TY  - THES
A1  - Jarschel, Michael
T1  - An Assessment of Applications and Performance Analysis of Software Defined Networking
T1  - Eine Untersuchung von Anwendungen und Leistungsbewertung von Software Defined Networking
N2  - With the introduction of OpenFlow by the Stanford University in 2008, a process began in the area of network research, which questions the predominant approach of fully distributed network control. OpenFlow is a communication protocol that allows the externalization of the network control plane from the network devices, such as a router, and to realize it as a logically-centralized entity in software. For this concept, the term "Software Defined Networking" (SDN) was coined during scientific discourse.
 
For the network operators, this concept has several advantages. The two most important can be summarized under the points cost savings and flexibility. Firstly, it is possible through the uniform interface for network hardware ("Southbound API"), as implemented by OpenFlow, to combine devices and software from different manufacturers, which increases the innovation and price pressure on them. Secondly, the realization of the network control plane as a freely programmable software with open interfaces ("Northbound API") provides the opportunity to adapt it to the individual circumstances of the operator's network and to exchange information with the applications it serves. This allows the network to be more flexible and to react more quickly to changing circumstances as well as transport the traffic more effectively and tailored to the user’s "Quality of Experience" (QoE). 

The approach of a separate network control layer for packet-based networks is not new and has already been proposed several times in the past. Therefore, the SDN approach has raised many questions about its feasibility in terms of efficiency and applicability. These questions are caused to some extent by the fact that there is no generally accepted definition of the SDN concept to date. It is therefore a part of this thesis to derive such a definition. In addition, several of the open issues are investigated. This Investigations follow the three aspects: Performance Evaluation of Software Defined Networking, applications on the SDN control layer, and the usability of SDN Northbound-API for creation application-awareness in network operation. 
Performance Evaluation of Software Defined Networking: The question of the efficiency of an SDN-based system was from the beginning one of the most important. In this thesis, experimental measurements of the performance of OpenFlow-enabled switch hardware and control software were conducted for the purpose of answering this question. The results of these measurements were used as input parameters for establishing an analytical model of the reactive SDN approach. Through the model it could be determined that the performance of the software control layer, often called "Controller", is crucial for the overall performance of the system, but that the approach is generally viable. Based on this finding a software for analyzing the performance of SDN controllers was developed. This software allows the emulation of the forwarding layer of an SDN network towards the control software and can thus determine its performance in different situations and configurations. The measurements with this software showed that there are quite significant differences in the behavior of different control software implementations. Among other things it has been shown that some show different characteristics for various switches, in particular in terms of message processing speed. Under certain circumstances this can lead to network failures.
 
Applications on the SDN control layer: The core piece of software defined networking are the intelligent network applications that operate on the control layer. However, their development is still in its infancy and little is known about the technical possibilities and their limitations. Therefore, the relationship between an SDN-based and classical implementation of a network function is investigated in this thesis. This function is the monitoring of network links and the traffic they carry. A typical approach for this task has been built based on Wiretapping and specialized measurement hardware and compared with an implementation based on OpenFlow switches and a special SDN control application. The results of the comparison show that the SDN version can compete in terms of measurement accuracy for bandwidth and delay estimation with the traditional measurement set-up. However, a compromise has to be found for measurements below the millisecond range.
 
Another question regarding the SDN control applications is whether and how well they can solve existing problems in networks. Two programs have been developed based on SDN in this thesis to solve two typical network issues. Firstly, the tool "IPOM", which enables considerably more flexibility in the study of effects of network structures for a researcher, who is confined to a fixed physical test network topology.

The second software provides an interface between the Cloud Orchestration Software "OpenNebula" and an OpenFlow controller. The purpose of this software was to investigate experimentally whether a pre-notification of the network of an impending relocation of a virtual service in a data center is sufficient to ensure the continuous operation of that service. This was demonstrated on the example of a video service. 

Usability of the SDN Northbound API for creating application-awareness in network operation: Currently, the fact that the network and the applications that run on it are developed and operated separately leads to problems in network operation. SDN offers with the Northbound-API an open interface that enables the exchange between information of both worlds during operation. One aim of this thesis was to investigate whether this interface can be exploited so that the QoE experienced by the user can be maintained on high level. For this purpose, the QoE influence factors were determined on a challenging application by means of a subjective survey study. The application is cloud gaming, in which the calculation of video game environments takes place in the cloud and is transported via video over the network to the user. It was shown that apart from the most important factor influencing QoS, i.e., packet loss on the downlink, also the type of game type and its speed play a role. This demonstrates that in addition to QoS the application state is important and should be communicated to the network. Since an implementation of such a state conscious SDN for the example of Cloud Gaming was not possible due to its proprietary implementation, in this thesis the application “YouTube video streaming” was chosen as an alternative. For this application, status information is retrievable via the "Yomo" tool and can be used for network control. It was shown that an SDN-based implementation of an application-aware network has distinct advantages over traditional network management methods and the user quality can be obtained in spite of disturbances.
N2  - Mit der Vorstellung von OpenFlow durch die Stanford Universität im Jahre 2008 begann ein Prozess im Bereich der Netzwerkforschung, der den vorherrschenden Ansatz der völlig verteilten Netzsteuerung in Frage stellt. Bei OpenFlow handelt es sich um ein Kommunikationsprotokoll, das es ermöglicht die Netzsteuerung aus den Netzwerkgeräten, z. B. einem Router, herauszulösen und als logisch-zentralisierte Einheit als reine Software zu realisieren. Ein Konzept für das im Verlauf des wissenschaftlichen Diskurses der Begriff „Software Defined Networking“ (SDN) geprägt wurde. 
Für die Betreiber von Netzwerken hat dieses Konzept verschiedene Vorteile. Die beiden wichtigsten lassen sich unter den Punkten Kostenersparnis und Flexibilität zusammenfassen. Zum einen ist es durch die einheitliche Schnittstelle zur Netzwerkhardware („Southbound-API“), wie sie von OpenFlow realisiert wird, möglich Geräte und Software verschiedener Hersteller miteinander zu kombinieren, was den Innovations- und Preisdruck auf diese erhöht. Zum anderen besteht durch die Realisierung der Netzwerksteuerung als frei programmierbare Software mit offenen Schnittstellen („Northbound-API“) die Möglichkeit diese an die individuellen Gegebenheiten des Betreibernetzes anzupassen als auch Informationen mit den Applikationen auszutauschen, die es bedient. Dadurch kann das Netz viel flexibler und schneller auf sich ändernde Gegebenheiten reagieren und den Verkehr effektiver und auf die vom Nutzer erfahrene „Quality of Experience“ (QoE) abgestimmt transportieren.
Der Ansatz einer von der Hardware getrennten Netzwerkkontrollschicht für paket-basierte Netze ist nicht neu und wurde in der Vergangenheit bereits mehrfach vorgeschlagen. Daher sah und sieht sich der Ansatz von SDN vielen Fragen nach seiner Realisierbarkeit im Bezug auf Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit gegenüber. Diese Fragen rühren zum Teil auch daher, dass es bis dato keine allgemein anerkannte Definition des SDN Begriffes gibt. Daher ist es ein Teil dieser Doktorarbeit eine solche Definition herzuleiten. Darüber hinaus werden verschiedene der offenen Fragen auf ihre Lösung hin untersucht. Diese Untersuchungen folgen drei Teilaspekten: Leistungsbewertung von Software Defined Networking, Anwendungen auf der SDN Kontrollschicht und die Nutzbarkeit der SDN Northbound-API zum Herstellen eines Applikationsbewusstseins im Netzbetrieb. 
Leistungsbewertung von Software Defined Networking: Die Frage nach der Leistungsfähigkeit eines SDN-basierten Systems war von Beginn an eine der wichtigsten. In dieser Doktorarbeit wurden zu diesem Zweck experimentelle Messungen zur Leistung OpenFlow-fähiger Switch Hardware und Kontrollsoftware durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Messungen dienten als Eingabeparameter zur Aufstellung eines analytischen Modells des reaktiven SDN Ansatzes. Durch das Modell ließ sich bestimmen, dass die Leistungsfähigkeit der Software Kontrollschicht, oft „Controller“ genannt, von entscheidender Bedeutung für die Gesamtleistung des Systems ist, aber der Ansatz insgesamt tragfähig ist. Basierend auf dieser Erkenntnis wurde eine Software zur Analyse der Leistungsfähigkeit von SDN Controllern entwickelt. Diese Software ermöglicht die Emulation der Weiterleitungsschicht eines SDN Netzes gegenüber der Kontrollsoftware und kann so deren Leistungsdaten in verschiedenen Situationen und Konfigurationen bestimmen. Die Messungen mit dieser Software zeigten, dass es durchaus gravierende Unterschiede im Verhalten verschiedener Kontrollsoftware Implementierungen gibt. Unter anderem konnte gezeigt werden, dass einige gegenüber verschiedenen Switches ein unterschiedliches Verhalten aufweisen, insbesondere in der Abarbeitungsgeschwindigkeit von Nachrichten. Ein Umstand der in bestimmten Fällen zu Netzausfällen führen kann.
Anwendungen auf der SDN Kontrollschicht: Das Kernstück von Software Defined Networking sind die intelligenten Netzwerkapplikationen, die auf der Kontrollschicht betrieben werden. Allerdings steht deren Entwicklung noch am Anfang und es ist wenig über die technischen Möglichkeiten und deren Grenzen bekannt. Daher wurde in dieser Doktorarbeit der Frage nachgegangen, in welchem Verhältnis sich die Realisierung einer Netzwerkaufgabe mit SDN zur klassischen Umsetzung dieser bewegt. Bei dieser Aufgabe handelt es sich im speziellen um das Monitoring von Links und dem darauf befindlichen Netzwerkverkehr. Hier wurde ein typischer Ansatz für diese Aufgabe basierend auf Wiretapping und spezieller Messhardware aufgebaut und mit einer Implementierung durch OpenFlow Switches und einer speziellen SDN Kontrollapplikation verglichen. Die Ergebnisse des Vergleiches zeigen, dass die SDN Variante im Bezug auf Bandbreiten und Verzögerungsabschätzung durchaus mit dem traditionellen Messaufbau im Bezug auf Messgenauigkeit mithalten kann. Jedoch müssen Abstriche bezüglich der Verzögerungsmessung unterhalb des Millisekundenbereiches gemacht werden.
Eine weitere Frage bezüglich der SDN Kontrollapplikationen besteht darin, ob und wie gut sich bestehende Probleme in Netzwerken jetzt mit SDN lösen lassen. Diesbezüglich wurden in dieser Doktorarbeit zwei Programme auf SDN Basis entwickelt, die zwei typische Netzwerkprobleme lösen. Zum einen das Tool „IPOM“, dass es ermöglicht via SDN auf Basis einer festen physikalischen Testnetz-Topologie eine andere zu emulieren und so einem Forscher auf dem Testnetz deutlich mehr Flexibilität bei der Untersuchung von Auswirkungen anderer Netzstrukturen zu ermöglichen.
Die zweite Software stellt eine Schnittstelle zwischen der Cloud Orchestration Software „OpenNebula“ und einem OpenFlow Controller dar. Der Zweck dieser Software war es experimentell zu untersuchen, ob eine Vorwarnung des Netzes vor einem bevorstehenden Umzug eines virtuellen Dienstes in einem Datenzentrum hinreichend ist, um den kontinuierlichen Betrieb dieses Dienstes zu gewährleisten. Dieses konnte am Beispiel eines Videodienstes demonstriert werden.
Nutzbarkeit der SDN Northbound-API zum Herstellen eines Applikationsbewusstseins im Netzbetrieb: Aktuell führt die Tatsache, dass Netz und Applikationen, die darauf laufen, separat entwickelt und betrieben werden zu Problemen im Netzbetrieb. SDN bietet mit der Northbound-API eine Schnittstelle an, die den Austausch zwischen Informationen beider Welten im Betrieb ermöglicht. Ein Ziel dieser Doktorarbeit war es zu untersuchen, ob sich diese Schnittstelle ausnutzen lässt, so dass die vom Nutzer erfahrene QoE hoch gehalten werden kann. Zu diesem Zwecke wurden zunächst mittels einer subjektiven Umfragestudie die Einflussfaktoren auf eine anspruchsvolle Applikation bestimmt. Bei der Applikation handelt es sich um Cloud Gaming, bei dem die Berechnung der Videospiele Umgebung in der Cloud stattfindet und per Video über das Netz transportiert wird. Hier konnte gezeigt werden, dass neben dem wichtigsten QoS Einflussfaktor Paketverlust auf dem Downlink auch die Art des Spieltyps und dessen Geschwindigkeit eine Rolle spielen. Dies belegt, dass neben QoS auch der Applikationszustand wichtig ist und dem Netz mitgeteilt werden sollte. Da eine Umsetzung eines solchen zustandsbewussten SDNs für das Beispiel Cloud Gaming auf Grund dessen proprietärer Implementierung nicht möglich war, wurde in dieser Doktorarbeit auf die Applikation YouTube Video Streaming ausgewichen. Für diese sind mit Hilfe des Tools „YoMo“ Statusinformationen abfragbar und können zur Netzsteuerung genutzt werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine SDN-basierte Realisierung eines applikationsbewussten Netzes deutliche Vorteile gegenüber klassischen Netzwerk Management Methoden aufweist und die Nutzerqualität trotz Störfaktoren erhalten werden kann.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 03/14 
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Netzwerk
KW  - Software Defined Networking
KW  - Quality of Experience
KW  - Cloud Gaming
KW  - Performance Evaluation
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-100795
SN  - 1432-8801
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TY  - THES
A1  - Hirth, Matthias Johannes Wilhem
T1  - Modeling Crowdsourcing Platforms - A Use-Case Driven Approach
T1  - Modellierung von Crowdsourcing-Plattformen anhand von Anwendungsfällen
N2  - Computer systems have replaced human work-force in many parts of everyday life, but there still exists a large number of tasks that cannot be automated, yet. This also includes tasks, which we consider to be rather simple like the categorization of image content or subjective ratings. Traditionally, these tasks have been completed by designated employees or outsourced to specialized companies. However, recently the crowdsourcing paradigm is more and more applied to complete such human-labor intensive tasks. Crowdsourcing aims at leveraging the huge number of Internet users all around the globe, which form a potentially highly available, low-cost, and easy accessible work-force. 

To enable the distribution of work on a global scale, new web-based services emerged, so called crowdsourcing platforms, that act as mediator between employers posting tasks and workers completing tasks. However, the crowdsourcing approach, especially the large anonymous worker crowd, results in two types of challenges. On the one hand, there are technical challenges like the dimensioning of crowdsourcing platform infrastructure or the interconnection of crowdsourcing platforms and machine clouds to build hybrid services. On the other hand, there are conceptual challenges like identifying reliable workers or migrating traditional off-line work to the crowdsourcing environment. To tackle these challenges, this monograph analyzes and models current crowdsourcing systems to optimize crowdsourcing workflows and the underlying infrastructure. First, a categorization of crowdsourcing tasks and platforms is developed to derive generalizable properties. Based on this categorization and an exemplary analysis of a commercial crowdsourcing platform, models for different aspects of crowdsourcing platforms and crowdsourcing mechanisms are developed. A special focus is put on quality assurance mechanisms for crowdsourcing tasks, where the models are used to assess the suitability and costs of existing approaches for different types of tasks. Further, a novel quality assurance mechanism solely based on user-interactions is proposed and its feasibility is shown. The findings from the analysis of existing platforms, the derived models, and the developed quality assurance mechanisms are finally used to derive best practices for two crowdsourcing use-cases, crowdsourcing-based network measurements and crowdsourcing-based subjective user studies. These two exemplary use-cases cover aspects typical for a large range of crowdsourcing tasks and illustrated the potential benefits, but also resulting challenges when using crowdsourcing.

With the ongoing digitalization and globalization of the labor markets, the crowdsourcing paradigm is expected to gain even more importance in the next years. This is already evident in the currently new emerging fields of crowdsourcing, like enterprise crowdsourcing or mobile crowdsourcing. The models developed in the monograph enable platform providers to optimize their current systems and employers to optimize their workflows to increase their commercial success. Moreover, the results help to improve the general understanding of crowdsourcing systems, a key for identifying necessary adaptions and future improvements.
N2  - Computer haben menschliche Arbeitskräfte mittlerweile in vielen Bereichen des täglichen Lebens ersetzt. Dennoch gibt es immer noch eine große Anzahl von Aufgaben, die derzeit nicht oder nur teilweise automatisierbar sind. Hierzu gehören auch solche, welche als sehr einfach erachtet werden, beispielsweise das Kategorisieren von Bildinhalten oder subjektive Bewertungen. Traditionell wurden diese Aufgaben vorwiegend von eigens angestellten Mitarbeitern oder über Outsourcing gelöst. In den vergangenen Jahren wurde hierfür jedoch immer häufiger Crowdsourcing verwendet, wobei die große Anzahl an weltweiten Internetnutzern als hoch verfügbare, kostengünstige und einfach zu erreichende Arbeiterschaft eingesetzt wird. 

Um eine weltweite Verteilung von Arbeit zu ermöglichen hat sich eine neue Art von Internetdienstleistern entwickelt, die sogenannten Crowdsourcingplattformen. Diese dienen als Vermittler zwischen Arbeitgebern, welche Aufgaben auf den Plattformen einstellen und Arbeitnehmer, welche diese Aufgaben bearbeiten. Hierbei ergeben sich zwei Arten von Herausforderungen. Einerseits entstehen Herausforderungen technischer Art, wie etwa Fragen bezüglich der Dimensionierung der Plattforminfrastruktur oder der Realisierung von Programmierschnittstellen zur Verbindung von Crowdsourcingplattformen mit anderen Cloudanbietern. Andererseits ergeben sich konzeptionelle Herausforderungen, wie etwa die Identifikation vertrauenswürdiger Arbeitnehmer oder Methoden zur Migration von traditionellen Arbeitsaufgaben in Crowdsourcing-basierte Arbeit. In diesem Monograph werden beide Arten von Herausforderungen adressiert. Hierzu werden aktuelle Crowdsourcingsysteme analysiert und modelliert, um basieren auf den gewonnenen Erkenntnissen, Arbeitsabläufe im Crowdsourcing und die den Systemen zu Grunde liegende Infrastruktur zu optimieren. Zunächst wird hierfür eine Kategorisierung von Crowdsourcing Aufgaben und Plattformen entwickelt um generalisierbare Eigenschaften abzuleiten. Basierend auf dieser Kategorisierung und einer beispielhaften Analyse einer kommerziellen Crowdsourcingplattform werden Modelle entwickelt, die verschiedene Aspekte der Plattformen sowie der eingesetzten Mechanismen abbilden. Hierbei wird ein besonderer Fokus auf die Verlässlichkeit von Qualitätssicherungsmechanismen, deren Kosten und Einsetzbarkeit für verschiedene Aufgabentypen gelegt. Ferner wird ein neuer Qualitätssicherungsmechanismus vorgestellt und evaluiert, welcher lediglich auf den Interaktionen der Crowdsourcingarbeitnehmer mit der Nutzeroberfläche basiert. Die Erkenntnisse, aus der Analyse existierender Plattformen, den abgeleiteten Modellen und dem entwickelten Qualitätssicherungsmechanismus fließen schließlich in konkrete Designempfehlungen für zwei exemplarische Crowdsourcinganwendungsfälle ein. Die beiden gewählten Anwendungsfälle decken Aspekte einer Vielzahl von Crowdsourcingaufgaben ab und zeigen sowohl die Vorteile als auch die Herausforderungen beim Einsatz von Crowdsourcing.

Aufgrund der zunehmenden Digitalisierung und Globalisierung des Arbeitsmarkes ist es zu erwarten, dass Crowdsourcing in den nächsten Jahren noch weiter an Bedeutung gewinnt. Dies zeigt sich bereits daran, dass Crowdsourcingansätze mittlerweile vermehrt in Unternehmen oder im mobilen Umfeld eingesetzt werden. Die Modelle aus diesem Monograph, ermöglichen Plattformbetreibern eine Optimierung ihrer Systeme und Arbeitgebern eine Optimierung ihrer Arbeitsabläufe. Weiterhin helfen die gewonnenen Erkenntnisse das prinzipielle Verständnis von Crowdsourcingsystemen zu verbessern, was wiederum eine Grundvoraussetzung für das Erkennen von Anpassungsbedarf und Optimierungspotential ist.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/16 
KW  - Open Innovation
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Optimiertung
KW  - Modellierung
KW  - Studie
KW  - Crowdsourcing
KW  - Quality of Experience
KW  - Modelling
KW  - Performance Evaluation
KW  - Optimization
KW  - Modellierung
KW  - Nutzerstudie
KW  - Crowdsourcing
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-140726
SN  - 1432-8801
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TY  - THES
A1  - Nguyen-Ngoc, Anh
T1  - On Performance Assessment of Control Mechanisms and Virtual Components in SDN-based Networks
T1  - Zur Leistungsbewertung von Regelungsmechanismen und virtuellen Komponenten in SDN-basierten Netzwerken
N2  - 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
N2  - 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.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/18 
KW  - Leistungsbewertung
KW  - SDN
KW  - Netzwerk
KW  - OpenFlow
KW  - Software Defined Networking
KW  - SDN Switches
KW  - Performance Evaluation
KW  - SDN Controllers
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169328
SN  - 1432-8801
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TY  - THES
A1  - Oechsner, Simon
T1  - Performance Challenges and Optimization Potential of Peer-to-Peer Overlay Technologies
T1  - Leistungsanforderungen und Optimierungspotential von Peer-to-Peer Overlay-Technologien
N2  - In today's Internet, building overlay structures to provide a service is becoming more and more common. This approach allows for the utilization of client resources, thus being more scalable than a client-server model in this respect. However, in these architectures the quality of the provided service depends on the clients and is therefore more complex to manage. Resource utilization, both at the clients themselves and in the underlying network, determine the efficiency of the overlay application. Here, a trade-off exists between the resource providers and the end users that can be tuned via overlay mechanisms. Thus, resource management and traffic management is always quality-of-service management as well. In this monograph, the three currently significant and most widely used overlay types in the Internet are considered. These overlays are implemented in popular applications which only recently have gained importance. Thus, these overlay networks still face real-world technical challenges which are of high practical relevance. We identify the specific issues for each of the considered overlays, and show how their optimization affects the trade-offs between resource efficiency and service quality. Thus, we supply new insights and system knowledge that is not provided by previous work.
N2  - Im heutigen Internet werden immer häufiger Overlay-Strukturen aufgebaut, um eine Dienstleistung zu erbringen. Dieser Ansatz ermöglicht die Nutzung von Client-Ressourcen, so dass er in dieser Hinsicht besser skaliert als das Client-Server-Modell. Die Qualität des zur Verfügung gestellten Dienstes hängt nun aber von den Clients ab und ist daher komplizierter zu steuern. Die Ressourcennutzung, sowohl auf den Clients selbst als auch in dem zugrunde liegenden Netzwerk, bestimmt die Effizienz der Overlay-Anwendung. Hier existiert ein Trade-off zwischen Ressourcen-Anbietern und Endkunden, der über Overlay-Mechanismen geregelt werden kann. Daher ist Ressourcenmanagement und Traffic-Management gleichzeitig immer auch Quality-of-Service-Management. In dieser Arbeit werden die drei derzeit am weitesten im Internet verbreiteten und signifikanten Overlay-Typen berücksichtigt. Diese Overlays sind in populären Anwendungen, die erst vor kurzem an Bedeutung gewonnen haben, implementiert. Daher sind diese Overlay-Netze nach wie vor realen technischen Herausforderungen ausgesetzt, die von hoher praktischer Relevanz sind. Die spezifischen Herausforderungen für jedes der betrachteten Overlays werden identifiziert und es wird gezeigt, wie deren Optimierung den Trade-off zwischen Ressourceneffizienz und Service-Qualität beeinflusst. So werden neue Einsichten und Erkenntnisse über diese Systeme gewonnen, die in früheren Arbeiten nicht existieren.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/10 
KW  - Overlay-Netz
KW  - Peer-to-Peer-Netz
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Overlays
KW  - Peer-to-Peer
KW  - Performance Evaluation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-50015
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TY  - THES
A1  - Henjes, Robert
T1  - Performance Evaluation of Publish/Subscribe Middleware Architectures
T1  - Leistungsuntersuchung von Publish/Subscribe Middleware Architekturen
N2  - While developing modern applications, it is necessary to ensure an efficient and performant communication between different applications. In current environments, a middleware software is used, which supports the publish/subscribe communication pattern. Using this communication pattern, a publisher sends information encapsulated in messages to the middleware. A subscriber registers its interests at the middleware. The monograph describes three different steps to determine the performance of such a system. In a first step, the message throughput performance of a publish/subscribe in different scenarios is measured using a Java Message Service (JMS) based implementation. In the second step the maximum achievable message throughput is described by adapted models depending on the filter complexity and the replication grade. Using the model, the performance characteristics of a specific system in a given scenario can be determined. These numbers are used for the queuing model described in the third part of the thesis, which supports the dimensioning of a system in realistic scenarios. Additionally, we introduce a method to approximate an M/G/1 system numerically in an efficient way, which can be used for real time analysis to predict the expected performance in a certain scenario. Finally, the analytical model is used to investigate different possibilities to ensure the scalability of the maximum achievable message throughput of the overall system.
N2  - Bei der Entwicklung moderner Applikationen ist es notwendig eine effiziente und performante Kommunikation zwischen den einzelnen Anwendungen sicherzustellen. In der Praxis kommt dabei eine Middleware Software zum Einsatz, die das Publish/Subscribe Kommunikationsmuster unterstützt. Dabei senden Publisher Informationen in Form von Nachrichten an die Middleware. Die Subscriber hingegen zeigen durch die Nutzung von Filtern der Middleware an, welche Informationen zugestellt werden sollen. Die Arbeit beschreibt ein dreistufiges Verfahren zur Leistungsbestimmung eines solchen Systems. Zunächst wird durch Messung die Leistung von Publish/Subscribe Systemen in verschiedenen Szenarien untersucht am Beispiel von Java Message Service (JMS) basierten Implementierungen. Danach wird der maximale Nachrichtendurchsatz in Abhängigkeit der Filterkomplexität und des Nachrichtenreplikationsgrades durch einfache Modelle beschrieben. Damit können die Leistungskennwerte für ein System und vorgegebenen Randbedingungen beschrieben werden. Im dritten Teil wird mittels Leistungsbewertung und durch Anwendung eines Warteschlangenmodells die Leistung in praxisnahen Umfeld beschrieben, so dass eine Dimensionierung möglich wird. Zusätzlich wird ein mathematisch, approximatives Verfahren vorgestellt, um ein M/G/1 System numerisch effizient berechnen zu können, was bei der Echtzeitbewertung eines Systems zur Leistungsvorhersage benutzt werden kann. Des Weiteren werden mittels des Modells Möglichkeiten untersucht die Skalierbarkeit des Gesamtsystems in Bezug auf den Nachrichtendurchsatz sicherzustellen.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 04/10 
KW  - Middleware
KW  - Publish-Subscribe-System
KW  - Java Message Service
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Middleware
KW  - Publish-Subscribe-System
KW  - Java Message Service
KW  - Performance Evaluation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-53388
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TY  - THES
A1  - Burger, Valentin
T1  - Performance Evalution and Optimization of Content Delivery Networks
T1  - Leistungsbewertung und Optimierung von Content Delivery Networks
N2  - 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.
N2  - 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.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 02/17 
KW  - CDN-Netzwerk
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Content Delivery Network
KW  - Performance Evaluation
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-152769
SN  - 1432-8801
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dinh-Xuan, Lam
T1  - Quality of Experience Assessment of Cloud Applications and Performance Evaluation of VNF-Based QoE Monitoring
T1  - Quality of Experience-Bewertung von Cloud-Anwendungen und Leistungsbewertung von VNF-basiertem QoE-Monitoring
N2  - In this thesis various aspects of Quality of Experience (QoE) research are examined. The work is divided into three major blocks: QoE Assessment, QoE Monitoring, and VNF Performance Evaluation. First, prominent cloud applications such as Google Docs and a cloud-based photo album are explored. The QoE is characterized and the influence of packet loss and delay is studied. Afterwards, objective QoE monitoring for HTTP Adaptive Video Streaming (HAS) in the cloud is investigated. Additionally, by using a Virtual Network Function (VNF) for QoE monitoring in the cloud, the feasibility of an interworking of Network Function Virtualization (NFV) and cloud paradigm is evaluated. To this end, a VNF that exploits deep packet inspection technique was used to parse the video traffic. An algorithm is then designed accordingly to estimate video quality and QoE based on network and application layer parameters. To assess the accuracy of the estimation, the VNF is measured in different scenarios under different network QoS and the virtual environment of the cloud architecture. The insights show that the different geographical deployments of the VNF influence the accuracy of the video quality and QoE estimation. Various Service Function Chain (SFC) placement algorithms have been proposed and compared in the context of edge cloud networks. On the one hand, this research is aimed at cloud service providers by providing methods for evaluating QoE for cloud applications. On the other hand, network operators can learn the pitfalls and disadvantages of using the NFV paradigm for such a QoE monitoring mechanism.
N2  - In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte von Quality of Experience (QoE) und QoE-Monitoring untersucht. Die Arbeit teilt sich in drei große Blöcke auf: QoE Assessment, QoE Monitoring und Leistungsuntersuchung einer VNF. Zunächst werden prominente Cloud-Anwendungen wie Google Docs und ein Cloud-basiertes Photoalbum untersucht. Die QoE wird charakterisiert und es wird der Einfluss von Paketverlust und Delay studiert. Danach wird das objektive QoE-Monitoring für HTTP Adaptive Video Streaming (HAS) in der Cloud untersucht. Durch die Verwendung einer virtuellen Netzwerkfunktion (Virtual Network Function, VNF) für die QoE-Überwachung in der Cloud wurde außerdem die Durchführbarkeit eines Zusammenwirkens von Netzwerkfunktionsvirtualisierung (NFV) und Cloud-Paradigma bewertet. Zu diesem Zweck wurde der VNF, die die Deep-Packet-Inspection-Technik benutzt, zum Parsen des Videoverkehrs verwendet. Im Anschluss wurde ein Algorithmus entworfen, um die Videoqualität und die QoE basierend auf Netzwerk- und Anwendungsschichtparametern zu schätzen. Um die Genauigkeit der Schätzung zu bewerten, wurde die VNF in verschiedenen Szenarien unter verschiedener Netzwerk-QoS und der virtuellen Umgebung der Cloud-Architektur gemessen. Die Erkenntnisse zeigen, dass die unterschiedlichen geografischen Implementierungen der VNF die Genauigkeit der Schätzung der Videoqualität und QoE beeinflussen. Es wurden verschiedene Platzierungsalgorithmen der Service Function Chain (SFC) vorgeschlagen und im Kontext von Edge-Cloud-Netzwerken verglichen. Diese Forschungsarbeit zielt zum einen auf Cloud-Service-Provider ab, indem ihnen Methoden zur Bewertung der QoE für Cloud-Anwendungen zur Verfügung gestellt werden. Auf der anderen Seite können die Netzwerkbetreiber die Fallstricke und Nachteile der Anwendung des NFV-Paradigmas für einen solchen QoE-Überwachungsmechanismus erlernen.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 01/18 
KW  - Quality of Experience
KW  - QoE Monitoring
KW  - Netzwerk
KW  - Virtualisierung
KW  - Network Function Virtualization
KW  - Performance Evaluation
KW  - Leistungsbewertung
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-169182
SN  - 1432-8801
ER  -