Telematica II 16. Reti peer-to-peer

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1 Reti peer-to-peer (P2P) - definizione Telematica II 16. Reti peer-to-peer le reti peer-to-peer (P2P) sono reti composte da nodi che interagiscono direttamente tra loro, senza necessariamente il bisogno di un server centrale ciascun nodo della rete può fungere sia da client che da server è una specie di estensione del paradigma client/server non esistono ruoli predefiniti ed immutabili il ruolo di server è distribuito e non centralizzato Corso di Laurea in Ingegneria Informatica A.A Semestre Prof. Giovanni Pascoschi 2 Reti peer-to-peer (P2P) - finalità Reti peer-to-peer (P2P) - classificazione Una rete di computer peer-to-peer (P2P) sfrutta principalmente la potenza di calcolo e la bandwidth di tutti i partecipanti alla rete piuttosto che concentrarla su un relativamente piccolo numero di server Tali reti sono utili per diversi scopi: File sharing (p.e. Emule, Bit-Torrent) Trasmissione di dati in realtime, come ad esempio traffico telefonico o di videoconferenza (p.e. Skype) Reti peer-to-peer pure i peer agiscono come client e server non esiste un server centrale che gestisce la rete non esiste un router centrale Reti peer-to-peer ibride hanno un server centrale (o pochi server) che mantiene le informazioni sui peers i peer si occupano della memorizzazione delle risorse, rendono note al server centrale le risorse condivise e consentono il download delle risorse ai peer che le richiedano 3 4

2 Vantaggi delle reti P2P #1 Rete client/server tradizionale una caratteristica importante delle reti peer-to-peer e che tutti i client forniscono risorse quali bandwidth, storage e capacita di calcolo al crescere del numero di peer, la capacita totale del sistema aumenta di conseguenza. Ciò non vero per una architettura client server con un numero fisso di server, in cui aggiungere nuovi client potrebbe significare trasferimento dati piu lento per tutti gli utenti obiettivo trasferimento dello stesso file di 1 GB a molti peers Server u 1 d 1 u s u 2 d2 u s : bandwidth in upload del server u i : bandwidth in upload del peer i d i : bandwidth in download del peer i d N u N Rete (con bandwidth abbondante) 5 6 Rete P2P tipica Vantaggi delle reti P2P #2 obiettivo trasferimento dello stesso file di 1 GB a molti peers Server u 1 d 1 u s u 2 d2 u s : bandwidth in upload del server u i : bandwidth in upload del peer i d i : bandwidth in download del peer i La natura distribuita delle reti peer-to-peer aumenta la robustezza/affidabilità in caso di guasti replicando i dati su peer multipli, e nelle reti P2P pure consente ai peer di trovare i dati senza utilizzare un index server centralizzato Configurazione dinamica della rete, mancata necessita di apparati costosi (p.e. server) economicità d N u N Rete (con bandwidth abbondante) si sfruttano le risorse dei peers (bandwidth in upload, storage, potenza di calcolo) 7 8

3 Esempio di rete P2P: BitTorrent Esempio di rete P2P: BitTorrent normalmente il download di un file su Internet avviene collegandosi ad un server mediante protocollo FTP questo approccio centralizzato porta, man mano che gli utenti aumentano, ad un abbassamento della velocità di ogni singolo download. partendo da questo ragionamento, Bram Cohen ha progettato e realizzato, a partire dal 2001, il sistema BitTorrent utilizzando il linguaggio di programmazione Python, con codice sorgente open (open-source) e del tutto free specifica del BitTorrent questo sistema (rete P2P ibrida), si basa sul principio che durante il trasferimento di un file, chi scarica lascia inutilizzata la propria banda in uscita: questo è uno spreco che BT risolve facendo sì che un client faccia scaricare lo stesso file ad altri client, usando la propria banda in upload la maggioranza delle linee degli utenti dei sistemi P2P sono linee ADSL asimmetriche (più banda dedicata al download che all upload) anche nel caso di due utenti con la stessa connessione (ad esempio 4 Mbit/s di downlink e 600Kbit/s di uplink) essi, anche volendo cooperare, non potranno mai scaricare con tutta la loro banda di download disponibile, perché l uplink del loro partner risulta il bottleneck idea principale: redistribuire il carico dell upload su tutti i computer che concorrono allo scaricamento del file. Una volta che un utente ha parte del file incomincia lui stesso a fornire quella parte agli altri utenti, alleggerendo il carico del detentore del file completo (seeder) e permettendo così un possibile totale sfruttamento della banda di download 9 10 BitTorrent : definizioni Schema di funzionamento di BT tracker entità intermedia (host) che tiene informato ciascun client dei peers connessi al file torrent richiesto Seeder seeder un peer che possiede tutte le parti di un file leecher un peer che possiede qualche o nessuna parte di un file e cerca il completamento del file Tracker torrent file che contiene l URL del tracker e le hash SHA1 (secure hash algorithm rileva la fingerprint di un messaggio in maniera univoca ed irreversibile) delle parti (chunk) del file da scaricare swarm insieme di peers che stanno effettuando il download di uno stesso file (è una specie di dominio costituito da tanti peers) chunk ciascun file è spezzettato in tante parti chiamate chunk (256KB) Connessione al Tracker Download dal Seeder Leechers Scambio file tra Leechers 11 12

4 Funzionamento di BT #1 Funzionamento di BT #2 Tracker WebServer lista Seeders/Leechers il download vero e proprio avviene sia dai Seeders che dagli altri Leechers file.torrent Client quindi la macchina di un utente fa sia da client che da server per gli altri si scarica, da un web server, un file.torrent contenente informazioni sul file che si vuole scaricare (tramite HTTP) i web-server sono siti che elencano il file.torrent (p.e. nel passato Pirate Bay) e necessario un server centrale (Tracker) per coordinare lo scambio dei file. Il vantaggio è quello di ridurre il consumo di banda del server centrale BT è una rete ibrida Si usa il client BT per aprire il file.torrent e collegarsi al Tracker, un server che contiene la lista dei Seeders (client che dispongono di tutto il file) e dei Leechers (client che dispongono solo di una parte del file) File.torrent File.torrent : codifica bencoding #1 le informazioni contenute nel file.torrent sono in generale: Indirizzo del Tracker Data di creazione del torrent Nome del file da scaricare Numero di chunk in cui è suddiviso, la loro lunghezza ed i relativi hash SHA1 Il file da scaricare è diviso in pezzi, o chunk, in modo da riscaricare un solo pezzo in caso di errore. di ogni chunk scaricato viene calcolato un hash crittografico usando l algoritmo SHA1, che viene confrontato con quello memorizzato nel file.torrent per verificare se è stato scaricato correttamente. tutti i dati presenti nel file torrent usano la codifica bencoding le stringhe sono codificate nel seguente modo: <lunghezza stringa (decimale)>:< string data> esempio: 4:spam rappresenta la stringa "spam gli interi sono codificati nel seguente modo: i<intero (decimale)>e esempio: i3e rappresenta l intero "

5 File.torrent : codifica bencoding #2 File.torrent : struttura del file #1 le liste sono codificate nel seguente modo: l<valori bencoded >e esempio: l4:spam4:eggse rappresenta la lista: ["spam","eggs"] i dizionari sono codificati come coppie chiave/valore: d< bencoded string >< bencoded element >e esempio: d3:cow3:moo4:spam4:eggse rappresenta il dizionario { "cow" "moo", "spam" "eggs"} Il contenuto del file.torrent è un dizionario bencoded, contenente le seguenti chiavi: info (*) : un dizionario che descrive il file da scaricare announce (*): announce URL del tracker creation date: data di creazione del file (intero in formato : UNIX epoch [in sec a partire da 1/1/1970]) comment: stringa con i commenti dell autore created by : nome e versione del programma usato per generare il file torrent *: voce obbligatoriamente presente File.torrent : struttura del file #2 Interazione client/tracker il dizionario info contiene le seguenti voci: length (*): lunghezza del file in byte (intero) md5sum: stringa di 32 caratteri hex con la md5 sum di tutto il file (firma digitale - checksum) name(*) : nome del file (stringa) piece length (*): lunghezza in byte di ciascun pezzo (chunk) in cui è suddiviso il file (intero) pieces (*): valore di hash a 20 byte calcolato con SHA1 per ciascun chunk (meccanismo di error control a fingerprint) Tracker lista Seeders/Leechers get p1&p2&... Client file.torrent info può contenere anche informazioni su file multipli associati allo stesso file.torrent 19 20

6 Protocollo verso il tracker Protocollo verso il tracker : parametri nella richiesta Il tracker e un servizio che risponde alle richieste HTTP GET è dotato di un webserver dedicato GET consente di passare dei parametri (separati da &) con la richiesta HTTP purche la loro dimensione non ecceda 1024 byte (massima dimensione di una richiesta di un URI). I parametri risultano essere visibili e servono per individuare la risorsa a cui il client è interessato le richieste includono delle metriche (p.e. downloaded/uploaded/left) fornite dai client che aiutano il tracker a mantenere delle statistiche globali (p.e. per calcolare il numero di leechers, ecc) le risposte contengono una lista di peer che contengono il file da scaricare i parametri vengono codificati nella URL (estraendoli dal file.torrent ) info_hash : 20-byte SHA1 hash del valore del campo info nel.torrent (per identificare in maniera univoca il file da scaricare/condividere) peer_id : stringa di 20 byte usata come ID (identificativo) per il client, generata allo startup del client port : numero della porta su cui il client è in ascolto (tipicamente ) in analogia al comando port FTP uploaded: numero totale di byte già trasferiti in upload metrica downloaded: numero di byte già scaricati metrica left: numero di byte da scaricare metrica event: uno tra i valori started, completed, stopped che indicano lo stato del trasferimento ip: indirizzo IP del client (opzionale). Il tracker può comunque dedurlo dalla connessione TCP Protocollo verso il tracker : formato della risposta Interazione peer/peer Il tracker risponde con un documento nel tipo MIME text/plain contenente un dizionario bencoded con le seguenti chiavi: failure reason: motivo del problema (se presente, le altre chiavi potrebbero non essere presenti) interval: intervallo, in secondi, che il client deve attendere prima di mandare una nuova richiesta al tracker (meccanismo di controllo della banda) tracker id: identificativo univoco del tracker complete: numero dei peer con il file completo (con seeders) incomplete: numero dei peer con parti di file (con leechers) peers: è una lista di dizionari con le seguenti chiavi: peer id, ip, port lista seeders & leechers richiesta BT (p.e. interested) peer remoto risposta BT (p.e. choked/unchoked) Client 1) fase handshake (utile alla presentazione tra client e peer remoto) 2) fase scambio dati/stato 23 24

7 Peer wire protocol #1 Peer wire protocol #2 Il peer protocol è un protocollo (che si poggia su TCP) molto elementare che facilita lo scambio dei chunk come descritto nel file.torrent Un client deve mantenere informazioni di stato per ciascuna connessione attiva con un altro peer remoto: choked: indica se il peer remoto ha messo in stato di choked questo client. Quando accade ciò il peer remoto non accetta richieste da questo client è una specie di semaforo rosso che puo dipendere da diversi fattori (p.e. raggiunto max numero contemporaneo di download dal peer remoto) interested: indica se il peer remoto è interessato a qualcosa che il nodo corrente ha da offrire. E una notifica che il peer remoto inizierà a richiedere blocchi quando il client lo pone in stato unchoked un blocco viene scaricato dal client quando questo e interessato in un peer, e quel peer non ha messo il client in choking viene fatto l upload di un blocco da un client ad un peer quando il client non ha messo in stato di choking il peer, e quel peer e interessato al client e importante per il client tenere i suoi peer informati se interessato a blocchi da essi posseduti, con l invio di messagi di tipo interested Message flow Handshake nel peer protocol il peer wire protocol consiste di un handshake iniziale dopo questo, i peer comunicano attraverso uno scambio di messaggi a lunghezza prefissata L handshake è un messaggio obbligatorio e deve essere il primo messaggio trasmesso dal client verso il peer remoto equivale ad una presentazione del client verso il peer La sintassi è: <pstrlen><pstr><reserved><info_hash><peer_id> pstrlen: lunghezza di <pstr>, come singolo raw byte pstr: stringa che identifica il protocollo (protocol string) reserved: 8 byte riservati. (attualmente posti a 0) info_hash: 20-byte SHA1 hash del valore del campo info nel file torrent, per identificare in maniera univoca il file da richiedere peer_id : 20-byte string usata come ID per il client (identificativo del client) 27 28

8 Formato dei messaggi nel peer protocol Limitazioni del BitTorrent Tutti i restanti messaggi del protocollo hanno la seguente struttura: <length prefix >< message ID>< payload prefix> length prefix un valore a 4 byte big-endian (dal byte piu significativo) message ID e un singolo carattere payload prefix è il carico informativo (opzionale nel caso di messaggio informativo choke/unchoked/interested) Ad esempio i messaggi di choke/unchoke/interested choke : <len=0001><id=0> unchoke : <len=0001><id=1> interested : <len=0001><id=2> BitTorrent non offre ai suoi utenti l anonimato. Poichè i tracker mantengono una lista dei nodi che condividono file, è possibile ottenere l indirizzo IP sia degli utenti correnti ed anche di quelli che hanno condiviso file in precedenza (utilizzo di file di log) in mancanza di seeder un download non può essere portato a conclusione un tracker è un single point of failure ridondanza dei tracker per migliorare l affidabilità gli utenti che condividono i file hanno poco incentivo a diventare seeder dopo che hanno completato il loro download. Ciò si traduce in una minore possibilità di ottenere i torrent più vecchi Paragone con altri sistemi P2P #1 Paragone con altri sistemi P2P #2 Il metodo usato da BitTorrent per distribuire i file e simile a quello della rete edonkey2000, ma i nodi di quest ultima rete solitamente condividono e scaricano un maggiore numero di file La bandwidth disponibile in upload per ciascun trasferimento e ridotta di conseguenza (ciò e critico specie per connessioni digitali DSL asimmetriche) I trasferimenti su BitTorrent sono solitamente molto veloci, poiche ogni istanza del client si concentra nel trasferimento di un singolo file Molti nuovi sistemi P2P hanno dei meccanismi per incentivare upload dei file. Ad esempio emule ha un sistema di crediti in cui un nodo ringrazia gli altri nodi che gli forniscono file incrementando la loro priorita nella sua coda BitTorrent non fornisce un metodo per indicizzare i file condivisi. La conseguenza di ciò che pochi web server sono disposti ad ospitare i file.torrent Sono disponibili un minor numero di file rispetto alla rete edonkey che ingloba un servizio di indicizzazione Bram Cohen ha rilasciato un proprio BitTorrent search engine, che cerca i torrent nei piu diffusi tracker BitTorrent, anche se esso non ospita i file torrent stessi Uno degli obiettivi per la prossima versione di BitTorrent e l uso di tracker distribuiti, che eliminerebbe il single point of failure del sistema 31 32

9 Attacchi alle reti P2P e relative problematiche #1 Attacchi alle reti P2P e relative problematiche #2 poisoning attacks (fornire file i cui contenuti sono diversi da quelli descritti rimedio : possibilita di effettuare un anteprima) polluting attacks (inserire chunk /pacchetti cattivi in un file valido rimedio : utilizzo dei commenti) defection attacks (utenti o software che fanno uso della rete senza contribuire ad essa condividendo risorse, penalizzazione di utenti non partecipativi rimedio : utilizzo dei crediti) inserimento di virus nei dati trasportati (i file scaricati potrebbero essere infetti da virus o malware rimedio : utilizzo dei commenti) malware nel software di rete stesso (il software distribuito contiene spyware : clamoroso il caso kazaa che contiene spyware) denial of service (DoS) attacks (attacchi che rendono la rete molto lenta saturandola di richieste tanto da farla apparire come fuori servizio) filtering (gli operatori di rete ISP potrebbero impedire il transito dei pacchetti delle rete p2p imponendo restrizioni su alcune delle porte piu tipicamente adoperate) identity attacks (identificare gli utenti della rete e perseguirli legalmente approfittando del passaggio in chiaro degli IP) spamming (inviare informazioni non richieste agli utenti attraverso la rete) Riepilogo della lezione Fine della lezione Reti peer-to-peer Caratteristiche reti peer-to-peer Reti BitTorrent Protocolli BitTorrent attacchi alle reti P2P e relative problematiche Domande? 35 36