Konstruktion sabotageresistenter und effizienter Overlay-Topologien für IPTV-Verteilungsinfrastrukturen
Final Report Abstract
Application-Layer-Multicast-Systeme (ALM) stellen eine Peer-to-Peer-basierte Lösung zur Verteilung zeitkritischer multimedialer Inhalte dar. Die maßgebliche Zielstellung des abgeschlossenen Projekts bestand in der Erhöhung der Widerstandsfähigkeit solcher ALM-Systeme gegenüber geplanten Angriffen und unkoordinierten Ausfällen. Gleichzeitig sollten Effizienz und Funktionalität, trotz typischer unverträglicher Faktoren wie großer Fluktuation, Heterogenität und Mobilität von Teilnehmern, sichergestellt werden. Die Projektkonzeption verband dabei theoretische Analysen praktisch motivierter Optimierungsprobleme mit der direkten Verwertung der Ergebnisse im Anwendungsgebiet. Die enge Zusammenarbeit der beiden beteiligten Fachgebiete führte so zur Identifikation neuer Problemstellungen und innovativer Lösungsansätze. Bereits zu Projektbeginn stand fest, dass insbesondere die Kommunikationsmuster im ALM-System dessen Stabilitäts- und Leistungsmerkmale prägen. Ausgehend von einer graphentheoretischen Modellierung der Stabilitätsaspekte, wurden deshalb zunächst Verteilungstopologien identifiziert, die optimale Eigenschaften gemäß praktisch relevanter Stabilitätsziele besitzen. Dabei zeigte sich, dass das verwendete Maß für auftretenden Schaden und die Unterscheidung zwischen der Widerstandsfähigkeit gegenüber Angriffen bzw. Ausfällen großen Einfluss auf die entstehenden Anforderungen an stabile Topologien haben. Diese Anforderungen wurden formal analysiert und, wo möglich, effizient umsetzbare Konstruktionsprinzipien aufgezeigt. Insbesondere zur Erstellung von Topologien, die den maximal durch Angreifer verursachten Paketverlust minimieren, stehen somit nun flexible und praktisch einsetzbare Regeln bereit. Zeitgleich zeigten diese Untersuchungen jedoch auch die Grenzen mit realistischem Aufwand durchführbarer Stabilitätsoptimierungen. So konnen Topologien mit den angesprochenen Eigenschaften zwar effizient nach Regeln konstruiert werden, auf andere Weise entstandene Topologien mit gleicher Stabilität sind jedoch nicht effizient zu erkennen (falls P=NP). Für ausfallstabile Topologien ist im Allgemeinen keine effiziente Konstruktion möglich. Für Topologien die verhindern, dass Angreifer die wahrgenommene Dienstqualität vieler Teilnehmer reduzieren, konnte das Konstruktionsproblem auf ein seit langer Zeit ungelöstes mathematisches Problem zurückgeführt werden. Nichtsdestotrotz ergaben sich bei den Analysen auch für diese Stabilitätsziele Spezialfälle, in denen optimale Topologien bekannt sind. Parallel zu diesen grundlegenden Ergebnissen wurden Methoden zur dezentralen Konstruktion stabiler Verteilungstopologien entwickelt und in einem prototypischen ALM-System implementiert. Dabei wurden auch Trade-Offs berücksichtigt, die Stabilitätsziele zum Zweck der Sicherstellung der Verteilungseffizienz abschwächen können. Da ALM-Systeme wenig Kontrolle über ihre Teilnehmer besitzen, ist es außerdem notwendig, alle Verwaltungsmechanismen möglichst manipulationssicher auszulegen. Deshalb wurden Verfahren entwickelt, mit denen die Informationsbeschaffung für Angreifer erschwert und die böswillige Nutzung von Verwaltungsmechanismen unterbunden wird. Im resultierenden System sind solche Attacken für Angreifer ineffizient, da der hervorgerufene Schaden durch während der notwendigen Vorbereitung dem System zur Verfügung gestellte Resourcen aufgewogen wird. Weiterhin wurden beim Design des verteilten Topologie-Managements Aspekte der Teilnehmerheterogenität und -mobilität berücksichtigt, um die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems zu maximieren. Durch Einbeziehung von Informationen über das unterliegende Transportnetz konnte zusatzlich die Gesamtnetzlast, die Ende-zu-Ende-Verzögerung und die Abhängigkeit von einzelnen Transportnetzkomponenten verringert werden. Da ALM-Systeme im praktischen Einsatz zunehmend zur Verteilung multipler Datenströme eingesetzt werden, wurde das am Fachgebiet Telematik/Rechnernetze entwickelte System um die Unterstützung mehrerer Streams und mehrere Datenstromquellen erweitert. Zum Ausgleich zeitlich und zwischen Streams variablen Nachfrageverhaltens müssen in einem solchen System geeignete Strategien zur Resourcenaufteilung ergriffen werden. Analytisch und in Simulationen wurde gezeigt, dass die vom implementierten System gebildeten Topologien für das Ziel der Paketverlustminimierung nahe am theoretischen Optimum liegen. Insgesamt sind im Projekt große Wissensgewinne bezüglich der Eigenschaften und Konstruktion widerstandsfähiger Topologien für ALM-Systeme erzielt worden. Theoretische und praktische Ergebnisse ergänzen sich und sind in zahlreichen referierten Veröffentlichungen dokumentiert.
Publications
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Michael Brinkmeier, Mathias Fischer, Sascha Grau, and Thorsten Strufe
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Michael Brinkmeier, Guenter Schaefer, and Thorsten Strufe
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Michael Brinkmeier, Mathias Fischer, Sascha Grau, and Guenter Schaefer
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Sascha Grau, Mathias Fischer, and Guenter Schaefer
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Mathias Fischer, Michael Kissmann, Sascha Grau, and Guenter Schaefer
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Mathias Fischer, Sebastian Delling, Sascha Grau, and Guenter Schaefer
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Attack-Resilient Multitree Data Distribution Topologies. In 16th International Conference on Principles of DIstributed Systems, OPODIS 2012, LNCS 7702, pages 196–208, Rome, Italy, 2012. Springer Berlin Heidelberg
Sascha Grau
