Dynamic adaptive networks and service provision: dynamic self-organized communities for content distribution and resource sharing

Abstract

In today's networks the content distribution landscape is changing. The evolution of mobile end user devices, with increasing processing, memory, storage, and display capabilities is changing the approaches for content placement. Content is not restraint only to centralized storage servers but is also migrated towards end user devices, where it is transported and shared. Furthermore, we experience a proliferation in user generated content, driven again by the evolution of end user devices. There is a diffusion among content producers, distributors and consumers. Users can operate on any of these roles. For the distribution of the increasing content volume, the two main approaches are the use of peer to peer networks and social networks. Peer to peer content distribution is used for high volume content transfers, usually in the case of high quality content. Besides the traditional bulk transfer mode, peer-to-peer streaming services are also becoming popular to provide on demand content to the members. On the other hand, social networks have become perhaps the most prominent means of content distribution. People use socialnetworks, not only to keep in touch with friends and acquaintances but also to stay informed on news and events. Furthermore, people form groups of similar interests to exchange information and ideas. Most of today's web traffic is created by the use of social networks. This has a big impact on the network to provide the communication infrastructure and respective services for supporting the increasing volume of traffic for content distribution.Both of the two predominant Internet application architectures (i.e., client-server and peer-to-peer(p2p)) essentially assume that nodes operate in isolation, even when close proximity exists. There are many cases where one user wants to retrieve or share information or content (even in real time) with other nearby users, but the communication has to take place over centralized services through the Internet. The work described in this thesis targets the introduction of an architecture in order to combine the two alternative models, and also exploit self-organization features of future networks between nodes of close proximity. The participating nodes form loosely coupled communities that enhance node cooperation for increased content distribution efficiency. Each node first searches for content to his peer members within the community, and if this cannot be satisfied the node resorts to the use of the infrastructure network.The provisioning of local content on each node is reciprocated with additional external bandwidthby the network gateway. The node cooperation is enforced by specific incentives that facilitate the node collaboration and deterrent measures that inhibit misbehaving nodes. In this work, the introduced architecture considers initially a centralized approach, then a distributed approach, and finally it is mapped to a SDN and mobile cloud enabled solution. The decision making mechanisms considered for the self organization of the nodes is based on a theoretical model using game theory. Finally, simulation results for the proposed approach are presented to demonstrate the performance gains.The main outcomes of the work is in future networks we expect to have big gains in overall network resource usage by reducing the traffic to the main network infrastructure when exploiting the proximity and collaboration of nodes. Moreover, there is also gain on the node side in terms of delay in content acquisition.

Στα σημερινά δίκτυα δεδομένων το τοπίο σχετικά με τον διαμoιρασμό περιεχομένου αλλάζει. Η εξέλιξη των κινητών συσκευών με αυξανόμενες δυνατότητες τόσο σε επεξεργαστική ισχύ, μνήμη, αποθηκευτικό χώρο, όσο και σε δυνατότητες αναπαραγωγής, επιφέρει αλλαγές στις εναλλακτικές δυνατότητες αποθήκευσης περιεχόμενου. Πλέον το περιεχόμενο δεν είναι περιορισμένο σε κεντρικοποιημένες δομές, αλλά μεγάλο κομμάτι του βρίσκεται στις κινητές συσκευές, από τις οποίες και διαμοιράζεται. Επιπλέον, η εξέλιξη των κινητών συσκευών έχει οδηγήσει στην εξάπλωση περιεχόμενου που δημιουργείται από τους ίδιους τους χρήστες. Ο διαχωρισμός των ρόλων μεταξύ παραγωγού, διακινητή και καταναλωτή περιεχομένου έχει γίνει αρκετά δυσδιάκριτος,καθώς οι χρήστες μπορούν να αναλάβουν περισσότερους από ένα από αυτούς τους ρόλους. Για τη διακίνηση του συνεχώς αυξανόμενου περιεχομένου οι δύο κύριες προσεγγίσεις είναι η χρήση των δικτύων ομότιμων κόμβων, καθώς και η χρήση των κοινωνικών δικτύων. Η διακίνηση περιεχομένου με δίκτυα ομότιμων κόμβων χρησιμοποιείται κυρίως για υλικό μεγάλου όγκου, το οποίο είναι και σε υψηλή ποιότητα. Πέρα από την παραδοσιακή χρήση τέτοιων δικτύων για μαζική μεταφορά, πλέον έχουν παρουσιαστεί και δίκτυα ομότιμων κόμβων για υπηρεσίες συνεχούς ροής για παρουσίαση περιεχομένου στους χρήστες τους. Από την άλλη πλευρά, τα κοινωνικά δίκτυα αποτελούν το βασικό ίσως μέσο διαμοιρασμό περιεχομένου. Έχοντας ξεφύγει από το απλό μέσο δικτύωσης μεταξύ φίλων και γνωστών, αποτελούν τις πλατφόρμες ενημέρωσης και διασκέδασης.Επιπλέον, είναι ο χώρος που δημιουργούνται ομάδες με σκοπό την ανταλλαγή απόψεων σε θέματα κοινού ενδιαφέροντος. Το μεγαλύτερο ποσοστό της κίνησης στο παγκόσμιο ιστό πηγάζει από τα κοινωνικά δίκτυα. Αυτό έχει μεγάλο αντίκτυπο στο δίκτυο για να μπορέσει να προσφέρει την κατάλληλη υποδομή και τις ανάλογες υπηρεσίες για να υποστηρίξει τον διαρκώς αυξανόμενο όγκο δεδομένων που δημιουργούνται από το διαμοιρασμό περιεχομένου.Οι δύο κυριότερες αρχιτεκτονικές για διαδικτυακές εφαρμογές (εξυπηρετητή-πελάτη, και ομότιμων κόμβων) υποθέτουν ότι ο κάθε κόμβος λειτουργεί σε απομόνωση, ακόμη και σε περιπτώσεις που οι κόμβοι είναι σε κοντινή απόσταση. Υπάρχουν αρκετές περιπτώσεις που χρήστες θέλουν να ανακτήσουν ή να διαμοιράσουν πληροφορίες ή περιεχόμενο (ακόμη και σε πραγματικό χρόνο) με κοντινούς προς αυτούς χρήστες, αλλά η επικοινωνία θα πρέπει να περιλάβει κεντρικοποιημένες απομακρυσμένες υποδομές. Η διατριβή αυτή στοχεύει στην εισαγωγή μιας αρχιτεκτονικής η οποία συνδυάζει τα εναλλακτικά αυτά μοντέλα, και επιπλέον εκμεταλλεύεται ικανότητες αυτό-οργάνωσης σε κόμβους κοντινής απόστασης στα δίκτυα νέας γενιάς. Οι συμμετέχοντες κόμβοι δημιουργούν κοινότητες, με χαλαρή σύνδεση των μελών τους, οι οποίες προωθούν την συνεργασία οδηγώντας σε καλύτερη απόδοση του διαμοιρασμού περιεχομένου. Κάθε κόμβος αναζητά πρώτα το περιεχόμενο στην κοινότητα που συμμετέχει και σε περίπτωση αστοχίας το ανακτά μέσω των κεντρικοποιημένων υποδομών. Η παροχή του περιεχομένου από κάποιον κόμβο σε κάποιον άλλο αμείβεται με τη δυνατότητα χρήσης επιπλέον πόρων του δικτύου . Η συνεργασία των κόμβων στην αρχιτεκτονική εξασφαλίζεται με χρήση συγκεκριμένων κινήτρων που ενισχύουν τη σύμπραξη, ενώ παράλληλα υπάρχουν αποτρεπτικά μέτρα που αναστέλλουν την εγωιστική/κακόβουλη συμπεριφορά. Στη διατριβή αυτή η αρχιτεκτονική που προτείνεται αναλύεται διαδοχικά στη βάση μιας κεντρικοποιημένης προσέγγισης, κατόπιν μια κατανεμημένης προσέγγισης και καταλήγει στη χρήση μιας λύσης βασισμένης σε δίκτυα ορισμένα από λογισμικό(SDN networks) καθώς και υπηρεσίες κινητού νέφους (mobile cloud). Οι μηχανισμοί απόφασης για την αυτό-οργάνωση των κόμβων βασίζονται σε ένα θεωρητικό μοντέλο που χρησιμοποιεί θεωρία παιγνίων.Το κεντρικό αποτέλεσμα της μελέτης αυτής είναι πως στα δίκτυα νέας γενιάς αναμένονται μεγάλα κέρδη στο συνολικό φόρτο του δικτύου με εκμετάλλευση της εγγύτητας και συνεργασίας των κόμβων. Επιπλέον, υπάρχει και κέρδος από την πλευρά των κόμβων σε θέματα καθυστέρησης για την απόκτηση περιεχομένου.