Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7871
Main Title: ISP traffic management via flow optimization
Translated Title: ISP-Verkehrsmanagement durch Flow Optimierung
Author(s): Akonjang, Emmanuel Obi
Advisor(s): Smaragdakis, Georgios
Feldmann, Anja
Referee(s): Smaragdakis, Georgios
Feldmann, Anja
Maennel, Olaf
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: A major challenge that Internet Service Providers (ISPs) face today, is the growing traffic volume that they must handle. The situation becomes even more complex, as users' demands become more volatile or when new application trends emerge that fundamentally change traffic dynamics and composition. Thus, ISPs are always compelled to deal with such changes, in a proper, effcient, and timely manner. One typical example of such a trend, which has a profound effect on traffic volume, traffic composition, traffic dynamics, overall network performance and user experience, is Peer-to-Peer (P2P). P2P's disruptive and high bandwidth-consuming nature, poses a number of challenges to an ISP's capability to effectively manage traffic on its own network. This is a major concern/issue that calls for quick and effective mitigation approaches by ISPs. The mitigation process starts with studying and understanding P2P systems and their protocols. Studies reveal a number of important characteristics and shortcomings of P2P systems, including: i) high churn, ii) selfish construction and maintenance of the P2P overlay, iii) unawareness of the underlying network conditions, iv) mismatch between P2P overlay and ISP underlay, v) high management traffic, vi) high proportion of cross-AS neighbor-relationships and cross-AS traffic, vii) a data flow between two peers often crosses AS boundaries multiple times. Based on the above, in this thesis, we propose a solution that promotes collaboration between the P2P overlay and the ISP underlay, leading to a win-win situation for both parties. In detail, we propose an ISP-operated value-added service that we call the Oracle. The Oracle provides an interface for peers to become aware of network conditions, thus improve peer selection and performance of P2P applications. The Oracle does this by sorting a peer's list of potential neighbors/download sources to favor locality, i.e. peers that are in the same AS domain and even in the same geographical location like the requesting peer. With the Oracle, we show that improved performance that benefits ISPs, applications and users are attainable. We conduct a series of packet-level simulations to study and quantify potential gains offered by the Oracle service. We start with an implementation of the Gnutella P2P protocol within the SSFNet simulation environment. We next model different ISP and P2P topologies, to study the effects of the Oracle across diverse topologies, then use various mathematical distributions to model user behavioral patterns that reflect realistic, inauspicious and best-case scenarios. Using appropriate metrics, we quantify and compare the performance between unbiased (no use of the Oracle service) and biased (use of the Oracle service) topologies. In nearly all categories, our analyses reveal superior performances for Oracle-biased topologies. We next shift our focus to backbone networks and study how their topologies affect general network and application performance in the presence of normal and heavy traffic load. For this, we use a reference backbone network model for Germany and derive 3 different topologies from it. By keeping the number of nodes (PoPs) in the topologies constant at 12 and varying the number (and size) of their links from 66 (fullmesh), to 30 and 20 respectively, we obtain 3 topologies that differ in capacity (total bandwidth) and other topological/structural properties. We use selected metrics to assess and compare their performance under the same traffic conditions. Our analyses show similarities as well as differences in performance between the topologies. We observe that, for a few categories at baseline traffic, the performance in the 20 links topology (which has the smallest number of links and the least total bandwidth) is comparable to those in the other 2 topologies. However, when the traffic increases by 35%, the performance in the 20 links topology worsens and becomes the least in nearly all compared categories. A deeper analysis of the 20 links topology reveals that, while some major (high bandwidth) links are suffering from congestion, other links, mostly of lesser bandwidth, have little to no traffic on them. Instead of upgrading the congested links, like most ISPs would normally opt to do, we propose a more effcient and cost effective solution. It involves the use of mathematical optimization to influence traffic flows and achieve better network and application performance. We argue and show that better performance is attainable by minimizing the maximum link utilization and effciently distributing the traffic load across all links in the topology. Our main objectives are congestion avoidance in the ISP network, performance enhancement for applications that run on the ISP network and better cost control by the ISP.
Eine große Herausforderung für Internetdienstanbietern (ISPs) im Internet, ist die wachsende Menge an Verkehr, die sie stemmen müssen. Die Lage wird komplexer, als die Nachfrage der Benutzer/Kunden volatiler wird oder wenn populäre Anwendungtrends entstehen, die Dynamik und Kompoistion des Verkehrs fundamental verändern. ISPs sehen sich gezwungen mit solchen Veränderungen in angemessener, effizienter und zeitgemäßer Art und Weise umzugehen. Ein typisches Beispiel eines solchen Trends, welcher maßgebliche Auswirkungen auf Menge, Komposition, und Dynamik von Verkehr, Leistungsfähigkeit des Netzwerks, und User Experience hat, ist Peer-to-Peer (P2P). Die disruptive und hohe Bandbreitenkonsumierende Natur von P2P stellt die Fähigkeit von ISPs, das eigene Netzwerk zu managen, vor einige Herausforderungen. Es stellt eine Hauptsorge der ISPs dar und erforderte schnelle und effektive Abmilderungsansätze. Solche Abmilderungsprozesse beginnen mit der Untersuchung und dem Verständnis von P2P-Systemen und ihrer Protokolle. Studien bringen einige wichtige Charakteristiken und Defizite von P2P-Systemen hervor, unter anderem: i) hohen Churn. ii) eigennützige Errichtung und Wartung des P2P Overlays iii) Unwissenheit des Underlay Netzwerkzustandes iv) Diskrepanz wegen mangelnden Zusammenhang zwischen dem P2P-Overlay und dem Underlay des ISPs v) hoher Signalingoverhead, die zu zusätzlichen Verkehr führt. vi) hoher Anteil an Cross-AS-Nachbarschaftsbeziehungen und Cross-AS-Verkehr vii) oft, der Datenfluss zwischen einer Quelle und einem Ziel überquert mehrmals die AS-Grenzen. Basierend auf diesen Fakten, schlagen wir eine Lösung vor, die die Kollaboration zwischen P2P-Overlay und ISP-Underlay fördert, und beiden Seiten Vorteile bringt. Wir schlagen einen vom ISP betriebenen, Mehrwert-Service vor, den wir Oracle nennen. Das Oracle bietet eine Schnittstelle, womit Peers, den Zustand des Netzwerks erkundigen können, um eine Verbesserung der Peer-Auswahl und der Performance von P2P-Anwendungen zu ermöglichen. Dabei sortiert es eine Liste von potentiellen Nachbarn/Downloadquellen der Peers, basierend auf deren örtlichen Lage, d.h., Peers die sich in der selben Domain und in der selben geografischen Lage befinden, wie der anfordernde Peer. Unser Hauptziel ist es die oben genannten Probleme abzumildern und zugleich dem ISP und den P2P-Benutzern Vorteile zu bieten. Wir führen mehrere Packet-Level-Simulationen durch, um die potentiellen Vorteile, die das Oracle zu bieten hat, zu studieren und zu quantifizieren. Wir beginnen mit einer Implementierung des Gnutella P2P-Protokolls innerhalb der SSFNet Simulationsumgebung. Als nächstes modellieren wir verschiedene ISP- und P2P-Topologien, um die Auswirkungen des Oracles auf unterschiedliche Topologien zu studieren, gefolgt von der Modellierung von Benutzerverhalten, die realistische, ungünstige und best-case Szenarien, mittels verschiedener mathematischer Verteilungen, darstellen. Wir quantifizieren und vergleichen die Leistung von nicht-modifizierten (ohne Oracle-Service) und modifizierten (mit Oracle-Service) Topologien. In fast allen Kategorien bringen unsere Analysen eine erhöhte Leistung bei Topologien mit Oracle-Unterstützung hervor. Als nächstes, setzen wir unseren Fokus auf Backbone-Netzwerke und analysieren, wie deren Topologien sich auf die allgemeine Netzwerk- und Applikationsleistung, in Gegenwart von normaler und starker Verkehrslast, auswirken. Dazu verwenden wir ein Referenznetzwerkmodell für Deutschland und leiten daraus 3 unterschiedliche Topologien ab. Während wir die Anzahl der Knoten (PoPs) in den Topologien konstant bei 12 halten, und die Anzahl (und Größe) ihrer Links variieren, also zwischen 66 (fullmesh), 30 und 20, erhalten wir 3 Topologien, die sich in Kapazität (gesamte Bandbreite) und anderen topologischen/strukturellen Eigenschaften unterscheiden. Wir verwenden ausgewählte Metriken um die Leistung unter gleichen Verkehrsbedingungen zu ermitteln und zu vergleichen. Unsere Analysen zeigen Ähnlichkeiten und Unterschiede in der Leistung zwischen den Topologien. Wir beobachten, dass die Leistung in der 20-Links-Topologie (welche die wenigstens Links und die kleinste Gesamtbandbreite besitzt) nur in einiger weniger Kategorien vergleichbar ist mit denen der anderen beiden Topologien. Und zwar, nur bei Baseline-Verkehr. Bei Erhöhung des Verkehrs um 35%, verringert sich die Leistung in der 20-Links-Topologie in fast allen Kategorien zur geringsten. Eine genauere Analyse der 20-Links-Topologie zeigt, dass während einige große Links (mit hohen Bandbreite) von Verkehrsstau beeinträchtigt sind, andere Links, meist mit weniger Bandbreite, wenig bis kein Verkehr haben. Anstatt die beeinträchtigen Links auszubauen, wie die meisten ISPs es tun würden, empfehlen wir eine effizientere und kosteneffektivere Lösung. Es beinhaltet die Nutzung mathematischer Optimierungen zur Beeinflussung des Verkehrs und der Realisierung besserer Leistung. Wir glauben und zeigen, dass die Verbesserung der Leistung, durch Minimierung der maximalen Auslastung der Links und effizienter Verteilung der Verkehrslast über alle Links in der Topologie, erreicht werden kann. Unsere Hauptziele sind Vermeidung von Verkehrsstau im ISP-Netzwerk, Leistungssteigerung für Anwendungen, die das ISP-Netzwerk verwenden und bessere Kostenkontrolle durch den ISP.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8742
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7871
Exam Date: 21-Dec-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 18-Jan-2019
DDC Class: 000 Informatik, Informationswissenschaft, allgemeine Werke
Subject(s): Internet traffic
network management
Internet service provider
Internetdienstanbieter
Leistungssteigerung
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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