Content Delivery Networks (CDNs) are networks that distribute content in the Internet. CDNs are increasingly responsible for the largest share of traffic in the Internet. CDNs distribute popular content to caches in many geographical areas to save bandwidth by avoiding unnecessary multihop retransmission. By bringing the content geographically closer to the user, CDNs also reduce the latency of the services. Besides end users and content providers, which require high availability of high quality content, CDN providers and Internet Service Providers (ISPs) are interested in an efficient operation of CDNs. In order to ensure an efficient replication of the content, CDN providers have a network of (globally) distributed interconnected datacenters at different points of presence (PoPs). ISPs aim to provide reliable and high speed Internet access. They try to keep the load on the network low and to reduce cost for connectivity with other ISPs. The increasing number of mobile devices such as smart phones and tablets, high definition video content and high resolution displays result in a continuous growth in mobile traffic. This growth in mobile traffic is further accelerated by newly emerging services, such as mobile live streaming and broadcasting services. The steep increase in mobile traffic is expected to reach by 2018 roughly 60% of total network traffic, the majority of which will be video. To handle the growth in mobile networks, the next generation of 5G mobile networks is designed to have higher access rates and an increased densification of the network infrastructure. With the explosion of access rates and number of base stations the backhaul of wireless networks will become congested. To reduce the load on the backhaul, the research community suggests installing local caches in gateway routers between the wireless network and the Internet, in base stations of different sizes, and in end-user devices. The local deployment of caches allows keeping the traffic within the ISPs network. The caches are organized in a hierarchy, where caches in the lowest tier are requested first. The request is forwarded to the next tier, if the requested object is not found. Appropriate evaluation methods are required to optimally dimension the caches dependent on the traffic characteristics and the available resources. Additionally methods are necessary that allow performance evaluation of backhaul bandwidth aggregation systems, which further reduce the load on the backhaul. This thesis analyses CDNs utilizing locally available resources and develops the following evaluations and optimization approaches: Characterization of CDNs and distribution of resources in the Internet, analysis and optimization of hierarchical caching systems with bandwidth constraints and performance evaluation of bandwidth aggregation systems. / Netzwerke über die Inhalte im Internet verteilt werden, sogenannte „Content Delivery Networks“ (CDNs), sind für den Großteil des Datenverkehrs im Internet verantwortlich. Sie verteilen häufig angefragte Inhalte an Datenzentren und Zwischenspeicher, sogenannte „Caches“, die geographisch über viele Regionen verteilt sind. So erzielen CDNs Einsparungen in der Bandbreite, indem der Pfad von der Quelle des Inhalts zu den Caches entlastet wird. Da die Inhalte näher zu den Endnutzern gebracht werden, verringern CDNs außerdem die Latenz der Verbindung zu den bereitgestellten Diensten. Neben den Nutzern und Anbietern von Inhalten, die eine hohe Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigen Inhalten fordern, sind CDN-Betreiber und Internetdienstanbieter an einem effizienten Betrieb von CDNs interessiert. Um eine effiziente Verteilung der Inhalte zu gewährleisten, erstellen CDN-Betreiber ein Netzwerk von Datenzentren, das global auf unterschiedliche wichtige Standorte verteilt ist. So versuchen CDN-Betreiber die Inhalte entsprechend der regionalen Nachfrage kosteneffizient an den verschiedenen Standorten vorzuhalten. Internetdienstanbieter ermöglichen, durch Bereitstellung von Breitband-anschlüssen, den Transport der Inhalte zu den Endnutzern. Sie versuchen die Last auf ihre Netze und die Kosten für Transitverbindungen gering zu halten. Durch die steigende Anzahl von mobilen Endgeräten, hochauflösenden Videoinhalten und Displays steigt der Datenverkehr in mobilen Verbindungsnetzwerken stetig an, wodurch sich neue Herausforderungen für CDNs ergeben. Zudem begünstigen neue Dienste, wie mobile Live-Videoübertragungen, das zunehmende Wachstum des mobilen Datenverkehrs. Laut aktueller Prognosen soll der mobile Datenverkehr im Jahr 2018 bereits zu 60% zum Gesamtverkehr des Internets beitragen. Um die erwartete Zunahme des mobilen Datenverkehrs zu kompensieren, wird die nächste Generation der mobilen Netzwerke entworfen, die eine höhere Dichte an Mobilfunkbasisstationen mit höheren Datenraten vorsieht. Es zeichnet sich ab, dass der starke Anstieg der Datenraten und die höhere Anzahl an Basisstationen dazu führen, dass es zu Bandbreitenengpässen in der Anbindung der Zugriffsnetze, dem sogenannten „Backhaul“, kommt. Um die Last auf den Backhaul zu verringern, sehen verschiedene Ansätze vor, lokale Caches in den Verbindungsknoten zwischen den mobilen Netzen, dem Internet und auf Endgeräten einzurichten. Die lokale Bereitstellung der Inhalte ermöglicht den Datenverkehr innerhalb der Zugriffsnetze zu halten. Die Caches werden hierarchisch angeordnet, wobei die lokalen Caches mit geringer Kapazität, nahe am Nutzer die unterste Hierarchiestufe bilden. Eine Anfrage an einen Inhalt, die in einer Hierarchiestufe nicht bedient werden kann, wird an die nächste Hierarchiestufe weitergeleitet. Es werden Mechanismen benötigt, die die Inhalte optimal auf die lokalen Caches verteilen, um die begrenzten Ressourcen effizient zu nutzen. Die richtige Dimensionierung der Caches abhängig von den Verkehrscharakteristiken und der verfügbaren Ressourcen setzen passende Evaluierungsmethoden voraus. Darüber hinaus werden Bewertungsmechanismen benötigt um zu beurteilen, wie die verfügbare Bandbreite im Backhaul, durch Aggregation der Zugriffsverbindungen, erhöht werden kann. Diese Doktorarbeit analysiert CDNs unter der Nutzung lokal verfügbarer Ressourcen und erarbeitet die folgenden Auswertungen und Optimierungsmöglichkeiten. Charakterisierung von CDNs und Verteilung der Ressourcen im Internet, Analyse und Optimierung von hierarchischen Caching Systemen unter Berücksichtigung von Bandbreitenbeschränkungen und Leistungsbewertung von Aggregationssystemen zur Bestimmung der verfügbaren Bandbreite durch Aggregation der Zugriffsverbindungen.

This dissertation focuses on the performance evaluation of all components of Software Defined Networking (SDN) networks and covers whole their architecture. First, the isolation between virtual networks sharing the same physical resources is investigated with SDN switches of several vendors. Then, influence factors on the isolation are identified and evaluated. Second, the impact of control mechanisms on the performance of the data plane is examined through the flow rule installation time of SDN switches with different controllers. It is shown that both hardware-specific and controller instance have a specific influence on the installation time. Finally, several traffic flow monitoring methods of an SDN controller are investigated and a new monitoring approach is developed and evaluated. It is confirmed that the proposed method allows monitoring of particular flows as well as consumes fewer resources than the standard approach. Based on findings in this thesis, on the one hand, controller developers can refer to the work related to the control plane, such as flow monitoring or flow rule installation, to improve the performance of their applications. On the other hand, network administrators can apply the presented methods to select a suitable combination of controller and switches in their SDN networks, based on their performance requirements / Diese Dissertation konzentriert sich auf die Leistungsbewertung aller Komponenten von SDN-Netzwerken (Software Defined Networking) und deckt deren gesamte Architektur ab. Zuerst wird die Isolation zwischen virtuellen Netzwerken, die dieselben physischen Ressourcen teilen, mit SDN-Switches verschiedener Hersteller untersucht. Dann werden Einflussfaktoren auf die Isolation identifiziert und ausgewertet. Anschließen wird die Auswirkung von Kontrollmechanismen auf die Leistung der Datenebene durch die Flussregel-Installationszeit von SDN-Switches mit unterschiedlichen Controllern untersucht. Es wird gezeigt, dass sowohl Hardware-spezifische als auch Controller-Instanz einen spezifischen Einfluss auf die Installationszeit haben. Abschließend werden verschiedene Methoden der Verkehrsflussüberwachung eines SDN-Controllers untersucht und ein neuer Monitoringansatz entwickelt und evaluiert. Es wird bestätigt, dass die vorgeschlagene Methode die Überwachung bestimmter Flüsse ermöglicht und weniger Ressourcen verbraucht als der Standardansatz. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit können Controller-Entwickler einerseits die Arbeiten zur Steuerungsebene, wie zum Beispiel die Flussüberwachung oder die Flussregelinstallation, zur Verbesserung der Leistung ihrer Anwendungen verwenden. Auf der anderen Seite können Netzwerkadministratoren die vorgestellte Methode anwenden, um basierend auf ihren Leistungsanforderungen eine geeignete Kombination aus Controller und Switches in ihren SDN-Netzwerken auszuwählen.

With the introduction of Software-defined Networking (SDN) in the late 2000s, not only a new research field has been created, but a paradigm shift was initiated in the broad field of networking. The programmable network control by SDN is a big step, but also a stumbling block for many of the established network operators and vendors. As with any new technology the question about the maturity and the productionreadiness of it arises. Therefore, this thesis picks specific features of SDN and analyzes its performance, reliability, and availability in scenarios that can be expected in production deployments. The first SDN topic is the performance impact of application traffic in the data plane on the control plane. Second, reliability and availability concerns of SDN deployments are exemplary analyzed by evaluating the detection performance of a common SDN controller. Thirdly, the performance of P4, a technology that enhances SDN, or better its impact of certain control operations on the processing performance is evaluated. / Mit der Einführung von Software-definierten Netzwerken (SDN) in den späten 2000ern wurde nicht nur ein neues Forschungsfeld begründet sondern auch ein Paradigmenwechsel im breiten Feld der Netzwerktechnik eingeleitet. Die programmierbare Kontrolle über das Netzwerk durch SDN ist eine großer Schritt, aber auch ein Stolperstein für viele der etablierten Netzwerk Operatoren und Hersteller. Wie mit jeder neuen Technologie stellt sich die Frage über die Reife und die Eignung für den Produktionseinsatz. Diese Arbeit wählt deswegen drei spezifische Eigenschaften von SDN und untersucht sie auf ihre Performanz, Ausfallsicherheit und Verfügbarkeit in Szenarien die so in Produktionsumgebungen zu erwarten sind. Das erste SDN Thema ist der Einfluss von Applikationsverkehr in der Data Plane auf die Performanz in der Control Plane. Als zweites Thema werden die Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsbedenken von SDN Installationen exemplarisch durch die Evaluation der Erkennungsperformanz eines gängigen SDN Controllers analyisiert.Schließlich wird die Verarbeitungsperformanz von P4, einer Technolgie die SDN erweitert, anhand eines Beispiels evaluiert.

Serverless computing is an emerging cloud computing paradigm that offers a highlevel application programming model with utilization-based billing. It enables the deployment of cloud applications without managing the underlying resources or worrying about other operational aspects. Function-as-a-Service (FaaS) platforms implement serverless computing by allowing developers to execute code on-demand in response to events with continuous scaling while having to pay only for the time used with sub-second metering. Cloud providers have further introduced many fully managed services for databases, messaging buses, and storage that also implement a serverless computing model. Applications composed of these fully managed services and FaaS functions are quickly gaining popularity in both industry and in academia. However, due to this rapid adoption, much information surrounding serverless computing is inconsistent and often outdated as the serverless paradigm evolves. This makes the performance engineering of serverless applications and platforms challenging, as there are many open questions, such as: What types of applications is serverless computing well suited for, and what are its limitations? How should serverless applications be designed, configured, and implemented? Which design decisions impact the performance properties of serverless platforms and how can they be optimized? These and many other open questions can be traced back to an inconsistent understanding of serverless applications and platforms, which could present a major roadblock in the adoption of serverless computing. In this thesis, we address the lack of performance knowledge surrounding serverless applications and platforms from multiple angles: we conduct empirical studies to further the understanding of serverless applications and platforms, we introduce automated optimization methods that simplify the operation of serverless applications, and we enable the analysis of design tradeoffs of serverless platforms by extending white-box performance modeling. / Serverless Computing ist ein neues Cloud-Computing-Paradigma, das ein High-Level-Anwendungsprogrammiermodell mit nutzungsbasierter Abrechnung bietet. Es ermöglicht die Bereitstellung von Cloud-Anwendungen, ohne dass die zugrunde liegenden Ressourcen verwaltet werden müssen oder man sich um andere betriebliche Aspekte kümmern muss. FaaS-Plattformen implementieren Serverless Computing, indem sie Entwicklern die Möglichkeit geben, Code nach Bedarf als Reaktion auf Ereignisse mit kontinuierlicher Skalierung auszuführen, während sie nur für die genutzte Zeit mit sekundengenauer Abrechnung zahlen müssen. Cloud-Anbieter haben darüber hinaus viele vollständig verwaltete Dienste für Datenbanken, Messaging-Busse und Orchestrierung eingeführt, die ebenfalls ein Serverless Computing-Modell implementieren. Anwendungen, die aus diesen vollständig verwalteten Diensten und FaaS-Funktionen bestehen, werden sowohl in der Industrie als auch in der Wissenschaft immer beliebter. Aufgrund dieser schnellen Verbreitung sind jedoch viele Informationen zum Serverless Computing inkonsistent und oft veraltet, da sich das Serverless Paradigma weiterentwickelt. Dies macht das Performanz-Engineering von Serverless Anwendungen und Plattformen zu einer Herausforderung, da es viele offene Fragen gibt, wie zum Beispiel: Für welche Arten von Anwendungen ist Serverless Computing gut geeignet und wo liegen seine Grenzen? Wie sollten Serverless Anwendungen konzipiert, konfiguriert und implementiert werden? Welche Designentscheidungen wirken sich auf die Performanzeigenschaften von Serverless Plattformen aus und wie können sie optimiert werden? Diese und viele andere offene Fragen lassen sich auf ein uneinheitliches Verständnis von Serverless Anwendungen und Plattformen zurückführen, was ein großes Hindernis für die Einführung von Serverless Computing darstellen könnte. In dieser Arbeit adressieren wir den Mangel an Performanzwissen zu Serverless Anwendungen und Plattformen aus mehreren Blickwinkeln: Wir führen empirische Studien durch, um das Verständnis von Serverless Anwendungen und Plattformen zu fördern, wir stellen automatisierte Optimierungsmethoden vor, die das benötigte Wissen für den Betrieb von Serverless Anwendungen reduzieren, und wir erweitern die White-Box-Performanzmodellierungerung für die Analyse von Designkompromissen von Serverless Plattformen.

Next generation networks (NGNs) must integrate the services of current circuit-switched telephone networks and packet-switched data networks. This convergence towards a unified communication infrastructure necessitates from the high capital expenditures (CAPEX) and operational expenditures (OPEX) due to the coexistence of separate networks for voice and data. In the end, NGNs must offer the same services as these legacy networks and, therefore, they must provide a low-cost packet-switched solution with real-time transport capabilities for telephony and multimedia applications. In addition, NGNs must be fault-tolerant to guarantee user satisfaction and to support business-critical processes also in case of network failures. A key technology for the operation of NGNs is the Internet Protocol (IP) which evolved to a common and well accepted standard for networking in the Internet during the last 25 years. There are two basically different approaches to achieve QoS in IP networks. With capacity overprovisioning (CO), an IP network is equipped with sufficient bandwidth such that network congestion becomes very unlikely and QoS is maintained most of the time. The second option to achieve QoS in IP networks is admission control (AC). AC represents a network-inherent intelligence that admits real-time traffic flows to a single link or an entire network only if enough resources are available such that the requirements on packet loss and delay can be met. Otherwise, the request of a new flow is blocked. This work focuses on resource management and control mechanisms for NGNs, in particular on AC and associated bandwidth allocation methods. The first contribution consists of a new link-oriented AC method called experience-based admission control (EBAC) which is a hybrid approach dealing with the problems inherent to conventional AC mechanisms like parameter-based or measurement-based AC (PBAC/MBAC). PBAC provides good QoS but suffers from poor resource utilization and, vice versa, MBAC uses resources efficiently but is susceptible to QoS violations. Hence, EBAC aims at increasing the resource efficiency while maintaining the QoS which increases the revenues of ISPs and postpones their CAPEX for infrastructure upgrades. To show the advantages of EBAC, we first review today’s AC approaches and then develop the concept of EBAC. EBAC is a simple mechanism that safely overbooks the capacity of a single link to increase its resource utilization. We evaluate the performance of EBAC by its simulation under various traffic conditions. The second contribution concerns dynamic resource allocation in transport networks which implement a specific network admission control (NAC) architecture. In general, the performance of different NAC systems may be evaluated by conventional methods such as call blocking analysis which has often been applied in the context of multi-service asynchronous transfer mode (ATM) networks. However, to yield more practical results than abstract blocking probabilities, we propose a new method to compare different AC approaches by their respective bandwidth requirements. To present our new method for comparing different AC systems, we first give an overview of network resource management (NRM) in general. Then we present the concept of adaptive bandwidth allocation (ABA) in capacity tunnels and illustrate the analytical performance evaluation framework to compare different AC systems by their capacity requirements. Different network characteristics influence the performance of ABA. Therefore, the impact of various traffic demand models and tunnel implementations, and the influence of resilience requirements is investigated. In conclusion, the resources in NGNs must be exclusively dedicated to admitted traffic to guarantee QoS. For that purpose, robust and efficient concepts for NRM are required to control the requested bandwidth with regard to the available transmission capacity. Sophisticated AC will be a key function for NRM in NGNs and, therefore, efficient resource management concepts like experience-based admission control and adaptive bandwidth allocation for admission-controlled capacity tunnels, as presented in this work are appealing for NGN solutions. / In meiner Dissertation zum Thema “Performance Evaluation of Efficient Resource Management Concepts for Next Generation IP Networks” werden im Wesentlichen zwei miteinander verwobene Konzepte zur effizienten Nutzung von Übertragungsressourcen in zukünftigen IP Netzen untersucht. Das Management solcher Ressourcen ist zur Unterstützung qualitativ hochwertiger Netzdiensten (z.B. IP Telephonie, IP TV, etc.) in Zukunft unabdingbar. Gegenwärtig werden diese Dienste durch den Einsatz hoher Übertragungskapazitäten (engl. capacity overprovisioning) in den IP Breitbandnetzen ermöglicht. Um in Spitzenlastzeiten die Qualität der Dienste aufrecht zu erhalten, sind die Bandbreiten derart hoch angesetzt, dass unter normalen Umständen die Ressourcen nur sehr schwach ausgelastet sind (im Bereich zwischen 10 und 30 Prozent). Diese Überdimensionierungslösung ist einfach zu realisieren aber auch sehr kostenintensiv, ineffizient und vor allem nicht (zukunfts-)sicher, da bei ständig steigendem Bandbreitenbedarf, die Netzkapazitäten häufig angepasst werden müssen. Eine Effizienzsteigerung bei der Ressourcennutzung in heutigen Kommunikationsnetzen ist daher ein wichtiges Kriterium für die Wirtschaftlichkeit zukünftiger IP Netze. Erreicht werden kann dies mit den Mitteln der Netzzugangskontrolle (engl. admission control, kurz AC), welche bereits in verschiedenen Formen entwickelt, untersucht und teilweise auch in heutigen IP Netzen realisiert ist. Die AC stellt eine vergleichsweise komplexe Lösung zur Aufrechterhaltung der Dienstgüte in IP Netzen dar. Daher sind einfache und effiziente Mechanismen/Automatismen zur Durchführung der AC gefordert, um deren Einsatz an Stelle der Überdimensionierung zu rechtfertigen. Den zuvor genannten Forderungen nach effizienter Ressourcennutzung entsprechend stellt der erste Hauptbeitrag der Dissertation einen neuen Ansatz zur AC dar, die so genannte erfahrungsbasierte Netzzugangskontrolle (engl. experience-based admission control, kurz EBAC). Gegenüber den existierenden alternativen, d.h. parameter- oder mess-basierten Verfahren der AC zeichnet sich die EBAC durch effiziente Ressourcennutzung und begünstigt gleichzeitig die Aufrechterhaltung der Dienstgüte. Die genaue Funktionsweise der EBAC und die simulative Leistungsuntersuchung sind in der Dissertation nachzulesen. Der zweite Themenschwerpunkt der Dissertation greift eine tunnel-basierte Netzarchitektur auf und präsentiert mit deren Hilfe eine neue Methode zur Bewertung verschiedener Bandbreitenallokationsstrategien in Kombination mit AC. Die neue Bewertungsmethode wird zwar anhand einer speziellen tunnel-basierten AC untersucht, lässt sich aber auf alle Arten so genannter budget-basierter AC anwenden. Bei der konventionellen Leistungsbewertung verschiedener AC-Systeme dienen abstrakte Blockierungswahrscheinlichkeiten als Leistungsmaß. Im Gegensatz hierzu, bewertet die neue Methode die Leistung eines AC-Systems anhand des zugehörigen Bandbreitenbedarfs in Abhängigkeit verschiedener Einflussfaktoren, z.B. der avisierten Blockierwahrscheinlichkeit des AC-Systems, der Verkehrszusammensetzung, des Verkehrsvolumens, der Verkehrsdynamik und vor allem der angewandten Bandbreitenallokationsstrategie. In zukünftigen IP Netzen müssen die Ressourcen zur Datenübertragung besser verwaltet und kontrolliert werden. Zugelassener Verkehr mit hohen Dienstgüteanforderungen muss exklusiv Bandbreite zugewiesen werden, um die geforderte Dienstgüte garantieren zu können. Um dieses Ziel zu erreichen werden robuste und effiziente Konzepte zum Management von Netzressourcen benötigt. Intelligenter Netzzugangskontrolle wird eine Schlüsselfunktion in zukünftigen IP Netzen zukommen. Die in dieser Dissertation vorgestellten, effizienten Ressourcenmanagementkonzepte „erfahrungsbasierte Netzzugangskontrolle“ und „adaptive Bandbreitenallokation in zugangskontrollierten Kapazitätstunnel“ tragen zum Erreichen dieses Ziels bei.

The work presents a performance evaluation and optimization of so-called overlay networks for content distribution in the Internet. Chapter 1 describes the importance which have such networks in today's Internet, for example, for the transmission of video content. The focus of this work is on overlay networks based on the peer-to-peer principle. These are characterized by the fact that users who download content, also contribute to the distribution process by sharing parts of the data to other users. This enables efficient content distribution because each user not only consumes resources in the system, but also provides its own resources. Chapter 2 of the monograph contains a detailed description of the functionality of today's most popular overlay network BitTorrent. It explains the various components and their interaction. This is followed by an illustration of why such overlay networks for Internet service providers (ISPs) are problematic. The reason lies in the large amount of inter-ISP traffic that is produced by these overlay networks. Since this inter-ISP traffic leads to high costs for ISPs, they try to reduce it by improved mechanisms for overlay networks. One optimization approach is the use of topology awareness within the overlay networks. It provides users of the overlay networks with information about the underlying physical network topology. This allows them to avoid inter-ISP traffic by exchanging data preferrentially with other users that are connected to the same ISP. Another approach to save inter-ISP traffic is caching. In this case the ISP provides additional computers in its network, called caches, which store copies of popular content. The users of this ISP can then obtain such content from the cache. This prevents that the content must be retrieved from locations outside of the ISP's network, and saves costly inter-ISP traffic in this way. In the third chapter of the thesis, the results of a comprehensive measurement study of overlay networks, which can be found in today's Internet, are presented. After a short description of the measurement methodology, the results of the measurements are described. These results contain data on a variety of characteristics of current P2P overlay networks in the Internet. These include the popularity of content, i.e., how many users are interested in specific content, the evolution of the popularity and the size of the files. The distribution of users within the Internet is investigated in detail. Special attention is given to the number of users that exchange a particular file within the same ISP. On the basis of these measurement results, an estimation of the traffic savings that can achieved by topology awareness is derived. This new estimation is of scientific and practical importance, since it is not limited to individual ISPs and files, but considers the whole Internet and the total amount of data exchanged in overlay networks. Finally, the characteristics of regional content are considered, in which the popularity is limited to certain parts of the Internet. This is for example the case of videos in German, Italian or French language. Chapter 4 of the thesis is devoted to the optimization of overlay networks for content distribution through caching. It presents a deterministic flow model that describes the influence of caches. On the basis of this model, it derives an estimate of the inter-ISP traffic that is generated by an overlay network, and which part can be saved by caches. The results show that the influence of the cache depends on the structure of the overlay networks, and that caches can also lead to an increase in inter-ISP traffic under certain circumstances. The described model is thus an important tool for ISPs to decide for which overlay networks caches are useful and to dimension them. Chapter 5 summarizes the content of the work and emphasizes the importance of the findings. In addition, it explains how the findings can be applied to the optimization of future overlay networks. Special attention is given to the growing importance of video-on-demand and real-time video transmissions. / Die Arbeit beschäftigt sich mit der Leistungsbewertung und Optimierung von sogenannten Overlay-Netzwerken zum Verteilen von großen Datenmengen im Internet. Im Kapitel 1 der Arbeit wird die große Bedeutung erläutert, die solche Netzwerke im heutigen Internet haben, beispielsweise für die Übertragung von Video-Inhalten. Im Fokus der Arbeit liegen Overlay-Netzwerke, die auf dem Peer-to-peer Prinzip basieren. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass Nutzer, die Inhalte herunterladen, auch gleichzeitig an dem Verteilprozess teilnehmen, indem sie Teile der Daten an andere Nutzer weitergeben. Dies ermöglicht eine effiziente Verteilung der Daten, weil jeder Nutzer nicht nur Ressourcen im System belegt, sondern auch eigene Ressourcen einbringt. Kapitel 2 der Arbeit enthält eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise des heute populärsten Overlay-Netzwerks BitTorrent. Es werden die einzelnen Komponenten erläutert und deren Zusammenspiel erklärt. Darauf folgt eine Darstellung, warum solche Overlay-Netzwerke für Internet-Anbieter (Internet service provider, ISP) problematisch sind. Der Grund dafür liegt in der großen Menge an Inter-ISP Verkehr, den diese Overlays erzeugen. Da solcher Inter-ISP Verkehr zu hohen Kosten für ISPs führt, versuchen diese den Inter-ISP Verkehr zu reduzieren, indem sie die Mechanismen der Overlay-Netzwerke optimieren. Ein Ansatz zur Optimierung ist die Verwendung von Topologiebewusstsein innerhalb der Overlay-Netzwerke. Dabei erhalten die Nutzer der Overlay-Netzwerke Informationen über die zugrunde liegende, physikalische Netzwerktopologie. Diese ermöglichen es ihnen, Inter-ISP Verkehr zu vermeiden, indem sie Daten bevorzugt mit anderen Nutzern austauschen, die mit dem gleichen ISP verbunden sind. Ein weiterer Ansatz, um Inter-ISP Verkehr einzusparen, ist Caching. Dabei stellt der ISP zusätzliche Rechner, sogenannte Caches, in seinem Netzwerk zur Verfügung, die Kopien populärer Inhalte zwischenspeichern. Die Nutzer dieses ISP können solche Inhalte nun von den Caches beziehen. Dies verhindert, dass populäre Inhalte mehrfach von außerhalb des betrachteten ISPs bezogen werden müssen, und spart so kostenintensiven Inter-ISP Verkehr ein. Im dritten Kapitel der Arbeit werden Ergebnisse einer umfassenden Messung von Overlay-Netzwerken vorgestellt, wie sie heute im Internet anzutreffen sind. Nach einer kurzen Darstellung der bei der Messung verwendeten Methodik werden die Resultate der Messungen beschrieben. Diese Ergebnisse enthalten Daten über eine Vielzahl von Eigenschaften von heutigen P2P-basierten Overlay-Netzwerken im Internet. Dazu zählen die Popularität von Inhalten, d.h., wie viele Nutzer an bestimmten Inhalten interessiert sind, die zeitliche Entwicklung der Popularität und die Größe der Daten. Im Detail wird auch die Verteilung der Nutzer über das Internet analysiert. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Anzahl der Nutzer, die gleichzeitig und im Netz desselben ISP eine bestimmte Datei tauschen. Auf der Basis dieser Messergebnisse wird eine Abschätzung durchgeführt, welches Einsparpotential die Optimierung von Overlay-Netzwerken durch Topologiebewusstsein bietet. Diese neuartige Abschätzung ist von wissenschaftlicher und praktischer Bedeutung, da sie sich nicht auf einzelne ISPs und Dateien beschränkt, sondern des gesamte Internet und die Menge aller in Overlay-Netzwerken verfügbaren Dateien umfasst. Schließlich werden die Besonderheiten von regionalen Inhalten betrachtet, bei denen sich die Popularität auf bestimmte Teile des Internets beschränkt. Dies ist beispielsweise bei Videos in deutscher, italienischer oder französischer Sprache der Fall. Kapitel 4 der Arbeit widmet sich der Optimierung von Overlay-Netzwerken zum Verteilen großer Datenmengen durch Caching. Es wird ein deterministisches Flussmodel entwickelt, das den Einfluss von Caches beschreibt. Auf der Basis dieses Modells leitet er eine Abschätzung des Inter-ISP Verkehrs ab, der von einem Overlay-Netzwerk erzeugt wird, und welcher Teil davon durch Caches eingespart werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss von Caches von der Struktur der Overlay-Netzwerke abhängt und dass Caches unter bestimmten Umständen auch zu einem erhöhten Inter-ISP Verkehr führen können. Das beschriebene Modell ist somit ein wichtiges Hilfsmittel für ISPs um zu entscheiden, für welche Overlay-Netzwerke Caches sinnvoll sind, und um diese anschließend richtig zu dimensionieren. Kapitel 5 fasst den Inhalt der Arbeit zusammen und stellt die Bedeutung der gewonnenen Erkenntnisse heraus. Abschließend wird erläutert, in welcher Weise die in der Arbeit beschriebenen Ergebnisse wichtige Grundlagen für die Optimierung von zukünftigen Overlay-Netzwerken darstellen werden. Dabei wird besonders auf die wachsende Bedeutung von Video-On-Demand und Echt-Zeit Video-Übertragungen eingegangen.

Today's Internet is no longer only controlled by a single stakeholder, e.g. a standard body or a telecommunications company. Rather, the interests of a multitude of stakeholders, e.g. application developers, hardware vendors, cloud operators, and network operators, collide during the development and operation of applications in the Internet. Each of these stakeholders considers different KPIs to be important and attempts to optimise scenarios in its favour. This results in different, often opposing views and can cause problems for the complete network ecosystem. One example of such a scenario are Signalling Storms in the mobile Internet, with one of the largest occurring in Japan in 2012 due to the release and high popularity of a free instant messaging application. The network traffic generated by the application caused a high number of connections to the Internet being established and terminated. This resulted in a similarly high number of signalling messages in the mobile network, causing overload and a loss of service for 2.5 million users over 4 hours. While the network operator suffers the largest impact of this signalling overload, it does not control the application. Thus, the network operator can not change the application traffic characteristics to generate less network signalling traffic. The stakeholders who could prevent, or at least reduce, such behaviour, i.e. application developers or hardware vendors, have no direct benefit from modifying their products in such a way. This results in a clash of interests which negatively impacts the network performance for all participants. The goal of this monograph is to provide an overview over the complex structures of stakeholder relationships in today's Internet applications in mobile networks. To this end, we study different scenarios where such interests clash and suggest methods where tradeoffs can be optimised for all participants. If such an optimisation is not possible or attempts at it might lead to adverse effects, we discuss the reasons. / Modellierung und Bewertung von Szenarien mit mehreren Akteuren in Kommunikationsnetzen

Zugl.: Dresden, Techn. Univ., Diss., 2007

Zugl.: Duisburg, Essen, Univ., Diss., 2006

Zugl.: Kaiserslautern, Univ., Diss., 2009