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Peer‐to‐Peer (P2P) Architecture • The processes in a P2P system run on end‐user  computer systems that are interconnected via the  Internet • All processes are equal, playing the same role – Each process acts as a client and a server at the same  time – The processes are called peers

• P2P applications – File sharing: Gnutella, Kazaa – File distribution: BitTorrent – Internet telephony: Skype 17

Scalability of P2P Systems • P2P systems are scalable because available  resources grow with the number of users – When a computer joins a P2P system, it adds  resources (i.e., processing, storage, network  bandwidth) to the system

• P2P systems enable a large number of  computers to provide access to data and other  resources that they collectively store and  manage 18

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Comparison of Client‐Server and P2P  Architectures Client‐Server Each process is a client or server

P2P Each process acts as a client and a server  at the same time; all processes play the  same role

Shared resources are placed on the server  Shared resources are distributed on user  machine computers Not scalable: resources in the system does  Scalable: resources in the system increases  as the number of users increase not increase as the number of users  increase Server is a single point of failure

No single point of failure

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Overlay Networks • Processes in a P2P system form an overlay network to  communicate with each other – In an overlay network, nodes represent processes and links  represent communication channels (usually realized as TCP  connections) – Each node in the overlay network maintains a list of neighbors  – Each node communicates with its neighbors through the  communication channels

• Two types of overlay networks – Unstructured: the overlay network is constructed using a  randomized algorithm – Structured: the overlay network is constructed using a  deterministic procedure

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Unstructured Overlays • The overlay network is constructed based on a randomized  algorithm – Each node maintains a list of c randomly chosen neighbors  (called its partial view of the network) – Nodes periodically swap part of their partial views with their  neighbors to create a new partial view

• Joining the overlay network – The system provides several permanent well‐known bootstrap  hosts that maintain a list of recently joined peers – To join the network, a node contacts a bootstrap host and  randomly picks c neighbors from the list

• Leaving the overlay network – A node can depart without informing any other node  – When a neighbor contacts the node and gets no response, it  knows the node has departed  21

Search in Unstructured Overlays • Each node stores data items that it is willing to  share • Search is done through flooding – To find a data item, a node broadcast a search query  to its neighbors, which forward the query to their  neighbors  – If a node receives a query and the requested data  item is found, it sends a reply to the source over the  reverse path – Search is inefficient – In a network with N nodes, a  search requires O(N2) messages – E.g., Gnutella 22

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Structured Overlays • A structured overlay network is constructed using a  deterministic procedure • We will study Chord ‐ a distributed hash table (DHT)  based p2p system – DHT provides a lookup service similar to a hash table;  – (key, value) pairs are stored in a DHT, any participating  node can efficiently retrieve the value associated with a  given key – Mapping from keys to values is implemented in a  completely decentralized manner – See the Chord paper at  http://pdos.csail.mit.edu/papers/chord:sigcomm01/chord _sigcomm.pdf 23

Chord (1)  • Nodes are logically organized in a ring • Each data item is assigned a random key  from a large identifier space, each node is  assigned a random identifier from the  same identifier space • Data item with key k is mapped to the  node with the smallest identifier id ≥ k,  denoted as succ(k) • The system provides an operation  LOOKUP(k) that returns the network  address of succ(k) – In a network with N nodes, a lookup  requires O(log N) messages – Much more efficient than flooding

The mapping of data items  onto nodes in Chord. 24

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Chord (2) • When a node wants to join the  system, it – generates a random identifier id – does a lookup on id to get the  network address of succ(id) – contacts succ(id) and its predecessor,  inserts itself in the ring – transfers from succ(id) those data  items for which node id is now  responsible

• When node id wants to leave the  system, it – informs its predecessor and successor – transfers its data items to succ(id) 25

Hybrid Architectures • Combines client‐server architecture and P2P  architecture • Examples: – Superpeer networks – BitTorrent – Edge‐server systems

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Superpeer Networks (1) • Two types of nodes: regular peers and superpeers • Each regular peer is connected to a single superpeer and is a client of its superpeer • Superpeers form an unstructured overlay network 

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Superpeer Networks (2) • Locating data items – A superpeer keeps an index over its clients’ data items – A client submits its query to its superpeer, the superpeer then  searches its index and forwards the query to its neighbors if the  requested data item is not found in the local index – Searching is more efficient than pure unstructured P2P networks:  Flooding is performed among the superpeers instead of among  all nodes in the system

• Superpeers handle query processing  they should be long‐ lived and have sufficient processing power and network  bandwidth  • Examples: Kazaa, Skype

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BitTorrent (1) • BitTorrent is a file distribution system that enables fast  downloading of large files and reduces the load on the  hosting machine – Files are split into fixed‐sized chunks – When multiple nodes are downloading a file at the same time,  they upload the chucks of the file to each other – A node downloads chunks of a file in parallel from many other  nodes  this enables fast downloads and reduces the burden on  the hosting machine – Client‐server architecture is used for the initial setup of the  network  – P2P architecture is used for downloading chunks of a file

• See paper at http://www.bittorrent.org/bittorrentecon.pdf 29

BitTorrent (2)

• Each file has a tracker, which is a server that keeps track of  nodes that are downloading the file • When a node wants to download a file, it  – first contacts the tracker of the file to get the network addresses  of a set of peers that are downloading the file – then downloads chunks from the peers

• A tit‐for‐tat mechanism is used to ensure downloaders are  uploaders too: P uploads to Q if P downloads from Q 30

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Edge‐Server Systems

• Servers are placed “at the edge” of the Internet (i.e., at the Internet Service  Providers) • Edge servers replicate content and serve content to end users • Edge servers improve response time as they are close to the users • Example: YouTube’s Content Distribution Network 31

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