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Trusted Accounting in Peer-to-Peer Environments - A Novel Token-based Accounting Scheme for Autonomous Distributed Systems

Liebau, Nicolas Christopher :
Trusted Accounting in Peer-to-Peer Environments - A Novel Token-based Accounting Scheme for Autonomous Distributed Systems.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2008)

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Trusted Accounting in Peer-to-Peer Environments - A Novel Token-based Accounting Scheme for Autonomous Distributed Systems (Appendix) - PDF (PDF 1.6)
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Trusted Accounting in Peer-to-Peer Environments - A Novel Token-based Accounting Scheme for Autonomous Distributed Systems (Main part) - PDF (PDF 1.6)
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Trusted Accounting in Peer-to-Peer Environments - A Novel Token-based Accounting Scheme for Autonomous Distributed Systems
Language: English
Abstract:

Communication systems based on the peer-to-peer (p2p) paradigm present what is likely the most important development in Internet technology in recent years. In spite of the position of p2p systems as the largest source of traffic on the Internet, their commercial success is still limited. The basic tenets of p2p systems are cooperation among peers and completely decentralised communication. However, these can result in nontransparent actions, as well as opportunistic behaviour of the individual peers. Thus, the implementation of commercial p2p applications requires basic mechanisms to record transactions in the systems, i.e. the resource and service consumption, which will be used for charging, incentives, and control. These basic functionalities can be achieved by an accounting system that ideally should be fully distributed in keeping with the p2p spirit of such a system. Furthermore, it needs to be trustworthy so that the system cannot be misused by individual peers or groups of peers for gaining an undue advantage. Therefore, linking distributed accounting with distributed trustworthiness and distributed collaboration control presents a crucial challenge for the advancement of p2p systems. This dissertation researches this challenge by demonstrating the feasibility of fully distributed, trusted accounting in p2p systems with intrinsic automatic cooperation control by presenting and evaluating the token-based accounting scheme. The token-based accounting scheme's framework introduces tokens as a combination of permission objects and receipts. Permission objects grant to peers the right to consume services and resources. When a peer consumes them, it “spends” tokens, and tokens becomes receipts which contain accounting information about the transaction. This process implements effective accounting with intrinsic cooperation control. The token-based accounting scheme's system architecture is composed of four building blocks: Token structure, transaction protocols, token aggregation, and detection of double spending. The token structure ensures the authentication and integrity of accounting information, as well as the non-repudiation of transactions. The trustworthy transaction protocol introduces a novel transaction procedure that removes the benefits of defrauding the transaction partner but does not require the use of a third trusted party. Token aggregation swaps foreign tokens for new own tokens using a truly decentralised trustworthy process. With this process, a quorum of peers establishes a novel distributed basis of trust for p2p systems. This is achieved by applying threshold cryptography in combination with proactive secret sharing and with novel mechanisms that ensure the random selection of the quorum peers. The quorum size affects the scheme's trustworthiness and is determined using a stochastic model. Efficient detection of double spending is enabled by introducing aggregation accounts that store issuing and usage information about tokens. Aggregation accounts are located at third party peers, called account holder sets. Maintenance operations performed on the account holder sets prevent loss of data and ensure consistency of aggregation accounts. Aggregation accounts are protected against attacks and fraud attempts by concealing their location using a novel overlay routing mechanism. By using simulations for several churn scenarios, the required account holder set size is determined. These simulations prove the token-based accounting scheme's efficiency and the robustness of the storage mechanisms. The token-based accounting scheme was simulated in detail by varying the relevant parameters, i.e., quorum size, account holder set size, churn, and system size. The simulation results demonstrate the viability and efficiency of the novel token-based accounting scheme. Its applicability is shown in two application scenarios.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Kommunikationssysteme basierend auf dem Peer-to-Peer-Paradigma stellen die wohl bedeutsamste Weiterentwicklung der Internettechnologie in den vergangenen Jahren dar. Obgleich sie heute für den Großteil des Datenaufkommens im Internet verantwortlich sind, ist ihre kommerzielle Nutzung noch gering. P2P-Systeme basieren auf der Grundidee der Kooperation der teilnehmenden Peers und der vollständig dezentralen Kommunikation. Allerdings bleiben dadurch Handlungen und Verhalten der einzelnen Peers intransparent. Zur Realisierung verlässlicher, kommerziell nutzbarer P2P-Applikationen werden daher grundlegende Mechanismen benötigt, welche die Transaktionen im System, d.h. Ressourcen- und Dienstnutzung, erfassen, und somit als Basis für Abrechungs-, Anreiz- und Kontrollverfahren dienen. Diese Grundfunktionalitäten können durch ein so genanntes Accounting-System ermöglicht werden, das aber vollkommen verteilt funktionieren muss, um die Vorzüge des P2P-Ansatzes aufrechtzuerhalten. Weiterhin muss ein solches System vertrauenswürdig sein, d.h. einzelne Peers oder Peer-Gruppen dürfen es nicht manipulieren können, um unerlaubte Vorteile zu erhalten. Daher ist die Kombination eines verteilten Accountings mit verteilten Mechanismen zum Erhalt der Vertrauenswürdigkeit und verteilter Kooperationskontrolle eine entscheidende Herausforderung für die Weiterentwicklung von P2P-Systemen. Die vorliegende Dissertation erforscht diese Herausforderung, indem die technische Möglichkeit eines vollkommen verteilten, vertrauenswürdigem Accounting in P2P-Systemen mit inhärenter Kooperationskontrolle bewiesen wird, indem das neuartige Token-basierte Accounting-System vorgestellt und evaluiert wird. Das Rahmenwerk des Token-basierten Accounting-System benutzt sogenannte Tokens als eine Kombination aus Erlaubnis und Quittung. Ein Token verleiht dem Peer das Recht, ausgewiesene Dienste und Ressourcen zu beanspruchen. Beansprucht er diese, gibt er den Token aus und der Token wird zur Quittung, der Accounting-Informationen über die Transaktion enthält. Damit wird ein effektives Accounting mit inhärenter Kooperationskontrolle umgesetzt. Die Architektur des Token-basierten Accounting-Systems besteht aus vier Bausteinen: Token-Struktur, Transaktionsprotokolle, Token-Aggregation und das Feststellen von mehrfachem Ausgeben. Die Token-Struktur stellt die Authentifizierung und Integrität der Accounting-Informationen sicher sowie die Nachweisbarkeit von Transaktionen. Das vertrauenswürdige Transaktionsprotokoll benutzt einen neu entwickelten Transaktionsprozess, der den Gewinn aus betrügerischem Verhalten innerhalb einer Transaktion eliminiert, ohne dabei auf eine dritte Partei zurückzugreifen. Im Token-Aggregation-Prozess werden fremde gegen neue Tokens in einem vollkommen verteilten, vertrauenswürdigen Prozess eingetauscht. Dabei bildet ein Quorum aus Peers eine neuartige, verteilte Vertrauensbasis für P2P-Systeme. Dies wird möglich, indem Schwellenwertkryptographie in Kombination mit proaktiven Secret Sharing-Techniken und neu erforschten Mechanismen angewendet wird, die die zufällig Auswahl des Quorums garantieren. Die effiziente Anwendung von proaktiven Secret Sharing-Techniken in P2P-Systemen wird mittels Simulationen belegt. Die Quorumgröße beeinflusst die Vertrauenswürdigkeit des Accounting-Systems; sie wird mit Hilfe eines stochastischen Modells bestimmt. Die Einführung von Aggregationskonten ermöglicht die effiziente Feststellung des mehrfachen Ausgebens von Tokens. Aggregationskonten speichern Informationen über Ausstellung und Nutzung von Tokens und befinden sich auf dritten Peers, der sogenannten Kontohaltergruppe. Protokolle zur Instandhaltung der Kontohaltergruppen vermeiden Datenverlust und stellen die Konsistenz der Aggregationskonten sicher. Die Aggregationskonten sind gegen Angriffe und Betrugsversuche durch ein neues Overlay-Routing-Verfahren gesichert, der ihre genaue Lage im P2P-System verbirgt. Die benötigte Größe der Kontohaltergruppe wird mittels Simulationen mit verschiedenen Szenarien für das Hinzukommen und Wegfallen von Peers bestimmt. Die Simulation des Token-basierten Accounting-Systems beweißt die Effizienz und Robustheit des Speichermechanismus. Das Token-basierte Accounting-System wurde im Detail simuliert, wobei die relevanten Parameter (Quorumgröße, Kontohaltergruppengröße, Dynamik des Hinzukommens und Wegfallens von Peers, Systemgröße) variiert wurden. Die Simulationen belegen die Gültigkeit und Effizienz des neuartigen Token-basierten Accounting-Systems für P2P-Systeme. Seine Anwendbarkeit wird in zwei Szenarien gezeigt.German
Uncontrolled Keywords: Peer-to-Peer, p2p, decentralised accounting, decentralised trustworthiness, decentralised cooperation control
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Peer-to-Peer, p2p, decentralised accounting, decentralised trustworthiness, decentralised cooperation controlEnglish
Peer-to-Peer, P2P, dezentrales Accounting, dezentrale Vertrauenswürdigkeit, dezentrale KooperationskontrolleGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Multimedia Kommunikation
Date Deposited: 27 Nov 2008 09:27
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-11930
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf
Refereed: 21 November 2008
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1193
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