Abstract Mobile peer-to-peer (P2P) networks have emerged as a substrate for distributed wireless Internet applications. With P2P systems, it is possible to share resources such as data storage space, media files, network bandwidth, or computing power among the devices, which participate in the network, without large and expensive centralised server machines. However, the special characteristics of the mobile environment such as the low computational power, changing network conditions, and limited battery life pose several challenges for the fluent operation of mobile devices in P2P networks; this is also in part affected by the complexity of distributed P2P systems. Software development for mobile devices and the design of mobile networking systems are challenging due to the limited device resources and heterogeneous software platforms. Moreover, the energy consumption of a mobile device, and the network-wide routing efficiency that affects for example the resource lookup performance, depend on multiple variable parameters. P2P application development can be facilitated, however, by using middleware, which hides the complexity of networking from the application programmers. The research contributions of this thesis can be classified into three categories: (1) Novel functionalities of mobile middleware are proposed. One of these is a cross-layer connectivity management framework, which aims to select the best combination of network technology entities in a specific usage situation; the selection is made by logic contained in a replaceable state machine. Another new functionality is a system, which installs a missing application for the user, when the user receives a session request from another user. A signalling system based on the cellular USSD protocol is also presented; the system facilitates the establishment of a P2P connection with a mobile device, whose IP-based network connection is off. Moreover, the suitability of the P2PSIP protocol for implementing wireless distributed services is analysed. (2) P2P-related measurement studies are presented. In them, the message routing efficiency of a P2PP protocol implementation and the network traffic load caused by the messaging are observed, and the energy consumption incurred by the same implementation in a mobile device is measured. In addition, a server-based testbed system used in these measurements is described. (3) Experience-backed guidelines for mobile middleware development are presented. These include practical instructions for software development on a restricted mobile platform, and guidelines and observations related to cross-platform software development. / Tiivistelmä Mobiilit vertaisverkot (P2P) ovat uusi alusta hajautetuille langattomille Internet-sovelluksille. P2P-järjestelmien avulla on mahdollista jakaa resursseja kuten tiedon tallennustilaa, mediatiedostoja, verkon kaistanleveyttä tai laskentatehoa laitteiden kesken, jotka osallistuvat verkkoon, ilman suuria ja kalliita keskitettyjä palvelinkoneita. Mobiiliympäristön erityispiirteet kuten vähäinen laskentateho, vaihtelevat verkko-olosuhteet ja rajallinen akkukesto asettavat kuitenkin useita haasteita sujuvalle mobiililaitteiden vertaisverkkokäytölle; tähän vaikuttaa osaltaan myös hajautettujen P2P-järjestelmien monimutkaisuus. Mobiililaitteiden ohjelmistokehitys ja mobiiliverkkojärjestelmien suunnittelu on haastavaa rajallisten laiteresurssien ja epäyhtenäisten ohjelmistoalustojen vuoksi. Lisäksi mobiililaitteen energiankulutus ja koko P2P-verkon reititystehokkuus, joka vaikuttaa esimerkiksi resurssien hakutehokkuuteen, riippuvat useista muuttuvista parametreista. P2P-sovelluskehitystä voidaan kuitenkin helpottaa käyttämällä välikerrosohjelmistoja, jotka kätkevät verkon käytön monimutkaisuuden sovellusohjelmoijilta. Tämän väitöskirjan tutkimuksellinen uutuusarvo voidaan jakaa kolmeen osa-alueeseen: (1) Uusia toiminnallisuuksia mobiileihin välikerrosohjelmistoihin esitellään. Eräs näistä on verkkokerrosten välinen yhteydenhallintajärjestelmä, jossa pyritään valitsemaan tietyssä käyttötilanteessa paras verkkotekniikoiden yhdistelmä; valinnan tekee vaihdettavien tilakoneiden sisältämä logiikka. Toinen uusi toiminnallisuus on järjestelmä, joka asentaa puuttuvan sovelluksen käyttäjälle, kun käyttäjä saa toiselta käyttäjältä pyynnön ryhtyä yhteysjaksoon tämän kanssa. Myös soluverkkojen USSD-protokollaan perustuva signalointijärjestelmä esitellään; järjestelmän avulla helpotetaan P2P-yhteydenmuodostusta sellaisen mobiililaitteen kanssa, jonka IP-pohjainen verkkoyhteys on poissa päältä. Lisäksi P2PSIP-protokollan soveltuvuutta langattomien hajautettujen palvelujen toteuttamiseen analysoidaan. (2) Esitellään P2P-mittaustutkimuksia. Näissä havainnoidaan P2PP-protokollatoteutuksen viestien reititystehokkuutta ja viestien aiheuttamaa verkkoliikennekuormaa sekä mitataan saman toteutuksen aiheuttamaa energiankulutusta mobiililaitteessa. Lisäksi kuvaillaan mittauksissa hyödynnetty palvelinpohjainen testausjärjestelmä. (3) Esitetään kokemuksiin perustuvia neuvoja mobiilien välikerrosohjelmistojen kehitystyötä varten. Nämä sisältävät käytännöllisiä ohjeita rajoitetulla mobiilialustalla tapahtuvaan ohjelmistokehitykseen sekä neuvoja ja havaintoja liittyen yhtäaikaiseen useiden kohdealustojen ohjelmistokehitykseen.

Abstract The popularity of social networking services emphasises the importance of user communities. As the next evolutionary step, social networking will evolve towards user communities that are dynamically established according to contextual aspects such as the shared location and/or activities of people. In this vision, distributed peer-to-peer (P2P) technologies provide a respectable alternative to the centralised client-server technologies for implementing the upcoming community-centric mobile services. This thesis focuses on the development of enabling techniques and methods for a community-centric mobile service environment and on the evaluation of users’ perceptions and user acceptance of novel community-centric mobile services. The research was carried out by first examining the applicability of different P2P system architectures for implementing the management of user communities. Next, an experimental prototype of a community-centric mobile service environment was implemented. The experimental prototype was used for evaluating the performance of the community-centric mobile service environment and for conducting the user studies of novel community-centric mobile services. The evaluation was conducted in a real deployment environment with test users. The main results are the following: (1) a conceptual analysis of the advantages and disadvantages of P2P group management systems that are implemented using architecturally distinct P2P system architectures; (2) a performance evaluation of a P2P community management system, in which each community is implemented as an independent structured P2P overlay network; (3) a novel community-centric mobile service environment and its core component, a mobile middleware, which enables the use of P2P technologies and context information as part of Web-based applications running on a Web browser; (4) an evaluation of users’ perceptions and user acceptance of novel community-centric mobile services that are related to making a selection of an entertainment premise based on its music style and voting for music in a user community. / Tiivistelmä Käyttäjäyhteisöiden tärkeys on korostunut sosiaalista verkottumista edistävien palveluiden suosion kautta. Seuraavaksi sosiaalinen verkottuminen tulee laajentumaan yhteisöihin, jotka perustetaan dynaamisesti muun muassa ihmisten yhteisen sijainnin ja/tai toiminnan perusteella. Tulevaisuuden yhteisöllisten mobiilipalveluiden toteutuksessa hajautetut vertaisverkkoteknologiat tarjoavat varteenotettavan vaihtoehdon keskitetyille asiakas-palvelin -teknologioille. Tämä väitöskirjatyö keskittyy kehittämään tarvittavia tekniikoita ja menetelmiä yhteisöllisen mobiilipalveluympäristön toteuttamiseen sekä arvioimaan käyttäjien kokemuksia uusista yhteisöllisistä mobiilipalveluista. Tutkimuksessa tarkasteltiin aluksi arkkitehtuurillisesti erilaisten vertaisverkkojärjestelmien sopivuutta käyttäjäyhteisöjen hallinnan toteutettamiseksi. Seuraavaksi tutkimuksessa toteutettiin kokeellinen prototyyppi yhteisöllisestä mobiilipalveluympäristöstä. Kokeellista prototyyppiä hyödynnettiin sekä yhteisöllisen mobiilipalveluympäristön suorituskyvyn että uusien yhteisöllisten mobiilipalveluiden käyttäjäkokemuksen arvioinnissa. Arviointi suoritettiin aidossa käyttöympäristössä testikäyttäjien avulla. Väitöskirjatyön keskisimmät tulokset ovat seuraavat: (1) käsitteellinen analyysi arkkitehtuurillisesti erilaisten vertaisverkkojärjestelmien vahvuuksista ja heikkouksista ryhmänhallintajärjestelmän toteuttamisessa; (2) sellaisen yhteisönhallintajärjestelmän arviointi, jossa jokainen yhteisö on toteutettu erillisen ja itsenäisen rakenteellisen vertaisverkon avulla; (3) uusi yhteisöllinen mobiilipalveluympäristö, jonka keskeisin osa mobiili välikerrosohjelmisto mahdollistaa vertaisverkkoteknologioiden ja kontekstitiedon käyttämisen selaimessa toimivissa Web-sovelluksissa; (4) sellaisten uusien yhteisöllisten mobiilipalveluiden käyttäjäkokemuksen arviointi, jotka liittyvät vapaa-ajan viettopaikan valitaan musiikin perusteella ja soitettavan musiikin äänestämiseen käyttäjäyhteisöissä.

Abstract Energy efficiency is a powerful measure for promoting sustainability in technological evolution and ensuring feasible battery life of end-user devices in mobile computing. Peer-to-peer technology provides decentralized and self-organizing architecture for distributing content between devices in networks that scale up almost infinitely. However, peer-to-peer networking may require lots of resources from peer nodes, which in turn may lead to increased energy consumption on mobile devices. For this reason, peer-to-peer networking has so far been considered unfeasible for mobile environment. This thesis makes several contributions towards enabling energy-aware peer-to-peer networking in mobile environments. First, an empirical study is conducted to understand the energy consumption characteristics of radio interfaces and typical composition of traffic in structured peer-to-peer networks. This is done in order to identify the most essential obstacles for utilizing peer-to-peer technology in mobile environments. Second, the e-Aware model for estimating the energy consumption of a mobile device is developed and empirically verified to achieve 3-21% error in comparison to real-life measurements. Third, the e-Mon model for the energy-aware load monitoring of peer nodes is developed and demonstrated to improve the battery life of mobile peer nodes up to 470%. Fourth, the ADHT concept of mobile agent based virtual peers is proposed for sharing the peer responsibilities between peer nodes in a subnet so that they can participate in a peer-to-peer overlay without compromising their battery life. The results give valuable insight into implementing energy-efficient peer-to-peer systems in mobile environments. The e-Aware energy consumption model accelerates the development of energy-efficient networking solutions by reducing the need for time-consuming iterations between system development and evaluations with real-life networks and devices. The e-Mon load monitoring model facilitates the participation of battery-powered devices in peer-to-peer and other distributed networks by enabling energy-aware load balancing where energy-critical mobile nodes carry less load than other nodes. The ADHT facilitates the participation of constrained-capacity wireless devices, such as machine-to-machine nodes, in a peer-to-peer network by allowing them to sleep for most of their time. / Tiivistelmä Energiatehokkuus on kustannustehokas tapa vähentää päätelaitteiden käytön aiheuttamia kasvihuonepäästöjä sekä parantaa niiden akunkestoa. Vertaisverkkoteknologia tarjoaa hajautetun, itseorganisoituvan, sekä lähes rajattomasti skaalautuvan verkkoarkkitehtuurin päätelaitteiden väliseen tallennustilan, mediasisältöjen ja tietoliikennekapasiteetin suorajakamiseen. Vertaisverkkojen suurin heikkous mobiilikäytön näkökulmasta on niiden päätelaitteille aiheuttama ylimääräinen kuormitus, mikä näkyy lisääntyneenä energiankulutuksena. Tässä väitöskirjassa on tutkittu mekanismeja vertaisverkon päätelaitteiden energiatehokkuuden parantamiseksi, tavoitteena riittävä akunkesto mobiilikäytössä. Aluksi työssä tutkittiin empiirisesti langattomien verkkojen mobiilipäätelaitteille aiheuttamaa energiankulutusta sekä rakenteellisten vertaisverkkojen vertaispäätelaitteille aiheuttamaa liikennekuormitusta. Tavoitteena oli muodostaa käsitys suurimmista haasteista mobiililaitteiden käytölle vertaisverkoissa. Seuraavaksi mobiiliverkkojen energiankulutusta koskevasta havaintoaineistosta muodostettiin energiankulutusmalli, e-Aware, jolla voitiin arvioida mobiilipäätelaitteen energiankulutusta erilaisilla verkon liikenneprofiileilla. Mallilla saavutettiin parhaimmillaan kolmen prosentin keskimääräinen virhe. Kolmannessa vaiheessa kehitettiin energiatietoinen kuormanseurantamalli, e-Mon, jota käyttäen saavutettiin jopa 470 % lisäys mobiilin vertaispäätelaitteen akunkestoon. Viimeisessä vaiheessa kehitettiin ADHT-konsepti, joka on uudentyyppinen tapa jakaa vertaispäätelaitteiden kuormaa usean saman verkkoklusterin päätelaitteen kesken käyttäen laitteesta toiseen kiertävää mobiiliagenttia. Väitöskirjan tulokset osoittavat että mobiililaitteiden energiatehokkuutta vertaisverkoissa pystytään olennaisesti parantamaan energiatietoisia kuormanjakomekanismeja käyttäen. Työssä kehitetty e-Aware nopeuttaa energiatehokkaiden hajautettujen järjestelmien kehitystyötä tarjoamalla tehokkaan työkalun järjestelmän energiankulutuksen arvioimiseen jo kehitysvaiheessa. e-Mon mahdollistaa energiatietoisen kuormanjaon vertaisverkoissa tarjoamalla tarvittavan kuormanseurantamallin. ADHT puolestaan tarjoaa uudenlaisen tavan vähentää vertaisverkkojen aiheuttamaa päätelaitekuormitusta hyödyntäen maksimaalisesti rajoitetun kapasiteetin laitteiden unitilojen käyttöön perustuvaa energiankulutusoptimointia.

Abstract Peer-to-Peer (P2P) networks have been applied in many applications for sharing resources such as storage space, media files or network bandwidth. Their main benefits include decentralization, self-organization, and scalability. Moreover, P2P technologies are evolving towards hybrid systems, where P2P networks are used in those parts of a larger system to leverage the decentralization most efficiently. The examples include cloud computing, where P2P networks are used in sharing computing resources, and Machine-to-Machine communication, where P2P networks are used for resource discovery. In super-peer overlays, the nodes are either regular nodes or super nodes that are located higher in the node hierarchy. This type of overlay explores the heterogeneity of peers in the overlay network to enable applications to run more efficiently. Leveraging the advantage of a super-peer overlay for service provision is an important issue. This thesis contributes to the research and development of super-peer-based coordination service provision from three aspects. Firstly, a super-peer-based coordinated service provision framework is proposed to coordinate different service groups and service peers in resource sharing, aiming to enable service groups to adapt to dynamic service demands. The proposed framework is evaluated using the following performance metrics: service response time, scalability, robustness, and communication traffic, in comparison to related work. Secondly, an efficient algorithm for rapidly constructing a robust super-peer overlay is proposed. The algorithm introduces a super-peer candidate based method for super-peer selection and a two-hop search method for finding client peers. Performance evaluation takes into account the convergence time of building a super-peer overlay, communication overhead, scalability, robustness. A comparison to related work is also conducted. Thirdly, the architecture of distributed resource discovery based on P2P overlay for Machine-to-Machine service provision is proposed. The architecture supports heterogeneous devices using different communication protocols in resource registration and discovery for achieving interoperability. As a part of the thesis, a functional real-world prototype is implemented and verified with a simple demonstration. Preliminary evaluation on the prototype indicates that caching can improve the response time of resource lookup dramatically. / Tiivistelmä Vertaisverkkoja on hyödynnetty resurssien kuten tallennustilan, mediasisältöjen ja tietoliikennekapasiteetin jakamisessa. Niiden etuja perinteisiin keskitettyihin järjestelmiin verrattuna ovat hajautettu arkkitehtuuri, itseorganisoituvuus ja skaalautuvuus. Vertaisverkkoja käytetään yhä useammin järjestelmän osien toteuttamisessa, joissa hajautettujen resurssien hyödyntämisellä saavutetaan suurimmat edut. Esimerkkeinä ovat pilvilaskenta, jossa vertaisverkkoa käytetään laskentaresurssien jakamiseen, sekä laitteidenvälinen kommunikaatio, jossa vertaisverkkoja käytetään resurssien löytämiseen. Hierarkkisissa vertaisverkoissa niihin kytkeytyneet laitteet jaotellaan laitteiden kapasiteetin mukaan tavallisiin noodeihin ja näiden yläpuolella hierarkiassa toimiviin ylinoodeihin. Ylinoodeihin perustuva vertaisverkon kuoriverkko hyödyntää yksittäisten verkon noodien eli laitteiden erilaisuutta, jotta verkko voisi toimia tehokkaammin. Tämän ominaisuuden hyödyntäminen on erityisen tärkeää palvelun tarjonnassa. Tässä työssä on tutkittu ylinoodeihin perustuvan vertaisverkon palvelun tarjontaa kolmesta näkökulmasta. Ensimmäiseksi, työssä ehdotetaan ylinoodien koordinoimaa palveluntarjonnan toimintamallia resurssien jakamisessa. Toimintamallissa palveluryhmät ja palvelunoodit adaptoituvat dynaamisesti palvelupyyntöjen tarpeisiin. Tämän ratkaisun suorituskykyä arvioidaan palvelun vasteajan, skaalautuvuuden, robustisuuden ja tietoliikennemäärän suhteen verrattuna aiempiin ratkaisuihin. Toiseksi, työssä esitellään tehokas algoritmi robustin ylinoodikuoriverkon nopeaan muodostamiseen. Algoritmi käyttää ylinoodiehdokasmenetelmää ja kahden hypyn hakumetodia asiakasnoodien etsimisessä. Suorituskyvyn arvioinnissa otetaan huomioon ylinoodikuoriverkon konvergoitumisaika, tietoliikenneviestinnän aiheuttama ylimääräinen kuormitus, sekä järjestelmän skaalautuvuus ja robustisuus. Esitetyn algoritmin tehokkuutta arvioidaan vertaamalla näitä suorituskykymittareita aiempiin ratkaisuihin. Kolmanneksi, työssä esitellään hajautettu resurssihakemiston arkkitehtuuri, joka perustuu laitteiden välisen kuoriverkon palveluntarjontaan. Arkkitehtuuri tukee erilaisten laitteiden ja niiden käyttämien protokollien resurssien rekisteröintiä ja löytämistä yhteensopivuuden saavuttamiseksi. Väitöskirjatyön osana on toteutettu toimiva prototyyppi, jonka toimivuus on todennettu demonstraation avulla. Prototyypillä tehdyt mittaukset antavat perustellun syyn olettaa, että esitetyn ratkaisun mukainen välimuistin käyttö voi merkittävästi lyhentää resurssien etsimisen vasteaikaa.

Abstract This study addresses the justifications of the duration of copyright, the revenue-generating models in the music business, and the availability of digital music in Finland. The first goal was to understand how different stakeholders in the music industry relate to copyright and how they justify what they consider the optimal duration. The second goal was to map out the revenue-generating models in the music industry at a time when the consumption of music has changed from analogue to digital formats, from physical products to streaming services. The third goal was to find out the different ways in which digital music is available on the internet in Finland. The research material consists of survey research, half-structured theme interviews and documentary material. The applied research methods are theory- and material-based content analysis. The theoretical approaches utilized are the theory of justice by John Rawls, the theory of hegemony by Antonio Gramsci, the classical communication model by Roman Jakobson, and power theory by Lawrence Lessig. It uses as its interpretational theory the model of justification of copyright by Laura Leppämäki. The results state the following: The most common justification provided for the optimal duration of copyright is utilitarianism – advantage to society as a whole. The same justification is given by stakeholders who want to keep the duration as it stands, and also by those who wish to shorten it. Another common justification is to see copyright as a natural item of ownership, claimed by work, and especially as a subject of inheritance, preferably for two subsequent generations. The problems concerning the revenue-generating models in the digital world tend to focus on distribution of income on three different levels: record contracts; the distribution models of the streaming companies; and contracts between content sharing companies, record companies and rights organizations. The authors and artists have the weakest bargaining position in the negotiations. The results on availability of digital music show that digital music can be discovered via public services (music libraries), commercial services (streaming companies), and ad hoc societal services (peer-to-peer networks). The role of music libraries as a content provider has decreased since the majority of music consumption has altered to digital services. / Tiivistelmä Tutkimus käsittelee musiikin tekijänoikeuden keston perusteluja, musiikkialan ansaintalogiikoita ja digitaalisten musiikkiaineistojen saatavuutta Suomessa. Tarkoituksena oli hahmottaa, miten musiikkiteollisuuden eri osapuolet suhtautuvat tekijänoikeuteen ja miten ne perustelevat tekijänoikeuksien optimaalista kestoa. Tavoitteena oli myös kartoittaa musiikkialan ansaintalogiikat, jotka ovat muuttuneet siirryttäessä analogisesta musiikin kulutuksesta digitaaliseen musiikin kulutukseen, ennen kaikkea suoratoistopalveluihin. Kolmantena tehtävänä oli selvittää, millä tavoilla digitaalista musiikkia on saatavilla internetin välityksellä Suomessa. Tutkimusaineisto koostuu kyselytutkimuksesta, puolistrukturoiduista teemahaastatteluista sekä dokumenttiaineistosta. Tutkimusmenetelmänä käytettiin sekä teoria- että aineistolähtöistä sisällönanalyysia. Tutkimuksessa sovellettuja teorioita ovat John Rawlsin oikeudenmukaisuusteoria, Antonio Gramscin hegemoniateoria, Roman Jakobsonin klassinen kommunikaatiomalli ja Lawrence Lessigin valtateoria. Tutkimus käyttää tekijänoikeuksia koskevan tutkimuskysymyksen kohdalla tulkintateoriana Laura Leppämäen esittämää mallia oikeuksien perusteluista. Tutkimuksen tuloksena on, että sekä tekijänoikeuden nykyistä kestoa että sen lyhentämistä perustellaan ennen kaikkea utilitarismilla. Toinen keskeinen perustelukeino oli työn kautta teoksiin saatava omistusoikeus ja tämän omistusoikeuden kautta tarjoutuva mahdollisuus oikeuksien jättämiseen perintönä tekijän jälkipolville. Ansaintalogiikoiden kohdalla esiin nousi digitaalisesta myynnistä generoituvien tulojen jakamiseen liittyvät ongelmat, joita esiintyy niin musiikintekijöiden ja levy-yhtiöiden välisissä sopimuksissa, suoratoistopalvelujen sisäisissä maksumalleissa kuin internetin alustapalveluiden ja oikeudenhaltijoiden sekä heitä edustavien järjestöjen välisissä sopimuksissa. Heikoimmassa asemassa sopimuksia koskevissa neuvotteluissa ovat musiikintekijät ja artistit. Digitaalisen musiikkiaineiston saatavuuden kohdalla keskeisenä tuloksena on, että aineistoa on saatavilla julkisen palvelun eli yleisten musiikkikirjastojen, kaupallisten palveluiden eli suoratoistopalveluiden ja yhteisöllisten palveluiden eli vertaisverkkojen välityksellä. Musiikkikirjastojen rooli aineistojen tarjoajana on pienentynyt siirryttäessä analogisen musiikin kulutuksesta digitaalisen musiikin kulutukseen.