ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Διδακτορική Διατριβή Κινητές Πολυμεσικές Επικοινωνίες: Δικτυακές Υποδομές Χαμηλού Κόστους Μια Προσέγγιση στο Θέμα του Διαμοιρασμού Ασύρματων Τοπικών Δικτύων ως Πρόβλημα Ανταλλαγής Πόρων σε Σύστημα Ομότιμων Οντοτήτων (A Peer-to-Peer Approach to Sharing Wireless Local Area Networks) Ηλίας Ευσταθίου Ιούνιος 2006 Εκτενής Περίληψη 1 Εισαγωγή Για πρώτη φορά στην ιστορία των τηλεπικοινωνιών, μπορούν με εύκολο τρόπο ιδιώτες να προσφέρουν τηλεπικοινωνιακές υπηρεσίες. Αυτό είναι απόρροια της εμφάνισης τεχνολογιών Ασύρματων Τοπικών Δικτύων (Wireless Local Area Networks WLAN) χαμηλού κόστους. Η πυκνότητα των WLAN σε αστικές περιοχές μπορεί να είναι υψηλή. Τα WLAN μπορούν να προσφέρουν μεγαλύτερη ταχύτητα πρόσβασης στο Διαδίκτυο απ'ό,τι τα συστήματα κινητής τηλεφωνίας, ακόμη και αν η σύνδεση των WLAN στο Διαδίκτυο γίνεται μέσω απλών γραμμών DSL. Επιπλέον, τα πρωτόκολλα WLAN υποστηρίζονται από ορισμένα νέα κινητά τηλέφωνα. Επομένως, τα απαραίτητα συστατικά για την ανάπτυξη ενός εναλλακτικού δημόσιου δικτύου κινητής τηλεφωνίας είναι διαθέσιμα. Το δίκτυο αυτό θα βασίζεται σε πολυάριθμα σημεία πρόσβασης WLAN (WLAN access points), τα οποία θα ανήκουν σε ιδιώτες που θα τα διαχειρίζονται. Γιατί όμως ιδιώτες να μοιραστούν τα WLAN τους όταν μία τέτοια ενέργεια θα έχει πιθανώς άμεσο ή έμμεσο κόστος; Σε αυτήν τη διατριβή ορίζουμε, σχεδιάζουμε και αξιολογούμε ένα σύστημα για το διαμοιρασμό WLAN, το οποίο ονομάζουμε Peer-to-Peer Wireless Network Confederation (P2PWNC). Η ιδέα του P2PWNC είναι ότι, όταν οι ιδιώτες μοιράζονται τα
WLAN τους, κερδίζουν σαν αντάλλαγμα το δικαίωμα πρόσβασης σε άλλα WLAN. Επομένως, το σύστημα βασίζεται στην αρχή της ανταποδοτικότητας. To σύστημα P2PWNC προάγει τη συνεργασία μεταξύ των συμμετεχόντων με το να μην επιτρέπει την κατανάλωση πόρων σε εκείνους που δε συνεισφέρουν πόρους. Επίσης, δίνει κίνητρα για τη συμμετοχή σε αυτό κρατώντας το κόστος εισόδου χαμηλό: Το σύστημα P2PWNC δεν επιτηρείται από μία Κεντρική Αρχή και οι νέοι συμμετέχοντες δεν είναι απαραίτητο να καταγράφονται σε κάποιο κεντρικό κόμβο. Η διαδικασία είναι παρόμοια με εκείνη κατά την οποία οι συμμετέχοντες στα συστήματα διαμοιρασμού αρχείων προσχωρούν στο σύστημα απλώς μέσω της καταφόρτωσης κατάλληλου λογισμικού. Το πρόβλημα είναι ότι, σε τέτοιου είδους ανοικτά αποκεντρωμένα συστήματα, η αναγνώριση των λαθρεπιβατών (free-riders) είναι δύσκολη. Οι λαθρεπιβάτες μπορούν να προσχωρήσουν στο σύστημα χρησιμοποιώντας πολλαπλές ταυτότητες και να χρησιμοποιήσουν αυτές τις ταυτότητες για να πλαστογραφήσουν αποδείξεις συνεισφοράς. Επιτρέποντας αυτές τις τακτικές υποβιβάζεται το επίπεδο πραγματικής συνεργασίας στο σύστημα. 2 Συνεισφορά Με τη διατριβή αυτή συνεισφέρουμε τα εξής: Ξεκινώντας από την παρατήρηση ότι τα WLAN (και οι συνδέσεις τους με το δίκτυο κορμού) είναι ένας εκμεταλεύσιμος πόρος, ορίζουμε ένα σύστημα ομότιμων οντοτήτων (peer-to-peer system) για το διαμοιρασμό WLAN που στηρίζεται στην αρχή της ανταποδοτικότητας. Σχεδιάζουμε λεπτομερώς το συγκεκριμένο σύστημα που ονομάζουμε Peer-to-Peer Wireless Network Confederation (P2PWNC) και εξετάζουμε το επίπεδο της συνεργασίας που μπορεί να επιτευχθεί υπό ορισμένες αυστηρές προϋποθέσεις. Συγκεκριμένα, απαιτούμε το σύστημα να μην υποστηρίζεται από μία Κεντρική Αρχή σε καμία φάση της λειτουργίας του ούτε όταν νέοι συμμετέχοντες προσχωρούν σε αυτό. Υποθέτουμε ότι όλοι οι συμμετέχοντες είναι εγωιστές (selfish), ορθολογικοί (rational) και ικανοί να τροποποιήσουν τμήματα του συστήματος. Εντοπίζουμε μία αδυναμία σε έναν αλγόριθμο που έχει προταθεί στη βιβλιογραφία, ο οποίος προάγει τη συνεργασία σε ανοικτά συστήματα ομότιμων οντοτήτων χωρίς Κεντρική Αρχή. Τροποποιούμε τον αλγόριθμο αυτό, τον προσαρμόζουμε στο P2PWNC και δείχνουμε τη βελτίωση της απόδοσης σε σχέση με τον αρχικό. Σχεδιάζουμε ένα υποσύστημα καταγραφής συναλλαγών που βασίζεται σε ψηφιακές αποδείξεις (receipts), το οποίο μπορεί να καταγράφει το ιστορικό των συναλλαγών σε ένα σύστημα ομότιμων οντοτήτων όπως το P2PWNC. Για την έκδοση των αποδείξεων, 2
σχεδιάζουμε ένα πρωτόκολλο έκδοσης (receipt generation protocol) το οποίο μπορεί να περιορίζει τη μη καταγεγραμμένη κατανάλωση σε ελάχιστα ποσά. Ορίζουμε έναν αλγόριθμο ενδοσυνεννόησης (gossiping algorithm) και τον χρησιμοποιούμε για να σχεδιάσουμε ένα αποκεντρωμένο υποσύστημα αποθήκευσης του ιστορικού των συναλλαγών. Το υποσύστημα αυτό δεν βασίζεται σε δίκτυα επικάλυψης, δομημένα ή μη (structured or unstructured overlay networks). Επίσης, οι εγωιστές κόμβοι αυτού του υποσυστήματος ευνοούνται με το να αποθηκεύουν και να διαμοιράζονται την πληροφορία που αυτό περιέχει. Επεκτείνουμε ένα πλαίσιο αξιολόγησης (evaluation framework) για ανοικτά συστήματα ομότιμων οντοτήτων, το οποίο έχει προταθεί στη βιβλιογραφία. Συνεισφέρουμε έναν προσομοιωτή που υλοποιεί αυτό το πλαίσιο αξιολόγησης και προσομοιώνει το αποκεντρωμένο υποσύστημα αποθήκευσης καθώς και το υποσύστημα καταγραφής συναλλαγών μέσω αποδείξεων. Ο προσομοιωτής χρησιμοποιείται για να εξετάσει μείγματα στρατηγικών (strategy mixtures) τα οποία ανταγωνίζονται σε περιβάλλοντα που υποστηρίζουν την εξέλιξη (evolution) των συμμετεχόντων, όπως επίσης και διάφορα μοντέλα κινητικότητας (mobility models) των συμμετεχόντων. O προσομοιωτής μπορεί εύκολα να επεκταθεί με νέες στρατηγικές και νέα μοντέλα κινητικότητας. Χρησιμοποιούμε τον προσομοιωτή για να καταδείξουμε ότι η προτεινόμενη από εμάς στρατηγική ανταποδοτικότητας αποδίδει καλύτερα από άλλες στρατηγικές και οδηγεί σε αυξημένο βαθμό συνεργασίας, όταν υπάρχει δυνατότητα εξελικτικής μάθησης (evolutionary learning). Σχεδιάζουμε το πρωτόκολλο P2PWNC, το οποίο δεν εξαρτάται από συγκεκριμένες συσκευές (device neutral) και ορίζει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των οντοτήτων σε ένα σύστημα P2PWNC. Επίσης, αναλύουμε ορισμένα είδη ψηφιακών υπογραφών που μπορούν να υιοθετηθούν από το υποσύστημα καταγραφής συναλλαγών μέσω ψηφιακών αποδείξεων. Υλοποιούμε το πρωτόκολλο P2PWNC και μετρούμε την απόδοση της υλοποίησης. Το λογισμικό P2PWNC μπορεί να φιλοξενείται σε ενσωματωμένες (embedded) συσκευές με περιορισμένους πόρους. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούμε: (1) το χαμηλού κόστους WLAN Αccess Point Linksys WRT54GS και (2) το κινητό τηλέφωνο με υποστήριξη WLAN QTEK 9100. Με τον τρόπο αυτό καταδεικνύουμε ότι το πρωτόκολλο P2PWNC μπορεί να υλοποιηθεί και να αποτελέσει τη βάση για ένα ασφαλές υποκατάστατο συστημάτων κινητής τηλεφωνίας. Αποδεικνύουμε το δεύτερο μέρος του ισχυρισμού αυτού μέσω μίας πρότυπης εφαρμογής για φωνητική επικοινωνία πάνω από IP (Voice-over-IP) και μέσω μίας αρχιτεκτονικής Εικονικών Ιδιωτικών Δικτύων (Virtual Private Networks), η οποία βασίζεται αποκλειστικά στο P2PWNC και σε WLAN Αccess Point τύπου Linksys 3
WRT54GS. Περαιτέρω πληροφορίες για αυτές τις επεκτάσεις της αρχιτεκτονικής P2PWNC (που δεν καλύπτονται από τη συγκεκριμένη διατριβή) βρίσκονται στη διεύθυνση http://mm.aueb.gr/research/p2pwnc. 3 Περίληψη της λειτουργίας του συστήματος P2PWNC Οι συμμετέχοντες σε ένα σύστημα P2PWNC χωρίζονται σε ομάδες που η κάθε μία έχει έναν αριθμό μελών. Οι ομάδες είναι οι ιδιοκτήτες και οι διαχειριστές ενός αριθμού σημείων πρόσβασης WLAN (WLAN access points WLAN AP). Τα WLAN AP είναι συνδεδεμένα σε κάποιο δίκτυο κορμού, π.χ. στο Internet μέσω γραμμών DSL, και βρίσκονται σε διάφορες τοποθεσίες μιας (αστικής) περιοχής. Μία ομάδα καταναλώνει όταν ένα μέλος της χρησιμοποιεί ένα WLAN AP άλλης ομάδας και συνεισφέρει όταν ένα μέλος άλλης ομάδας χρησιμοποιεί ένα δικό της WLAN AP. Ο σκοπός του P2PWNC είναι οι ομάδες να συνεισφέρουν και να καταναλώνουν ισόποσα. Η συνεισφορά και η κατανάλωση υπολογίζεται με βάση τον όγκο της κίνησης (εισερχόμενης και εξερχόμενης), την οποία τα μέλη μιας ομάδας μεταφέρουν μέσω των WLAN AP άλλης ομάδας. Ομάδες που συνεισφέρουν λιγότερο απ ό,τι καταναλώνουν θα «τιμωρούνται» με υπηρεσία χαμηλότερης ποιότητας. Επίσης, μόνον το ιστορικό των πρόσφατων συναλλαγών έχει σημασία: Οι ομάδες πρέπει να συνεισφέρουν διαρκώς εάν επιθυμούν να μπορούν να καταναλώνουν διαρκώς. Τα μέλη υπογράφουν ψηφιακές αποδείξεις όταν καταναλώνουν υπηρεσία από άλλη ομάδα. Οι αποδείξεις δημιουργούν ένα γράφο αποδείξεων, ο οποίος χρησιμοποιείται ως είσοδος στον αλγόριθμο ανταποδοτικότητας, που εντοπίζει τις ομάδες οι οποίες συνεισφέρουν υπολογίζοντας δικτυακές ροές (network flows) πάνω στο γράφο. Προσομοιώσεις καταδεικνύουν ότι ο αλγόριθμος αυτός μπορεί να συντηρεί υψηλά επίπεδα συνεργασίας. Οι αποδείξεις διαμοιράζονται μεταξύ των διαφόρων εξυπηρετητών των ομάδων (team servers) μέσω του αλγορίθμου ενδοσυνεννόησης (gossiping algorithm). Δύο ομάδες αλληλεπιδρούν μόνον όταν ένα μέλος μίας ομάδας βρίσκεται κοντά στο WLAN AP άλλης ομάδας και ζητά τις υπηρεσίες του. Δεν υπάρχει άλλου είδους αλληλεπίδραση μεταξύ ομάδων. Ο γράφος των αποδείξεων μπορεί να περιέχει ψευδείς αποδείξεις αποτέλεσμα ψευδούς συναλλαγής (false trading) σε συνδυασμό με επίθεση τύπου Sybil (Sybil attack), καθώς οι ταυτότητες των ομάδων είναι απλά ζεύγη μη πιστοποιημένων δημόσιων-ιδιωτικών κλειδιών. Επιπλέον, ο ιδρυτής (founder) κάθε ομάδας υπογράφει πιστοποιητικά μέλους για τα μέλη της ομάδας του αλλά δεν είναι απαραίτητη άλλη Υποδομή Δημόσιου Κλειδιού (Public Key Infrastructure) και οι ομάδες δεν χρειάζεται να γνωρίζουν τις ταυτότητες άλλων ομάδων. Το ιστορικό του συστήματος απεικονίζεται πλήρως και αποκλειστικά στο γράφο αποδείξεων. 4
4 Αποτελέσματα προσομοίωσης Εξετάσαμε την απόδοση του αλγόριθμου ανταποδοτικότητας και του αλγόριθμου ενδοσυνεννόησης. Οι συμμετέχοντες που ακολουθούν τους αλγόριθμους χαρακτηρίζονται ως οπαδοί της στρατηγικής RECI (RECIprocal). Όταν οι συμμετέχοντες ακολουθούν τη στρατηγική RECI, συνεισφέρουν σε αυτούς που επίσης συνεισφέρουν και δεν συνεισφέρουν σε λαθρεπιβάτες. Επίσης, όταν αντιμετωπίζουν συμμετέχοντες που συνεισφέρουν λιγότερο (με βάση μία πιθανότητα) απ ό,τι καταναλώνουν (στρατηγική RAND RANDom), η στρατηγική RECI αναγνωρίζει και δίνει λιγότερο όφελος στους οπαδούς της στρατηγικής RAND, δίνοντας τους το κίνητρο να αλλάξουν στρατηγική. Το τίμημα της δυνατότητας διάκρισης της RECI είναι ότι οπαδοί της RECI δεν δίνουν πάντα το μέγιστο όφελος σε άλλους οπαδούς της RECI και ως αποτέλεσμα η κοινωνική ευημερία (social welfare) που επιτυγχάνεται δεν είναι η βέλτιστη. Η βέλτιστη κοινωνική ευημερία θα επιτυγχανόταν εάν όλοι οι συμμετέχοντες συνεργάζονταν στο μέγιστο βαθμό μετά από κάθε αίτηση για παροχή υπηρεσίας. Είδαμε όμως στα πειράματα με εξελικτική μάθηση ότι ένα στρατηγικό μείγμα που αποτελείται μόνο από τέτοιου είδους αλτρουιστές είναι ευάλωτο. Συγκεκριμένα, είναι ευάλωτο σε εισβολές από λαθρεπιβάτες και όταν μία τέτοια εισβολή ξεκινήσει, μοιραία οδηγεί στην πλήρη κατάρρευση της συνεργασίας στο σύστημα. Εάν επιτρέψουμε εξελικτική μάθηση, η στρατηγική RECI μπορεί να εισβάλει σε έναν πληθυσμό αλλά και να αντισταθει σε εισβολές άλλων στρατηγικών. Είδαμε αυτή τη συμπεριφορά σε ένα εύρος τιμών των παραμέτρων της προσομοίωσης και σε χρονικά διαστήματα προσομοίωσης που διέφεραν κατά δύο τάξεις μεγέθους. Για το συγκεκριμένο μοντέλο κόστους-όφελους που χρησιμοποιούμε, καταδεικνύουμε ότι συμφέρει τους συμμετέχοντες να ακολουθούν τους αλγορίθμους που προτείνουμε αντί για μία αλτρουιστική στρατηγική (στρατηγική ALLC), μία στρατηγική λαθρεπιβάτη (στρατηγική ALLD), ή μία στρατηγική που συνεισφέρει χωρίς να εξετάζει το ιστορικό του συστήματος (στρατηγική RAND). Παρόλο που τυχαία γενετική μετατόπιση (random genetic drift) προκαλεί μείγματα ALLC-RECI με ποσοστά ALLC πολύ κοντά στα ποσοστά RECI, η στρατηγική ALLC αποδίδει λιγότερο από τη στρατηγική RECI εξαιτίας των συνεχών προσπαθειών για εισβολή από τη στρατηγική ALLD. Ταυτόχρονα, οι οπαδοί της RECI «αστυνομεύουν» το σύστημα και επιτρέπουν στην κοινωνική ευημερία να αυξάνει. Η στρατηγική RECI δεν βασίζεται σε κεντρικό εξυπηρετητή που διατηρεί το ιστορικό του συστήματος αλλά στο αποκεντρωμένο υποσύστημα αποθήκευσης, το οποίο δίνει μόνο μερική εικόνα του ιστορικού. Εντούτοις, η στρατηγική RECI αποδίδει καλύτερα από τις εναλλακτικές στρατηγικές. 5
5 Περιεχόμενα της διατριβής Το Κεφάλαιο 1 εξηγεί τι μας παρακίνησε στη συγεκριμένη έρευνα και ορίζει το πρόβλημα. Το Κεφάλαιο 2 παρουσιάζει την υπάρχουσα σχετική βιβλιογραφία σε τεχνικές κινήτρων (incentive techniques) σε ομότιμα συστήματα, παρουσιάζει στοιχεία της Θεωρίας Συνεργασίας και τον αλγόριθμο Tit-For-Tat και τέλος παρουσιάζει ορισμένες προτάσεις με κοινά χαρακτηριστικά με το σύστημα P2PWNC. Το Κεφάλαιο 3 ορίζει 54 όρους που χρησιμοποιούνται στη διατριβή. Το Κεφάλαιο 4 παρουσιάζει τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της αρχιτεκτονικής P2PWNC όπως επίσης και τις κυριότερες οντότητες του συστήματος. Το Κεφάλαιο 5 παρουσιάζει τους τρεις αλγόριθμους που θα αξιολογηθούν στο Κεφάλαιο 6. Αυτοί είναι ο αλγόριθμος ανταποδοτικότητας (reciprocity algorithm), o αλγόριθμος ενδοσυνεννόησης (gossiping algorithm) και ο αλγόριθμος εκκίνησης (bootstrap algorithm). To Κεφάλαιο 6 αξιολογεί τους τρεις αλγόριθμους μέσω πειραμάτων προσομοίωσης. Το κεφάλαιο ξεκινά παρουσιάζοντας το πλαίσιο της αξιολόγησης (evaluation framework) και το μοντέλο κόστους-όφελους που χρησιμοποιείται στον προσομοιωτή. Το Κεφάλαιο 7 παρουσιάζει το πρωτόκολλο P2PWNC με παραδείγματα χρήσης. Παρουσιάζει επίσης την υλοποίηση του P2PWNC μαζί με μετρήσεις απόδοσης. Το Κεφάλαιο 8 παρουσιάζει ορισμένα θέματα τα οποία έμειναν ανοικτά από προηγούμενα κεφάλαια και εντοπίζει ευκαιρίες για μελλοντική εργασία πάνω στο πρόβλημα. Τέλος, ακολουθεί το συμπέρασμα της διατριβής στο Κεφάλαιο 9. 6