Μια ομότιμη αρχιτεκτονική για ανταλλαγή περιεχομένου σε υπερκείμενα δίκτυα
Authors: Σωτηρίου Αθανάσιος-Δημήτριος 
Published: August 2021

Στην διατριβή αυτή παρουσιάζεται μια πρωτότυπη ομότιμη αρχιτεκτονική, η οποία παρέχει στους χρήστες τη δυνατότητα ανταλλαγής περιεχομένου. Μέσα από μια αναλυτική θεωρητική και βιβλιογραφική αναφορά στα ομότιμα συστήματα και πιο συγκεκριμένα σε αρχιτεκτονικές συστημάτων που βασίζονται σε κατανεμημένους πίνακες κατατεμαχισμού (Distributed Hash Tables - DHT) πάνω σε υπερκείμενα δίκτυα (Overlay Networks), αναπτύσσεται αρχικά το τεχνολογικό υπόβαθρο της εργασίας αυτής. Το σύστημα ακολουθεί τις βασικές αρχές των συστημάτων DHT και πιο συγκεκριμένα ακολουθεί τις βασικές αρχές που εισήγαγε το δίκτυο Kademlia διαφοροποιώντας όμως ως προς τη χρήση Κ-δέντρων για την δημιουργία ενός καλά οργανωμένου δικτύου με σταθερό πίνακα γειτόνων, το οποίο έχει δυνατότητα δρομολόγησης σε λογαριθμικό αριθμό βημάτων. Η χρήση των Κ-δέντρων παρέχει στο σύστημα τη δυνατότητα γρήγορης δρομολόγησης αλλά και ανεκτικότητα ως προς την παρουσίαση σφαλμάτων στο δίκτυο (λόγω αποχώρησης κόμβων ή διακοπών στην επικοινωνία). Η αρχιτεκτονική που παρουσιάζεται βασίζεται στην χρήση ενός πίνακα γειτόνων που επιτρέπει τόσο την οριζόντια όσο και την κάθετη μετακίνηση στην δενδρική δομή. Μέσα από τη διατριβή αυτή αναλύεται η δομή της αρχικής αρχιτεκτονικής και παρουσιάζονται αναλυτικά οι βασικές διαδικασίες που παρέχει το σύστημα, αυτές της εισαγωγής, δημοσίευσης, αναζήτησης, εξόδου και επιδιόρθωσης. Στην συνέχεια, μέσα από την παρουσίαση των αποτελεσμάτων μιας σειράς εξομοιώσεων που έγιναν, αποδεικνύεται η ορθότητα της προτεινόμενης σχεδίασης. Πιο συγκεκριμένα, επεκτείνοντας τον εξομοιωτή neurogrid με βάση το αναλυτικό μοντέλο, αποδεικνύεται αρχικά ότι το σύστημα είναι σε θέση να δρομολογεί σε λογαριθμικό αριθμό βημάτων ενώ παράλληλα διατηρεί τον πίνακα γειτόνων σταθερό και τον αριθμό των συνολικών μηνυμάτων που ανταλλάσσονται στο δίκτυο πολύ χαμηλό. Εν συνεχεία παρουσιάζεται μια σειρά από επεκτάσεις στους βασικούς αλγορίθμους που αυξάνουν την ανεκτικότητα σε σφάλματα του δικτύου και βελτιώνουν την απόδοσή του. Η επίπτωση αυτών των αλλαγών γίνεται εμφανή μέσα από τα αποτελέσματα μιας ακόμα σειράς εξομοιώσεων, όπου παρουσιάζεται επίσης η λειτουργία του συστήματος σε περιβάλλον μαζικών αποχωρήσεων κόμβων (δίχως τη χρήση μηχανισμού επιδιόρθωσης). Για να βελτιωθεί ακόμα περισσότερο η συμπεριφορά του δικτύου, εισάγεται αρχικά ένας αλγόριθμο επιδιόρθωσης, ο οποίος επιτυγχάνει την αλλαγή της συμπεριφοράς του δικτύου κατά την μαζική αποχώρηση κόμβων, καθώς πλέον η μείωση των επιτυχών αναζητήσεων από λογαριθμική γίνεται γραμμική ως προς το ποσοστό σφαλμάτων. Η βελτίωση αυτή γίνεται ακόμα πιο αισθητή κατά την εισαγωγή δύο επεκτάσεων, αυτών των σχημάτων αντιγράφων και των εικονικών δικτύων. Η πρώτη επέκταση επιτρέπει τη δημοσίευση και αναζήτηση περιεχομένου με τη χρήστη επιπλέον συναρτήσεων κατατεμαχισμού, ενώ η δεύτερη εισάγει την έννοια των εικονικών δικτύων, όπου κάθε κόμβος ανήκει σε περισσότερα από ένα υπερκείμενα δίκτυα. Η χρήση αυτών των επεκτάσεων σε συνδυασμό με τον αλγόριθμο επιδιόρθωσης επιτρέπει στο δίκτυο να δρομολογεί επιτυχώς ακόμα και όταν το ποσοστό κόμβων που σφάλουν φτάνει το 80% του συνολικού πληθυσμού. Αφού αναλυθεί διεξοδικά η επίπτωση αυτών των αλλαγών, παρουσιάζεται μια πιο γενική αρχιτεκτονική, που δίνει τη δυνατότητα παραμετροποίησης με βάση την απόδοση και την κατανομή του φόρτου κίνησης. Στην αρχιτεκτονική αυτή δίδεται η δυνατότητα αλλαγής τόσο του μεγέθους του Κ-δέντρου όσο και του τρόπου δρομολόγησης (από καθαρά κατανεμημένο σε υβριδικό ή πλήρως ιεραρχικό). Η αλλαγή αυτή δίνει τη δυνατότητα χρήσης του δικτύου σε διαφορετικές εφαρμογές, ανάλογα με τις απαιτήσεις όσο αφορά την ομοιομορφία στην κατανομή του φόρτου κίνησης (σε όλα τα επίπεδα του Κ-δέντρου) και τη βέλτιστη δρομολόγηση. Αφού αρχικά παρουσιαστεί αναλυτικά το νέο σύστημα καθώς και όλες οι βασικές λειτουργίες, μέσα από μια σειρά εξομοιώσεων παρατίθεντο η απόδοσή του καθώς και η επιβεβαίωση των δυνατοτήτων παραμετροποίησης που παρέχει. Τέλος, αφού έχει αναλυθεί το νέο αυτό σύστημα, η διατριβή καταλήγει σε μια σειρά συμπερασμάτων και μελλοντικών ερευνητικών ζητημάτων.