Reduktion von Verzögerungsunterschieden bei der Gruppenkommunikation im Internet

Abstract

Eine Vielzahl neuer Anwendungsgebiete des Internets basiert auf der effizienten Übertragung einer Nachricht an eine Gruppe von Empfängern, der so genannten Gruppenkommunikation. Beispiele für derartige Anwendungen sind Nachrichten- und Softwareverteilung, verteilte Berechnungen, Videokonferenzen, Fernunterricht sowie Spiele. Die Netzwerkressourcen werden durch Gruppenkommunikation sehr effizient genutzt, denn das einmalige Senden einer Nachricht reicht aus, um von allen Teilnehmern einer Gruppe empfangen zu werden.

Einige Einschränkungen der Dienstqualität derzeitiger Gruppenkommunikationslösungen im Internet behindern jedoch ihre generelle Nutzung. Hiervon betroffen ist unter anderem die Fairness bezüglich der Verzögerung der Nachrichtenauslieferung. Dieser spezielle Parameter der Gruppenkommunikation bezeichnet die Zeitspanne zwischen dem ersten und letzten Eintreffen einer Nachricht bei einer Gruppe von Empfängern. Messungen mittels eines dafür entwickelten passiven Verfahrens zeigen für einige Anwendungen nicht tolerierbare Verzögerungsunterschiede auf. Das Ziel der Arbeit besteht darin, die Verzögerungsunterschiede zu minimieren, um einen fairen Dienst für nicht kooperative Anwendungen der Gruppenkommunikation im Internet, wie z. B. Informationsdienste und elektronische Märkte bereitzustellen.

Zur Lösung des Problems wurden drei Ansätze erarbeitet. Durch den Einsatz von Servern konnten Verzögerungsunterschiede der Nachrichten ausgeglichen werden. Die in der Anwendungsschicht angesiedelten Ansätze stellen keine besonderen Anforderungen an die Netzkomponenten und können daher schrittweise eingeführt werden. Darüber hinaus berücksichtigen sie die aktuelle Netzwerklast und sind so in der Lage, die Gesamtverzögerung der Nachrichtenauslieferung gering zu halten.

In einem der Ansätze überwacht sichere Hardware in Form von Smart Cards direkt bei den Empfängern den Auslieferungszeitpunkt der Nachrichten. Hierfür wurden drei Protokolle entwickelt, die die Synchronisation der Smart-Card-Uhren, die Auslieferung der Daten und eine Rückmeldung der tatsächlichen Verzögerung ermöglichen. Mittels Analyse und Simulationen wurde eine signifikante Reduktion der Verzögerungsunterschiede der Nachrichten zwischen den Empfängern nachgewiesen. Ein Prototyp wurde implementiert, um die mit gegenwärtiger Smart-Card-Hardware erreichbare Reduktion von Verzögerungsunterschieden zu ermitteln und die Tragfähigkeit des Ansatzes zu demonstrieren.

A variety of new application areas of the Internet, such as news and software distribution, videoconferences, distance learning and multi-player games, base on the efficient transmission of a message to a group of receivers, the so-called group communication. Group communication uses network resources very efficiently as a message needs to be sent over each link of the network only once to reach a multitude of receivers.

Some limitations in the quality of service of current Internet group communication solutions impede their general utilization. This applies amongst others to fairness regarding message delivery delay, a particular quality of service parameter of group communication. It denotes the interval between the first and the last arrival of message copies at a set of receivers. Measurements with a specially for this purpose developed method show intolerable high inter-receiver delay jitter for some applications. The thesis aims at minimizing the inter-receiver delay jitter in order to provide a fair service for non-cooperative applications of group communication in the Internet, in particular for information services and electronic markets.

Three server-based methods are proposed to reduce the message delay jitter. These application-layer approaches do not require special properties of the core network nodes and can be partially deployed. In addition, the approaches take current network load into account, which gives the opportunity to keep the overall message delay low.

In one of the approaches, secure hardware in form of smart cards controls message delivery time directly at the receivers. Three protocols are introduced that synchronize the clocks of the smart cards, deliver messages and provide feedback about the actual message delay. As a result, analysis and simulation show a significant reduction of message inter-receiver delay jitter. A prototype has been implemented to determine the reduction of delay jitter achievable with current smart cards and to demonstrate the feasibility of the approach.