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Cours 7 (18 novembre 2011 DNS, Pair à pair.

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1 Cours 7 (18 novembre 2011 DNS, Pair à pair

2 DNS Why not centralize DNS? DNS services single point of failure
traffic volume distant centralized database maintenance doesn’t scale! DNS services hostname to IP address translation host aliasing Canonical, alias names mail server aliasing load distribution replicated Web servers: set of IP addresses for one canonical name H. Fauconnier M2-Internet

3 Distributed, Hierarchical Database
Root DNS Servers com DNS servers org DNS servers edu DNS servers DNS servers Client wants IP for 1st approx: client queries a root server to find com DNS server client queries com DNS server to get DNS server client queries DNS server to get IP address for H. Fauconnier M2-Internet

4 DNS: Root name servers contacted by local name server that can not resolve name root name server: contacts authoritative name server if name mapping not known gets mapping returns mapping to local name server a Verisign, Dulles, VA c Cogent, Herndon, VA (also LA) d U Maryland College Park, MD g US DoD Vienna, VA h ARL Aberdeen, MD j Verisign, ( 21 locations) k RIPE London (also 16 other locations) i Autonomica, Stockholm (plus other locations) e NASA Mt View, CA f Internet Software C. Palo Alto, CA (and 36 other locations) m WIDE Tokyo (also Seoul, Paris, SF) 13 root name servers worldwide b USC-ISI Marina del Rey, CA l ICANN Los Angeles, CA H. Fauconnier M2-Internet

5 TLD and Authoritative Servers
Top-level domain (TLD) servers: responsible for com, org, net, edu, etc, and all top-level country domains uk, fr, ca, jp. Network Solutions maintains servers for com TLD Educause for edu TLD Authoritative DNS servers: organization’s DNS servers, providing authoritative hostname to IP mappings for organization’s servers (e.g., Web, mail). can be maintained by organization or service provider H. Fauconnier M2-Internet

6 Local Name Server does not strictly belong to hierarchy
each ISP (residential ISP, company, university) has one. also called “default name server” when host makes DNS query, query is sent to its local DNS server acts as proxy, forwards query into hierarchy H. Fauconnier M2-Internet

7 DNS name resolution example
root DNS server 2 Host at wants IP address for 3 TLD DNS server 4 5 iterated query: contacted server replies with name of server to contact “I don’t know this name, but ask this server” local DNS server 7 6 1 8 authoritative DNS server requesting host H. Fauconnier M2-Internet

8 DNS name resolution example
requesting host root DNS server local DNS server 1 2 4 5 6 authoritative DNS server 7 8 TLD DNS server 3 recursive query: puts burden of name resolution on contacted name server heavy load? H. Fauconnier M2-Internet

9 DNS: caching and updating records
once (any) name server learns mapping, it caches mapping cache entries timeout (disappear) after some time TLD servers typically cached in local name servers Thus root name servers not often visited update/notify mechanisms under design by IETF RFC 2136 H. Fauconnier M2-Internet

10 RR format: (name, value, type, ttl)
DNS records DNS: distributed db storing resource records (RR) RR format: (name, value, type, ttl) Type=A name is hostname value is IP address Type=CNAME name is alias name for some “canonical” (the real) name is really value is canonical name Type=NS name is domain (e.g. value is hostname of authoritative name server for this domain Type=MX value is name of mailserver associated with name H. Fauconnier M2-Internet

11 DNS protocol, messages DNS protocol : query and reply messages, both with same message format msg header identification: 16 bit # for query, reply to query uses same # flags: query or reply recursion desired recursion available reply is authoritative H. Fauconnier M2-Internet

12 DNS protocol, messages Name, type fields for a query RRs in response
to query records for authoritative servers additional “helpful” info that may be used H. Fauconnier M2-Internet

13 Inserting records into DNS
example: new startup “Network Utopia” register name at DNS registrar (e.g., Network Solutions) provide names, IP addresses of authoritative name server (primary and secondary) registrar inserts two RRs into com TLD server: (,, NS) (, , A) create authoritative server Type A record for Type MX record for How do people get IP address of your Web site? H. Fauconnier M2-Internet

14 Chapter 2: Application layer
2.1 Principles of network applications 2.2 Web and HTTP 2.3 FTP 2.4 Electronic Mail SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 P2P applications 2.7 Socket programming with UDP 2.8 Socket programming with TCP H. Fauconnier M2-Internet

15 P2P file sharing Alice chooses one of the peers, Bob.
File is copied from Bob’s PC to Alice’s notebook: HTTP While Alice downloads, other users uploading from Alice. Alice’s peer is both a Web client and a transient Web server. All peers are servers = highly scalable! Example Alice runs P2P client application on her notebook computer Intermittently connects to Internet; gets new IP address for each connection Asks for “Hey Jude” Application displays other peers that have copy of Hey Jude. H. Fauconnier M2-Internet

16 Pair à pair quelques principes applications
les nœuds offrent des fonctionnalités identiques (pair) volatilité importante (apparition/disparition) grande échelle et dispersion géographique dynamicité importante applications partage de fichiers messagerie téléphone (Skype) différent du client-serveur H. Fauconnier M2-Internet

17 Partage de fichiers Communication basée sur deux types de protocoles différents découverte et localisation des fichiers recherche des données mettre en contact deux (ou plusieurs) utilisateurs parmi des millions téléchargement des fichiers H. Fauconnier M2-Internet

18 Découverte-localisation
Base publication des fichiers partagés avec des méta-données découverte des fichiers disponibles localisation des sources à télécharger (En plus identification des doublons détection des fichiers corrompus forums) H. Fauconnier M2-Internet

19 Architecture du réseau
Centralisée: un serveur ou un cluster sur lequel les clients se connectent (Napster) Décentralisée: il n'y a que des clients (Gnutella) Faiblement centralisée: des clients et des serveurs (Edonkey) Hybride: les clients peuvent devenir des serveurs H. Fauconnier M2-Internet

20 P2P: problems with centralized directory
Single point of failure Performance bottleneck Copyright infringement file transfer is decentralized, but locating content is highly centralized H. Fauconnier M2-Internet

21 Pure P2P architecture no always-on server
arbitrary end systems directly communicate peers are intermittently connected and change IP addresses Three topics: File distribution Searching for information Case Study: Skype peer-peer H. Fauconnier M2-Internet

22 File Distribution: Server-Client vs P2P
Question : How much time to distribute file from one server to N peers? us: server upload bandwidth Server ui: peer i upload bandwidth u1 d1 u2 d2 us di: peer i download bandwidth File, size F dN Network (with abundant bandwidth) uN H. Fauconnier M2-Internet

23 File distribution time: server-client
server sequentially sends N copies: NF/us time client i takes F/di time to download F u2 u1 d1 d2 us Network (with abundant bandwidth) dN uN = dcs = max { NF/us, F/min(di) } i Time to distribute F to N clients using client/server approach increases linearly in N (for large N) H. Fauconnier M2-Internet

24 File distribution time: P2P
Server server must send one copy: F/us time client i takes F/di time to download NF bits must be downloaded (aggregate) F u2 u1 d1 d2 us Network (with abundant bandwidth) dN uN fastest possible upload rate: us + Sui dP2P = max { F/us, F/min(di) , NF/(us + Sui) } i H. Fauconnier M2-Internet

25 Server-client vs. P2P: example
Client upload rate = u, F/u = 1 hour, us = 10u, dmin ≥ us H. Fauconnier M2-Internet

26 Quelques exemples H. Fauconnier M2-Internet

27 Query flooding: Gnutella
fully distributed no central server public domain protocol many Gnutella clients implementing protocol overlay network: graph edge between peer X and Y if there’s a TCP connection all active peers and edges is overlay net Edge is not a physical link Given peer will typically be connected with < 10 overlay neighbors H. Fauconnier M2-Internet

28 Gnutella: protocol Query message sent over existing TCP connections
File transfer: HTTP Query message sent over existing TCP connections peers forward Query message QueryHit sent over reverse path Query QueryHit Scalability: limited scope flooding H. Fauconnier M2-Internet

29 Gnutella: Peer joining
Joining peer X must find some other peer in Gnutella network: use list of candidate peers X sequentially attempts to make TCP with peers on list until connection setup with Y X sends Ping message to Y; Y forwards Ping message. All peers receiving Ping message respond with Pong message X receives many Pong messages. It can then setup additional TCP connections H. Fauconnier M2-Internet

30 Exploiting heterogeneity: KaZaA
Each peer is either a group leader or assigned to a group leader. TCP connection between peer and its group leader. TCP connections between some pairs of group leaders. Group leader tracks the content in all its children. H. Fauconnier M2-Internet

31 KaZaA: Querying Each file has a hash and a descriptor
Client sends keyword query to its group leader Group leader responds with matches: For each match: metadata, hash, IP address If group leader forwards query to other group leaders, they respond with matches Client then selects files for downloading HTTP requests using hash as identifier sent to peers holding desired file H. Fauconnier M2-Internet

32 KaZaA tricks Limitations on simultaneous uploads Request queuing
Incentive priorities Parallel downloading H. Fauconnier M2-Internet

33 File distribution: BitTorrent
P2P file distribution tracker: tracks peers participating in torrent torrent: group of peers exchanging chunks of a file obtain list of peers trading chunks peer H. Fauconnier M2-Internet

34 BitTorrent (1) file divided into 256KB chunks. peer joining torrent:
has no chunks, but will accumulate them over time registers with tracker to get list of peers, connects to subset of peers (“neighbors”) while downloading, peer uploads chunks to other peers. peers may come and go once peer has entire file, it may (selfishly) leave or (altruistically) remain H. Fauconnier M2-Internet

35 BitTorrent (2) Sending Chunks: tit-for-tat
Alice sends chunks to four neighbors currently sending her chunks at the highest rate re-evaluate top 4 every 10 secs every 30 secs: randomly select another peer, starts sending chunks newly chosen peer may join top 4 “optimistically unchoke” Pulling Chunks at any given time, different peers have different subsets of file chunks periodically, a peer (Alice) asks each neighbor for list of chunks that they have. Alice sends requests for her missing chunks rarest first H. Fauconnier M2-Internet

36 BitTorrent: Tit-for-tat
(1) Alice “optimistically unchokes” Bob (2) Alice becomes one of Bob’s top-four providers; Bob reciprocates (3) Bob becomes one of Alice’s top-four providers With higher upload rate, can find better trading partners & get file faster! H. Fauconnier M2-Internet

37 Rechercher H. Fauconnier M2-Internet

38 Recherche par diffusion simple
les clients ne publient rien et ne font que des requêtes une requête est diffusée à tous les clients: avec une limite de portée (TTL) en évitant les cycles (identification unique de la requête, la requête contient le son chemin …) recherche en profondeur ou en largeur un client répond par le chemin emprunté par la requête H. Fauconnier M2-Internet

39 Filtres de Bloom Principe: un ensemble E de n éléments
k fonctions de hachage hi de E sur {1,m} un vecteur de m bits (le filtre) tester si x appartient à E si si le bit hi(x)=0 pour un i non si le bit hi(x)=1 pour tout i oui (mais peut être faux-positif) On diminue les faux positifs en utilisant plusieurs fonctions de hachage Pour m et n donné le k optimal est m/n ln 2 et la probabilité de faux-positifs est (1/2)k utilisé dans Gnutelel H. Fauconnier M2-Internet

40 Exemple: Filtres de Bloom
Trois fonctions de hachage W n’appartient pas à E H. Fauconnier M2-Internet

41 Filtres de Bloom Utilisation:
Si le client possède le document les bits des mot-clés correspondant sont à 1 Les clients s'échangent les filtres Les requêtes ne sont propagées que vers les clients qui ont le bon filtre H. Fauconnier M2-Internet

42 Recherche par indexation
Les clients publient les fichiers qu'ils partagent sur les serveurs sur lesquels ils sont connectés Les serveurs indexent les descriptions des fichiers Les clients envoient des requêtes aux serveurs pour trouver les fichiers et les localiser H. Fauconnier M2-Internet

43 Recherche par DHT Distributed Hash Table: Des nœuds et des données
Un espace de clés (exemple: clés de 160 bits) Un répartition des clés (qui possède les clés?) Un "overlay" de connexion entre les nœuds pour qui permet de savoir quel nœud possède quelle clé. H. Fauconnier M2-Internet

44 Distributed Hash Table (DHT)
DHT = base de données pour P2P Contient des couples (key, value) key: numero SS; value: nom key: content type; value: adresse IP Un pair query la DHT par une key retourne les values correspondant à la key Un pair peut aussi inserer des couples (key, value) H. Fauconnier M2-Internet

45 DHT Stocker un fichier f de contenu data: Rechercher un fichier f:
Un hachage (SHA1 par exemple) produit une clé de 160 bits k à partir du nom f Par un put(k, data) sur l'overlay trouver le nœud responsable pour la clé k et lui transférer les données Rechercher un fichier f: Par hachage (SHA1) obtenir la clé k associée à f Rechercher sur l'overlay le nœud responsable de k et récupérer les données H. Fauconnier M2-Internet

46 DHT: hachage consistant
On associe à chaque document (ou mot-clé) un identificateur unique (hachage) On associe à chaque client un identificateur unique de même taille ID On définit une métrique pour définir la distance d entre les clés-ID Un nœud ID i possède les clés j telles que d(j,i) est minimal parmi les ID (chaque nœud possède les clés les plus proches) Le retrait ou l’ajout d'un nœud ne modifie que les voisins H. Fauconnier M2-Internet

47 DHT notion d'overlay: chaque nœud maintient des liens vers d'autres nœuds, on obtient ainsi un overlay. Comment obtenir un routage efficace Un nœud soit possède la clé soit connaît un nœud plus près de la clé: on peut utiliser algorithme glouton basé sur la clé. On peut aussi définir d'autres algorithmes de routage sur des overlays (et définir des topologies d'overlays ayant de bonnes propriétés –degré et taille des routes). H. Fauconnier M2-Internet

48 DHT Identifiers Assign integer identifier to each peer in range [0,2n-1]. Each identifier can be represented by n bits. Require each key to be an integer in same range. To get integer keys, hash original key. eg, key = h(“Led Zeppelin IV”) This is why they call it a distributed “hash” table H. Fauconnier M2-Internet

49 How to assign keys to peers?
Central issue: Assigning (key, value) pairs to peers. Rule: assign key to the peer that has the closest ID. Convention in lecture: closest is the immediate successor of the key. Ex: n=4; peers: 1,3,4,5,8,10,12,14; key = 13, then successor peer = 14 key = 15, then successor peer = 1 H. Fauconnier M2-Internet

50 Circular DHT (1) 1 3 4 5 8 10 12 15 Each peer only aware of immediate successor and predecessor. “Overlay network” H. Fauconnier M2-Internet

51 Circle DHT (2) 0001 0011 1111 0100 1100 0101 1010 1000 O(N) messages
on avg to resolve query, when there are N peers Who’s resp for key 1110 ? I am 0011 1111 1110 0100 1110 1110 1100 1110 0101 1110 Define closest as closest successor 1110 1010 1000 H. Fauconnier M2-Internet

52 DHT exemple Chord: points sur un cercle la distance est la longueur de l'arc orienté. L'espace des clés est décomposé en segments. Si i et j sont des nœuds adjacents, i a toutes les clés comprises entre i et j Anneau de taille 2m (clés de 0 à 2m-1) Hachage par SHA1 (ID-clés réparties de façon uniforme) Chaque nœud maintient une liste de K successeurs et K prédécesseurs sur l'anneau H. Fauconnier M2-Internet

53 Peer Churn Peer 5 abruptly leaves
1 3 4 5 8 10 12 15 To handle peer churn, require each peer to know the IP address of its two successors. Each peer periodically pings its two successors to see if they are still alive. Peer 5 abruptly leaves Peer 4 detects; makes 8 its immediate successor; asks 8 who its immediate successor is; makes 8’s immediate successor its second successor. What if peer 13 wants to join? Churn = bouillonnement H. Fauconnier M2-Internet

54 Circular DHT with Shortcuts
1 3 4 5 8 10 12 15 Who’s resp for key 1110? Each peer keeps track of IP addresses of predecessor, successor, short cuts. Reduced from 6 to 2 messages. Possible to design shortcuts so O(log N) neighbors, O(log N) messages in query H. Fauconnier M2-Internet

55 Chord Chaque nœud maintient une table de nœuds à distance
(n + 2i) mod 2m H. Fauconnier M2-Internet

56 Chord Chercher le successeur de k pour nœud n:
Soit C(k) le premier nœud successeur de (n+ 2 k-1) mod 2 m Si k appartient à ]n, successor]: trouvé Sinon transmettre la demande au plus près prédécesseur f de k dans C(k) Si les nœuds sont répartis uniformément on y arrive en m étapes (et donc en log de la taille =(2m)) à chaque appel la distance entre le nœud et k divisée par 2. H. Fauconnier M2-Internet

57 Un autre exemple: CAN “Content-Addressable Network”
tore de dimension d degré = O(d) diamètre moyen = O(d n1/d) join H. Fauconnier M2-Internet

58 Téléchargement protocoles ad-hoc (Edonkey, Bittorrent) ou http
Swarming (essaim) téléchargement d'un fichier en téléchargeant différentes parties en parallèle depuis plusieurs clients téléchargement multiple le fichier est décomposé en n blocs calcul du hachage de chaque bloc fichier est identifié par le hachage des blocs H. Fauconnier M2-Internet

59 Succès… June 19, 2005 - 23:00 Network Users eDonkey2K 4,379,883
FastTrack 2,482,130 Gnutella 1,598,329 Overnet ,472 DirectConnect ,255 MP2P ,137 Filetopia 3,455 H. Fauconnier M2-Internet

60 Quelques réseaux Napster Fasttrack (historique) Protocole:
architecture centralisée recherche par indexation Fasttrack clients: Kazaa Mldonkey architecture hybride recherche par indexation et diffusion entre ultrapeers identification faible des fichiers (MD5 sur 300ko puis hachage sur 32 bits) http (+ swarming) H. Fauconnier M2-Internet

61 Quelques réseaux Edonkey Overnet/Kad Clients: Edonkeys, Emule
protocole faiblement centralisée recherche par indexation TCP recherche multi-serveurs par UDP téléchargement en duplex avec bitmaps, streaming et swarming (Bittorrent dans les dernières versions) système de crédits pour inciter au partage Overnet/Kad télécharement Edonkey décentralisé DHT (Kademlia) H. Fauconnier M2-Internet

62 Quelques réseaux Gnutella Bittorrent architecture hybride
Recherche par diffusion courte (TTL <8) avec filtres de Bloom Gnutella et Gnutella2 téléchargement par http avec possibilité de swarming Bittorrent pas de découverte, un fichier .torrent contient les infos sur le fichier localisation centralisée pour chaque fichier (tracker) téléchargementavec bitmaps le client commence à forunir du contenu à ses voisins au bout d'un certain temps il bloque les voisins qui ne répondent pas et conserve les quatre meilleurs H. Fauconnier M2-Internet

63 Quelques réseaux Freenet complètement distribué publication par copie
recherche par diffusion en profondeur protocole et contenu cryptés documents signés par signature digitale axé sur l'anonymat H. Fauconnier M2-Internet

64 P2P Case study: Skype inherently P2P: pairs of users communicate.
Skype clients (SC) inherently P2P: pairs of users communicate. proprietary application-layer protocol (inferred via reverse engineering) hierarchical overlay with SNs Index maps usernames to IP addresses; distributed over SNs Skype login server Supernode (SN) H. Fauconnier M2-Internet

65 Peers as relays Problem when both Alice and Bob are behind “NATs”.
NAT prevents an outside peer from initiating a call to insider peer Solution: Using Alice’s and Bob’s SNs, Relay is chosen Each peer initiates session with relay. Peers can now communicate through NATs via relay H. Fauconnier M2-Internet

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