Kỹ Thuật Bảng Băm Phân Tán Trên Mạng Ngang Hàng: Giải Pháp Kiến Trúc Mở Và Ứng Dụng

Mạng ngang hàng (Peer-to-Peer – P2P) bắt đầu xuất hiện từ 1999 và thu hút sự quan tâm của giới CNTT. Các ứng dụng chia sẻ file (file sharing), điện thoại trên nền Internet (Internet-based telephony) đã đạt được nhiều thành công. Hiện nay các ứng dụng P2P chiếm khoảng 50% (thậm chí 75%) băng thông trên Internet. Mạng P2P không có khái niệm máy trạm (client) hay máy chủ (server), mà chỉ có khái niệm các nodes (peers) đóng vai trò như cả client và server. Mô hình client/server và mô hình P2P khác nhau căn bản về kiến trúc và cách phân phối tài nguyên. Theo Mạc Văn Viên, mạng P2P tạo ra một hệ thống mà các máy tính có vai trò tương đương, cung cấp và sử dụng tài nguyên, khác với mô hình tập trung truyền thống.

DHT (Distributed Hash Table) hay bảng băm phân tán định nghĩa liên kết giữa các nút mạng trong mạng theo một thuật toán cụ thể. Mỗi nút mạng sẽ chịu trách nhiệm đối với một phần dữ liệu chia sẻ trong mạng. Khi một máy cần tìm một dữ liệu, nó chỉ cần áp dụng một giao thức chung để xác định nút mạng nào chịu trách nhiệm cho dữ liệu đó và liên lạc trực tiếp để lấy kết quả. Hiện nay có rất nhiều giải pháp khác nhau để xây dựng một DHT. Các giải pháp này được phân chia theo cấu trúc mạng và thuật toán định tuyến. Một số cấu trúc nổi tiếng bao gồm Chord, CAN, Kademlia, Pastry, Tapestry và Bamboo.

Khả năng mở rộng là một yếu tố then chốt. Hệ thống cần có khả năng thêm hoặc bớt các nút một cách linh hoạt mà không ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể. Điều này đòi hỏi một thiết kế kiến trúc thông minh, cho phép phân phối dữ liệu và tải một cách đồng đều giữa các nút. Các giao thức định tuyến cần được thiết kế để có thể thích ứng với sự thay đổi của mạng mà không cần phải tính toán lại toàn bộ cấu trúc định tuyến. Bamboo DHT, như Mạc Văn Viên đã đề cập, sử dụng thuật toán duy trì số lượng con trỏ đến các node hàng xóm là hàm logarithmic của kích cỡ mạng, giúp hệ thống mở rộng nhanh chóng mà không tăng đáng kể băng thông.

Để đảm bảo hiệu suất, cần tối ưu hóa các thuật toán định tuyến và tìm kiếm dữ liệu. Việc sử dụng các kỹ thuật như consistent hashing có thể giúp giảm thiểu sự xáo trộn dữ liệu khi các nút tham gia hoặc rời khỏi mạng. Để tăng cường độ tin cậy, cần triển khai các cơ chế sao lưu dữ liệu và phát hiện lỗi. Hệ thống cần có khả năng tự phục hồi sau các sự cố. Việc theo dõi và quản lý sức khỏe của các nút trong mạng cũng rất quan trọng. OpenDHT, theo nghiên cứu của Mạc Văn Viên, được thiết kế để dễ dàng phát triển, triển khai và duy trì các ứng dụng DHT, khắc phục nhược điểm khó phát triển của các ứng dụng DHT truyền thống bằng cách sử dụng một mạng DHT có sẵn.

Modular design cho phép các thành phần của DHT (ví dụ: thuật toán băm, giao thức định tuyến, cơ chế lưu trữ) được phát triển và nâng cấp một cách độc lập. API mở cho phép các ứng dụng khác tương tác với DHT mà không cần hiểu chi tiết về cách hoạt động bên trong. Điều này giúp giảm độ phức tạp và tăng tính linh hoạt. Các API mở cần được thiết kế cẩn thận để đảm bảo tính bảo mật và data consistency. Thiết kế API tốt giúp interoperability và cho phép tích hợp dễ dàng với các hệ thống khác.

Plug-in architecture cho phép thêm các tính năng mới vào DHT mà không cần sửa đổi mã nguồn chính. Điều này giúp giảm thiểu rủi ro khi cập nhật và cho phép các nhà phát triển bên thứ ba đóng góp các tính năng mới. Các plug-in có thể được sử dụng để thêm các giao thức định tuyến mới, các thuật toán mã hóa, hoặc các cơ chế quản lý tài nguyên. Cần có một cơ chế quản lý plug-in để đảm bảo tính tương thích và bảo mật. Theo Mạc Văn Viên, OpenDHT còn bảo đảm sự công bằng trong chia sẻ lưu trữ giữa các client trong hệ thống, một tính năng có thể được triển khai thông qua plug-in.

Bamboo DHT được đánh giá là một DHT khá mạnh mẽ. Giao diện cho các thao ra nhập/rời khỏi mạng là khá đơn giản. Mỗi node đều có thuật toán duy trì số lượng con trỏ đến các node hàng xóm là hàm logarithmic của kích cỡ mạng, như vậy kích cỡ mạng có thể tăng rất nhanh mà băng thông để lưu trữ con trỏ các node hàng xóm tăng không đáng kể. Chi phí cho việc định tuyến, lưu trữ và truy cập cũng được giới hạn bởi hàm logarithmic của kích cỡ mạng, hơn nữa người ta còn dùng thuật toán để xác định các node hàng xóm gần nhau về mặt vật lý để làm tăng tốc độ liên lạc giữa các node. Theo Mạc Văn Viên, mạng vẫn hoạt động tốt, không bị mất dữ liệu ngay cả khi số lượng node trên mạng bị lỗi khá cao hoặc tốc độ các nodes tham gia và rời khỏi mạng cao. Cơ chế hoạt động của Bamboo là hoàn toàn tự tổ chức, tự duy trì.

OpenDHT là một dịch vụ DHT công cộng được thiết kế để dễ dàng phát triển, triển khai và duy trì các ứng dụng DHT. Nó khắc phục được nhược điểm khó phát triển của các ứng dụng DHT truyền thống bằng cách sử dụng một mạng DHT có sẵn để cung cấp dịch vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau. Do đó các ứng dụng OpenDHT chỉ cần truy cập dịch vụ này thông qua các giao diện đơn giản mà không phải triển khai DHT cho riêng mình. Hơn nữa, với các ứng dụng OpenDHT còn cho phép truyền thông vượt qua NAT hoặc Firewall. OpenDHT không chỉ hỗ trợ cho các giao diện đơn giản, bảo mật, nó cũng hỗ trợ một số chức năng phức tạp trong truyền thông bằng cách sử dụng thêm một số thư viện khác. OpenDHT còn bảo đảm sự công bằng trong chia sẻ lưu trữ giữa các client trong hệ thống. OpenDHT đang được triển khai trên PlanetLab, và người dùng hoàn toàn có thể tương tác với nó thông qua RPC.

Theo Mạc Văn Viên, ứng dụng mà ta xây dựng ở đây là ứng dụng multicast. Trong đó trình bày việc thiết kế xây dựng một ứng dụng OpenDHT. Mục đích là đánh giá khả năng triển khai thực tế một ứng dụng OpenDHT, tìm hiểu xâu hơn các APIs để sử dung khi xây dựng một ứng dụng OpenDHT. Xây dựng thuật toán Multicast trên OpenDHT để phát triển các ứng dung khác hoàn thiện hơn và có chiều sâu hơn. Điều này cho thấy tính ứng dụng thực tế cao của kiến trúc mở DHT trong giải quyết các bài toán mạng phân tán phức tạp.

Ứng dụng multicast trên nền tảng OpenDHT sử dụng các API của OpenDHT để tham gia và rời khỏi các nhóm multicast. Cấu trúc mạng multicast được xây dựng dựa trên DHT, trong đó mỗi nhóm multicast được ánh xạ đến một khóa trong DHT. Các nút quan tâm đến một nhóm multicast cụ thể sẽ lưu trữ thông tin về nhóm đó trong DHT. Khi một nút muốn gửi dữ liệu đến nhóm multicast, nó sẽ sử dụng DHT để tìm các nút khác quan tâm đến nhóm đó và gửi dữ liệu đến các nút này.

Trong tương lai, các DHT sẽ tiếp tục phát triển theo hướng khả năng mở rộng cao hơn, độ tin cậy tốt hơn và tính bảo mật mạnh mẽ hơn. Việc tích hợp DHT với các công nghệ khác như blockchain có thể mở ra các ứng dụng mới trong lĩnh vực tài chính phi tập trung và quản lý dữ liệu. Sự phát triển của các thuật toán đồng thuận phân tán sẽ giúp cải thiện tính data consistency trong các hệ thống DHT.

Việc tích hợp DHT với blockchain có thể cho phép xây dựng các ứng dụng phân tán an toàn và minh bạch hơn. DHT có thể được sử dụng để lưu trữ dữ liệu giao dịch, trong khi blockchain cung cấp một sổ cái bất biến để ghi lại các giao dịch. Việc tích hợp DHT với IPFS (InterPlanetary File System) có thể tạo ra một hệ thống lưu trữ phân tán hiệu quả và Resilience. Tuy nhiên, việc tích hợp các công nghệ này cũng đặt ra những thách thức về hiệu suất và bảo mật.