Universität Karlsruhe Diplomarbeit von Georgios Papadopoulos S-Lanes - Ein schlankes Overlay zur motivierten Dienstvermittlung in mobilen Ad-hoc-Netzen Diplomarbeit von Georgios Papadopoulos Betreuer: Dipl.-Inform. Philipp Obreiter Dipl.-Inform. Michael Klein

Überblick Zielsetzung der Arbeit Einführung Lane Struktur Funktionsweise Evaluierung von Lanes Analyse des Fehlverhaltens Problem Klassifizierung Konzeption eines Anreizschemas Anreizmuster Erweiterung der Protokolle Evaluation Zusammenfassung & Ausblick

Zielsetzung der Arbeit Implementierung der Lanes-Protokolle und Evaluierung der Lane-Struktur Analyse des Kooperationsverhaltens autonomer Geräte Anreizschema entwerfen, das Lanes-Protokolle robust gegen nicht kooperative Geräte macht

Lanes Struktur Idee Zusammenschluss von Geräten unter gleichen anycast Adressen Lane 1 Lane 2 1 6 Effektive und effiziente Dienstsuche 2 7 Eigenschaften Logische Verbindungen Intra-Kommunikation: direkt Inter-Kommunikation: anycast 3 8 Was ist die Lanes Struktur….. 4 9 X Vorgänger Nachfolger 5 10 linke anycast Adresse rechte anycast Adresse

Funktionsweise Lane 1 Lane 2 Lane 3 1 6 11 2 7 12 3 8 13 4 9 14 5 10 Dienst ankündigen 3 8 13 Zeigen wie die Ankündigungen, Suchen ablaufen Dienst suchen Dienst gefunden 4 9 14 5 10 15 Gerät 3 bietet den Dienst

Algorithmen der Lanes-Struktur Für die Realisierung der Lanes-Struktur werden folgende Algorithmen eingesetzt: Login/Logoff-Algorithmus Zutritt in die bzw. Austritt aus der Lane Dienstankündigung-Algorithmus Dienstbekanntgabe innerhalb der Lane Dienstsuche-Algorithmus Interne und anycast Suche Split-Algorithmus, Merge-Algorithmus Korrektur der Lanegröße LaneBroken-Algorithmus Korrektur nach unangekündigtem Austritt Algorithmen für Netzpartionierung/Reintegration Ping-Nachrichten: Sorgen für die Pflege der Lanes

Evaluierung von Lanes Einstellungen: 1. 15 Geräte 2. Testdauer 3600s 3. Aktion jede 60 Sekunden 4. Ping Nachrichten bei Lanes jede 15 sec Aufwand [ #Nachrichten/Suchanfrage] ∞ 10 5 3,3 2,5 2 Dynamik [ Verweildauer in Min.]

Problem Lane 1 Lane 2 Lane 3 1 6 11 2 7 12 Dienst ankündigen 3 8 13 Dienstsuche erfolglos Dienst suchen 4 9 14 5 10 15 Dienst nicht gefunden

Grundgedanken Lane-Funktionalität hängt von der Kooperation jedes Gerätes ab Geräte sind autonom und treffen die Kooperationsentscheidung selbst Unkooperatives Verhalten, um Ressourcen zu schonen (Batterie, Netzwerkressourcen) Ziel: Anreiz, um die Kooperation zu stimulieren Definition: Prinzipal-Agent Transaktion Prinzipal Agent Aktion Belohnung

Muster von vorteilhaften Fehlverhalten Vorteilhaftes Fehlverhalten Lane erkennbar Nicht Lane erkennbar Aktiv Passiv Passiv Aktiv Keine Spalten- nachricht senden Accept, Inform, Confirm nicht weiter bearbeiten Dienste nicht vergleichen Verändern Nicht weiterleiten Vortäuschen Dienste nicht lokal speichern Intra Lane Inter Lane Inter Lane Intra Lane Login-Algorithmus ignorieren Ping Zähler Spalten- nachrichten Ankündigungs- nachrichten Dienste die nicht existieren, ankündigen Such- nachrichten Ankündigungs- nachrichten Such- nachrichten Keine Anfragen senden Keine Angebote machen

Wahrnehmbarkeitsmechanismen Mitglieder- Kooperation Zusätzliche Mechanismen Signieren Dienste testen Bestätigungen Semantik, Beobachten Lane erkennbares aktives Verhalten Lane erkennbares passives Verhalten Nicht Lane erkennbares aktives Verhalten Nicht Lane erkennbares passives Verhalten Suchnachrichten verändern Suchnachrichten nicht weiterleiten Dienste die nicht existieren, ankündigen Suchende Dienste nicht vergleichen

Muster von vorteilhaften Fehlverhalten Vorteilhaftes Fehlverhalten Lane erkennbar Nicht Lane erkennbar Aktiv Passiv Passiv Aktiv Keine Spalten- nachricht senden Accept, Inform, Confirm nicht weiter bearbeiten Dienste nicht vergleichen Verändern Nicht weiterleiten Vortäuschen Dienste nicht lokal speichern Intra Lane Inter Lane Inter Lane Intra Lane Dienste testen Login-Algorithmus ignorieren Ping Zähler Spalten- nachrichten Ankündigungs- nachrichten Semantik, Beobachten Dienste die nicht existieren, ankündigen Such- nachrichten Ankündigungs- nachrichten Such- nachrichten Keine Anfragen senden Keine Angebote machen Signieren Bestätigungen

Existierende Anreizmuster Philipp Obreiter, Jens Nimis A Taxonomy of Incentive Patterns - The Design Space of Incentives for Cooperation  2nd Workshop on Agents and Peer-to-Peer Computing (AP2PC'03), Melbourne

Von Lanes zu SLanes: Diestsuche Prinzipal Agent 1 Agent 2 Signiert Such-Nachricht # Nachrichten Kontrolliert die Signatur des Prinzipals Lanes 6 3 7 Fragt das RepSys Tradeoff 1 Sucht Dienst erfolglos Signiert orig. Nachricht Tradeoff 2 Kontrolliert Sign. Inform RepSys Tradeoff 3 Sign. Quittung Inform. RepSys Tradeoff 4 Signiert Bestätigung Kontrolliert Signatur Inform RepSys. Fragt RepSys Signiert Eigenwechsel Suche erfolgreich Inform. RepSys Sign. Antwort Kontrolliert Signatur Inform RepSys. Signiert Eigenwechsel Inform. RepSys

Evaluierung Durchgeführt mit Netzsimulator DIANEmu Ziele der Evaluierung: - Gesamtnutzen-Gesamtaufwand - Fairness Korrelation von Individualnutzen-Individualaufwand Vorgehensweise: - Parameter: 1. Heterogenität der Populationen (Altruistische, rationale kooperative, rationale unkooperative Geräte) 2. Anzahl der durchgeführten Suchvorgänge 3. Max. Anzahl der Eigenwechsel (Kredit) - Gemessene Werte: 1. Nutzen: gefundene Dienste 2. Aufwand: Anzahl der gesendeten Nachrichten und der durchgeführten Vergleiche Einstellungen: 20 Geräte, jedes Gerät bietet genau einen Dienst, gleichverteilte 4400 Dienstsuchen, Reputationssystem von Stefan Fähnrich.

Gesamtnutzen-Gesamtaufwand Vergleiche Gesamtaufwand Nachrichten Gesamtaufwand Lanes SLanes Gesamtnutzen Max. 10 Eigenwechsel 20 Altruistische 15 Kooperative 5 Unkooperative 10 Kooperative 10 Unkooperative 5 Kooperative 15 Unkooperative

Fairness: Korrelationskoeffizient und Regressionsgerade Aus Messungen abgeleitete Werte: 1. Korrelationskoeffizient r (Findungen-Vergleiche) 2. Steigung der Regressionsgerade (b) Einstellungen: 4400 Suchen, 15 Kooperative, 5 Unkooperative Lanes SLanes #Findungen #Vergleiche r=-0,18 r=0,69 b=0,54 Individualnutzen [Findungen] Individualnutzen [Findungen] Individualaufwand [Vergleiche] Individualaufwand [Vergleiche]

Fairness Betrachtung Parameter: Wechselkredit Population Lauflänge 0,77 0,86 10 Kooperative 10 Unkooperative Korrelationskoeffizient b=0,81 b=1,55 max. Eigenwechsel-Kredit 10 max. Eigenwechsel-Kredit 2 0,69 0,77 0,76 4400 Suchen Korrelationskoeffizient b=0,54 b=0,81 b=0,55 15 Kooperative 5 Unkooperative 10 Kooperative 10 Unkooperative 5 Kooperative 15 Unkooperative 10 Kooperative 10 Unkooperative 0,81 0,77 0,82 Korrelationskoeffizient b=0,25 b=0,81 b=1,9 2400 Suchen 4400 Suchen 9200 Suchen Lanes SLanes

Zusammenfassung - Ausblick Lanes in Szenarien mit mäßiger Dynamik besser als Fluten Autonome Geräte erzielen Vorteile durch das Fehlverhalten Anreizschema für die Lanes-Struktur entworfen - Gemeischaftsmuster und Eigenwechselmuster geeignet - Adaption der Algorithmen um die Wahrnehmbarkeit zu erhöhen Evaluationsergebnisse - Bei SLanes weniger Gesamtnutzen und Gesamtaufwand - Fairness erreicht da Individualnutzen und Individualaufwand gut korrelieren Ziel erreicht: kooperatives Verhalten ist motiviert Ausblick: Erweiterung der Lanes-Algorithmen, mehr Testfälle, andere Parametrisierung, Fine Tuning der Einstellungen!

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen???

Existierende Anreizmuster Vertrauen stimuliert Diesnangebote Gegenleistung stimuliert Diensangebote Vertrauensbasierte Handelsbasierte statisch sofort dynamisch versprochen Kollektivmuster Gemeinschaftsmuster Tauschhandelmuster Wertpapiermuster

Unkooperatives Verhalten Eigensinniges Verhalten: Verschafft eigene Vorteile, schont eigene Ressourcen Verschwenderisches Verhalten: Nutzung von Ressourcen anderer Teilnehmer, schont eigene Ressourcen Bösartiges Verhalten: Schadet andere Teilnehmer, ohne eigene Vorteile Entschuldbares Verhalten: Wegen Ressourcen Mangels

Muster von vorteilhaften Fehlverhalten Vorteilhaftes Fehlverhalten Nicht Lane erkennbar Lane erkennbar Vorteilhaftes Fehlverhalten Nicht Lane erkennbar Lane erkennbar Accept, Inform, Confirm nicht weiter bearbeiten Keine Spalten- nachricht senden Spalten- nachrichten Intra Lane Nicht weiterleiten Ping Zähler Such- Ankündigungs- Inter Lane Verändern Passiv Aktiv Passiv Aktiv Dienste die nicht existieren, ankündigen Vortäuschen Login-Algorithmus ignorieren Keine Angebote machen Dienste nicht vergleichen lokal speichern Keine Anfragen senden

Erweiterung der Dienstsuche Lane 1 Lane 2 Lane 3 16 18 Prinzipal 2 Agent 1 7 Agent 2 14 12 13 Prinzipal: 1. Signiert Such-Nachricht 2. Sendet Nachricht an Agenten 1 15. Kontrolliert die Signatur des Agenten 2 und informiert das Reputationssystem 16. Sendet signierten Eigenwechsel an Agenten 2 17. Kontrolliert die Signatur des Agenten 1 und informiert das 18. Sendet signierten Eigenwechsel an Agenten 1 Agent 1: 3. Kontrolliert die Signatur des Prinzipals 4. Fragt das RepSys 5. Sucht den Dienst erfolglos 6.Signiert originale Nachricht mit eigener Signatur 7. Sendet Nachricht an Agenten 2 14. Bekommt die Quittung, informiert das RepSys und sendet signierte Bestätigung an Prinzipal Agent 2: 8. Schritt 3 9. Informiert das RepSys 10. Fragt das RepSys 11. Sucht und findet den Dienst 12. Signiert eine Quittung und sendet sie an Agenten 1 13. Sendet signierte Nachricht mit dem Anbieter an Prinzipal #Nachrichten=7

Dienstsuche-Beispiel Lane 1 Lane 2 Lane 3 1 2 Prinzipal Agent 1 Agent 2 3 Prinzipal: 1. Sendet Nachricht an Agent 1 Agent 1: 2. Sucht den Dienst erfolglos 3.Sendet Nachricht an Agent 2 Agent 2: 4. Sucht und findet den Dienst 5. Sendet Nachricht mit dem Anbieter an Prinzipal #Nachrichten=3

Erweiterung der Dienstsuche Lane 1 Lane 2 Lane 3 16 Prinzipal 2 Agent 1 7 Agent 2 14 12 13 Prinzipal: Agent 1: Agent 2: 1. Signiert Such-Nachricht 3. Kontrolliert die Signatur des Prinzipals 8. Schritt 3 2. Sendet Nachricht an Agenten 1 9. Informiert das RepSys 4. Fragt das RepSys 10. Fragt das RepSys 5. Sucht den Dienst erfolglos 15. Kontrolliert die Signatur des Agenten 2 und informiert das RepSys 11. Sucht und findet den Dienst 6.Signiert originale Nachricht mit eigener Signatur 12. Signiert eine Quittung und sendet sie an Agenten 1 16. Sendet signierten Eigenwechsel an Agenten 2 13. Sendet signierte Nachricht mit dem Anbieter an Prinzipal 7. Sendet Nachricht an Agenten 2 17. Kontrolliert die Signatur des Agenten 1 und informiert das Reputationssystem 14. Bekommt die Quittung, informiert das RepSys und sendet signierte Bestätigung an Prinzipal #Nachrichten=6

Evaluierung Durchgeführt mit Netzsimulator DIANEmu Ziele der Evaluierung: - Fairness Korrelation von Individualnutzen-Individualaufwand und von Gesamtnutzen-Gesamtaufwand Vorgehensweise: Parameter: 1. Heterogenität der Populationen (Altruistische, rationale kooperative, rationale unkooperative Geräte) 2. Anzahl der durchgeführten Suchvorgängen 3. Max. Anzahl der Eigenwechsel Gemessene Werte: 1. Nutzen: gefundene Dienste 2. Aufwand: Anzahl der gesendeten Nachrichten und der durchgeführten Vergleiche Abgeleitete Werte: 1. Korrelationskoeffizient (Nutzen-Vergleiche) 2. Steigung der Regressionsgerade (b)