Ανάπτυξη τεχνικών διαχείρισης ασφαλούς μετάδοσης πολυμέσων σε δίκτυα ομότιμων κόμβων

Abstract

In the present PhD thesis, there are original studies, analysis, mechanisms and implementations regarding the aforementioned issues, which improve the performance of the peer-to-peer systems and at the same time they enlighten the laws and principles that rule their behavior. Initially, it is studied the resource management of peers in tree-based networks for real-time video streaming. They are proposed, analyzed and implemented by the author two novel algorithms which, contrary to the current practice, they take into account the different number of descendants that each peer has in different trees. These algorithms achieve significant improvement in packet delivery ratio and they exploit the upstream bandwidth of the peers more efficiently. Moreover, it has been developed and implemented by the author a failover mechanism for recovering video transmission after disconnections. Secondly, it is formulated and solved for the first time the problem of the allocation of video quality layers of scalable video to the participating peers of a wireless adhoc network. They are analyzed and implemented two approaches that increase the average number of video layers received by the peers -and as a result the video quality- while at the same time they ensure fairness in the allocation of netwrok resources. The effectiveness of the proposed techniques is enforced by simulations with real video sequences. Thirdly, it is proposed and implemented a novel mechanism which allocates to a peer alternative routes for video transmission in a way that maximizes the number of the transmitted video layers. At the same time, it also enables the receiving peer to exploit the available resources in order to increase its downstream bandwidth. Fourth, it is proposed a new obstacle-based mobility model which contrary to existing models, does not produce deterministic paths, producing more realistic movement patterns. Based on this model, it is proposed a new methodology for the analysis and they are produced analytical expressions for the node distribution. Furthermore, it is presented an evolved version of the aforementioned model which includes group mobility and it is suitable for use in simulations of wireless emergency networks. Both models have been implemented as modules in a popular network simulator. Finally, as a case study of the application of these models, their impact on voice communication among peers has been simulated and analyzed. Finally, it is proposed, implemented and analyzed a novel trust establishment protocol which is suitable for wireless peer-to-peer networks. Based on the principles of this protocol, two new protocols have been developed and implemented for the secure session initiation among peers in wireless networks.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, περιλαμβάνονται πρωτότυπες μελέτες, αναλύσεις, μηχανισμοί και υλοποιήσεις οι οποίες αφενός βελτιώνουν την επίδοση των συστημάτων ομότιμων κόμβων και αφετέρου διαφωτίζουν τους νόμους και τις αρχές που διέπουν τη συμπεριφορά τους. Πρώτον, μελετάται η διαχείριση των πόρων των ομότιμων κόμβων σε δενδροειδή δίκτυα για τη μετάδοση βίντεο πραγματικού χρόνου. Προτείνονται, αναλύονται και υλοποιούνται δύο καινοτόμοι αλγόριθμοι οι οποίοι, εν αντιθέσει με την τρέχουσα πρακτική, λαμβάνουν υπόψη τον διαφορετικό αριθμό απογόνων που έχει ένας κόμβος σε διαφορετικά δένδρα. Οι αλγόριθμοι αυτοί επιτυγχάνουν σημαντική αύξηση του λόγου παράδοσης πακέτων και εκμεταλλεύονται το εύρος ζώνης ανερχόμενης ροής των κόμβων πιο αποδοτικά. Επιπλέον, έχει αναπτυχθεί και υλοποιηθεί ένας εφεδρικός μηχανισμός για την ανάκαμψη της μετάδοσης του βίντεο ύστερα από αποσυνδέσεις. Δεύτερον, διατυπώνεται και επιλύεται για πρώτη φορά το πρόβλημα της εκχώρησης στρωμάτων ποιότητας κλιμακοθετήσιμου βίντεο στους συμμετέχοντες ομότιμους κόμβους ενός ασύρματου αδόμητου δικτύου. Αναλύονται και υλοποιούνται δύο προσεγγίσεις οι οποίες επιφέρουν αύξηση στον αριθμό των στρωμάτων που λαμβάνουν οι κόμβοι κατά μέσο όρο -και κατ' επέκταση στην ποιότητα του βίντεο- ενώ παράλληλα διασφαλίζουν δικαιοσύνη στην εκχώρηση των πόρων του δικτύου. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων τεχνικών ενισχύεται από προσομοιώσεις με πραγματικές αλληλουχίες βίντεο. Τρίτον, προτείνεται και υλοποιείται ένας καινοτόμος μηχανισμός ο οποίος εκχωρεί σε έναν κόμβο εναλλακτικές διαδρομές για τη μετάδοση του βίντεο με τρόπο που μεγιστοποιεί τον αριθμό των μεταδιδόμενων στρωμάτων. Παράλληλα, δίνει τη δυνατότητα και στον παραλήπτη του βίντεο να εκμεταλλευτεί διαθέσιμους κόμβους ώστε να αυξήσει το εύρος ζώνης κατερχόμενης ροής. Τέταρτον, παρουσιάζεται ένα νέο μοντέλο κινητικότητας παρουσία εμποδίων το οποίο, εν αντιθέσει με υπάρχοντα μοντέλα, δεν παράγει ντετερμινιστικές διαδρομές, παράγοντας έτσι πιο ρεαλιστικούς τρόπους κίνησης. Με βάση το μοντέλο αυτό, προτείνεται μία νέα μεθοδολογία ανάλυσης και παράγονται αναλυτικές εκφράσεις για την κατανομή των κόμβων στο χώρο. Επίσης, παρουσιάζεται μια εξελιγμένη έκδοση του παραπάνω μοντέλου που περιλαμβάνει κίνηση κατά ομάδες και είναι κατάλληλη για χρήση σε προσομοιώσεις ασύρματων δικτύων έκτακτης ανάγκης. Και τα δύο μοντέλα έχουν υλοποιηθεί ως δομικά στοιχεία δημοφιλούς προσομοιωτή δικτύων. Τέλος, ως περίπτωση εφαρμογής των ως άνω μοντέλων, έχει προσομοιωθεί και αναλυθεί η επίδρασή τους στην επικοινωνία φωνής μεταξύ των ομότιμων κόμβων. Τέλος, προτείνεται, υλοποιείται και αναλύεται ένα καινοτόμο πρωτόκολλο σύναψης σχέσεων εμπιστοσύνης κατάλληλο για ασύρματα δίκτυα ομότιμων κόμβων. Με βάση τις αρχές του πρωτοκόλλου αυτού, έχουν αναπτυχθεί και υλοποιηθεί δύο νέα πρωτόκολλα για την ασφαλή εκκίνηση συνόδων επικοινωνίας μεταξύ ομότιμων κόμβων σε ασύρματα δίκτυα.