Design and performance evaluation of a system for epidemic peer-to-peer content distribution

Abstract

Uygulama alanlarının artması, eşler arası yardımlaşmalı sistemler üzerine olan ilgininartmasına neden olmaktadır. Eşler arası yardımlaşmalı sistemlerin ana uygulama alanlarındanbiri de içerik dosyalarının geniş boyutlu ağlar üzerinde dağıtılmasıdır. İnternet kullanımınınartması, yazılım yamaları veya filmler gibi büyük boyutlu verilerin ve bu verilere olan ilgininhızlı bir şekilde artmasına yol açmaktadır.Bu tez çalışmasında, büyük boyutlu içeriğin çok sayıda son kullanıcıya verimli ve etkinbir biçimde dağıtılmasını hedefleyen bir eşler arası sistem önerilip, SeCond: Eşler arasıepidemik içerik dağıtım protokolü, tasarımı gerçekleştirilmiştir. Önceki çalışmalardan farklıolarak, SeCond diğer eşlerin erişilebilir bloklardan haberdar edilmesi ve blok aktarımlarınınbaşlatılması için epidemik dağıtım mekanizmasını kullanmaktadır. Eşlerin farklılığı,uygulanma kolaylığı, ölçeklenebilirlik ve dinamik eş varış/ayrılışları destekleyebilmek gibiözelliklerin yanı sıra, sistem kaynaklarından yararlanmayı artırmak için de bant genişliğininkullanımına göre protokol parametrelerini ayarlayan mekanizmalar geliştirilmiştir. SeCondprotokolü ve onun ayrık durum simülasyon modeli tanımlanmıştır. Birçok senaryo için,protokolün kapsamlı bir performans değerlendirilmesi yapılmıştır. Modellediğimiz ve SeCondile karşılaştırdığımız BitTorrent protokolü, tanınan ve geniş bir kullanıcı kitlesine sahip olanbir eşler arası içerik dağıtım sistemidir. Performans sonuçları farklı geliş/ayrılış kalıpları içinölçeklenebilirlik analizini, ani yoğunluk senaryosunu, ek yük analizini ve eşitlik oranınıiçermektedir. Kullandığımız ana başarım ölçütleri ortalama içerik indirim zamanı, orijinaliçerik yayınlayıcısı üzerindeki yük, indirme/yükleme bant genişliği yararlanma oranı, eşitlikoranı ve iletişim ek yükünden oluşmaktadır. SeCond eşlerinin gerçekleştirilen senaryolarınbirçoğu için dosyayı BitTorrent eşlerine göre daha hızlı indirdiği ve protokolün özel birmekanizma önermediği halde BitTorrent kadar adil dağıtım yaptığı görülmüştür. SeCond'uneşlerin farklılığını göze alan, ölçeklenebilir ve uyarlanabilen bir protokol olduğu ortayakonulmuştur. Ayrıca analitik bir akış modelinin, SeCond protokolünün davranışınauygulanabilirliği gösterilmiştir.

Peer-to-peer (P2P) cooperative systems are becoming extremely popular as they finddiverse applications. One major application area is the content distribution over large-scale networks. As the usage of the Internet grows up, the number of large contents suchas software packages and popular movie files, and also the user population retrievingthese contents increase exponentially.In this thesis, we propose and design a peer-to-peer system, SeCond, addressing thedistribution of large sized content to a large number of end systems in an efficient andeffective manner. In contrast to prior work, it employs an epidemic dissemination schemefor state propagation of available blocks and initiation of block transmissions. In order tosupport heterogeneity of peers, ease of deployment, scalability, and adaptivity to dynamicpeer arrivals/departures, and also to increase the utilization of the system resources, wepropose mechanisms such as adjusting protocol parameters according to the bandwidthusages dynamically. We describe our protocol SeCond and its discrete event simulationmodel. A comprehensive performance evaluation has been accomplished for a wide rangeof scenarios. A well known and widely used P2P content distribution system isBitTorrent which we also model and compare as a benchmark. Performance resultsinclude scalability analysis for different arrival/departure patterns, flash-crowd scenario,overhead analysis, and fairness ratio. The major metrics we study include the average filedownload time, load on the primary seed, uplink/downlink utilization, communicationoverhead, and the fairness ratio. SeCond peers download the file faster compared toBitTorrent peers for most of the scenarios and the protocol is as fair as BitTorrentalthough it has no explicit strategy addressing free-riding. We show that SeCond is ascalable and adaptive protocol which takes the heterogeneity of the peers into account.We also illustrate the applicability of an analytical fluid model to the behavior ofSeCond.