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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
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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
Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke 3
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Algorithmen und KomplexitätChristian Schindelhauer
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)
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Orientierung I
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
benötigt.
03.08.2004, 19 Uhr
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Algorithmen und KomplexitätChristian Schindelhauer
Orientierung II
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
benötigt.
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
benötigt.
03.08.2004, 19 Uhr
Algorithmen für Peer-to-Peer-Netzwerke 6
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Algorithmen und KomplexitätChristian Schindelhauer
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
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Algorithmen und KomplexitätChristian Schindelhauer
Geschichte und Motivation der Peer-to-Peer-Netzwerke
Napster
– Initialzündung der Entwicklung
– Client-Server-Architektur
– Die Schwächen von Napster prägen die weitere Entwicklung
• Copyright-Verletzung
• Angreifbarkeit von Napster
• Mangelnde Skalierbarkeit Gnutella
– Nachfolger mit fehlender geordneter Datenstruktur
– Dadurch nicht skalierender Lookup Hybride Lösungen
• Kazaa, Gnutella II
• Halbherzige Lösung
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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
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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)
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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
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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
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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)
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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
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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
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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)
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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
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Komponenten von PAMANET
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
benötigt.
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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
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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
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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
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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?– ...
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Project Group: Large Scale Ad Hoc Networks The Goal
We build up a
real
Mobile Ad Hoc Network
with at least some 100s nodes
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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
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
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Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
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
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
benötigt.
Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „TIFF (LZW)“
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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
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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
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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
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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
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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 [email protected] F2.313
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Algorithmen und Komplexität
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