Um die ständig wachsenden Anforderungen zur Übertragung von Live Video Streams im Internet zu erfüllen werden kosteneffektive und resourceneffiziente Lösungen benötigt. Eine adäquate Lösung bietet die Peer-to-Peer (P2P) Streaming Architektur an, welche bereits heute in unterschiedlichsten Systemen zum Einsatz kommt. Solche Systeme erfordern von der Streaming Quelle nur moderate Bandbreiten, da die Nutzer (bzw. Peers) ihre eigene Bandbreite zur Verbreitung des Streams einbringen. Dazu werden die Peers oberhalb der Internetarchitektur zu einem Overlay verbunden. Das geplante Verlassen, sowie der ungewollte Absturz von Peers (genannt Churn) kann das Overlay schädigen und den Empfang einiger Peers unterbrechen. Weitaus kritischer sind Angriffe auf die Verfügbarkeit des Systems indem relevante Knoten des Overlays von Angreifern attackiert werden, um die Verteilung des Streams gezielt zu stören. Um Overlays zu konstruieren, die robust gegenüber Churn sind, nutzen so genannte pull-basierte P2P Streaming Systeme eine Mesh Topologie um jeden Peer über mehrere Pfade mit der Quelle zu verbinden. Peers fordern regelmäßig Teile des Videos, sog. Chunks, von ihren Partnern im Overlay an. Selbst wenn einige Partner plötzlich nicht mehr im System verfügbar sind kann ein Peer alle Chunks von den verbleibenden Nachbarn beziehen. Um dies zu ermöglichen tauschen Peers regelmäßig sog. Buffer Maps aus. Diese kleinen Pakete enthalten Informationen über die Verfügbarkeit von Chunks im Puffer eines Peers. Um dadurch entstehende Latenzen und den zusätzlichen Mehraufwand zu reduzieren wurden hybride Systeme entwickelt. Ein solches System beginnt pull-basiert und formt mit der Zeit einen Baum aus einer kleinen Untermenge aller Peers um Chunks ohne explizite Anfrage weiterzuleiten. Unglücklicherweise sind sowohl pull-basierte, als auch hybride Systeme anfällig gegenüber Denial-of-Service Angriffen (DoS). Insbesondere fehlen Maßnahmen zur Abschwächung von DoS Angriffen auf die Partner der Quelle. Die genannten Angriffe werden weiterhin dadurch erleichtert, dass die Identität der Quelle-nahen Knoten akkurat aus den ausgetauschten Buffer Maps extrahiert werden kann. Hybride Systeme sind außerdem anfällig für Angriffe auf den zugrundeliegenden Baum. Aufgrund der schwerwiegenden Auswirkungen von DoS Angriffen auf pull-basierte, sowie hybride Systeme stellen wir drei Gegenmaßnahmen vor. Zuerst entwickeln wir das Striping Schema zur Abschwächung von DoS Angriffen auf die Partner der Quelle. Hierbei werden Peers dazu angeregt ihre Chunk-Anfragen an unterschiedliche Partner zu senden. Als zweites entwickeln wir das SWAP Schema, welches Peers dazu bringt proaktiv ihre Partner zu wechseln um Angreifer daran zu hindern die Quellenahe zu identifizieren. Als drittes entwickeln wir RBCS, einen widerstandsfähigen Baum zur Abschwächung von DoS Angriffen auf hybride Systeme. Da bisher kein Simulator für die faire Evaluation von P2P-basierten Live Video Streaming Algorithmen verfügbar war, entwickeln wir OSSim, ein generalisiertes Simulations-Framework für P2P-basiertes Video Streaming. Des weiteren entwickeln wir etliche Angreifermodelle sowie neuartige Resilienzmetriken on OSSim. Ausgiebige Simulationsstudien zeigen, dass die entwickelten Schemata signifikant die Widerstandsfähigkeit von pull-basierten und hybriden Systemen gegenüber Churn und DoS Angriffen erhöhen. / The constantly growing demand to watch live videos over the Internet requires streaming systems to be cost-effective and resource-efficient. The Peer-to-Peer (P2P) streaming architecture has been a viable solution with various deployed systems to date. The system only requires a modest amount of bandwidth from the streaming source, since users (or peers) contribute their bandwidth to disseminate video streams. To enable this, the system interconnects peers into an overlay. However, churn–meaning the leaving and failing of peers–can break the overlay, making peers unable to receive the stream. More severely, an adversary aiming to sabotage the system can attack relevant nodes on the overlay, disrupting the stream delivery. To construct an overlay robust to churn, pull-based P2P streaming systems use a mesh topology to provide each peer with multiple paths to the source. Peers regularly request video chunks from their partners in the overlay. Therefore, even if some partners are suddenly absent, due to churn, a peer still can request chunks from its remaining partners. To enable this, peers periodically exchange buffer maps, small packets containing the availability information of peers’ video buffers. To reduce latency and overhead caused by the periodic buffer map exchange and chunk requests, hybrid systems have been proposed. A hybrid system bootstraps from a pull-based one and gradually forms a tree backbone consisting of a small subset of peers to deliver chunks without requests. Unfortunately, both pull-based and hybrid systems lack measures to mitigate Denial-of-Service (DoS) attacks on head nodes (or the source’s partners). More critically, they can be identified accurately by inferring exchanged buffer maps. Furthermore, hybrid systems are vulnerable to DoS attacks on their backbones. Since DoS attacks can badly affect both pull-based and hybrid systems, we introduce three countermeasures. First, we develop the striping scheme to mitigate DoS attacks targeting head nodes. The scheme enforces peers to diversify their chunk requests. Second, to prevent attackers from identifying head nodes, we develop the SWAP scheme, which enforces peers to proactively change their partners. Third, we develop RBCS, a resilient backbone, to mitigate DoS attacks on hybrid systems. Since a simulator for a fair evaluation is unavailable so far, we develop OSSim, a general-purpose simulation framework for P2P video streaming. Furthermore, we develop several attacker models and novel resilience metrics in OSSim. Extensive simulation studies show that the developed schemes significantly improve the resilient of pull-based and hybrid systems to both churn and DoS attacks.

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Um die ständig wachsenden Anforderungen zur Übertragung von Live Video Streams im Internet zu erfüllen werden kosteneffektive und resourceneffiziente Lösungen benötigt. Eine adäquate Lösung bietet die Peer-to-Peer (P2P) Streaming Architektur an, welche bereits heute in unterschiedlichsten Systemen zum Einsatz kommt. Solche Systeme erfordern von der Streaming Quelle nur moderate Bandbreiten, da die Nutzer (bzw. Peers) ihre eigene Bandbreite zur Verbreitung des Streams einbringen. Dazu werden die Peers oberhalb der Internetarchitektur zu einem Overlay verbunden. Das geplante Verlassen, sowie der ungewollte Absturz von Peers (genannt Churn) kann das Overlay schädigen und den Empfang einiger Peers unterbrechen. Weitaus kritischer sind Angriffe auf die Verfügbarkeit des Systems indem relevante Knoten des Overlays von Angreifern attackiert werden, um die Verteilung des Streams gezielt zu stören. Um Overlays zu konstruieren, die robust gegenüber Churn sind, nutzen so genannte pull-basierte P2P Streaming Systeme eine Mesh Topologie um jeden Peer über mehrere Pfade mit der Quelle zu verbinden. Peers fordern regelmäßig Teile des Videos, sog. Chunks, von ihren Partnern im Overlay an. Selbst wenn einige Partner plötzlich nicht mehr im System verfügbar sind kann ein Peer alle Chunks von den verbleibenden Nachbarn beziehen. Um dies zu ermöglichen tauschen Peers regelmäßig sog. Buffer Maps aus. Diese kleinen Pakete enthalten Informationen über die Verfügbarkeit von Chunks im Puffer eines Peers. Um dadurch entstehende Latenzen und den zusätzlichen Mehraufwand zu reduzieren wurden hybride Systeme entwickelt. Ein solches System beginnt pull-basiert und formt mit der Zeit einen Baum aus einer kleinen Untermenge aller Peers um Chunks ohne explizite Anfrage weiterzuleiten. Unglücklicherweise sind sowohl pull-basierte, als auch hybride Systeme anfällig gegenüber Denial-of-Service Angriffen (DoS). Insbesondere fehlen Maßnahmen zur Abschwächung von DoS Angriffen auf die Partner der Quelle. Die genannten Angriffe werden weiterhin dadurch erleichtert, dass die Identität der Quelle-nahen Knoten akkurat aus den ausgetauschten Buffer Maps extrahiert werden kann. Hybride Systeme sind außerdem anfällig für Angriffe auf den zugrundeliegenden Baum. Aufgrund der schwerwiegenden Auswirkungen von DoS Angriffen auf pull-basierte, sowie hybride Systeme stellen wir drei Gegenmaßnahmen vor. Zuerst entwickeln wir das Striping Schema zur Abschwächung von DoS Angriffen auf die Partner der Quelle. Hierbei werden Peers dazu angeregt ihre Chunk-Anfragen an unterschiedliche Partner zu senden. Als zweites entwickeln wir das SWAP Schema, welches Peers dazu bringt proaktiv ihre Partner zu wechseln um Angreifer daran zu hindern die Quellenahe zu identifizieren. Als drittes entwickeln wir RBCS, einen widerstandsfähigen Baum zur Abschwächung von DoS Angriffen auf hybride Systeme. Da bisher kein Simulator für die faire Evaluation von P2P-basierten Live Video Streaming Algorithmen verfügbar war, entwickeln wir OSSim, ein generalisiertes Simulations-Framework für P2P-basiertes Video Streaming. Des weiteren entwickeln wir etliche Angreifermodelle sowie neuartige Resilienzmetriken on OSSim. Ausgiebige Simulationsstudien zeigen, dass die entwickelten Schemata signifikant die Widerstandsfähigkeit von pull-basierten und hybriden Systemen gegenüber Churn und DoS Angriffen erhöhen. / The constantly growing demand to watch live videos over the Internet requires streaming systems to be cost-effective and resource-efficient. The Peer-to-Peer (P2P) streaming architecture has been a viable solution with various deployed systems to date. The system only requires a modest amount of bandwidth from the streaming source, since users (or peers) contribute their bandwidth to disseminate video streams. To enable this, the system interconnects peers into an overlay. However, churn–meaning the leaving and failing of peers–can break the overlay, making peers unable to receive the stream. More severely, an adversary aiming to sabotage the system can attack relevant nodes on the overlay, disrupting the stream delivery. To construct an overlay robust to churn, pull-based P2P streaming systems use a mesh topology to provide each peer with multiple paths to the source. Peers regularly request video chunks from their partners in the overlay. Therefore, even if some partners are suddenly absent, due to churn, a peer still can request chunks from its remaining partners. To enable this, peers periodically exchange buffer maps, small packets containing the availability information of peers’ video buffers. To reduce latency and overhead caused by the periodic buffer map exchange and chunk requests, hybrid systems have been proposed. A hybrid system bootstraps from a pull-based one and gradually forms a tree backbone consisting of a small subset of peers to deliver chunks without requests. Unfortunately, both pull-based and hybrid systems lack measures to mitigate Denial-of-Service (DoS) attacks on head nodes (or the source’s partners). More critically, they can be identified accurately by inferring exchanged buffer maps. Furthermore, hybrid systems are vulnerable to DoS attacks on their backbones. Since DoS attacks can badly affect both pull-based and hybrid systems, we introduce three countermeasures. First, we develop the striping scheme to mitigate DoS attacks targeting head nodes. The scheme enforces peers to diversify their chunk requests. Second, to prevent attackers from identifying head nodes, we develop the SWAP scheme, which enforces peers to proactively change their partners. Third, we develop RBCS, a resilient backbone, to mitigate DoS attacks on hybrid systems. Since a simulator for a fair evaluation is unavailable so far, we develop OSSim, a general-purpose simulation framework for P2P video streaming. Furthermore, we develop several attacker models and novel resilience metrics in OSSim. Extensive simulation studies show that the developed schemes significantly improve the resilient of pull-based and hybrid systems to both churn and DoS attacks.

In this thesis, the problems caused by peer behavior in peer-to-peer (P2P) video streaming is investigated. First, peer behaviors are modeled using two dimensional continuous time markov chains to investigate the reliability of P2P video streaming systems. Then a metric is proposed to evaluate the dynamic behavior and evolution of P2P overlay network. Next, a hybrid geographical location-time and interest based clustering algorithm is proposed to improve the success ratio and reduce the delivery time of required content. Finally, Hybrid Fault Tolerant Video Streaming System (HFTS) over P2P networks has been designed and offered conforming the required Quality of Service (QoS) and Fault Tolerance. The results indicate that the required QoS can be achieved in streaming video applications using the proposed hybrid approach.