Bewertung und Optimierung zusammenhangsbasierter Stabilitäts- und Dienstgütemaße in Overlay-Netzwerken

Organisation

Förderung seit April 2015 über 24 Monate durch die DFG.

Ansprechpartner:

M. Sc. Martin Backhaus (technisch)
Prof. Dr.-Ing. Günter Schäfer (administrativ)

Kurzbeschreibung

Die Einrichtung logischer Kommunikationsnetze aufbauend auf zugrunde liegenden Transportnetzen ist ein in vielen Bereichen der Netzwerktechnik verbreitetes Konzept. Es findet Anwendung in verschiedenen Domänen wie Peer-to-Peer-Netzwerken, Rechenzentrumsarchitekturen, der Konfiguration Virtueller Privater Netze (VPN), der Planung von WDM-Netzen im Bereich großer Internetdienstanbieter, dem Smart Grid und in zahlreichen Entwürfen für das Future Internet. All diesen Anwendungen gemein ist dabei eine strukturelle Dreiteilung in Underlay (das Transportnetz), Overlay (das logische Netz) und eine Kantenabbildung, die logischen Beziehungen im Overlay Transportpfade im Underlay zuordnet. Aufgrund ihrer Bedeutung für die Funktionsfähigkeit heutiger IT-Infrastrukturen, ist der Einsatz besonders ausfall- und sabotageresistenter Overlay-Netzwerke unabdingbar.

Eine bewusste strukturelle Optimierung findet in Overlay-Netzwerken bisher jedoch vorwiegend unter Effizienzgesichtspunkten oder durch lokale Bildung eines Backup-Pfades je Overlay-Verbindung statt. Folglich kann die Entfernung oder Auslastung weniger Underlay-Verbindungen die Dienstgüte- und Verfügbarkeitsparameter des Overlays entscheidend verschlechtern, da eine große Zahl Overlay-Verbindungen betroffen sein kann. Die Bestimmung solch kritischer Strukturen und die Untersuchungen realistischer Angriffsmöglichkeiten sind Vorraussetzung für eine qualitative Einschätzung der Widerstandsfähigkeit eines Overlays. Gleichzeitig bilden sie die Grundlage für Optimierungen, da identifizierte Schwachstellen durch Adaption der Overlay-Struktur oder der Kantenabbildung behoben werden können. Die in diesem Zusammenhang relevanten Maßzahlen besitzen in einem Overlay-Szenario jedoch nicht mehr ihre von klassischen Netzwerken gewohnten Eigenschaften. Durch die Abhängigkeiten zwischen Underlay- und Overlay-Verbindungen verliert das MaxFlow-MinCut-Theorem seine Gültigkeit und auf klassischen Netzwerken äquivalente Zusammenhangsmaße können voneinander abweichen. Es ergeben sich verschiedene Generalisierungen mit stark abweichenden Berechnungseigenschaften. Weiterhin beeinflussen die Wechselwirkungen zwischen Overlay und Underlay ggf. lastabhängige Dienstgüteparameter wie Durchsatz, Jitter und Signalverzögerungen. Geringe Veränderungen der Bandbreite von Underlay-Verbindungen können durch ungünstige Kantenabbildungen bereits zu empfindlichen Dienstgüte-Verschlechterungen im Overlay führen.

Ausgehend von diesen Beobachtungen zielt das Projekt auf die Maximierung von zusammenhangsbasierten Stabilitäts- und Leistungsmaßen von Overlay-Netzwerken. Im Detail umfasst das Projekt vier wesentliche Teilziele: Untersuchung und Weiterentwicklung von Angreifermodellen in Overlay-Szenarien, Verbesserung der Analysemethoden für zusammenhangsbasierte Stabilität und Leistungsfähigkeit von Overlay-Netzwerken, Anwendung der Analysemethoden auf repräsentative Overlay-Netze, Stabilitätsoptimierung von Overlay-Graph und Kantenabbildung.

Publikationen im Projekt
 
[BaSc17c] Backhaus, Martin; Guenter Schaefer: Worst-Case Attacker Models for Two-Layered Networks Based on the Minimum Overlay Cut, IEEE ISCC, 2017.
[BaSc17b] Backhaus, Martin; Guenter Schaefer: Towards Optimally Resilient Topologies against Optimal Attacks, IEEE/IFIP IM - DISSECT, 2017. Winner of the Best Paper Award.
[BaSc17a] Backhaus, Martin; Guenter Schaefer: Towards Construction of Efficient and Optimally Resilient VPN Topologies by Exactly Calculating Maximum Disjoint Paths, IEEE ICC, 2017.
[BaSc16] Backhaus, Martin; Guenter Schaefer: Backup Paths for Multiple Demands in Overlay Networks, IEEE GIIS, 2016.