetzwerk-Zentralstation

– Simulation eines verteilten Sensornetzwerk-ProtokollsDas Paderborn Mobile Ad-Hoc-Network

– Schaffung einer Open-Source-Plattform für PAMANET

– Simulation, Analyse und Verbesserung der Distanzmetrik von PAMANET






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 [email protected] F2.313

30



Vielen Dank für die AufmerksamkeitEnde der VorlesungÜbungsbetrieb ist beendetLösungen können noch bis zum 14.08. per Email eingereicht werden Prüfungsanmeldung heute per Email an [email protected]ächster Termin: Abschlussveranstaltung am 03.08. 19 Uhr

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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