On the Stability of Distribution Topologies in Peer-to-Peer Live Streaming Systems

Peer-to-Peer Live-Streaming-Systeme sind ständigen Störungen ausgesetzt.Insbesondere ermöglichen unzuverlässige Teilnehmer Ausfälle und Angriffe, welche überraschend Peers aus dem System entfernen. Die Folgen solcher Vorfälle werden großteils von der Verteilungstopologie bestimmt, d.h. der Kommunikationsstruktur zwischen den Peers.In dieser Arbeit analysieren wir Optimierungsprobleme welche bei der Betrachtung von Stabilitätsbegriffen für solche Verteilungstopologien auftreten. Dabei werden sowohl Angriffe als auch unkoordinierte Ausfälle berücksichtigt.Zunächst untersuchen wir die Berechnungskomplexität und Approximierbarkeit des Problems resourcen-effiziente Angriffe zu bestimmen. Dies demonstriert Beschränkungen in den Planungsmöglichkeiten von Angreifern und zeigt inwieweit die Topologieparameter die Schwierigkeit solcher Angriffsrobleme beeinflussen. Anschließend studieren wir Topologieformationsprobleme. Dabei sind Topologieparameter vorgegeben und es muss eine passende Verteilungstopologie gefunden werden. Ziel ist es Topologien zu erzeugen, welche den durch Angriffe mit beliebigen Parametern erzeugbaren maximalen Schaden minimieren.Wir identifizieren notwendige und hinreichende Eigenschaften solcher Verteilungstopologien. Dies führt zu mathematisch fundierten Zielstellungen für das Topologie-Management von Peer-to-Peer Live-Streaming-Systemen.Wir zeigen zwei große Klassen effizient konstruierbarer Verteilungstopologien, welche den maximal möglichen, durch Angriffe verursachten Paketverlust minimieren. Zusätzlich beweisen wir, dass die Bestimmung dieser Eigenschaft für beliebige Topologien coNP-vollständig ist.Soll die maximale Anzahl von Peers minimiert werden, bei denen ein Angriff zu ungenügender Stream-Qualität führt, ändern sich die Anforderungen an Verteilungstopologien. Wir zeigen, dass dieses Topologieformationsproblem eng mit offenen Problemen aus Design- und Kodierungstheorie verwandt ist.Schließlich analysieren wir Verteilungstopologien die den durch unkoordinierte Ausfälle zu erwartetenden Paketverlust minimieren. Wir zeigen Eigenschaften und Existenzbedingungen. Außerdem bestimmen wir die Berechnungskomplexität des Auffindens solcher Topologien. Unsere Ergebnisse liefern Richtlinien für das Topologie-Management von Peer-to-Peer Live-Streaming-Systemen und zeigen auf, welche Stabilitätsziele effizient erreicht werden können.The stability of peer-to-peer live streaming systems is constantly challenged. Especially, the unreliability and vulnerability of their participants allows for failures and attacks suddenly disabling certain sets of peers. The consequences of such events are largely determined by the distribution topology, i.e., the pattern of communication between the peers.In this thesis, we analyze a broad range of optimization problems concerning the stability of distribution topologies. For this, we discuss notions of stability against both attacks and failures.At first, we investigate the computational complexity and approximability of finding resource-efficient attacks. This allows to point out limitations of an attacker's planning capabilities and demonstrates the influence of the chosen system parameters on the hardness of such attack problems.Then, we turn to study topology formation problems. Here, a set of topology parameters is given and the task consists in finding an eligible distribution topology. In particular, it has to minimize the maximum damage achievable by attacks with arbitrary attack parameters.We identify necessary and sufficient conditions on attack-stable distribution topologies. Thereby, we give mathematically sound guidelines for the topology management of peer-to-peer live streaming systems.We find large classes of efficiently-constructable topologies minimizing the system-wide packet loss under attacks. Additionally, we show that determining this feature for arbitrary topologies is coNP-complete.Considering topologies minimizing the maximum number of peers for which an attack leads to a heavy decrease in perceived streaming quality, the requirements change. Here, we show that the corresponding topology formation problem is closely related to long-standing open problems of Design and Coding Theory.Finally, we study topologies minimizing the expected packet loss due to uncoordinated peer failures. We investigate properties and existence conditions of such topologies. Furthermore, we determine the computational complexity of constructing them.Our results provide guidelines for the topology management of peer-to-peer live streaming systems and mathematically determine which goals can be achieved efficiently

Contributions to the Resilience of Peer-To-Peer Video Streaming against Denial-of-Service Attacks

Um die ständig wachsenden Anforderungen zur Übertragung von Live Video Streams im Internet zu erfüllen werden kosteneffektive und resourceneffiziente Lösungen benötigt. Eine adäquate Lösung bietet die Peer-to-Peer (P2P) Streaming Architektur an, welche bereits heute in unterschiedlichsten Systemen zum Einsatz kommt. Solche Systeme erfordern von der Streaming Quelle nur moderate Bandbreiten, da die Nutzer (bzw. Peers) ihre eigene Bandbreite zur Verbreitung des Streams einbringen. Dazu werden die Peers oberhalb der Internetarchitektur zu einem Overlay verbunden. Das geplante Verlassen, sowie der ungewollte Absturz von Peers (genannt Churn) kann das Overlay schädigen und den Empfang einiger Peers unterbrechen. Weitaus kritischer sind Angriffe auf die Verfügbarkeit des Systems indem relevante Knoten des Overlays von Angreifern attackiert werden, um die Verteilung des Streams gezielt zu stören. Um Overlays zu konstruieren, die robust gegenüber Churn sind, nutzen so genannte pull-basierte P2P Streaming Systeme eine Mesh Topologie um jeden Peer über mehrere Pfade mit der Quelle zu verbinden. Peers fordern regelmäßig Teile des Videos, sog. Chunks, von ihren Partnern im Overlay an. Selbst wenn einige Partner plötzlich nicht mehr im System verfügbar sind kann ein Peer alle Chunks von den verbleibenden Nachbarn beziehen. Um dies zu ermöglichen tauschen Peers regelmäßig sog. Buffer Maps aus. Diese kleinen Pakete enthalten Informationen über die Verfügbarkeit von Chunks im Puffer eines Peers. Um dadurch entstehende Latenzen und den zusätzlichen Mehraufwand zu reduzieren wurden hybride Systeme entwickelt. Ein solches System beginnt pull-basiert und formt mit der Zeit einen Baum aus einer kleinen Untermenge aller Peers um Chunks ohne explizite Anfrage weiterzuleiten. Unglücklicherweise sind sowohl pull-basierte, als auch hybride Systeme anfällig gegenüber Denial-of-Service Angriffen (DoS). Insbesondere fehlen Maßnahmen zur Abschwächung von DoS Angriffen auf die Partner der Quelle. Die genannten Angriffe werden weiterhin dadurch erleichtert, dass die Identität der Quelle-nahen Knoten akkurat aus den ausgetauschten Buffer Maps extrahiert werden kann. Hybride Systeme sind außerdem anfällig für Angriffe auf den zugrundeliegenden Baum. Aufgrund der schwerwiegenden Auswirkungen von DoS Angriffen auf pull-basierte, sowie hybride Systeme stellen wir drei Gegenmaßnahmen vor. Zuerst entwickeln wir das Striping Schema zur Abschwächung von DoS Angriffen auf die Partner der Quelle. Hierbei werden Peers dazu angeregt ihre Chunk-Anfragen an unterschiedliche Partner zu senden. Als zweites entwickeln wir das SWAP Schema, welches Peers dazu bringt proaktiv ihre Partner zu wechseln um Angreifer daran zu hindern die Quellenahe zu identifizieren. Als drittes entwickeln wir RBCS, einen widerstandsfähigen Baum zur Abschwächung von DoS Angriffen auf hybride Systeme. Da bisher kein Simulator für die faire Evaluation von P2P-basierten Live Video Streaming Algorithmen verfügbar war, entwickeln wir OSSim, ein generalisiertes Simulations-Framework für P2P-basiertes Video Streaming. Des weiteren entwickeln wir etliche Angreifermodelle sowie neuartige Resilienzmetriken on OSSim. Ausgiebige Simulationsstudien zeigen, dass die entwickelten Schemata signifikant die Widerstandsfähigkeit von pull-basierten und hybriden Systemen gegenüber Churn und DoS Angriffen erhöhen.The constantly growing demand to watch live videos over the Internet requires streaming systems to be cost-effective and resource-efficient. The Peer-to-Peer (P2P) streaming architecture has been a viable solution with various deployed systems to date. The system only requires a modest amount of bandwidth from the streaming source, since users (or peers) contribute their bandwidth to disseminate video streams. To enable this, the system interconnects peers into an overlay. However, churn–meaning the leaving and failing of peers–can break the overlay, making peers unable to receive the stream. More severely, an adversary aiming to sabotage the system can attack relevant nodes on the overlay, disrupting the stream delivery. To construct an overlay robust to churn, pull-based P2P streaming systems use a mesh topology to provide each peer with multiple paths to the source. Peers regularly request video chunks from their partners in the overlay. Therefore, even if some partners are suddenly absent, due to churn, a peer still can request chunks from its remaining partners. To enable this, peers periodically exchange buffer maps, small packets containing the availability information of peers’ video buffers. To reduce latency and overhead caused by the periodic buffer map exchange and chunk requests, hybrid systems have been proposed. A hybrid system bootstraps from a pull-based one and gradually forms a tree backbone consisting of a small subset of peers to deliver chunks without requests. Unfortunately, both pull-based and hybrid systems lack measures to mitigate Denial-of-Service (DoS) attacks on head nodes (or the source’s partners). More critically, they can be identified accurately by inferring exchanged buffer maps. Furthermore, hybrid systems are vulnerable to DoS attacks on their backbones. Since DoS attacks can badly affect both pull-based and hybrid systems, we introduce three countermeasures. First, we develop the striping scheme to mitigate DoS attacks targeting head nodes. The scheme enforces peers to diversify their chunk requests. Second, to prevent attackers from identifying head nodes, we develop the SWAP scheme, which enforces peers to proactively change their partners. Third, we develop RBCS, a resilient backbone, to mitigate DoS attacks on hybrid systems. Since a simulator for a fair evaluation is unavailable so far, we develop OSSim, a general-purpose simulation framework for P2P video streaming. Furthermore, we develop several attacker models and novel resilience metrics in OSSim. Extensive simulation studies show that the developed schemes significantly improve the resilient of pull-based and hybrid systems to both churn and DoS attacks

Analyzing and Enhancing Routing Protocols for Friend-to-Friend Overlays

The threat of surveillance by governmental and industrial parties is more eminent than ever. As communication moves into the digital domain, the advances in automatic assessment and interpretation of enormous amounts of data enable tracking of millions of people, recording and monitoring their private life with an unprecedented accurateness. The knowledge of such an all-encompassing loss of privacy affects the behavior of individuals, inducing various degrees of (self-)censorship and anxiety. Furthermore, the monopoly of a few large-scale organizations on digital communication enables global censorship and manipulation of public opinion. Thus, the current situation undermines the freedom of speech to a detrimental degree and threatens the foundations of modern society. Anonymous and censorship-resistant communication systems are hence of utmost importance to circumvent constant surveillance. However, existing systems are highly vulnerable to infiltration and sabotage. In particular, Sybil attacks, i.e., powerful parties inserting a large number of fake identities into the system, enable malicious parties to observe and possibly manipulate a large fraction of the communication within the system. Friend-to-friend (F2F) overlays, which restrict direct communication to parties sharing a real-world trust relationship, are a promising countermeasure to Sybil attacks, since the requirement of establishing real-world trust increases the cost of infiltration drastically. Yet, existing F2F overlays suffer from a low performance, are vulnerable to denial-of-service attacks, or fail to provide anonymity. Our first contribution in this thesis is concerned with an in-depth analysis of the concepts underlying the design of state-of-the-art F2F overlays. In the course of this analysis, we first extend the existing evaluation methods considerably, hence providing tools for both our and future research in the area of F2F overlays and distributed systems in general. Based on the novel methodology, we prove that existing approaches are inherently unable to offer acceptable delays without either requiring exhaustive maintenance costs or enabling denial-of-service attacks and de-anonymization. Consequentially, our second contribution lies in the design and evaluation of a novel concept for F2F overlays based on insights of the prior in-depth analysis. Our previous analysis has revealed that greedy embeddings allow highly efficient communication in arbitrary connectivity-restricted overlays by addressing participants through coordinates and adapting these coordinates to the overlay structure. However, greedy embeddings in their original form reveal the identity of the communicating parties and fail to provide the necessary resilience in the presence of dynamic and possibly malicious users. Therefore, we present a privacy-preserving communication protocol for greedy embeddings based on anonymous return addresses rather than identifying node coordinates. Furthermore, we enhance the communication’s robustness and attack-resistance by using multiple parallel embeddings and alternative algorithms for message delivery. We show that our approach achieves a low communication complexity. By replacing the coordinates with anonymous addresses, we furthermore provably achieve anonymity in the form of plausible deniability against an internal local adversary. Complementary, our simulation study on real-world data indicates that our approach is highly efficient and effectively mitigates the impact of failures as well as powerful denial-of-service attacks. Our fundamental results open new possibilities for anonymous and censorship-resistant applications.Die Bedrohung der Überwachung durch staatliche oder kommerzielle Stellen ist ein drängendes Problem der modernen Gesellschaft. Heutzutage findet Kommunikation vermehrt über digitale Kanäle statt. Die so verfügbaren Daten über das Kommunikationsverhalten eines Großteils der Bevölkerung in Kombination mit den Möglichkeiten im Bereich der automatisierten Verarbeitung solcher Daten erlauben das großflächige Tracking von Millionen an Personen, deren Privatleben mit noch nie da gewesener Genauigkeit aufgezeichnet und beobachtet werden kann. Das Wissen über diese allumfassende Überwachung verändert das individuelle Verhalten und führt so zu (Selbst-)zensur sowie Ängsten. Des weiteren ermöglicht die Monopolstellung einiger weniger Internetkonzernen globale Zensur und Manipulation der öffentlichen Meinung. Deshalb stellt die momentane Situation eine drastische Einschränkung der Meinungsfreiheit dar und bedroht die Grundfesten der modernen Gesellschaft. Systeme zur anonymen und zensurresistenten Kommunikation sind daher von ungemeiner Wichtigkeit. Jedoch sind die momentanen System anfällig gegen Sabotage. Insbesondere ermöglichen es Sybil-Angriffe, bei denen ein Angreifer eine große Anzahl an gefälschten Teilnehmern in ein System einschleust und so einen großen Teil der Kommunikation kontrolliert, Kommunikation innerhalb eines solchen Systems zu beobachten und zu manipulieren. F2F Overlays dagegen erlauben nur direkte Kommunikation zwischen Teilnehmern, die eine Vertrauensbeziehung in der realen Welt teilen. Dadurch erschweren F2F Overlays das Eindringen von Angreifern in das System entscheidend und verringern so den Einfluss von Sybil-Angriffen. Allerdings leiden die existierenden F2F Overlays an geringer Leistungsfähigkeit, Anfälligkeit gegen Denial-of-Service Angriffe oder fehlender Anonymität. Der erste Beitrag dieser Arbeit liegt daher in der fokussierten Analyse der Konzepte, die in den momentanen F2F Overlays zum Einsatz kommen. Im Zuge dieser Arbeit erweitern wir zunächst die existierenden Evaluationsmethoden entscheidend und erarbeiten so Methoden, die Grundlagen für unsere sowie zukünftige Forschung in diesem Bereich bilden. Basierend auf diesen neuen Evaluationsmethoden zeigen wir, dass die existierenden Ansätze grundlegend nicht fähig sind, akzeptable Antwortzeiten bereitzustellen ohne im Zuge dessen enorme Instandhaltungskosten oder Anfälligkeiten gegen Angriffe in Kauf zu nehmen. Folglich besteht unser zweiter Beitrag in der Entwicklung und Evaluierung eines neuen Konzeptes für F2F Overlays, basierenden auf den Erkenntnissen der vorangehenden Analyse. Insbesondere ergab sich in der vorangehenden Evaluation, dass Greedy Embeddings hoch-effiziente Kommunikation erlauben indem sie Teilnehmer durch Koordinaten adressieren und diese an die Struktur des Overlays anpassen. Jedoch sind Greedy Embeddings in ihrer ursprünglichen Form nicht auf anonyme Kommunikation mit einer dynamischen Teilnehmermengen und potentiellen Angreifern ausgelegt. Daher präsentieren wir ein Privätssphäre-schützenden Kommunikationsprotokoll für F2F Overlays, in dem die identifizierenden Koordinaten durch anonyme Adressen ersetzt werden. Des weiteren erhöhen wir die Resistenz der Kommunikation durch den Einsatz mehrerer Embeddings und alternativer Algorithmen zum Finden von Routen. Wir beweisen, dass unser Ansatz eine geringe Kommunikationskomplexität im Bezug auf die eigentliche Kommunikation sowie die Instandhaltung des Embeddings aufweist. Ferner zeigt unsere Simulationstudie, dass der Ansatz effiziente Kommunikation mit kurzen Antwortszeiten und geringer Instandhaltungskosten erreicht sowie den Einfluss von Ausfälle und Angriffe erfolgreich abschwächt. Unsere grundlegenden Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten in der Entwicklung anonymer und zensurresistenter Anwendungen

Static Web content distribution and request routing in a P2P overlay

The significance of collaboration over the Internet has become a corner-stone of modern computing, as the essence of information processing and content management has shifted to networked and Webbased systems. As a result, the effective and reliable access to networked resources has become a critical commodity in any modern infrastructure. In order to cope with the limitations introduced by the traditional client-server networking model, most of the popular Web-based services have employed separate Content Delivery Networks (CDN) to distribute the server-side resource consumption. Since the Web applications are often latency-critical, the CDNs are additionally being adopted for optimizing the content delivery latencies perceived by the Web clients. Because of the prevalent connection model, the Web content delivery has grown to a notable industry. The rapid growth in the amount of mobile devices further contributes to the amount of resources required from the originating server, as the content is also accessible on the go. While the Web has become one of the most utilized sources of information and digital content, the openness of the Internet is simultaneously being reduced by organizations and governments preventing access to any undesired resources. The access to information may be regulated or altered to suit any political interests or organizational benefits, thus conflicting with the initial design principle of an unrestricted and independent information network. This thesis contributes to the development of more efficient and open Internet by combining a feasibility study and a preliminary design of a peer-to-peer based Web content distribution and request routing mechanism. The suggested design addresses both the challenges related to effectiveness of current client-server networking model and the openness of information distributed over the Internet. Based on the properties of existing peer-to-peer implementations, the suggested overlay design is intended to provide low-latency access to any Web content without sacrificing the end-user privacy. The overlay is additionally designed to increase the cost of censorship by forcing a successful blockade to isolate the censored network from the rest of the Internet

Distribution efficace des contenus dans les réseaux : partage de ressources sans fil, planification et sécurité

In recent years, the amount of traffic requests that Internet users generate on a daily basis has increased exponentially, mostly due to the worldwide success of video streaming services, such as Netflix and YouTube. While Content-Delivery Networks (CDNs) are the de-facto standard used nowadays to serve the ever increasing users’ demands, the scientific community has formulated proposals known under the name of Content-Centric Networks (CCN) to change the network protocol stack in order to turn the network into a content distribution infrastructure. In this context this Ph.D. thesis studies efficient techniques to foster content distribution taking into account three complementary problems:1) We consider the scenario of a wireless heterogeneous network, and we formulate a novel mechanism to motivate wireless access point owners to lease their unexploited bandwidth and cache storage, in exchange for an economic incentive.2) We study the centralized network planning problem and (I) we analyze the migration to CCN; (II) we compare the performance bounds for a CDN with those of a CCN, and (III) we take into account a virtualized CDN and study the stochastic planning problem for one such architecture.3) We investigate the security properties on access control and trackability and formulate ConfTrack-CCN: a CCN extension to enforce confidentiality, trackability and access policy evolution in the presence of distributed caches.Au cours de ces dernières années, la quantité de trafic que les utilisateurs Internet produisent sur une base quotidienne a augmenté de façon exponentielle, principalement en raison du succès des services de streaming vidéo, tels que Netflix et YouTube. Alors que les réseaux de diffusion de contenu (Content-Delivery Networks, CDN) sont la technique standard utilisée actuellement pour servir les demandes des utilisateurs, la communauté scientifique a formulé des propositions connues sous le nom de Content-Centric Networks (CCN) pour changer la pile de protocoles réseau afin de transformer Internet en une infrastructure de distribution de contenu. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat étudie des techniques efficaces pour la distribution de contenu numérique en tenant compte de trois problèmes complémentaires : 1) Nous considérons le scénario d’un réseau hétérogène sans fil, et nous formulons un mécanisme pour motiver les propriétaires des points d’accès à partager leur capacité WiFi et stockage cache inutilisés, en échange d’une contribution économique.2) Nous étudions le problème centralisé de planification du réseau en présence de caches distribuées et (I) nous analysons la migration optimale du réseau à CCN; (II) nous comparons les bornes de performance d’un réseau CDN avec ceux d’un CCN, et (III) nous considérons un réseau CDN virtualisé et étudions le problème stochastique de planification d’une telle infrastructure.3) Nous considérons les implications de sécurité sur le contrôle d’accès et la traçabilité, et nous formulons ConfTrack-CCN, une extension deCCN utilisée pour garantir la confidentialité, traçabilité et l’évolution de la politique d’accès, en présence de caches distribuées

Security techniques for sensor systems and the Internet of Things

Sensor systems are becoming pervasive in many domains, and are recently being generalized by the Internet of Things (IoT). This wide deployment, however, presents significant security issues. We develop security techniques for sensor systems and IoT, addressing all security management phases. Prior to deployment, the nodes need to be hardened. We develop nesCheck, a novel approach that combines static analysis and dynamic checking to efficiently enforce memory safety on TinyOS applications. As security guarantees come at a cost, determining which resources to protect becomes important. Our solution, OptAll, leverages game-theoretic techniques to determine the optimal allocation of security resources in IoT networks, taking into account fixed and variable costs, criticality of different portions of the network, and risk metrics related to a specified security goal. Monitoring IoT devices and sensors during operation is necessary to detect incidents. We design Kalis, a knowledge-driven intrusion detection technique for IoT that does not target a single protocol or application, and adapts the detection strategy to the network features. As the scale of IoT makes the devices good targets for botnets, we design Heimdall, a whitelist-based anomaly detection technique for detecting and protecting against IoT-based denial of service attacks. Once our monitoring tools detect an attack, determining its actual cause is crucial to an effective reaction. We design a fine-grained analysis tool for sensor networks that leverages resident packet parameters to determine whether a packet loss attack is node- or link-related and, in the second case, locate the attack source. Moreover, we design a statistical model for determining optimal system thresholds by exploiting packet parameters variances. With our techniques\u27 diagnosis information, we develop Kinesis, a security incident response system for sensor networks designed to recover from attacks without significant interruption, dynamically selecting response actions while being lightweight in communication and energy overhead

TOWARDS PRIVACY-PRESERVING AND ROBUST WEB OVERLAYS

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH