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Redes 2006

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Índice

1. Redes P2P

2. Redes ad-hoc

3. Grid computing

4. Redes cooperativas

5. Redes sociales

6. Problemas y soluciones

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Definición

• Un sistema peer-to-peer (p2p) es un sistema distribuido sin ningún control centralizado y donde la funcionalidad de cada nodo es idéntico.

“Single servants are less powerful than a single server but the collective of many servants is more powerful than any single server” – by Daniel Stephen Rule

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Definiciones P2P

Preocupación sobre la red

Preocupación sobre la aplicación

Definiciones

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Definiciones P2P

Redes completamente descentralizadas con estructuras no-jerárquicas y comunicación simétrica - Stoica et al.

Preocupación sobre la red

Preocupación sobre la aplicación

Definiciones

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Definiciones P2P

Los sistemas P2P acentúan la cooperación entre entidades (conocidas como Peers) que son esencialmente iguales y que se

proporcionan servicios entre ellas. P2P acentúa la descentralización, la resistencia y la explotación de recursos de la red - Coulson.

Preocupación sobre la red

Preocupación sobre la aplicación

Definiciones

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Definiciones P2P

Elementos relacionados que se aprovechan de los recursos disponibles de la red - Shirky

Preocupación sobre la red

Preocupación sobre la aplicación

Definiciones

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Topología de la red

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Topologías P2P

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Propiedades

No existe un control central=> Sistema distribuido No existe jerarquía

Todos los nodos son a clientes y servidores La comunicación entre nodos es simétrica

No existe una visión global Escalabilidad Disponibilidad para cualquier peer Los peers son autónomos Sistema globalmente poco fiable

Aspectos de robustez y seguridad

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2PAvances

Gran extensión de conexión a Internet

Intercambio usuario-usuario, minimiza los

vínculos con intermediarios

Comunicaciones y colaboración

Historia / Evolución (Computación)

Cultura / Sociedad (Servicios / Intercambio

de ficheros)

Comunicación / Colaboración

Arquitectura

Algoritmos

Que ha permitido llegar hasta este punto?

Que posibilidades ofrece?

Incremento en la descentralización de Internet

Estados descentralizados

Comunicaciones de banda ancha, Wireless, nuevos tipos de Redes.

Aprovechar la potencia del ordenador en casa y la

oficina

Gran escalabilidad, mejor accesibilidad

Mejoras en la escalabilidad, disponibilidad y anonimato

Computación y Comunicación Ubicua

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Taxonomia

P2P Applications

ComputeIntensive

Compo-nentized

Contentexchange

Filesystem

Filtering,mining

Instantmessage

Sharedapps

Games

ParallelContent and

file managementCollaboration

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Ejemplos

Aplicaciones de intercambio de ficheros (Naptser,…) Bases de datos distribuidas Computación distribuida (SETI,…) Comunicación distribuida (AOL Instant Messaging,…) Colaboración (Groove) Juegos distribuidos Redes Ad-hoc Etc.

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Groove

Aplicación Windows de colaboración. Funciona contra un servidor central.

Empresa Groove Networks. Servicios de colaboración:

Intercambio de ficheros Intercambio de mensajes o notas Chat en modo texto y voz Navegación Web sincronizada Agenda y calendario

Es un sistema extensible

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Groove

Integra varias aplicaciones en una. Facilidad de uso. Piloto de sala virtual de discusión en tiempo real. Navegación individual o sincronizada. Para colaborar hay que estar conectado.

Se pueden distribuir mensajes a usuarios que no están conectados

Los mensajes pasan por el servidor Se pueden definir servicios de colaboración directa entre usuarios.

VIDEO: grv-sf

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SETI Es un proyecto de la Universidad de Berkeley para buscar

vida extraterrestre inteligente. El método:

Análisis de ondas electromagnéticas provenientes del espacio exterior, obtenidas de radiotelescopios.

La técnica : Buscar patrones, series, repeticiones en el ruido de fondo

captado. El sistema está formado por un grupo de ordenadores

centrales que reciben las emisiones de los telescopios y dividen la información recibida en bloques

Los bloques se entregan a la red de PCs para buscar resultados parciales y luego ensamblarlos• Utiliza ciclos inactivos de CPU de los ordenadores a

través de Internet Con este sistema se procesa más del doble que con el

ordenador más potente ASCI White: 12 Teraflops/s (110 millones de $) SETI@home: 31 Teraflops/s (0,5 M$, 3,3 millones de PCs)

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SETI

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SETI

VIDEO: Seti2401

RADIO: radio_network_comercial

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An agent is one that is capable of flexible autonomous

action in order to meet its design objectives, where

flexibility means three things: Pro-activeness: the ability of exhibit goal-directed

behavior by taking the initiative Reactivity: the ability of percept the environment, and

respond in a timely fashion to changes that occur in it Social ability: the ability of interaction with other agents

(include human)

A node follows a protocol established in the system.

Node versus Agent

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Beneficios: Mejora dramáticamente la velocidad => Escalable Servidores con pocos requerimientos => Barato

Desafíos: Requiere incentivas para la cooperación Seguridad Manejabilidad Variabilidad en los anchos de banda Necesidad de algoritmos distribuidos

Distribución de contenido en P2P

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Topologías

• Centralized service location, e.g. Napster• Flooded request model / Distributed service

location with flooding, e.g. Gnutella• Document routing model / Distributed search

hashing / Distributed service location with hashing, e.g. Pastry, Chord

• BitTorrent

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Centralized service location

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Distributed service location with flooding

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Gnutella protocol

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Gnutella protocol

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Kazaa un Gnutella jerarquizado

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Distributed search hashing

• Internet-scale distributed hash tables– Equally valuable to large-scale distributed

systems?• Peer-to-peer systems

– CAN, Chord, Pastry, …• Large-scale storage management systems

– Publius, OceanStore, CFS …• Mirroring on the Web

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DHT Step 1: The Hash

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DHT Step 2: Routing

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Pastry

• Completely decentralized, scalable, and self-organizing

• Seeks to minimize the distance messages travel, according to a scalar proximity metric like the number of IP routing hops

• In a Pastry network,– Each node has a unique id, nodeId– Presented with a message and a key, Pastry node

efficiently routes the message to the node with a nodeId that is numerically closest to the key

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Pastry: NodeId

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Pastry: Routing

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Load balance: Chord acts as a distributed hash function, spreading keys evenly over the

nodes. Decentralization:

Chord is fully distributed: no node is more important than any other. Scalability:

The cost of a Chord lookup grows as the log of the number of nodes, so even very large systems are feasible.

Availability: Chord automatically adjusts its internal tables to reflect newly joined nodes

as well as node failures, ensuring that, the node responsible for a key can always be found.

Flexible naming: Chord places no constraints on the structure of the keys it looks up.

Chord: System Model

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The application interacts with Chord in two main ways: Chord provides a lookup(key) algorithm that yields the IP

address of the node responsible for the key. The Chord software on each node notifies the application of

changes in the set of keys that the node is responsible for.

Chord: System Model

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Definition of variables for node n, using m-bit identifiers.

Chord: Scalable key Location

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(a) The finger intervals associated with node 1. (b) Finger tables and key locations for a net with nodes 0, 1, and 3, and keys 1, 2, and 6.

Chord: Scalable key Location

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(a) Finger tables and key locations after node 6 joins. (b) Finger tableand key locations after node 1 leaves. Changed entries are shown inblack , and unchanged in gray.

Chord: Node joins

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Chord

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Chord routing

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Chord routing

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Chord node insertion

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Chord node insertion (cont’d)

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Chord node insertion (cont’d)

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El problema de los free riders

From Wikipedia, the free encyclopedia:

“In economics and political science free riders are actors who consume more than their fair share of a resource, or shoulder less than a fair share of the costs of its production. The free rider problem is the question of how to prevent free riding from taking place, or at least limit its negative effects.”

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2PBitTorrent

Usa ideas básicas de la teoría de juegos para eliminar el problema de los free-riders

Los sistemas anteriores no trataban dicho problema

VIDEO: FutureOfBitTorrent

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2PBitTorrent: Dilema del prisionero

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2PBitTorrent

The main goal of BitTorrent concerning efficiency is to be Pareto efficient, because this measure is used often by economists as efficiency goal. By definition an outcome of a game is Pareto efficient if there is no other outcome that makes every player at least as well off and at least one player strictly better off. That is, a Pareto Optimal outcome cannot be improved upon without hurting at least one.

In computer science terms, seeking Pareto efficiency is a local optimization problem in which pairs of counterparties see if they can improve their lot together, and such algorithms tend to lead to global optima.

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Cortar un fichero en diferentes piezas Replicar diferentes piezas en diferentes peers Tan pronto como un peer dispone de una parte, él

puede negociar con esto con otros peers Con un poco de suerte, al final el peer será capaz de

obtener todas las piezas para completar el fichero

BitTorrent: Idea básica

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2PBitTorrent: Componentes básicos

SeedPeer que dispone del fichero completo

Leacher Peer que dispone de un fichero incompleto

A Torrent file Componente pasivo Ficheros son fragmentados en piezas de 256KB El fichero contiene una lista de SHA1 hashes de todas las piezas que

permite a los peers verificar la integridad del fichero Típicamente hospedados en un servicio web

A Tracker Componente activo Permite a los peers encontrar otros peers Devuelve una lista aleatoria de peers

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El orden en que las piezas son seleccionadas por los diferentes peers es una parte critica para el buen funcionamiento del sistema

Si un mal algoritmo es usado, se puede llegar a la situación donde cada peer tiene todas las piezas que estan disponibles y ninguno la pieza que no tiene nadie.

Si el seed se desconecta, el fichero no puede ser bajado complemtamente => Existe altruismo

BitTorrent: Algoritmo

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2PBitTorrent: Primera pieza

Inicialmente, un peer no tiene nada con que negociar Importante que él obtenga una pieza tan pronto como

sea posible Política: Seleccionar una pieza al azar del fichero y

bajarla

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2PBitTorrent: Choking (estrangular)

Es un mecanismo que asegura que los nodos cooperen y elimina el problema de los nodos free-riders.

La cooperación implica que el agente de upload sub-piezas que dispone

Choking es denegar upload a un peer Las conexiones se mantienen abiertas así que el coste de

montar las conexiones no aumenta Basado en el concepto de teoría de juegos:

Tit-for-tat con repetición

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2PBitTorrent: Choking Algorithm

El objetivo es tener varias conexiones bidireccionales abiertas continuamente

Un peer siempre unchockes un número fijo de peers (por defecto 4)

La decisión de chocke/unchoke se realiza sobre los ratios de download, los cuales son evaluados cada 20-segundos

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2PBitTorrent revisited

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2PEvolution of P2P Cooperation

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P2P and economic vision

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Del latín que significa “para esto (a propósito)”. En general es una solución que ha sido hecho a medida. Puede usarse también para indicar que algo es improvisado

Una red "Ad Hoc" consiste en un grupo de ordenadores que se comunican cada uno directamente con los otros a través de las señales de radio sin usar un punto de acceso. Las configuraciones "Ad Hoc" son comunicaciones de tipo punto-a-punto

Particularidad esencial de las redes “Ad hoc”: el movimiento de los nodos modifica la topología de la red. Este hecho se ve magnificado por el corto alcance de las tecnologías inalámbricas que suelen soportar las redes ad hoc (ej: Bluetooth, WLAN)

Definición

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[An ad hoc network is ] a transitory association of mobile nodes which do not depend upon any fixed support infrastructure. [...]

Connection and disconnection is controlled by the distance among nodes and by willingness to collaborate in the formation of cohesive, albeit transitory community. »

By Murphy et al. 1998

Definición

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Imposible de predecir Emergencias Catástrofes

Imposible (difícil) de configurar Redes de sensores Redes cooperativas

Uso

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Como obtener información de A a B cuando todo entre esos nodos esta en movimiento?

Y que sucede con: Retraso Rendimiento Consumo de energía Caminos fiables

Aspectos de la redes ad hoc

A

B

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P2P is based on an IP network Ad-hoc is based on a mobile radio network Mobile Ad-hoc and Peer-to-Peer Networks hold many

similarities concerning their routing algorithms and network management principles

Both have to provide networking functionalities in a completely unmanaged and decentralized environment

i.e. To determine how queries (packets) are guided through the network

Comparación redes Ad-hoc y P2P

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Comparación redes Ad-hoc y P2P

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Diferencias: redes Ad-hoc y P2P

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Similaridades: redes Ad-hoc y P2P

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Grid computing is an emerging computing model that provides the ability to perform higher throughput computing by taking advantage of many networked computers to model a virtual computer architecture that is able to distribute process execution across a parallel infrastructure.

Definición

From Wikipedia, the free encyclopedia:

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P2P versus Grid computing

Ambas abordan el mismo problema. Compartir recursos dentro de una comunidad virtual (pero no en las mismas

comunidades). Ambas realizan una misma aproximación.

Creación de capas cuya estructura no corresponde con la de la organización subyacente.

Las aplicaciones Grid generalmente usan gran cantidad de datos y cálculos. Los problemas que abordan las aplicaciones P2P actuales no requieren de una

gran intercambio de recursos entre los nodos. Cada uno ha creado avances técnicos propios, pero en una dirección

complementaria “Grid los ha dirigido en mejorar las infraestructuras pero no la tolerancia a fallos” “P2P los ha dirigido en mejorar los fallos pero no las infraestructuras”

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Grid

Scale & volatility

Grids

P2P

Convergence: Large, Dynamic, Self-Configuring Grids Large scale Intermittent resource participation Local control, Self-organization Weaker trust assumptions Infrastructures to support diverse applications Diversity in shared resources

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PlanetLab

• Plataforma de test apra experimentar con aplicaciones P2P y Grid. >600 nodes, >300 sites, – PlanteLab consorcio: + de 80 universidades,

Intel, HP

• Los usuarios ven un conjunto de Virtual Machines donde realizar tests.

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PlanetLab 452 nodes162 sites450 research projects• Un sistema de tests abierto y a gran escala para

aplicaciones P2P y servicios Grid.

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Bands of computer users in urban areas around the world are pioneering a new type of network called cooperative networks. When two geographically distant devices need to communicate and cannot send messages directly to one another, the sender asks intermediate devices to forward its message to the recipient or another type of action. The ownership of the networked devices is divided among many, possibly self-interested, individuals. Despite that the network devices’ owners have no immediate interest in helping one another, they frequently configure their devices to forward traffic. The resulting collection of devices form a cooperative network.

Definition

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La idea básica aquí es que la gente está de acuerdo en compartir de manera cooperativa su capacidad extra de conexión de banda ancha , a cambio de recibir acceso libre para otros miembros de la comunidad cuando se están desplazando a través de la ciudad.

“Ejemplo”: FON de Martin Varsavsky• Modelo de negocio

– Bill: ofrece su ADSL por WiFi y es recompensado– Alien: usa el WiFi y paga por el servicio

Ejemplo: Fon

FON ≈ P2P + WiFi + cooperación

VIDEO: Anuncio de FON en la 2 de TVE

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Ejemplo: Fon

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Ejemplo: Fon

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Ejemlo: Guifi.net

• guifi.net és la suma de molts nodes que aporten connectivitat als usuaris. Cada node dóna servei als clients que estan a prop seu i a la vegada s’interconnecta amb altres nodes propers per crear una xarxa lliure, gratuïta, alternativa i d’alta velocitat.

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Red

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A social network is a social structure made of nodes which are generally individuals or organizations. It indicates the ways in which they are connected through various social familiarities ranging from casual acquaintance to close familial bonds. The term was first coined in 1954 by J. A. Barnes (in: Class and Committees in a Norwegian Island Parish, "Human Relations"). The maximum size of social networks tends to be around 150 people (Dunbar's number) and the average size around 124 (Hill and Dunbar, 2002).

Examples: LinkedIn, Tribe, openBC, Ryze, MeetUp, eVite, MySpace

Definición

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El problema de los free riders

From Wikipedia, the free encyclopedia:

“In economics and political science free riders are actors who consume more than their fair share of a resource, or shoulder less than a fair share of the costs of its production. The free rider problem is the question of how to prevent free riding from taking place, or at least limit its negative effects.”

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El problema de los free riders

Free Riding on Gnutella by Eytan Adar and Bernando A. Huberman

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Sobreexplotación de los recursos (tragedy of commons)Freeriding and tragedy of the commons are two

major problems Nearly 70% of Gnutella users do not share any file with the P2P community and nearly 50% of all search responses come from the top 1% of content sharing nodes. Therefore, nodes that share resources are always congested and the tragedy of the commons occurs. Freeriding and tragedy of the commons are two major problems. Therefore, nodes that share resources are always congested and the tragedy of the commons occurs .

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Políticas para detener/reducir estos problemas

One common approach has been to ignore rationality problems and hope for the best.

One reason why these systems may work is that there can be enough obedient users following a given protocol, even when it might be rational not to do so.

Alternatively, existing systems may work because there are enough rational users that maximize their expected utility by the enjoyment of providing a common good. This altruistic behavior is outside of typical game-theoretic models.

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Incentive Mechanism

How to encourage cooperation among strangers?

Challenges: large, dynamic groups with anonymity, hidden action, hidden information, and asymmetries of interest.

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Incentive Mechanism

•Tokens/currency

• Appropriate for trading of multiple resource types

• Examples: Mojonation, KARMA, tycoon, ...

•Barter/taxation

• Appropriate for single commodity type

• Sometimes called tit-for-tat or bit-for-bit

• Examples: BitTorrent, ESM

•Reciprocity

• Direct reciprocity (repetition)

• Indirect reciprocity (reputation)

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Direct Reciprocity

Repetition encourages cooperation

e.g., Prisoner's Dilemma game:

• one-shot game: mutual defection is dominant strategy infinitely

• repeated game: mutual cooperation is dominant

Simple tit-for-tat (TFT) strategy works very well in iterated prisoners' dilemma (IPD) tournamentsClustering (e.g., clubs) and server selection (e.g., CoopNet) may facilitate direct reciprocity

Bob Alice

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BitTorrent: Dilema del prisionero

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Indirect Reciprocity

•Peers earn reputation via cooperation

•Reputable peers receive preferential treatment

•Implementation overhead for maintaining reputation information

•Various proposals:

• Image scoring

• Free Haven

• Eigentrust

• Differentiated admission

• CONFIDANT

Bob Alice

Carol

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Mechanism design

The idea in mechanism design (MD) is to define the strategic situation, or rules of the game, so that the system as a whole exhibits good behavior in equilibrium when self-interested nodes pursue self-interested strategies.

Mechanism design can be thought of as inverse game theory – where game theory reasons about how agents will play a game, MD reasons about how to design games that produce desired outcomes.

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Mechanism Design

Design of protocols such that in equilibrium,

the outcome can be shown to exhibit certain properties.

Mapping from strategies (actions) of agents to payoffs.

Mapping from strategies (actions) of agents to payoffs.

Mapping from strategies (actions) of agents to payoffs.

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Price of Anarchy (Selfishness and how to cope with it)

How much does the society suffer by the lack of coordination between players?

The optimal social utility function happens when we have a single authority who dictates every agent what to do. In contrast, when agents choose their own action, we should study their behavior and compare the obtained social utility with the optimal one.

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Economy

Economics is the study of how societies use scarce resources to produce valuable commodities and distribute them among different people.

Samuelson, Nordhaus - 1998 – Economics, p. 4

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Beyond Homo Economicus (rationality revisited)

•AltruismInformation gift economies

e.g. linux, creative commons, wikipedia, ...Warm-glow"Digital Robin Hoods"

•Strong reciprocity

Reciprocate (reward cooperators and/or punish defectors) even if action reduces own utility

Ultimatum, Dictator, and Public Goods games: 50-60% of subjects exhibit reciprocal behavior, 20% exhibit selfish behavior

Considerations of fairness and social norms•Even selfish individuals may not be perfectly selfish

•bounded rationality or near rationality vs. hyperrationality•imperfect knowledge; imperfect execution (e.g., trembling hand)

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Red

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2P

Resource allocation: the aggregate power of all computers on the Internet is huge. In a “dream world" this aggregate power will be optimally allocated online among all connected processors. One could imagine CPU-intensive jobs automatically migrating to CPU-servers, caching automatically done by computers with freedisk space, etc. Access to data, communication lines, and even physical attachments (such as printers) could all be allocated across the Internet. This is clearly a dicult optimization problem even within tightly linked systems, and is addressed, in various forms and with varying degrees of success, by all distributed operating systems.

The same type of allocation over the Internet requires handling an additional problem: the resources belong to different parties who may not allow others to freely use them. The algorithms and protocols may, thus, need to provide some motivation for these owners to “play along".

Assignment problem

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Conclusiones

Redes + social es un tema de investigación vivo y que engloba muchas disciplinas

Esperamos nuevas que en los próximos años aparezcan nuevas killer applications que cambien nuestras vidas (Skype, …)

Tecnologías que descentralizan pueden ayudar a construir comunidades sociales

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Referencias

P2P Working Group http://www.peer-to-peerwg.org

Grid Forum P2P https://forge.gridforum.org/projects/p2p

FreeNet http://freenetproject.org

SETI@Home http://setiathome.ssl.berkeley.edu/

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Referencias

"BitTorrent Economics Paper" , Bram Cohen "BitTorrent protocol specification" , Bram Cohen "BitTorrent Resource Availability Analysis" , Brian Greinke

and James Hsia. (Rice) "Dissecting BitTorrent: Five Months in a Torrent's

Lifetime" , M. Izal, G. Urvoy-Keller, E.W. Biersack, P.A. Felber, A. Al Hamra, and L. Garc es-Erice. (Institut Eurecom, France)

“Pollution in P2P file Sharing Systems” http://cis.poly.edu/~ross/papers/pollution.pdf

Rationality and Self-Interest in Peer to Peer Networks by “Jeffrey Shneidman and David C. Parkes”

An Excess-Based Economic Model for Resource “Allocation in Peer-to-Peer Networks” by Christian Grothoff

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Referencias

“In Search of Homo Swappus : Evolution of Cooperation in Peer-to-Peer Systems” by John Chuang

“The Past and Future of Multiagent Systems” by José M. Vidal

“Structure in Articial Societies” by Josep Maria Pujol Guifi.net: http://guifi.net/ca/book/print/371 “Reputation and Location Privacy in Cooperative Networks”

by Jonathan Bredin

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Referencias

"Multiagent Systems“ by G.Weiss "Multi-Agent Systems“ by J. Ferber "Foundations of Distributed AI“ by G. M. P. O'Hare and N.

R. Jennings "Readings in Agents“ by M. Singh and M. Huhns. “An Introduction to Multiagent Systems” by Michael

Wooldridge

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