Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3880
Main Title: A user facilitated autonomous load balancing framework for UCN
Translated Title: Eine Endnutzer-erleichterte autonome Lastenverteilung für UCN
Author(s): Yildiz, Mürsel
Referee(s): Bogliolo, Alessandro
Albayrak, Sahin
Bozdağı Akar, Gözde
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Neben dem klassischen, providerzentrierten Konzept eines zentralen Internet-Anbieters und Benutzern als Internetkonsumenten, verspricht das Konzept des User Centric Networking (UCN) ein alternativen Lösungsansatz. Dieses Konzept ist attraktiv für Internetanbieter sowie für Endnutzer, da Endnutzer, als Internet-Stakeholder, sowohl Mikro-Netzbetreiber als auch Nutzer des Inhalts sind [1]. Der IEEE 802.11-Standard stellt aufgrund seiner weltweiten Verfügbarkeit, Effizienz und Kosteneffizienz eine vorteilhafte Technologie für die Umsetzung dieses neuen Ansatzes dar. Das Hauptmotiv, Endnutzer nicht nur als Verbraucher sondern auch als Internetanbieter von Inhalten in die Netzinfrastruktur zu integrieren, ist die Reichweite des Internetzugang mittels Wireless Fidelity (Wi-Fi) zu erweitern [2]. Die Realisierung dieses Ansatzes, bzw. ein drahtlosen Social Community aufzubauen, erfordert die Erweiterung der Kernnetzfördernden-Funktionalitäten, besonders in den Bereichen Umsetzbarkeit und Beständigkeit der Nutzergemeinschaft. Die entscheidenden Faktoren für die Umsetzung von UCN sind i) die Förderung der Bandbreitenteilung bereits vorhandener Breitband-Zugänge durch Anreizsysteme, ii) ein effizientes Sicherheits- und Vertrauensmanagement und iii) die Optimierung von Ressourcenallokation. Die Beteiligung der Internetendnutzer als μ-Provider findet weite Beachtung unter Internetanbietern sowie in der Forschung, da diese neue Fragen für diesen dynamischen Telekommunikationsbranche aufwirft. Eine dieser Fragen ist, wie eine gleichbleibende Servicequalität (homogene Quality of Service - QoS)- unter den UCN-Subnetzen gewährleistet werden kann. Es muss betont werden, dass die Gewährleistung einer gewissen Servicequalität eine wichtige Rolle für die Kontinuität der UCN-Environment spielt, da die zufällige Entstehung von Überlastungsregionen UCN-Akteure abschrecken könnte. Solche unerwünschten Ereignisse können mittels Load-Balancing unter UCN-Anbietern beseitigt werden. Die Realisierung dieses Ziels ist jedoch problematisch, da Netzbetreiber hinsichtlich ihrer Hard-oder Softwareleistung nicht homogen sind. Zusätzlich haben i) die sehr dynamischen Eigenschaften der UCN Domains, ii) die Notwendigkeit eines autonomen Netzwerkausbaus iii) Fairness hinsichtlich gewonnener Anreizprämien und iv) der Eigennutz der UCN Anbieter, großen Einfluss auf die Erreichung einer ausgewogenen Netzbelastung. Schwerpunkt dieser Arbeit ist es, ein autonomes Rahmenwerk für Load Balancing in UCN zu entwickeln, welcher durch den Endnutzer erleichtert wird. Zu diesem Zweck werden verschiedene Ansätze vorgeschlagen, die durch praktische Umsetzung und Testbed Experimente validiert werden. Die in dieser Arbeit behandelten Ansätze untersuchen vor allem die Entscheidungsfindung aus der Perspektive der Endnutzer und der Anbieter. Die Endnutzer Seite bestimmt den Ansatz, der Load Balancing in UCN erleichtert. Auf der Anbieterseite wird zunächst ein Ansatz vorgestellt, der das Load Balancing zwischen UCN-Anbietern unter Anwesenheit von eigennützigen UCN Knoten ermöglicht. Das hier vorgeschlagene Konzept fokussiert die Distributiveness, die Fairness und den Eigennutz der Akteure. Zu diesem Zweck stellen wir ein QoS-basiertes Anrechnungsverfahren vor, das als Anreiz-Mechanismus dient, um einen Lastenausgleich zu realisieren. Ein höherer Level Mechanismus wird zusätzlich auf der Provider-Seite eingeführt, um das autonome Verhalten im Lastenausgleich zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird zuerst ein umfassenderes Modell betrachtet, das das autonome Verhalten bei der Resourcenverteilung und Strategie Optimierungen in drahtlosen Netzwerken realisiert. Die Einführung des Modells verfolgt zwei Ziele. Das erste Ziel des vorgeschlagenen Modells ist die Eliminierung der redundanten Ressourcennutzung für bestimmte Netzwerk-Objectives und infolgedessen eine Reduzierung der Netzwerk-Reaktionszeit. Das zweite Ziel des Modells ist die Anpassung von Netzwerkstrategien an unterschiedliche Rahmenbedingungen. Zu Anpassungszwecken werden die Wirkungen der Netzwerkstrategien auf die Umwelt erfasst und evaluiert. Nachdem wir dieses Modell validiert haben, erfolgt die Anpassung der Modell-Parameter, um den Schwerpunkt auf ein einziges Netzwerk Objective zu legen, nämlich die Lastenverteilung. Im folgenden Schritt definieren wir verschiedene Bedingungen und statten die Anbieter mit unterschiedlichen Strategien für den Lastenausgleich aus. Schließlich wird die Testumgebung eingeführt und die verschiedenen Aspekte der Implementierung, bzw. die Umsetzbarkeit diskutiert. Der benutzerzentrische Wireless Prüfstand, der den Benutzer als eine wichtige Komponente der Netzwerksteuerung und -bedienung interpretiert, wird eingeführt. In dieser Dissertation werden verschiedene Ansätze für das Lastenausgleichsproblem untersucht, die häufige Kooperationen zwischen den Akteuren in der UCN vorsehen. Deshalb haben wir zusätzlich das Risiko für die UCN Dauerhaftigkeit angegeben, das aufgrund des übermäßigen Ressourcenverbrauchs (wegen häufigen Kooperationen) entstehen kann. Um mit diesem Problem umzugehen, führen wir eine Methodik zur Begrenzung der Ressourcennutzung ein. Wir präsentieren unsere μ-Kernel basierende OS-Virtualisierung Technik für die Anbieter, die eine übermäßige Ressourcenauslastung begrenzt. Mit dieser Herangehensweise zielen wir auf die Verringerung der Komplexität bei der Entscheidungsfindung ab.
The Internet providers and end-users are attracted by the particular conceptualization of user centric networking (UCN), where the end-user, as an Internet stakeholder, plays the micro network provider role aside from being the consumer [1]. An attractive candidate technology for the deployment of this fresh approach is the IEEE 802.11 standard. The worldwide availability, efficiency and low-cost for broadband access technologies are the main attractive features of the WLAN, which renders this novelty feasible. The main motivation of participating the end-user to the network infrastructure, not only as a consumer but also as a producer of the content, is to expand the coverage for Internet access by means of wireless fidelity (Wi-Fi) [2]. The deployment of this wireless social community-like approach necessitates additional improvements in network functionalities for feasibility and community persistency. Certain core enabling factors of the UCN are i) cooperation incentivized bandwidth sharing of subscribed broadband access, ii) security and trust management, and finally iii) the optimization in the resource allocation aspects. Participation of the end-user to the Internet as a μ-provider attracts the attention of Internet providers, and the researchers as well, due to new open issues for this immensely dynamic telecommunications landscape. One of these open issues is the question how one can achieve a homogenous quality of service (QoS) distribution among UCN-providers. It should be underlined that ensuring a certain level of QoS plays a significant role for the persistence of the UCN environment as congestion regions would demotivate the UCN-stakeholders. Such unsolicited states can be eliminated by means of load balancing among UCN providers. The first difficulty, however, in realizing this objective is the variety of user entities in terms of hardware or software capabilities, which participate to the UCN with a provider role. Additionally the dynamic characteristics of UCN domains, the necessity of network deployment with an autonomic manner, fairness in terms of gained incentive units and the selfishness of UCN providers have great impacts on the realization of a balanced load. The basic emphasis of this thesis is to develop an end user facilitated autonomous load balancing framework for the UCN. To this end, different load balancing dynamics are covered and validated by means of real implementation and testbed experiments. We relax our approaches mainly to two classes of decision-making perspectives, namely, the end-user side and the provider-side. The end-user side is the mechanism for the facilitation of the load balancing in UCN. On the provider side, we initially introduce our approach on how the load balancing can be performed among providers under the presence of selfish UCN nodes. Our solution issues the distributiveness, fairness and selfishness of the stakeholders. To this end, we introduce our QoS-based crediting method as an incentive mechanism, which creates driving forces for the load balancing. A higher-level mechanism on the provider side is introduced for the autonomic behavior in load balancing. We initially focus on a more comprehensive model for the autonomous behavior in resource allocation and strategy improvement in wireless networks. This model has mainly two motivations. The first motivation of the proposed model is the improvement for the elimination of redundant resource utilization for specific network objectives while reducing the network response time. The second motivation is to introduce the ability to the network for matching network strategies with different environmental conditions in terms of impact rates on the environment, i.e. the success rates of the taken strategies. Having validated this framework, we adjust the model parameters in order to focus on a single network objective, i.e. the load balancing. We define different characteristics of environments and equip the providers with different strategies for the load balancing. Finally we comment on our test environment and discuss the implementation aspects. We introduce the user centric wireless test-bed, which interprets the user as a key component of the network control and operation. Throughout the thesis, various approaches are studied for the load balancing problem stipulating frequent collaborations among members in the UCN. Thus we additionally state the risk for the UCN persistency due to the excessive resource consumptions by UCN-clients, which may arise due to frequent collaborations. In order to handle this problem, we introduce our methodology for limiting the resource utilization to a certain extent for the UCN environment in an efficient and sufficient way. We present our μ-Kernel based OS virtualization technique for the providers, which limits excessive resource utilization by others while decreasing the complexities in decision-making.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-44882
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4177
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3880
Exam Date: 25-Nov-2013
Issue Date: 10-Dec-2013
Date Available: 10-Dec-2013
DDC Class: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
Subject(s): Lastenverteilung
Zukünftige Netzwerke
Future Networks
Load Balancing
UCN
Expectation Maximization (EM)
Partially Observable Markov Decision Processes (POMDP)
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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