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Performance and Availability in Peer-to-Peer Content Distribution Systems: A Case for a Multilateral Incentive Approach

Kaune, Sebastian :
Performance and Availability in Peer-to-Peer Content Distribution Systems: A Case for a Multilateral Incentive Approach.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Performance and Availability in Peer-to-Peer Content Distribution Systems: A Case for a Multilateral Incentive Approach
Language: English
Abstract:

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 approaches 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 information 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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
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 BitTorrent-System, bezüglich der Downloadgeschwindigkeit und der Langzeitverfügbarkeit von Inhalten oftmals nicht mit ressourcenstarken Client/Server-Farmen wie RapidShare 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 beobachtenden 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, Quantifizierung und Ursachenanalyse bestehender Effizienzprobleme in P2P-Inhaltsverteilsystemen. 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 Effizienzprobleme auf falsch gesetzte Anreize zur Kooperation zurückzuführen sind. Genauer betrachtet schafft es der Tit-for-Tat-Mechanismus nicht, Nutzern Anreize zur Kooperation zu geben, wenn diese ihren Dateidownload beendet haben. Jedoch sind genau diese Datenquellen, die so genannten „Seeder“, ausschlaggebend für die Downloadgeschwindigkeit 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 grundlegende Lösungsanforderungen ermittelt werden. In diesem Zusammenhang werden sowohl drei „Torrent“-übergreifende Lösungsansätze als auch „Single-Torrent“-basierte Ansätze durch messdatengestützte Simulationen quantitativ untersucht. Hierbei bestätigt 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 das Potenzial aufweisen, langanhaltende Anreize für Seeder zu schaffen, und somit der Schlüssel zur Lösung der oben beschriebenen Effizienzprobleme sind. Mithilfe eines multilateralen Anreizmechanismus kann ein Nutzer beispielsweise Daten zu einem beliebigen Teilnehmer im System transferieren, um diese Kooperation dann von einem beliebigen Dritten (zu einem späteren Zeitpunkt) zurückzufordern. Anhand der ermittelten Anforderungen für eine konkrete Lösung beschäftigt sich der letzte Teil dieser Arbeit mit dem Entwurf und der Konzeptionierung eines neuartigen Anreizmechanismus namens „FairSwarm.KOM“. Im Gegensatz zu bestehenden Tit-for- Tat-Mechanismen, in denen die Nutzer keine Informationen über geschehene Kooperationen austauschen, und Anreizmechanismen, die jede Kooperation eines Teilnehmers im System öffentlich sichtbar machen (Virtual Currency), verwendet FairSwarm.KOM „Ein-Hop“-Nachbarschaften, um die Kooperationsbereitschaft einzelner Teilnehmer zu ermitteln. Es wird durch messdatengestützte Simulationen gezeigt, dass dieser Ansatz eine nahezu 100-prozentige Dateiverfügbarkeit in BitTorrent-Systemen garantiert und auch die Downloadgeschwindigkeit im Vergleich zu Tit-for-Tat-Mechanismen um mehr als 86 % verbessern kann. Zudem werden diese Eigenschaften erreicht, ohne dabei die Fairness Grundlagen des Systems zu verletzen und ohne einen signifikanten Kommunikationsoverhead im System zu erzeugen.German
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Multimedia Kommunikation
Date Deposited: 18 Mar 2011 11:37
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24924
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf and Eberspächer, Prof. Dr.- Jörg and Mauthe, Dr. Andreas
Refereed: 10 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2492
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