Dokument: OverlayMeter: Robust System-wide Monitoring and Capacity-based Search in Peer-to-Peer Networks

Titel:	OverlayMeter: Robust System-wide Monitoring and Capacity-based Search in Peer-to-Peer Networks
Weiterer Titel:	OverlayMeter: Robust System-wide Monitoring and Capacity-based Search in Peer-to-Peer Networks
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47398
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20181010-085323-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Disterhöft, Andreas [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 4,02 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 05.10.2018 / geändert 05.10.2018
Beitragende:	Jun.-Prof. Dr. Graffi, Kalman [Gutachter] Prof. Dr. Schöttner, Michael [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke » 004 Datenverarbeitung; Informatik
Beschreibungen:	Im letzten Jahrzehnt fanden viele Forschungsaktivitäten im Bereich von Peer-to-Peer-Systemen statt. Applikationen, die das Peer-to-Peer-Paradigma anwenden, sind gegenwärtig und deren Verkehrsaufkommen macht, abhängig von der Region, einen signifikanten Anteil am Gesamtverkehrsaufkommen im Internet aus. Das definierte Ziel der Systeme ist die Schaffung einer gewissen Servicequalität, was in dezentralen Systemen eine Herausforderung darstellt. Diese beruht auf der Tatsache, dass Teilnehmer aufgrund ihrer vorliegenden Informationen Entscheidungen treffen müssen. Um optimale Entscheidungen treffen zu können, ist eine solide und umfangreiche Datenbasis unabdingbar. Die Literatur hält hierfür Monitoringverfahren bereit, worauf in dieser Arbeit aufgebaut wird. Unter Monitoring wird die Datenerfassung und Verteilung von System- und Teilnehmer-spezifischen Daten verstanden. Diese Dissertation beschäftigt sich mit offenen Forschungsfragen zur Verbesserung und Erweiterung von Monitoringverfahren. Ferner werden Fragestellungen zur Vereinfachung von Abläufen zur Inbetriebnahme solcher Peer-to-Peer-Systeme angegangen. Im ersten Teil beschäftigen wir uns mit Monitoringverfahren im System-spezifischen Kontext. Hier setzen wir auf Baum-basierte Verfahren, denen wir das größte Potenzial zusprechen, und gehen vorhandene Probleme in deren Robustheit an. Modernste Baum-basierte Verfahren in der Literatur werden als hoch präzise aber nicht robust eingestuft, welche der Dynamik der Teilnehmer geschuldet ist. Als Folge werden Kommunikationspfade entlang des Baumes gestört, unterbrochen und im schlimmsten Fall müssen diese rekonstruiert werden. Dies führt zu Datenverlust, was sich negativ auf die Präzision auswirkt. Unsere Antworten auf offene Forschungsfragen umfassen die Einführung von Redundanz in einer smarten Verteilungsfunktion und die Vorstellung zusätzlicher Mechanismen, die für eine verbesserte Wahrnehmung der Monitoringstruktur sorgen. Zwei Verfahren werden im Rahmen dieser Dissertation vorgestellt. Diese erhöhen die Robustheit signifikant, halten die Präzision auf einem gleichbleibend hohem Niveau und weisen ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis auf. Neben der Verbesserung von vorhandenen Monitoringsystemen, behandeln wir Phänomene, die zu einer Beeinträchtigung des Monitoringergebnisses führen. Der Einfluss von bösartigen Teilnehmern in Monitoringverfahren wird in der Literatur nicht hinreichend analysiert und vorhandene Lösungen zum allgemeinen Umgang solcher Teilnehmer sind komplex und könnten weitere Angriffsvektoren schaffen. Wir analysieren den Einfluss von bösartigen Teilnehmern, die Ergebnisse manipulieren oder sich nicht an die Protokollspezifikationen halten, betonen die gravierenden Schwachstellen und stellen Mechanismen zur Abschwächung vor. Wir zeigen in einer umfangreichen Evaluation, dass Manipulationsangriffe anhand einer Ausreißererkennung auf eine konvexe Hülle beschränkt und Angriffe auf die Monitoringstruktur durch die Verifizierung der Herkunft gemindert werden können. Insgesamt agiert die Erweiterung passiv und ist somit vielseitig einsetzbar. Zum anderen verfolgen wir ein bisher nicht diskutiertes Feld im Monitoring; der unvollständige Teilnahme von Benutzern in Monitoringverfahren. Wir ermitteln den Einfluss, den das Verhalten auf die Präzision des Monitorings hat, und stellen eine Lösung für das Problem vor. Wir fokussieren uns auf die Einsammlung des globalen Zustands des Systems und sind somit an den Monitoringinformationen aller Benutzer interessiert. Als Lösung stellen wir ein generisches Verfahren vor, welches in Form einer Middleware agiert, um vorhandene Monitoringverfahren wiederverwenden zu können. Hierbei setzen wir auf eine Organisation der aktiven Teilnehmer, um per Probingmechanismen die passiven Teilnehmer zu vermessen und diese Informationen in das Monitoring einzuspeisen. Die Evaluation zeigt eine hohe Präzision, die unter anderen von der Präzision der Probingverfahren abhängt. Neben der Erhebung von System-spezifischen Daten gehen wir die Teilnehmer-spezifische Datenerhebung und die Suche nach Knotenkapazitäten an. Das Ziel ist die Schaffung einer effizienten Indizierungsstruktur, welche die vielfältigen und hoch dynamischen Kapazitäten der Teilnehmer effizient und verteilt speichert, und einer präzisen Suche nach Teilnehmern, die spezifische Anforderungen erfüllt. Unsere Motivation für solche Systeme zielt auf die Delegierung von Aufgaben und der Realisierung von verteilten Berechnungen im dezentralen Kontext ab. In der Literatur werden Verfahren vorgestellt, die nicht alle Knotenkapazitäten berücksichtigen, nicht mit der Anzahl an Kapazitäten skalieren oder nicht auf hoch dynamische Daten abzielen. Wir stellen zwei Lösungen vor, die hochdynamische Knotenkapazitäten effizient halten und die Last fair auf alle Teilnehmer verteilen. Während unsere erste Lösung global die Anzahl an Kapazitäten statisch setzt, verwendet unsere zweite Lösung einen dynamischen Ansatz. Die vorgestellten Suchprozesse arbeiten schnell und präzise, womit diese den gestellten Anforderungen genügen. Im letzten Teil dieser Arbeit richten wir den Fokus auf ein Hemmnis bei der Verwendung von Peer-to-Peer-Software: der Installation und Einrichtung der benötigten Drittanbietersoftware. Wir schlagen die Verwendung von der allseits bekannten Web-Umgebung vor. Benutzer öffnen ihren Browser und nehmen den gewünschten Service in Anspruch, indem die jeweilige Ressource aus dem Web aufgerufen wird. Der neue WebRTC-Standard birgt die Möglichkeit direkte Verbindungen zwischen Browser-Instanzen aufzubauen und bietet somit die Möglichkeit der Verwendung von Peer-to-Peer-Techniken im Kontext des Webs. Wir erschaffen eine Chattingplattform, welche auf ein Peer-to-Peer-Overlay aufbaut, evaluieren die Performance und geben einen Überblick über mögliche Problematiken dieser neuen Möglichkeit. In einer weiteren Arbeit stellen wir eine effiziente Verteilungsstrategie von Daten vor, welche die Verteilungszeit mit einer oberen Schranke abschätzt. Dieses Verfahren wird in einem Start-up verwendet, um mit Hilfe des neuen Standards und Peer-to-Peer-Techniken Bandbreiteneinsparungen in Live-Streaming Szenarien zu realisieren. Wir fassen die vorgestellten Verfahren zu dem sogenannten OverlayMeter zusammen, welche eine Basis für die umfangreiche Erhebung von Daten schafft. Diese Basis umfasst eine präzise und kosteneffiziente System- sowie Teilnehmer-spezifische Datenerhebung und die Suche nach Teilnehmerkapazitäten. Die Verfahren des OverlayMeters können schließlich in diversen Peer-to-Peer-Systemen eingesetzt werden, um dieses zuverlässig und präzise zu vermessen. In the last decade many peer-to-peer research activities have taken place. Applications using the peer-to-peer paradigm are present and their traffic, depending on the region, accounts for a significant proportion of the total traffic on the Internet. The defined goal of the systems is to deliver a certain quality of service, which is a challenge in decentralized systems. This is due to the fact that participants have to make decisions based on their locally available information. In order to make the best decisions, a solid and extensive data basis is indispensable. For this purpose the literature on the field of p2p networks proposes monitoring the system, an approach that we follow in this work. Monitoring refers to the gathering and dissemination of system- and peer-specific data. This dissertation deals with open research questions for the improvement and extension of monitoring approaches. Furthermore, issues to simplify procedures for putting such peer-to-peer systems into operation are addressed in this work. In the first part we deal with monitoring procedures in the system-specific context. Here, we focus on tree-based procedures, as we have seen the biggest potential for this class, and tackle existing problems in their robustness. State-of-the-art tree-based approaches proposed in the literature are said to be highly precise but not robust, which is due to the dynamics of the users. As a consequence communication paths in the monitoring tree are disturbed, interrupted and in the worst case they have to be reconstructed. This leads to data loss which has a negative influence on the precision of the monitoring. Our answers to open research questions include the proposal of redundancy in a smart distribution function and the proposal of additional mechanisms that improve the perception of each participant in the monitoring structure. Thus, we present two methods that significantly increase the robustness, keep the precision on a consistently high level and have a good cost-benefit ratio. In addition to the improvement of existing monitoring systems for system-specific data, we treat phenomena that lead to an impairment of the monitoring result. The influence of malicious participants in monitoring procedures is not adequately analyzed in the literature and existing solutions for the general handling of such participants are complex and could open doors for further attack vectors. We analyze the influence of malicious participants who manipulate the result or do not adhere to protocol specifications, highlight the serious vulnerabilities, and present mechanisms for mitigation. In a comprehensive evaluation, we show that manipulation attacks can be limited to a convex hull based on outlier detection and attacks on the monitoring structure can be reduced by verifying their origin. Overall, the proposed extension for tree-based monitoring systems operates passively and is therefore versatile. On the other hand, we are pursuing a undisclosed field in monitoring; the incomplete participation of users in monitoring solutions. We identify the impact that such a behavior has on the accuracy of the monitoring and present a solution solving this problem. We focus on collecting the global state of the system and are therefore interested in the monitoring information of all participants. As a solution, we propose a generic middleware that reuses existing monitoring procedures. Here, we rely on an organization of the active participants in the middleware to measure the passive participants by probing them and feed captured information into the monitoring solution. The evaluation shows a high degree of precision, which among others depends on the precision of the probing methods. Moreover, we address the peer-specific data gathering and the capacity-based peer search. The goal is to create an efficient indexing structure that efficiently stores highly dynamic peers’ heterogeneous capacities in a distributed manner. We aim on an accurate peer search mechanism that obtains peers fulfilling set requirements. Such systems are motivated with the delegation of tasks and the realization of distributed computing in a decentralized context. The literature presents techniques that do not take all peers’ capacities into account during the search process, do not scale with the number of capacities or do not comply with the requirement of storing highly dynamic data. We propose two solutions that efficiently store highly dynamic peer capacities and distribute the load fairly among all participants. While our first solution globally sets the number of capacities to a constant, our second solution uses a dynamic approach. The proposed search processes perform quickly and precisely, so that they meet the demands. In the final part of this dissertation, we focus on a barrier which arises when using peer-to-peer software. It is the mandatory installation and set up of third-party software prior to running it. We suggest using the well-known web environment: open your browser and head to the requested service in the web. The new WebRTC standard offers the possibility to establish direct connections between browser instances, thus offering the opportunity of using peer-to-peer techniques in the context of the web. We create a chatting platform based on a peer-to-peer overlay, evaluate its performance and give an overview of possible problems of this new opportunity. In another work, we present an efficient distribution strategy of data that gives guarantees on the distribution time by estimating an upper bound. This method is used in a start-up to realize bandwidth savings in live streaming scenarios using the new standard and peer-to-peer techniques. We combine the presented methods to the so-called OverlayMeter, which provides a basis for extensive monitoring. This basis includes accurate and cost-effective system- and peer-specific data monitoring along with capacity-based peer search. The methods of the OverlayMeter can finally be utilized in various peer-to-peer applications to reliably and precisely monitor the network.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Informatik » Rechnernetze
Dokument erstellt am:	10.10.2018
Dateien geändert am:	10.10.2018
Promotionsantrag am:	27.03.2018
Datum der Promotion:	24.09.2018