NAT Traversal und verlässliche Datenverteilung in geschichteten Peer-to-Peer Systemen

Peer-to-Peer basierte Systeme haben in den letzten Jahren insbesondere im Bereich des Dateiaustasuches zunehmend an Verbreitung gewonnen. Peer-to-Peer Systeme sind dezentrale Netzwerke, in denen jeder Teilnehmer bzw. jeder Peer gleichberechtigt ist. Jeder Peer kann Dienste in Anspruch nehmen und stellt gelichzeitig anderen Teilnehmern Dienste zur Verfügung. Im Rahmen des Peers@play Projektes wird untersucht, ob auch komplexere Anwendungen, wie beispielsweise virtuelle Welten, auf Basis von Peer-to-Peer Systemen entwickelt werden können. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze vorgestellt, die für die Entwicklung einer Peer-to-Peer-basierten virtuellen Welt verwendet werden können. Die vorliegende Arbeit betrachtet hierbei drei Aspekte aus unterschiedlichen Forschungsgebieten. Der erste Aspekt, der im Rahmen dieser Arbeit betrachtet wird, betrifft die Kommunikation zwischen Peers. Diese Kommunikation wird durch die Verbreitung von Network Address Translation (NAT) Routern erschwert. NAT Router reduzieren die Konnektivität der Rechner, die sich hinter den NAT Routern befinden. Die Herausforderung besteht darin, den Nachrichtenaustausch zwischen Peers, die sich hinter NAT Routern befinden, zu gewährleisten. Verfahren, die dies ermöglichen, werden als NAT Traversal Verfahren bezeichnet. In dieser Arbeit wird ein neues NAT Traversal Verfahren für das Transportprotokoll TCP vorgestellt. Da die Erfolgswahrscheinlichkeit eines NAT Traversal Verfahrens stark von den verwendeten NAT Routern abhängig ist, wird in dieser Arbeit zusätzlich ein Protokoll vorgestellt, das es ermöglicht das NAT Traversal Verfahren auszuwählen, das in einer bestimmten Situation die höchste Erfolgswahrscheinlichkeit bietet. Eine weitere Herausforderung betrifft die Umsetzung und konkrete Entwicklung einer Peer-to-Peer-basierten Anwendung. Hier existiert oft eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze für unterschiedliche Problemstellungen. Dabei ist es nicht immer im Vorfeld ersichtlich, welche Kombination von diesen Ansätzen die Beste in Bezug auf Performanz oder Stabilität ist. Um dies zu evaluieren, werden häufig Ansätze zuerst für existierende Simulationsumgebungen implementiert und anschließend für die eigentliche Anwendung. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird eine geschichtete Softwarearchitektur vorgestellt, die eine Peer-to-Peer-basierte Anwendung in Schichten und Komponenten unterteilt. Hierdurch können verschiedene Ansätze einfach ausgetauscht werden. Zusätzlich ermöglicht es die Architektur denselben Quelltext für die eigentliche Anwendung als auch für Simulationen zu verwenden. Der dritte Aspekt dieser Arbeit betrifft die Datenspeicherung. In einem Server-basierten System wird der Zustand einer virtuellen Welt auf einem zentralen Server gespeichert. In einem Peer-to-Peer System hingegen muss der Zustand der virtuellen Welt auf den Peers des Peer-to-Peer Netzwerks gespeichert werden. Hierbei müssen eine Reihe von Anforderungen bezüglich der Verlässlichkeit und Sicherheit der gespeicherten Daten erfüllt werden. Zusätzlich müssen Daten effizient abgefragt werden können. Daher werden im letzten Teil dieser Arbeit ein Peer-to-Peer Netzwerk sowie ein Replikationsverfahren vorgestellt, die die Grundlage für einen sicheren und verlässlichen Peer-to-Peer-basierten Datenspeicher bilden

Content-Addressable Network for Distributed Simulations

The development of distributed systems, parallel computation technology, and Peer-to-Peer systems facilitates the realization of a distributed interactive world model. Thereby, we can implement a worldwide distributed simulation and virtual community, e.g., city traffic simulation and Massively Multiuser Virtual Environments (MMVE). In this thesis, we present Content-Addressable Network for Simulations (CANS), which is based on CAN. Thus, it incorporates all the advantages of CAN, such as self-organization, scalability, and fault-tolerance. The peers in CANS carry out the simulation for the zone assigned to them, and the zones are allocated in such a way that there is as little communication between the peers as possible. We propose two approaches for reorganizing zone-assignments after peers churn. These approaches are based on the distributed tree structure and prefix code. In comparison to existing approaches, our proposed approaches are more efficient and reliable. Since CANS is used to simulate “city traffic” and MMVE, it requires a low-dimensional key space, i.e., a two-dimensional or three-dimensional key space. Thus, we propose CAN tree routing and zone code routing, both of which adopt long links. CAN tree routing has a hierarchical design that is based on the CAN tree. Each peer equips two long links on average. Zone code routing is based on B*-tree. Each peer equips long links and shares the load evenly. Both of these routing solutions achieve routing hops on average. Consequently, the existing CAN can be optimized to perform simulations efficiently and reliably

Cheating Prevention in Peer-to-Peer-based Massively Multiuser Virtual Environments

Massively multiuser virtual environments (MMVEs) have become an increasingly popular Internet application in recent years. Until now, they are all based on client/server technology. Due to its inherent lack of scalability, realizing MMVEs based on peer-to-peer technology has received a lot of interest. From the perspective of the operator, using peer-to-peer technology raises additional challenges: the lack of trust in peers and their unreliability. The simulation of the virtual environment is governed by certain rules specified by the operator. These rules state what actions can be taken by users in the virtual environment and how the state of the environment changes based on these actions. Since MMVEs are very often competitive environments, some people will cheat and try to break the rules to get an unfair advantage over others. Using a central server performing the simulation of the virtual environment, the operator can ensure only allowed actions can be performed and the state of the environment evolves according to the rules. In a peer-to-peer setting, the operator has no control over the peers so they might not behave as implemented by the operator. Furthermore, a central server is inherently more reliable than a peer which could fail at any time so data might be lost. This thesis presents the design of a storage performing a distributed simulation of a virtual environment. It uses a deterministic event-based simulation to calculate the state of the virtual environment only based on the actions of its users. There are multiple replicated simulations using a voting mechanism to overcome the influence of malicious peers trying to tamper with the state of the environment as long as the number of malicious peers does not reach a critical threshold. Replication of data also ensures data is not lost when peers fail. The storage is based on a peer-to-peer overlay allowing peers to exchange messages to store and retrieve data. It creates a Delaunay graph structure matching the way the data in the virtual environment is distributed among the peers. A self-stabilizing algorithm keeps the structure intact as peers join and leave the network. Additional routing tables allow peers to retrieve stored replicas independently on short, disjoint paths reducing the influence of malicious peers on the retrieval of data. A redundant filling algorithm prevents malicious peers from tampering with these routing tables to get more messages routed their way

Efficient Peer-to-Peer Content Sharing for Learning in Virtual Worlds

Virtual world technologies provide new and immersive space for learning, training, and education. They are enabled by the content creation and content sharing function for allowing users to create and interoperate various learning objects. Unfortunately, virtual world content sharing based on persistent virtual world content storage, to the best of our knowledge, does not exist. In this paper, we address this problem by proposing a content sharing scheme based on Virtual Net, a virtual world persistency framework. For efficient content retrieval, three strategies have been proposed to reduce communication overhead and content load delay. By integrating these strategies, a virtual world content search and retrieval algorithm has been devised. The experiment results verify the effectiveness of the algorithm