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
ER  - 
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
ER  - 
TY  - THES
A1  - Klein, Alexander
T1  - Performance Issues of MAC and Routing Protocols in Wireless Sensor Networks
T1  - Leistungsbeschränkende Faktoren von MAC und Routingprotokollen in drahtlosen Sensornetzen
N2  - The focus of this work lies on the communication issues of Medium Access Control (MAC) and routing protocols in the context of WSNs. The communication challenges in these networks mainly result from high node density, low bandwidth, low energy constraints and the hardware limitations in terms of memory, computational power and sensing capabilities of low-power transceivers. For this reason, the structure of WSNs is always kept as simple as possible to minimize the impact of communication issues. Thus, the majority of WSNs apply a simple one hop star topology since multi-hop communication has high demands on the routing protocol since it increases the bandwidth requirements of the network. Moreover, medium access becomes a challenging problem due to the fact that low-power transceivers are very limited in their sensing capabilities. The first contribution is represented by the Backoff Preamble-based MAC Protocol with Sequential Contention Resolution (BPS-MAC) which is designed to overcome the limitations of low-power transceivers. Two communication issues, namely the Clear Channel Assessment (CCA) delay and the turnaround time, are directly addressed by the protocol. The CCA delay represents the period of time which is required by the transceiver to detect a busy radio channel while the turnaround time specifies the period of time which is required to switch between receive and transmit mode. Standard Carrier Sense Multiple Access (CSMA) protocols do not achieve high performance in terms of packet loss if the traffic is highly correlated due to the fact that the transceiver is not able to sense the medium during the switching phase. Therefore, a node may start to transmit data while another node is already transmitting since it has sensed an idle medium right before it started to switch its transceiver from receive to transmit mode. The BPS-MAC protocol uses a new sequential preamble-based medium access strategy which can be adapted to the hardware capabilities of the transceivers. The protocol achieves a very low packet loss rate even in wireless networks with high node density and event-driven traffic without the need of synchronization. This makes the protocol attractive to applications such as structural health monitoring, where event suppression is not an option. Moreover, acknowledgments or complex retransmission strategies become almost unnecessary since the sequential preamble-based contention resolution mechanism minimizes the collision probability. However, packets can still be lost as a consequence of interference or other issues which affect signal propagation. The second contribution consists of a new routing protocol which is able to quickly detect topology changes without generating a large amount of overhead. The key characteristics of the Statistic-Based Routing (SBR) protocol are high end-to-end reliability (in fixed and mobile networks), load balancing capabilities, a smooth continuous routing metric, quick adaptation to changing network conditions, low processing and memory requirements, low overhead, support of unidirectional links and simplicity. The protocol can establish routes in a hybrid or a proactive mode and uses an adaptive continuous routing metric which makes it very flexible in terms of scalability while maintaining stable routes. The hybrid mode is optimized for low-power WSNs since routes are only established on demand. The difference of the hybrid mode to reactive routing strategies is that routing messages are periodically transmitted to maintain already established routes. However, the protocol stops the transmission of routing messages if no data packets are transmitted for a certain time period in order to minimize the routing overhead and the energy consumption. The proactive mode is designed for high data rate networks which have less energy constraints. In this mode, the protocol periodically transmits routing messages to establish routes in a proactive way even in the absence of data traffic. Thus, nodes in the network can immediately transmit data since the route to the destination is already established in advance. In addition, a new delay-based routing message forwarding strategy is introduced. The forwarding strategy is part of SBR but can also be applied to many routing protocols in order to modify the established topology. The strategy can be used, e.g. in mobile networks, to decrease the packet loss by deferring routing messages with respect to the neighbor change rate. Thus, nodes with a stable neighborhood forward messages faster than nodes within a fast changing neighborhood. As a result, routes are established through nodes with correlated movement which results in fewer topology changes due to higher link durations.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit werden leistungsbeschränkende Faktoren von Medium Access Control (MAC) und Routingprotokollen im Kontext von drahtlosen Sensornetzen untersucht. Zunächst werden typische Probleme des Funkkanals diskutiert. Anschließend führen eine Einteilung von MAC Protokollen, sowie eine Gegenüberstellung relevanter Protokolle in die Thematik ein. Daraufhin werden hardwarelimitierende Faktoren und deren Auswirkung auf die Effizienz von Kanalzugriffsprotokollen untersucht. Des Weiteren wird das vom Autor entwickelte Backoff Preamble-based MAC Protokoll (BPS-MAC) vorgestellt, welches auf die limitierten Fähigkeiten sensortypischer Hardware eingeht und für dichte Sensornetze mit korreliertem Datenverkehr optimiert ist. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit stellt das Thema Routing dar. Hier wird ebenfalls mit einer Einteilung der Protokolle in die Thematik eingeführt. Darüber hinaus werden die wichtigsten Aufgaben von Routingprotokollen vorgestellt. Ein Überblick über häufig verwendete Routingmetriken und Routingprotokolle schließen die Einführung in diesen Themenkomplex ab. Abschließend wird das im Rahmen der Dissertation entwickelte Statistic-Based-Routing (SBR) Protokoll vorgestellt, welches ebenfalls für drahtlose Sensornetze optimiert ist. Der letzte Schwerpunkt beschreibt die Problematik der Leistungsbewertung von Routingprotokollen hinsichtlich klassischer Leistungsparameter wie Paketverlust und Verzögerung. Ebenfalls werden weitere Leistungsparameter wie zum Beispiel die vom Nutzer wahrgenommene Netzqualität genauer untersucht.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 03/10 
KW  - Routing
KW  - Drahtloses Sensorsystem
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Diskrete Simulation
KW  - MAC
KW  - Kanalzugriff
KW  - Medium <Physik>
KW  - MAC
KW  - routing
KW  - sensor
KW  - networks
KW  - simulation
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-52870
ER  - 
TY  - THES
A1  - Pries, Jan Rastin
T1  - Performance Optimization of Wireless Infrastructure and Mesh Networks
T1  - Leistungsoptimierung von drahtlosen Infrastruktur und Mesh Netzen
N2  - Future broadband wireless networks should be able to support not only best effort traffic but also real-time traffic with strict Quality of Service (QoS) constraints. In addition, their available resources are scare and limit the number of users. To facilitate QoS guarantees and increase the maximum number of concurrent users, wireless networks require careful planning and optimization. In this monograph, we studied three aspects of performance optimization in wireless networks: resource optimization in WLAN infrastructure networks, quality of experience control in wireless mesh networks, and planning and optimization of wireless mesh networks. An adaptive resource management system is required to effectively utilize the limited resources on the air interface and to guarantee QoS for real-time applications. Thereby, both WLAN infrastructure and WLAN mesh networks have to be considered. An a-priori setting of the access parameters is not meaningful due to the contention-based medium access and the high dynamics of the system. Thus, a management system is required which dynamically adjusts the channel access parameters based on the network load. While this is sufficient for wireless infrastructure networks, interferences on neighboring paths and self-interferences have to be considered for wireless mesh networks. In addition, a careful channel allocation and route assignment is needed. Due to the large parameter space, standard optimization techniques fail for optimizing large wireless mesh networks. In this monograph, we reveal that biology-inspired optimization techniques, namely genetic algorithms, are well-suitable for the planning and optimization of wireless mesh networks. Although genetic algorithms generally do not always find the optimal solution, we show that with a good parameter set for the genetic algorithm, the overall throughput of the wireless mesh network can be significantly improved while still sharing the resources fairly among the users.
N2  - Die Anbindung an das Internet erfolgt zunehmend über drahtlose Netze. Deren Ressourcen sind allerdings limitiert, was die Anzahl der unterstützten Nutzer stark einschränkt. Zudem ist ein Trend dieser Nutzer weg von der Verwendung reiner Datendienste zu Diensten mit Echtzeitanforderungen wie Voice over IP (VoIP) zu erkennen, deren Dienstgüteanforderungen eingehalten werden müssen. Heutige drahtlose Zugangsnetze sind jedoch nur für den herkömmlichen Datenverkehr ausgelegt. Der IEEE 802.11 WLAN Standard unterscheidet zwar zwischen verschiedenen Dienstklassen, gibt aber keine Dienstgütegarantien. Um die Dienstgüte (Quality of Service, QoS), bzw. die vom Nutzer erfahrene Dienstgüte (Quality of Experience, QoE) zu garantieren, müssen die zukünftigen drahtlosen Netze daher sorgfältig geplant und optimiert werden. Um die limitierten Ressourcen auf der Luftschnittstelle effektiv zu nutzen und um Dienstgüteanforderungen für Echtzeitanwendungen einzuhalten, bedarf es eines adaptiven Ressourcenmanagements. Dabei sind sowohl drahtlose Infrastruktur, als auch drahtlose Mesh-Netze zu betrachten. Durch den randomisierten Medienzugriff und die hohe Dynamik im System ist eine a-priori Wahl der Zugangsparameter nicht sinnvoll. Vielmehr wird ein Managementsystem benötigt, das die Zugangsparameter dynamisch in Abhängigkeit der Last in einem Netz wählt. Während dies für drahtlose Infrastrukturnetze ausreicht, müssen in drahtlosen Mesh-Netzen zusätzlich noch Interferenzen von Nachbarpfaden und Eigeninterferenzen berücksichtigt werden. Desweiteren ist eine sorgfältige Planung der Kanalzuweisung und des Routings notwendig, um einerseits den Durchsatz in drahtlosen Mesh-Netzen zu maximieren und andererseits die Ressourcen fair zwischen den Stationen aufzuteilen. Da es dabei eine Vielzahl von Parametern zu berücksichtigen gilt, sind neue Optimierungsmethoden notwendig, die es ermöglichen, auch große Mesh-Netze in annehmbarer Zeit zu planen und zu optimieren. Diese Doktorarbeit arbeitet die folgenden drei Optimierungsmöglichkeiten für drahtlose Zugangsnetze aus: Optimierung der Zugangsparameter in drahtlosen Infrastrukturnetzen, Optimierung von drahtlosen Mesh-Netzen unter Berücksichtigung der QoE und Planung und Optimierung von drahtlosen Mesh-Netzen mit Berücksichtigung einer fairen Ressourcenallokation. Die Ergebnisse und Untersuchungen dieser Arbeit gliedern sich entsprechend dieser Optimierungsmöglichkeiten.
T3  - Würzburger Beiträge zur Leistungsbewertung Verteilter Systeme - 01/10 
KW  - IEEE 802.11
KW  - Leistungsbewertung
KW  - Optimierung
KW  - Dienstgüte
KW  - Netzplanung
KW  - Drahtloses lokales Netz
KW  - WLAN
KW  - Mesh Netze
KW  - Genetische Optimierung
KW  - WLAN
KW  - Optimization
KW  - Mesh Networks
KW  - Genetic Optimization
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-46097
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