Performance and availability in peer-to-peer content distribution systems [Elektronische Ressource] : a case for a multilateral incentive approach / von Sebastian Kaune

© Sebastian Kaune, Elektro- Und Informationstechnik, Technische Universität Darmstadt

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 33
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

P E R F O R M A N C E A N D AVA I L A B I L I T Y
I N P E E R - T O - P E E R C O N T E N T D I S T R I B U T I O N S Y S T E M S :
A C A S E F O R A M U LT I L AT E R A L I N C E N T I V E A P P R O A C H
Vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
der Technischen Universität Darmstadt
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigte Dissertation
von
dipl.-inform. sebastian kaune
Geboren am14. November1979 in Darmstadt, Hessen
Vorsitz: Prof. Dr.-Ing. Thomas Hartkopf
Referent: Prof. Dr.-Ing. Ralf Steinmetz
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Jörg Eberspächer
Korreferent: Dr. Andreas Mauthe
Tag der Einreichung:25. November2010
Tag der Disputation:10. Februar2011
Hochschulkennziffer D17
Darmstadt2011Dieses Dokument wird bereitgestellt von This document is provided by
tuprints, E-Publishing-Service der Technischen Universität Darmstadt.
http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de
[e-mail]-dar
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The peer-to-peer paradigm offers the potential to address many of the challenges related
to large-scale content distribution over the Internet (e.g., scalability, costs, etc.). However,
currently, many approaches fail to offer the quality of service supported by over-
provisioned client-server distribution systems such as RapidShare and YouTube. The
reason for this is that peer-to-peer systems must operate under the constraints placed
on them by contributing users. Consequently, selfish, strategic, or malicious users often
lower the overall system utility. To address this, incentive mechanisms are employed to
motivate such users to cooperate with the system (e.g., those that contribute more,
receive more in return). Many users, however, observe that popular systems such
as BitTorrent (employing tit-for-tat as incentive mechanism), are often ineffective
at fulfilling a set of key content distribution requirements, namely performance and
availability. The overarching goal of this thesis is therefore to extend existing incentive
mechanisms to better fulfil these core requirements.
At first, this thesis validates and quantifies these casual observations regarding
peer-to-peer performance and content availability. To achieve this we carry out two
major measurement studies in the BitTorrent system, the current de-facto standard
for peer-to-peer content distribution. To this end we identify widespread performance
and availability problems that, through detailed analysis, are attributed to ineffective
incentive design. In particular, we find that the current popular approach of ’tit-for-tat’
fails to incite sufficient cooperation amongst users to ensure high performance and
content availability. Further analysis shows that this is caused by a lack of incentives
for seeding (i.e., the process of remaining as a data source after one has downloaded
the entire file).
Based on these findings, we subsequently study a set of intuitive solutions to
overcome what we call the seeder promotion problem. The purpose of this analysis is to
narrow the solution space and to shape a more sophisticated incentive design. In order
to achieve this, three abstract cross-torrent incentive approaches are detailed, as well as
single-torrent incentive mechanisms. Each of these appr are then quantitatively
analysed through extensive trace-based simulations. These analysis further confirm our
finding that bilateral incentive strategies (e.g., tit-for-tat) are insufficient at providing
robust incentives for seeders. This is because most users (i) do not meet each other
repeatedly and (ii) do not simultaneously require each other’s content. Instead, it is
shown that the only way to overcome performance and availability issues is to use
multilateral incentive strategies (i.e., to allow users to contribute to one user yet receive
reciprocation from another).
Finally, we design and evaluate a novel multilateral incentive mechanism, named
FairSwarm.KOM. Unlike digital currency systems (in which contribution informa-
tion is globally visible) or tit for-tat (where no propagation of credit points occurs),
FairSwarm.KOM uses one-hop information of the overlay network to evaluate the
cooperativeness of the peers. Through the use of extensive trace-based simulations, it
is shown that FairSwarm.KOM improves the download performance of the popular
BitTorrent system by more than 86%, while guaranteeing high levels of file availability
(>99%). Most importantly, these two properties are achieved without harming the
fairness of individual users and with an extremely low overhead.K U R Z FA S S U N G
Das Peer-to-Peer (P2P)-Kommunikations-Paradigma bietet neue Möglichkeiten für die
Verteilung von digitalen Inhalten über das Internet. Peer-to-Peer bündelt die Ressourcen
der Teilnehmer im System und setzt diese effizient ein, um eine Datei an eine große
Anzahl von interessierten Nutzern zu verteilen. Damit sind P2P-Systeme inhärent
selbst-skalierend: Je mehr Teilnehmer dem System beitreten, desto höher die Anzahl
der verfügbaren Ressourcen und desto besser die Verteilungsgeschwindigkeit. Jedoch
profitieren nicht nur die Nutzer von P2P-Technologie; die Anbieter digitaler Medien
(Content-Provider) können gerade durch die Nutzung dieser Ressourcen ebenfalls
Upload-Kosten durch den Quellserver einsparen.
Trotz dieser beachtlichen Vorteile gegenüber traditionellen Client/Server-Ansätzen
können bestehende P2P-Inhaltsverteilsysteme, wie zum Beispiel das populäre BitTor-
rent-System, bezüglich der Downloadgeschwindigkeit und der Langzeitverfügbarkeit
von Inhalten oftmals nicht mit ressourcenstarken Client/Server-Farmen wie Rapid-
Share oder YouTube konkurrieren. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass
die Leistungsfähigkeit eines Peer-to-Peer-Systems einzig und allein auf der Kooperati-
onsbereitschaft der teilnehmenden Nutzer beruht. Jedoch neigen gerade die Endnutzer
dazu, ihre Ressourcenbereitstellung bis auf ein Minimum zu reduzieren, solange kein
Anreiz zur Kooperation besteht. Angesichts dieses Dilemma und der häufig zu beo-
bachtenden Effizienzprobleme von P2P-Inhaltsverteilsystemen, ist daher zu vermuten,
dass existierende Anreizmechanismen zur Erhöhung von Kooperation, wie z. B. der
vorwiegend eingesetzte „Tit-for-Tat“-Mechanismus in BitTorrent, ihre Rolle gänzlich
verfehlen. Genau an diesem Punkt setzt die vorliegende Dissertation an; dem Entwurf
und der Konzeptionierung eines neuartigen Anreizmechanismus zur Förderung von
nachhaltiger Kooperation, der sowohl höhere Downloadgeschwindigkeiten erzielen soll,
als auch die Langzeitverfügbarkeit von Inhalten in P2P-Systemen verbessert.
Um die Korrektheit der oben genannten Schlussfolgerungen wissenschaftlich zu
untermauern, beschäftigt sich diese Arbeit zunächst mit der Validierung, Quantifi-
zierung und Ursachenanalyse bestehender Effizienzprobleme in P2P-Inhaltsverteil-
systemen. In diesem Kontext werden zwei Messstudien im populären BitTorrent-
System durchgeführt, das den gegenwärtigen de-facto-Standard für moderne P2P-
Inhaltsverteilung repräsentiert. Hierbei wird gezeigt, dass P2P-Systeme sowohl von
gravierenden Geschwindigkeits- als auch Verfügbarkeitsproblemen betroffen sind.
Durch die Messdatenanalyse kann des Weiteren belegt werden, dass diese Effizienzpro-
bleme auf falsch gesetzte Anreize zur Kooperation zurückzuführen sind. Genauer
betrachtet schafft es der Tit-for-Tat-Mechanismus nicht, Nutzern Anreize zur Koope-
ration zu geben, wenn diese ihren Dateidownload beendet haben. Jedoch sind genau
diese Datenquellen, die so genannten „Seeder“, ausschlaggebend für die Downloadge-
schwindigkeit und Verfügbarkeit von Inhalten in P2P-Systemen.
Basierend auf diesen Erkenntnissen wird anschließend eine eingehende Analyse von
möglichen Lösungsansätzen zur Schaffung von Anreizen für Seeder durchgeführt. In
Folge dessen wird der mögliche Lösungsraum weiter eingegrenzt und es können grund-
legende Lösungsanforderungen ermittelt werden. In diesem Zusammenhang werden
sowohl drei „Torrent“-übergreifende Lösungsansätze als auch „Single-Torrent“-basierte
Ansätze durch messdatengestützte Simulationen quantitativ untersucht. Hierbei be-
stätigt sich, dass bilaterale Anreizstrategien (wie z. B. Tit-for-Tat) gänzlich ungeeignet
sind, um nachhaltige Kooperationen in P2P-Systemen zu fördern. Dies ist dadurch
begründet, dass Nutzer sich oftmals nur einmal im P2P-System begegnen und keine
Tauschgrundlage bezüglich bereits heruntergeladener Inhalte besitzen. Stattdessen
kann aufgezeigt werden, dass ausschließlich multilaterale Anreizmechanismen dasPotenzial aufweisen, langanhaltende Anreize für Seeder zu schaffen, und somi