Zugl.: München, Univ., Diss., 2009

Orientador: Carlos Alberto Kamienski. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-graduação em Engenharia da Informação.

Nos últimos anos Jogos Online Massivamente Multijogadores (MMOG) têm se expandido em popularidade e investimento, influenciado, especialmente, pela evolução da conexão residencial (conexões mais rápidas a preços mais baixos). Com o crescimento dessa demanda, surgem problemas na utilização da arquitetura cliente-servidor, normalmente utilizada em jogos comerciais. Entre as arquiteturas alternativas de suporte a MMOGs estão as arquiteturas peer-to-peer. Porém essas arquiteturas apresentam problemas relativos a segurança, problemas esses que possuem, muitas vezes, soluções de baixo desempenho, sendo impraticáveis em jogos reais. Entre os problemas de segurança mais significativos para MMOGs encontra-se o cheating, ou a ação que um ou mais jogador toma para burlar as regras em favor próprio. A preocupação com cheating agravase quando o efeito desse cheating pode causar danos irreversíveis à economia virtual e, potencialmente, afetar todos os jogadores. O presente trabalho faz uso de uma divisão celular do mundo virtual para restringir o impacto de um dado cheating a uma única célula, evitando que este se propague. Para tanto é realizada uma classificação do estado do jogador e utiliza-se uma técnica de detecção de cheating para cada uma das classificações. Foram realizados experimentos através de simulação para testes de aplicabilidade do modelo e análise de desempenho e acuracidade. Os testes indicam que o modelo proposto consegue, de forma eficaz, realizar a proteção da economia virtual, impedindo que a ocorrência de um cheating atinja todos os jogadores. / In the past few years, Massively Multiplayer Online Games (MMOG) grew in both popularity and investment. This growth has been influenced by the evolution of residential connection (faster and cheaper connections). With the demand, some limitations imposed by the client-server architecture becomes more significant. Peer-to-peer architectures aim to solve those problems by distributing the game among several computers. However, those solutions usually lack security, or presents low performance. Among the problems, cheating can be considered the most significant to MMOGs. Cheating can be defined as the action taken by a player when this action is against the rules. This may be aggravated when this action can cause irreversible damage to the virtual economy and, potentially, affect all players in the virtual world. This work’s goal is to restrict the cheating impact using a cellular world division. The proposal is to restrict the cheating in a limited virtual space, preventing the propagation. A state classification is presented, and different cheating detection techniques are presented to each element of this classification. Simulation is used to make the experiments aiming to test the performance and accuracy of the proposal. Results indicate that the proposed solution can efficiently protect the virtual economy, restraining the effects of a cheating occurrence to a small portion of the virtual world.

none

Tradicionalmente, utiliza-se um servidor central para prover suporte a MMOGs (massively multiplayer online games, ou jogos online maciçamente multijogador), nos quais o número de participantes é da ordem de dezenas de milhares. Muitos trabalhos foram realizados com o intuito de criar um modelo de suporte completamente descentralizado, par-a-par, para este tipo de aplicação, minimizando o custo de manutenção da sua infraestrutura, mas algumas questões críticas persistem. Exemplos de problemas do modelo de suporte par-a-par são: vulnerabilidade a trapaça, sobrecarga da banda de envio dos pares e dificuldade para manter a consistência da simulação entre os diferentes participantes. Neste trabalho, é proposta a utilização de nodos de baixo custo geograficamente distribuídos, operando como um servidor distribuído de jogo. O modelo de distribuição proposto e alguns trabalhos relacionados também são apresentados. Para tratar o custo de comunicação imposto aos servidores, foi projetado aqui um novo refinamento para a técnica de gerenciamento de interesse, reduzindo significativamente a largura de banda necessária ao jogo. Foram realizadas simulações utilizando o simulador ns-2, comparando diferentes algoritmos de área de interesse. Os resultados demonstram que a nossa proposta é a que tem a menor utilização de largura de banda, com uma redução em 33,10% do tráfego máximo, e em 33,58% do tráfego médio, quando comparada com outros algoritmos de gerenciamento de interesse. Além disso, em uma arquitetura de servidor distribuído para MMOGs, com recursos heterogêneos, os nodos servidores podem ser facilmente sobrecarregados pela alta demanda dos jogadores por atualizações de estado. Neste trabalho, é proposto também um esquema de balanceamento de carga que utiliza o tráfego de rede como a carga a balancear entre os servidores e tem como objetivos principais: alocar a carga nos servidores proporcionalmente à capacidade de cada um e reduzir tanto quanto possível o overhead introduzido pela própria distribuição. O esquema de balanceamento é dividido em três fases: seleção local de servidores para participarem, o balanceamento em si e o posterior refinamento da divisão de carga. Quatro algoritmos foram propostos: ProGReGA, ProGReGA-KH, ProGReGA-KF e BFBCT. Destes, o ProGReGA foi o que introduziu o menor overhead de todos e o ProGReGA-KF foi o que se mostrou mais eficiente para reduzir o número de migrações de jogadores entre servidores. / Traditionally, a central server is used to provide support to MMOGs (massively multiplayer online games), where the number of participants is in the order of tens of thousands. Much work has been done trying to create a fully peer-to-peer model to support this kind of application, in order to minimize the maintenance cost of its infra-structure, but critical questions remain. Examples of the problems relative to peer-to-peer MMOG support systems are: vulnerability to cheating, overload of the upload links of the peers and difficulty to maintain consistency of the simulation among the participants. In this work, it is proposed the utilization of geographically distributed lower-cost nodes, working as a distributed server to the game. The distribution model and some related works are also presented. To address the communication cost imposed to the servers, we specify a novel refinement to the area of interest technique, significantly reducing the necessary bandwidth. Simulations have been made with ns-2, comparing different area of interest algorithms. The results show that our approach achieves the least bandwidth utilization, with a 33.10% maximum traffic reduction and 33.58% average traffic reduction, when compared to other area of interest algorithms. Besides, in a distributed MMOG server architecture, with heterogeneous resources, the server nodes may become easily overloaded by the high demand from the players for state updates. In this work, we also propose a load balancing scheme, which considers the network traffic as the load to balance between the servers, and it has the following main objectives: allocate load on the servers proportionally to the power of each one of them and reduce as much as possible the overhead introduced by the distribution itself. It is is divided in three phases: local selection of servers, balancing and refinement. Four algorithms were proposed: ProGReGA, ProGReGA-KH, ProGReGA-KF and BFBCT. From these, ProGReGA has proved to be the best for overhead reduction and ProGReGA-KF is the most suited for reducing player migrations between servers.

Em geral, jogos classificados como ‘jogos online maciçamente multijogador’, ou massively multiplayer online games (MMOGs) são simulações interativas, competitivas, em tempo real e em larga escala, de mundos virtuais gráficos. Atualmente, a maioria (se não todos) os MMOGs lançados comercialmente são implementados como serviços centralizados, onde centenas ou até milhares de máquinas servidoras, mantidas pelo provedor do serviço do jogo, são responsáveis por executar quase toda a simulação do mundo virtual. Isto implica em gastos significativos em equipamentos e comunicação por parte dos provedores do jogo. Vários trabalhos tentam reduzir o custo de hospedar um MMOG propondo modelos de distribuição da simulação mais descentralizados (peer-to-peer), onde a simulação é movida parcialmente ou totalmente dos servidores (máquinas dos provedores do jogo) para os nós clientes, tipicamente PCs de jogadores conectados por banda larga residencial. Porém, a tentativa de descentralizar um MMOG cria problemas de segurança, na medida em que a simulação passa a ser delegada a nós clientes, que são nós intrinsecamente não-confiáveis que ganham a oportunidade de trapacear no jogo, burlando as regras, visto que as regras da simulação serão executadas por estes. Existem vários tipos de trapaças, mas nós mostramos nesta tese que é possível argumentar que a trapaça de estado (state cheating) e ataques de negação de serviço são as ameaças mais significativas para MMOGs peer-to-peer. Como consequência, nós propomos o FreeMMG 2, um novo modelo de descentralização de MMOGs baseado na divisão do mundo virtual em células que são mantidas individualmente por grupos separados de peers voluntários que executam um processo daemon, não-interativo de simulação. Cada peer de uma célula contém uma réplica completa do estado da célula e se sincroniza de forma tanto conservadora quanto otimista com cada outro peer (réplica) da célula, enquanto ao mesmo tempo recebe comandos de jogo e dissemina atualizações de jogo para as máquinas ‘cliente’ dos jogadores do jogo. Devido à replicação e à seleção aleatória de peers para as células, nós mostramos que o FreeMMG 2 é resistente a trapaça de estado. E, devido ao uso de um peer back-up secreto para cada peer réplica primária da célula, nós mostramos que ataques de negação de serviço contra os peers não irão aumentar de forma significativa a probabilidade de ocorrência de trapaça de estado ou de perda total do estado da célula atacada. Através de simulação de rede, nós mostramos que o FreeMMG 2 é escalável e que utiliza a largura de banda dos clientes de forma eficiente. Assim, mostramos que uma abordagem baseada em replicação de suporte a MMOGs, considerando clientes com conectividade à Internet realística (sem IP multicast e com banda larga doméstica), é viável. / Typically, games classified as ‘massively multiplayer online games’ (MMOGs) are competitive, real-time, large-scale interactive simulations of graphical virtual worlds. Currently, most (if not all) commercial MMOGs are implemented as centralized services, where hundreds or even thousands of ‘server’ machines, maintained by the game service provider, are responsible for running almost all of the virtual world simulation. This incurs a significant equipment and communication cost for the game providers. Several works attempt to reduce the cost of hosting a MMOG by proposing more decentralized, peer-to-peer models for distributing the simulation among client (player-owned PCs with consumer-grade broadband) and server (provider-owned) machines, with some going as far as eliminating the need for provider-owned machines altogether. Decentralizing a MMOG, however, creates security issues, as the simulation is now delegated to untrusted client nodes which gain opportunities to cheat the game rules, as the rules are now executed by them. There are several types of cheats, but we show in this thesis that a case can be made for considering state cheating and denial-of-service attacks as the most significant threats for peer-to-peer MMOGs. In light of this, we propose FreeMMG 2, a new MMOG decentralization model based on the division of the virtual world into cells that are maintained individually by separate groups of volunteer peers that are running a non-interactive, daemon simulation process. Each peer of a cell contains a full replica of the cell state and synchronizes both conservatively and optimistically with every other peers (replicas) of the cell, while at the same time receiving game commands and disseminating game updates to actual player machines. Due to its cell replication and random peer selection, we show that FreeMMG 2 is resistant to state cheating. And, due to the use of one secret back-up peer for every primary replica peer of the cell, we show that denial-of-service attacks don’t significantly increase the odds of either state cheating or cell state loss happening. Through network simulation we verify that FreeMMG 2 is scalable and bandwidth-efficient, showing that a replication-based approach to peer-to-peer MMOG support, considering peers with realistic Internet connectivity (no IP multicast and consumer-grade broadband), is a viable one.

Nos últimos anos Jogos Online Massivamente Multijogadores (MMOG) têm se expandido em popularidade e investimento, influenciado, especialmente, pela evolução da conexão residencial (conexões mais rápidas a preços mais baixos). Com o crescimento dessa demanda, surgem problemas na utilização da arquitetura cliente-servidor, normalmente utilizada em jogos comerciais. Entre as arquiteturas alternativas de suporte a MMOGs estão as arquiteturas peer-to-peer. Porém essas arquiteturas apresentam problemas relativos a segurança, problemas esses que possuem, muitas vezes, soluções de baixo desempenho, sendo impraticáveis em jogos reais. Entre os problemas de segurança mais significativos para MMOGs encontra-se o cheating, ou a ação que um ou mais jogador toma para burlar as regras em favor próprio. A preocupação com cheating agravase quando o efeito desse cheating pode causar danos irreversíveis à economia virtual e, potencialmente, afetar todos os jogadores. O presente trabalho faz uso de uma divisão celular do mundo virtual para restringir o impacto de um dado cheating a uma única célula, evitando que este se propague. Para tanto é realizada uma classificação do estado do jogador e utiliza-se uma técnica de detecção de cheating para cada uma das classificações. Foram realizados experimentos através de simulação para testes de aplicabilidade do modelo e análise de desempenho e acuracidade. Os testes indicam que o modelo proposto consegue, de forma eficaz, realizar a proteção da economia virtual, impedindo que a ocorrência de um cheating atinja todos os jogadores. / In the past few years, Massively Multiplayer Online Games (MMOG) grew in both popularity and investment. This growth has been influenced by the evolution of residential connection (faster and cheaper connections). With the demand, some limitations imposed by the client-server architecture becomes more significant. Peer-to-peer architectures aim to solve those problems by distributing the game among several computers. However, those solutions usually lack security, or presents low performance. Among the problems, cheating can be considered the most significant to MMOGs. Cheating can be defined as the action taken by a player when this action is against the rules. This may be aggravated when this action can cause irreversible damage to the virtual economy and, potentially, affect all players in the virtual world. This work’s goal is to restrict the cheating impact using a cellular world division. The proposal is to restrict the cheating in a limited virtual space, preventing the propagation. A state classification is presented, and different cheating detection techniques are presented to each element of this classification. Simulation is used to make the experiments aiming to test the performance and accuracy of the proposal. Results indicate that the proposed solution can efficiently protect the virtual economy, restraining the effects of a cheating occurrence to a small portion of the virtual world.

Tradicionalmente, utiliza-se um servidor central para prover suporte a MMOGs (massively multiplayer online games, ou jogos online maciçamente multijogador), nos quais o número de participantes é da ordem de dezenas de milhares. Muitos trabalhos foram realizados com o intuito de criar um modelo de suporte completamente descentralizado, par-a-par, para este tipo de aplicação, minimizando o custo de manutenção da sua infraestrutura, mas algumas questões críticas persistem. Exemplos de problemas do modelo de suporte par-a-par são: vulnerabilidade a trapaça, sobrecarga da banda de envio dos pares e dificuldade para manter a consistência da simulação entre os diferentes participantes. Neste trabalho, é proposta a utilização de nodos de baixo custo geograficamente distribuídos, operando como um servidor distribuído de jogo. O modelo de distribuição proposto e alguns trabalhos relacionados também são apresentados. Para tratar o custo de comunicação imposto aos servidores, foi projetado aqui um novo refinamento para a técnica de gerenciamento de interesse, reduzindo significativamente a largura de banda necessária ao jogo. Foram realizadas simulações utilizando o simulador ns-2, comparando diferentes algoritmos de área de interesse. Os resultados demonstram que a nossa proposta é a que tem a menor utilização de largura de banda, com uma redução em 33,10% do tráfego máximo, e em 33,58% do tráfego médio, quando comparada com outros algoritmos de gerenciamento de interesse. Além disso, em uma arquitetura de servidor distribuído para MMOGs, com recursos heterogêneos, os nodos servidores podem ser facilmente sobrecarregados pela alta demanda dos jogadores por atualizações de estado. Neste trabalho, é proposto também um esquema de balanceamento de carga que utiliza o tráfego de rede como a carga a balancear entre os servidores e tem como objetivos principais: alocar a carga nos servidores proporcionalmente à capacidade de cada um e reduzir tanto quanto possível o overhead introduzido pela própria distribuição. O esquema de balanceamento é dividido em três fases: seleção local de servidores para participarem, o balanceamento em si e o posterior refinamento da divisão de carga. Quatro algoritmos foram propostos: ProGReGA, ProGReGA-KH, ProGReGA-KF e BFBCT. Destes, o ProGReGA foi o que introduziu o menor overhead de todos e o ProGReGA-KF foi o que se mostrou mais eficiente para reduzir o número de migrações de jogadores entre servidores. / Traditionally, a central server is used to provide support to MMOGs (massively multiplayer online games), where the number of participants is in the order of tens of thousands. Much work has been done trying to create a fully peer-to-peer model to support this kind of application, in order to minimize the maintenance cost of its infra-structure, but critical questions remain. Examples of the problems relative to peer-to-peer MMOG support systems are: vulnerability to cheating, overload of the upload links of the peers and difficulty to maintain consistency of the simulation among the participants. In this work, it is proposed the utilization of geographically distributed lower-cost nodes, working as a distributed server to the game. The distribution model and some related works are also presented. To address the communication cost imposed to the servers, we specify a novel refinement to the area of interest technique, significantly reducing the necessary bandwidth. Simulations have been made with ns-2, comparing different area of interest algorithms. The results show that our approach achieves the least bandwidth utilization, with a 33.10% maximum traffic reduction and 33.58% average traffic reduction, when compared to other area of interest algorithms. Besides, in a distributed MMOG server architecture, with heterogeneous resources, the server nodes may become easily overloaded by the high demand from the players for state updates. In this work, we also propose a load balancing scheme, which considers the network traffic as the load to balance between the servers, and it has the following main objectives: allocate load on the servers proportionally to the power of each one of them and reduce as much as possible the overhead introduced by the distribution itself. It is is divided in three phases: local selection of servers, balancing and refinement. Four algorithms were proposed: ProGReGA, ProGReGA-KH, ProGReGA-KF and BFBCT. From these, ProGReGA has proved to be the best for overhead reduction and ProGReGA-KF is the most suited for reducing player migrations between servers.

Nos últimos anos Jogos Online Massivamente Multijogadores (MMOG) têm se expandido em popularidade e investimento, influenciado, especialmente, pela evolução da conexão residencial (conexões mais rápidas a preços mais baixos). Com o crescimento dessa demanda, surgem problemas na utilização da arquitetura cliente-servidor, normalmente utilizada em jogos comerciais. Entre as arquiteturas alternativas de suporte a MMOGs estão as arquiteturas peer-to-peer. Porém essas arquiteturas apresentam problemas relativos a segurança, problemas esses que possuem, muitas vezes, soluções de baixo desempenho, sendo impraticáveis em jogos reais. Entre os problemas de segurança mais significativos para MMOGs encontra-se o cheating, ou a ação que um ou mais jogador toma para burlar as regras em favor próprio. A preocupação com cheating agravase quando o efeito desse cheating pode causar danos irreversíveis à economia virtual e, potencialmente, afetar todos os jogadores. O presente trabalho faz uso de uma divisão celular do mundo virtual para restringir o impacto de um dado cheating a uma única célula, evitando que este se propague. Para tanto é realizada uma classificação do estado do jogador e utiliza-se uma técnica de detecção de cheating para cada uma das classificações. Foram realizados experimentos através de simulação para testes de aplicabilidade do modelo e análise de desempenho e acuracidade. Os testes indicam que o modelo proposto consegue, de forma eficaz, realizar a proteção da economia virtual, impedindo que a ocorrência de um cheating atinja todos os jogadores. / In the past few years, Massively Multiplayer Online Games (MMOG) grew in both popularity and investment. This growth has been influenced by the evolution of residential connection (faster and cheaper connections). With the demand, some limitations imposed by the client-server architecture becomes more significant. Peer-to-peer architectures aim to solve those problems by distributing the game among several computers. However, those solutions usually lack security, or presents low performance. Among the problems, cheating can be considered the most significant to MMOGs. Cheating can be defined as the action taken by a player when this action is against the rules. This may be aggravated when this action can cause irreversible damage to the virtual economy and, potentially, affect all players in the virtual world. This work’s goal is to restrict the cheating impact using a cellular world division. The proposal is to restrict the cheating in a limited virtual space, preventing the propagation. A state classification is presented, and different cheating detection techniques are presented to each element of this classification. Simulation is used to make the experiments aiming to test the performance and accuracy of the proposal. Results indicate that the proposed solution can efficiently protect the virtual economy, restraining the effects of a cheating occurrence to a small portion of the virtual world.

Em geral, jogos classificados como ‘jogos online maciçamente multijogador’, ou massively multiplayer online games (MMOGs) são simulações interativas, competitivas, em tempo real e em larga escala, de mundos virtuais gráficos. Atualmente, a maioria (se não todos) os MMOGs lançados comercialmente são implementados como serviços centralizados, onde centenas ou até milhares de máquinas servidoras, mantidas pelo provedor do serviço do jogo, são responsáveis por executar quase toda a simulação do mundo virtual. Isto implica em gastos significativos em equipamentos e comunicação por parte dos provedores do jogo. Vários trabalhos tentam reduzir o custo de hospedar um MMOG propondo modelos de distribuição da simulação mais descentralizados (peer-to-peer), onde a simulação é movida parcialmente ou totalmente dos servidores (máquinas dos provedores do jogo) para os nós clientes, tipicamente PCs de jogadores conectados por banda larga residencial. Porém, a tentativa de descentralizar um MMOG cria problemas de segurança, na medida em que a simulação passa a ser delegada a nós clientes, que são nós intrinsecamente não-confiáveis que ganham a oportunidade de trapacear no jogo, burlando as regras, visto que as regras da simulação serão executadas por estes. Existem vários tipos de trapaças, mas nós mostramos nesta tese que é possível argumentar que a trapaça de estado (state cheating) e ataques de negação de serviço são as ameaças mais significativas para MMOGs peer-to-peer. Como consequência, nós propomos o FreeMMG 2, um novo modelo de descentralização de MMOGs baseado na divisão do mundo virtual em células que são mantidas individualmente por grupos separados de peers voluntários que executam um processo daemon, não-interativo de simulação. Cada peer de uma célula contém uma réplica completa do estado da célula e se sincroniza de forma tanto conservadora quanto otimista com cada outro peer (réplica) da célula, enquanto ao mesmo tempo recebe comandos de jogo e dissemina atualizações de jogo para as máquinas ‘cliente’ dos jogadores do jogo. Devido à replicação e à seleção aleatória de peers para as células, nós mostramos que o FreeMMG 2 é resistente a trapaça de estado. E, devido ao uso de um peer back-up secreto para cada peer réplica primária da célula, nós mostramos que ataques de negação de serviço contra os peers não irão aumentar de forma significativa a probabilidade de ocorrência de trapaça de estado ou de perda total do estado da célula atacada. Através de simulação de rede, nós mostramos que o FreeMMG 2 é escalável e que utiliza a largura de banda dos clientes de forma eficiente. Assim, mostramos que uma abordagem baseada em replicação de suporte a MMOGs, considerando clientes com conectividade à Internet realística (sem IP multicast e com banda larga doméstica), é viável. / Typically, games classified as ‘massively multiplayer online games’ (MMOGs) are competitive, real-time, large-scale interactive simulations of graphical virtual worlds. Currently, most (if not all) commercial MMOGs are implemented as centralized services, where hundreds or even thousands of ‘server’ machines, maintained by the game service provider, are responsible for running almost all of the virtual world simulation. This incurs a significant equipment and communication cost for the game providers. Several works attempt to reduce the cost of hosting a MMOG by proposing more decentralized, peer-to-peer models for distributing the simulation among client (player-owned PCs with consumer-grade broadband) and server (provider-owned) machines, with some going as far as eliminating the need for provider-owned machines altogether. Decentralizing a MMOG, however, creates security issues, as the simulation is now delegated to untrusted client nodes which gain opportunities to cheat the game rules, as the rules are now executed by them. There are several types of cheats, but we show in this thesis that a case can be made for considering state cheating and denial-of-service attacks as the most significant threats for peer-to-peer MMOGs. In light of this, we propose FreeMMG 2, a new MMOG decentralization model based on the division of the virtual world into cells that are maintained individually by separate groups of volunteer peers that are running a non-interactive, daemon simulation process. Each peer of a cell contains a full replica of the cell state and synchronizes both conservatively and optimistically with every other peers (replicas) of the cell, while at the same time receiving game commands and disseminating game updates to actual player machines. Due to its cell replication and random peer selection, we show that FreeMMG 2 is resistant to state cheating. And, due to the use of one secret back-up peer for every primary replica peer of the cell, we show that denial-of-service attacks don’t significantly increase the odds of either state cheating or cell state loss happening. Through network simulation we verify that FreeMMG 2 is scalable and bandwidth-efficient, showing that a replication-based approach to peer-to-peer MMOG support, considering peers with realistic Internet connectivity (no IP multicast and consumer-grade broadband), is a viable one.