[네트워크] P2P

참고도서: 컴퓨터 네트워킹 : 하향식 접근. 7판. James F. Kurose , Keith W.Ross 지음

P2P 개요

• P2P는 일반적인 클라인언트-서버 구조와는 달리 서로 피어 라고 부르는 호스트들이 클라이언트도 되고, 서버의 역할을 하기도 한다.
• 이런 구조는 P2P 네트워크에 자가 확장성(Self-Scalability) 를 제공하는데, P2P는 어떤 호스트가 파일을 내려받는 것과 동시에 다른 피어들에게 업로드 하기 때문에 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있게된다.
• 예를 들어, N개의 피어들이 어떤 파일을 내려받으려고 할 때, 클라이언트-서버 구조의 네트워크에서는 NF/서버의 업로드 속도 와 피어들 중 가장 다운로드 속도가 느린 피어의 속도에 따라 재분배시간이 결정되지만, P2P 구조에서는 NF/서버의 업로드 속도 + 업로드를 하는 모든 피어들의 업로드 속도의 합 과 피어들 중 가장 다운로드 속도가 느린 피어의 속도 에 따라 재분배 시간이 결정된다.
• 따라서 N이 충분이 커졌을 때, 클라이언트-서버 구조는 선형적으로 재분배시간이 증가하지만, P2P 구조는 분모가 N과 함께 증가하면서 재분배 시간이 느리게 증가하는 것을 알 수 있다.
• 하지만 동시에 피어들이 익명으로 참여하기 때문에 피어에 대한 신뢰성과 보안의 문제가 발생한다.

Napster

• Napster는 중앙집중된 방식을 일부 채택한 P2P 구조이다.

• Napster의 운영방식은 대략적으로 다음과 같다.

  • 어떤 호스트가 피어로 참여하면, Napster에 자신의 IP 주소와 자신이 가진 정보들을 알린다.
  • Napster에 참여한 피어가 특정한 정보를 원하면 Napster에게 해당 정보를 가진 피어가 누구인지 질의한다.
  • Napster는 자신에게 저장된 IP 주소를 요청피어에게 알려준다.
  • 피어는 전달받은 IP 주소로 피어를 연결해서 통신을 시작한다.
• Napster는 파일과 정보들을 한 곳에 집중시키지는 않지만, 해당 정보들이 어디에 위치해있는지에 대한 정보를 집중시켜서 피어들이 원하는 정보를 누가 가지고 있는지 빠르게 파악할 수 있도록 하는 장점이 있다.
• 단점은 정보를 얻기 위해서는 항상 Napster를 거쳐야하기 때문에, Napster의 중앙 시스템에 문제가 생기면 P2P 네트워크를 이용할 수 없고, 트래픽이 집중될 때 병목현상이 발생할 수 있다는 점이 있다.

Gnutella

• Gnutella 는 Query Flooding 이라는 방식을 사용하는 완전한 P2P 네트워크 시스템이다. 여기서 완전하다는 것은 중간에 다른 중앙 서버의 도움이 없이 피어끼리 곧바로 통신을 할 수 있다는 것을 의미한다.
• Gnutella 는 네트워크 위에 새로운 네트워크 층을 올려서 특정한 기능을 제공하는 네트워크 노드들이 logical link 를 가질 수 있게 하는 Overlay Network 를 사용한다.
• 이 overlay network 위에서 각 노드들은 flooding 이라고 부르는 질의를 보내고 back propagation 이라고 부르는 응답을 주고받는다.
• Gnutella 에 참여하는 피어들을 다른 말로 Servents(Server + Client) 라고도 부른다.

• Gnutella 는 다음과 같은 과정으로 호스트를 네트워크에 피어로 참여시킨다.

  1. 새롭게 참여할 호스트는 먼저 GnuCache 서버에 접속해서 현재 네트워크에 참여 중인 다른 피어들의 리스트를 받아온다.
  2. 응답메세지로 리스트를 받은 호스트는 리스트 중에 있는 하나의 피어 호스트에게 Gnutellan Connect요청을 보낸다.
  3. 요청을 받은 피어 호스트는 참여를 허가하는 의미로 Gnutella OK 응답을 보낸다.
  4. 이제 새로운 호스트는 Gnutella 의 피어가 되고 처음 요청을 보냈던 피어와 연결되어 있다.
  5. Gnutella의 피어들은 주기적으로 ping 메세지를 이웃 피어들에게 보내는데, 이 메세지를 받은 피어들은 pong 메세지로 응답하고, 자신이 받은 ping 메세지를 자신의 이웃 피어들에게 다시 보낸다.
  6. 이렇게 하면 처음에는 하나의 피어와만 연결되어 있던 새로 참여한 호스트는 돌고 돌아서 전달된 ping 메세지를 받게 되고, 이 메세지에서 ping 메세지를 보낸 피어의 IP 주소를 알게된다.
  7. 새로 참여한 호스트는 알아낸 IP 주소와 연결을 설정한다.

• Gnutella 가 어떤 정보를 피어들로부터 찾을 때는 다음과 같은 과정을 거친다.

  1. 한 피어가 현재 자신과 연결된 모든 피어들에게 쿼리 메세지를 보낸다.
  2. 메세지를 전달받은 피어들은 또 자신과 연결된 모든 피어들에게 쿼리 메세지를 보낸디.
  3. 위 작업을 최초 피어가 전송한 원하는 정보를 얻을 때까지 반복한다.
• 정보를 찾을 때 쿼리를 계속해서 이웃 노드들에게 전송하기 때문에 이런 방법을 Query Flooding이라고 부른다.

• Gnutella 는 단순한 구조로 이루어져 있다는 장점이 있지만, query flooding 을 계속 반복해야하기 때문에 원하는 정보를 찾는데 시간이 오래 걸릴 가능성이 높다. 또한 원하는 정보를 얻지 못하면 계속해서 쿼리를 전파하기 때문에 잘못하면 broadcast storm을 만들어 전체 트래픽에도 큰 영향을 줄 수 있다.

  • 이 문제를 위해 일정 TTL 이상부터는 query를 더이상 전송하지 않게 하는 limited-scope query flooding을 생각할 수도 있지만, 이렇게 하면 피어들을 많이 유지하는 것이 의미가 없어지게 된다.
• 더불어서 Overlay network는 가상의 네트워크이기 때문에 각 노드들이 요청이 없더라도 항상 서로 TCP 연결을 설정하고 있어야 그 구조가 유지된다는 단점도 있다.
• 단점이 참 많은데, 마지막으로 대부분의 Gnutella 피어들은 다른 피어들이 원하는 파일을 가지고 있지 않은 경우가 많다. 대부분의 중요한 파일들을 일부 피어들이 가지고 있게 때문에 네트워크에 기여하는 바가 없이 원하는 것을 얻기만 하는 Free Riding 현살이 발생한다.

Hierarchical Overlay

• Hierarchical Overlay는 피어들을 그룹으로 나누고 그 그룹을 담당하는 super-peer를 만들어 운영하는 방식이다.
• 실제로 네트워크에 참여하는 것은 super-peer 뿐이고 다른 피어들은 super-peer에 TCP 연결로 연결되어 있는 형태이다.
• super-peer 들은 자신의 그룹 안에 있는 피어들이 가지고 있는 파일들의 정보를 모두 알고 있기 때문에 다른 super-peer 로 부터 요청이 들어오면 그룹 내 피어들을 검사해서 응답을 보내주게 되는 구조이다.

BitTorrent

• 비트토렌트는 파일 분배에 참여하는 모든 피어들의 그룹을 torrent 라고 부르고 tracker 라는 리스트를 관리해서 현재 어떤 피어가 네트워크에 참여하고 있는지 기록한다. 그리고 torrent 에 참여하고 있는 피어들은 주기적으로 자신의 활동상태를 tracker에 알려서 해당 리스트에 자신을 유지시킨다.
• 비트토렌트 프로토콜에서 모든 파일은 256KB의 조각으로 나뉘어지고 이 조각을 chunk 라고 한다.
• 각 피어들은 이 chunk 를 다른 피어들에게 업로드하게 된다.

• 비트토렌트는 다음과 같은 과정으로 피어들과 파일분배를 관리한다.

  • 새로운 피어가 토렌트에 참여하면, 이 피어는 tracker에 있는 50개의 임의의 피어들과 TCP 연결을 설정한다.
  • 이 피어는 자신과 연결된 다른 피어들에게 주기적으로 그들이 가지고 있는 chunk의 리스트를 받아온다.
  • 받아온 리스트에서 현재 자신이 가지고 있지 않은 chunk를 가진 피어가 있다면 해당 피어에게 chunk에 대한 요청메세지를 보낸다.
  • 이떄, 선택되는 chunk는 자신이 가지고 있지 않고 다른 피어들이 드물게 가지고 있는 chunk를 선택하는 rarest first 알고리즘을 통해 결정된다. 이 방법을 사용하면, 피어들이 잘 가지고 있지 않은 chunk들이 먼저 분배되기 때문에 chunk의 종류가 피어들에게 균등하게 분배될 수 있다.

• 이웃 피어들로부터 어떤 요청이 들어오면, 피어는 자신에게 가장 빠른 속도로 chunk를 보내는 4개의 피어를 선택해서 자신의 파일을 제공한다. 이렇게 선정된 4개의 피어를 Unchoked 피어라고 부른다.

  • 이 상위 4개의 피어는 매 10초마다 갱신된다.

• 그리고 매 30초마다 랜덤하게 하나의 피어를 선택해서 chunk를 전송한다. 이렇게 랜덤하게 선정된 피어를 Optimistically Unchoked 피어라고 한다.

  • 토렌트에 처음 참여한 피어는 chunk를 가지고 있지 않기 때문에, 랜덤하게 선택하는 알고리즘이 없다면, 절대 상위 4개의 피어에 등록될 수가 없다.
• 이렇게 비트토렌트에서 잘 제공해주는 사람에게 좋은 보상을 제공하는 방식을 tit-for-tat(TFT) 방식이라고 부른다. 이 방식이 사용되었기 때문에 비트토렌트는 Free-Riding 문제를 최소화할 수 있게 된다.

Distributed Hash Table(DHT)

• DHT는 분산된 P2P 데이터베이스이다.
• 분산된 데이터베이스이기 때문에 네트워크를 구성하는 각 피어들이 데이터베이스를 구성하는 정보들을 일부씩 나누어서 가지고 있게된다.

• 문제점은 P2P 네트워크의 피어들은 고정적이지 않고 항상 바뀔 수 있다는 것인데 이를 해결하기 위해서 DHT는 다음과 같은 방법으로 운영된다.

  • 피어들의 식별자와 데이터들의 식별자를 해쉬함수를 이용해 같은 범위에 있는 숫자로 변환한다.
  • 변환된 숫자를 가지고 피어와 데이터를 매칭시키는데, 이때 데이터를 데이터의 식별 숫자보다 같거나 큰 숫자를 식별자로 가지는 피어 중 가장 데이터의 식별 숫자에 가까운 피어에 저장시킨다.
  • 마치 더블리 링크드 리스트처럼 구성되어 있어서 피어가 떠나게 되면 자신이 가지고 있던 데이터를 자신의 이전이나 다음 노드 중 데이터의 식별 숫자와 더 가까운 쪽으로 넘겨주고 네트워크를 떠난다.
  • 이렇게 하면 피어들이 네트워크를 들어왔다 나갔다 하더라도 데이터의 위치는 큰 변함없이 비슷한 자리를 유지하게 될 것이다.
• 이렇게 데이터와 피어의 위치를 비슷한 위치로 계속 유지시키는 것을 Consistent Hashing 이라고 한다.