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Vor allem in der Forschung und in den Entwicklungsabteilungen von Unternehmen gibt es eine Vielzahl von Problemen, welche nur mit Programmen zu lösen sind, für deren Ausführung die zur Verfügung stehende Rechenleistung kaum groß genug sein kann. Gleichzeitig ist zu beobachten, dass ein großer Teil der mit der installierten Rechentechnik vorhandenen Rechenkapazität nicht ausgenutzt wird. Dies gilt insbesondere für Einzelrechner, die in Büros, Computer-Pools oder Privathaushalten stehen und sogar während ihrer eigentlichen Nutzung selten ausgelastet sind. Eines der Ziele des Grid-Computings besteht darin, solche nicht ausgelasteten Ressourcen für rechenintensive Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Die eigentliche Motivation für die beabsichtigte bessere Auslastung der Ressourcen liegt dabei nicht primär in der höhreren Auslastung, sondern in einer möglichen Einsparung von Kosten gegenüber der Alternative der Neuanschaffung weiterer Hardware. Ein erster Beitrag der vorliegenden Arbeit liegt in der Analyse und Quantifizierung dieses möglichen Kostenvorteils. Zu diesem Zweck werden die relevanten Kosten betrachtet und schließlich verschiedene Szenarien miteinander verglichen. Die Analyse wird schließlich konkrete Zahlen zu den Kosten in den verschiedenen Szenarien liefern und somit das mögliche Potential zur Kosteneinsparung bei der Nutzung brach liegender Rechenkapazitäten aufzeigen. Ein wesentliches Problem beim Grid-Computing besteht jedoch (vor allem bei der Nutzung von Einzelrechnern zur Ausführung länger laufender Programme) darin, dass die zur Verfügung stehenden freien Rechenkapazitäten im zeitlichen Verlauf stark schwanken und Berechnungsfortschritte durch plötzliche anderweitige Verwendung bzw. durch Abschalten der Rechner verloren gehen. Um dennoch auch Einzelrechner sinnvoll für die Ausführung länger laufender Jobs nutzen zu können, wären Vorhersagen der in der nächsten Zeit zu erwartenden freien Rechenkapazitäten wünschenswert. Solche Vorhersagen könnten u. a. hilfreich sein für das Scheduling und für die Bestimmung geeigneter Checkpoint-Zeitpunkte. Für die genannten Anwendungszwecke sind dabei Punktvorhersagen (wie z. B. Vorhersagen des Erwartungswertes) nur bedingt hilfreich, weshalb sich die vorliegende Arbeit ausschließlich mit Vorhersagen der Wahrscheinlichkeitsverteilungen beschäftigt. Wie solche Vorhersagen erstellt werden sollen, ist Gegenstand der restlichen Arbeit. Dabei werden zunächst Möglichkeiten der Bewertung von Prognoseverfahren diskutiert, die Wahrscheinlichkeitsverteilungen vorhersagen. Es werden wesentliche Probleme bisheriger Bewertungsverfahren aufgezeigt und entsprechende Lösungsvorschläge gemacht. Unter Nutzung dieser werden in der Literatur zu findende und auch neue Vorgehensweisen zur Prognoseerstellung empirisch miteinander verglichen. Es wird sich zeigen, dass eine der neu entwickelten Vorgehensweisen im Vergleich zu bisher in der Literatur dargestellten Vorhersageverfahren klare Vorteile bzgl. der Genauigkeit der Prognosen erzielt.
Intrusion detection is a concept from the field of IT security. Network intrusion detection systems (NIDS) are used in addition to preventative measures, such as firewalls, to enable an automated detection of attacks.
Network security threats often consist of multiple attack phases directed against various components of the network. During each attack phase, varying types of security-related events can be observed at various points in the network. Security monitoring, however, is nowadays essentially limited to the uplink to the internet. Sometimes it is also used to a limited extent at key points within a network, but the analysis methods do not have the same depth as at the uplink. Other areas, such as virtual networks in virtual machines (VMs), are not covered at all, yet. The aim of this thesis has been to improve the detection capability of attacks in local area networks. With a glance at the area of safety engineering, it appears efficient to secure these networks thoroughly and to develop additional monitoring solutions only for the remaining problem cases. This entails several challenges for the analysis of different parts of the TCP/IP stack. The lowermost part of the network stack has to be analyzed for attacks on network components, such as switches and VM bridges. For this, there is still no technology. Although attacks on the layers~2 and 3, such as ARP spoofing and rogue DHCP servers in physical networks, can be controlled to some extent by appropriate switches, equivalent methods are not used in virtual networks. Therefore, a software-defined networking based approach is proposed to counteract the respective attacks, which works for physical and virtual networks. The upper layers are already largely covered by traditional NIDS methods, but the rapidly increasing data rates of local area networks often lead to an uncontrolled discarding of traffic due to overload situations in the monitoring stations.
Therefore, the drawbacks of current optimization approaches are outlined based on a detailed performance profiling of typical intrusion detection systems. A new approach for parallelizing the intrusion detection analysis that copes with the increasing network dynamics is introduced and evaluated. Since further special issues for NIDS particularly go back to the massive use of web technologies in today's networks, a firewall architecture is presented which applies novel NIDS methods based on machine learning to identify web applications and to ward off malicious inputs. The architecture addresses the entire process chain starting from the data transfer with HTTP via the analysis of manipulated web documents to the extraction and analysis of active contents.
Recent challenges and novel approaches of wireless communication networks are characterized by high performance requirements on the radio channel and by concepts of self-organization, in-network processing, or resource optimization which ultimately lead to distributed network applications, communication architectures, and radio transceivers.
Associated evaluation is driven by a multitude of ever-increasing requirements that call for multidisciplinary expertise. Depending on the discipline, simulation is one of the most widely used technologies, whereby often abstract assumptions and models do not allow for sufficiently accurate, comparable results.
In contrast, real-world measurements and field-tests can only be performed on actual systems, commonly under non-reproducible conditions.
This thesis establishes with the Split-Protocol-Stack a new type of evaluation method that intends to help closing the gap between purely simulative analyzes and real-world tests.
With the inclusion of real radio hardware and radio channels in the event-based simulation, this central hybrid approach in connection with the Radio-in-the-Loop methodology creates synergies in interdisciplinary fields.
The approach contains analytical discussions, methodological strategies, and practical contributions that are summarized as key elements in the subsequent central considerations and challenges.
With Real-Time-Shift, a pseudo-real-time synchronization approach for parallel simulation and radio channel emulation of communication flows is introduced.
Based on the underlying time compensation scheme, the discrete event simulation is decoupled from real-time constraints when exchanging event messages with real-world wireless hardware.
A physical layer emulation methodology and radio channel interface concept, called Radio-in-the-Loop, is introduced along with two practical realization approaches.
Furthermore, strategic details on radio network planning with an approach to automatic hardware resource allocation are presented for radio channel emulation-capable network testbeds.
The contributions of this work are evaluated using real-world reference measurements, practical application scenarios, and experiments that provide proof of concepts.
By means of an exemplary selected cross-layer optimization scenario, the benefits are practically demonstrated and discussed.
Finally, based on IEEE 802.15.4 as the reference protocol standard for low-power wireless networks, this thesis provides feasibility studies and analysis results using the representative prototype SEmulate for the Split-Protocol-Stack approach.
Mit der zunehmenden mobilen Nutzung des Internets steigt auch die Zahl
von Anwendungen in mobilen Umgebungen. Diese sind neben ihren spezifischen Anforderungen oft durch eine enge Kooperation ihrer Nutzer gekennzeichnet. Werden mobile verteilte Entscheidungsprozesse modelliert, welche der Bewertung von Sachverhalten oder der Lösung von Aufgaben dienen, so nennt man diese Klasse von Anwendungen mobile kollaborative Anwendungen. Sie werden in dieser Arbeit eingeführt. Ihre Eigenschaften und Besonderheiten werden diskutiert. Die Teilnehmer solcher Anwendungen kollaborieren innerhalb einer geschlossenen Gruppe und bauen ein gemeinsames Wissen auf. Auf dessen
Basis kann die Anwendung lokale Entscheidungen treffen, über die in der Gruppe Konsens besteht. Die instabile Kommunikation in mobilen Umgebungen stellt jedoch an die Sicherung der Konsistenz des gemeinsamen Wissens besondere Anforderungen. Da klassische Verfahren zur Konsistenzsicherung in gruppenorientierten Systemen nicht genutzt werden können, ist die Sicherung der Konsistenz des globalen Wissens in mobilen Umgebungen das Leitthema dieser Arbeit. Es wird ein gruppenorientierter Kommunikationsdienst – Moversight genannt –
für mobile kollaborative Anwendungen vorgestellt, welcher ihnen ein konsistentes globales Wissen trotz instabilen Kommunikationsumfeldes bereitstellt. Hinzu kommt, dass neben der Konsistenzsicherung die Diensterbringung in einer ressourcenschonenden Art und Weise bei gleichzeitiger kontinuierlicher Adaption der Gruppe an sich ändernde Bedingungen einschließlich der Wartung ihrer Kommunikationsstrukturen
gesichert werden müssen. Der Protokollentwurf für Moversight
wird in dieser Arbeit vorgestellt. Für Moversight wurden neuartige Funktionen zur Behandlung der Nutzermobilität entwickelt, welche mit den notwendigen Mechanismen zur Sicherung der Konsistenz des gemeinsamen Wissens interagieren. Ohne Gegenmaßnahmen würden häufige Verbindungsunterbrechungen das gemeinsame Wissen der Gruppe
zerstören, wodurch diese logisch partitioniert und letztlich die Kollaboration der Nutzer verhindert wird. Grundlage der Sicherung des gemeinsamen Wissens ist die mobile optimistische virtuelle Synchronität (MOVS), welche das übliche gruppenorientierte Modell
der Wissenssicherung um eine Behandlung der Nutzermobilität und variierender Verbindungseigenschaften der Gruppenteilnehmer erweitert. Dadurch können Teilnehmer bei Verbindungsproblemen zeitnah in die Gruppe zurückzukehren und ihr Wissen mit dieser abzugleichen.
Das vorgestellte Konzept zur Erkennung und Behandlung von Fehlersituationen mit anschließendem Gruppenwiedereintritt ist deutlich leistungsfähiger als das üblicherweise verwendete Verfahren. Dies wird erreicht durch eine leichtgewichtige Fehlerdetektion unter Nutzung einer neuartigen verteilten Latenzschätzung sowie
einer kontinuierlichen Adaption der verwendeten Kommunikationstopologie an die sich permanent ändernden Kommunikationsbedingungen. Die entwickelte Optimierung der clusterbasierten Kommunikationstopologie eignet sich für alle
gruppenorientierten clusterbasierten Anwendungsszenarien.
Darüber hinaus verfügt Moversight über kollaborative Dienste für das Teilen und Vereinigen von Gruppen, wie sie bisher in keinem gruppenorientierten Kommunikationsdienst zu finden sind. Beide Dienste ermöglichen eine anwendungsgetriebene Neustrukturierung der kollaborativen Gruppe bei gleichzeitiger Sicherung des globalen Wissens.
More and more modern group oriented collaborative applications use the peer-to-peer (P2P) paradigm to be independent of expensive infrastructures as they are, for instance, provided for audio and video conferences by H.323 systems. Decentralized P2P systems better support spontaneity and mobility to set up meetings at varying locations or in ad hoc environments. This is especially advantageous for business communication over the Internet but also for other collaborative applications such as audio/video conferences. Decentralized collaborative P2P solutions require appropriate mechanisms to protect group privacy and data integrity. The broadly available security infrastructures, like virtual private networks (VPN) in the link, network, and transport layer, do not well fulfill the requirements regarding security, efficiency, and flexibility raised by a conferencing system. A dedicated security architecture in the application layer is, therefore, highly desired for protecting a P2P video conference. A centralized client/server based video conference system can be well shielded in a standard manner, whilst there exist no off-the-shelf approaches to specifying how to secure a P2P video conference up to now. This Ph.D. thesis addresses this urgent issue by presenting an effective and flexible security architecture and showing how it can be embedded into a P2P video conferencing system using the BRAVIS system as example. The cornerstone of the security architecture is the decentralized group key management. For this purpose, a new distributed key exchange protocol has been proposed. It is especially well suited for applications in real-time P2P settings for its higher efficiency than existing ones concerning the group key renewal delay. Furthermore, a novel video encryption algorithm has been developed to meet the strict real-time constraints required in a video conference. Its outstanding features include a good balance between security and efficiency, no impairment on video compression efficiency, and readily integration into the existing multimedia systems. These make it more practicable to encrypt video data than existing approaches.
Videokonferenzen gelten als eine populäre Anwendung in modernen Netzwerken. Trotz langjähriger Erfahrungen gehören sie nicht zu den alltäglich genutzten Diensten. Videokonferenzdienste im Internet unterstützen meist offene Konferenzgruppen. Jedoch haben die Mehrzahl der alltäglichen Beratungen einen geschlossenen Charakter. Systeme, die geschlossene Gruppen unterstützen, basieren meist auf spezieller Studiotechnik. Desktop-Systeme lassen nur ein begrenztes Leistungsangebot zu. Besonders beim Aufbau von Mehrteilnehmer-Gruppen ist es schwierig, eine gute Dienstgüte bereitzustellen. Deshalb haben Systeme für geschlossene Gruppen bisher keine breite Anwendung gefunden. Die vorliegende Arbeit untersucht zwei Anätze zur Gestaltungsprinzipien von geschlossenen Mehrteilnehmer-Videokonferenzsystemen. Der Erste untersucht den Aufbau von globalen Konferenzen über den Verbund lokaler Systeme. Der Zweite, ein Peer-to-Peer-Konzept, untersucht die Unterstützung von geschlossenen Gruppen im Internet.
With the integration of smart objects into the Internet users should gain new possibilities to directly interact with their physical environment. This vision is called Internet of Things (IoT) and is enabled by the development of micro Internet Protocol (IP) stacks that allow one to directly connect smart objects to the Internet. IP alone cannot ensure a seamless integration because advanced services (e.g., service discovery, identity management) can only be provided at the application layer. The current development of application protocols for the IoT focuses on the Machine-to-Machine (M2M) communication and introduces specialized protocol gateways, smart object-specific code or data representations that hinder a seamless integration. This thesis deals with the seamless integration, discovery, and employment of smart objects into the current Internet infrastructure under Human-to-Machine (H2M) communication aspects by using and adapting already established protocols that have been standardized by the Internet Engineering Task Force (IETF), such as the Extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP), Multicast DNS (mDNS), and DNS Service Discovery (DNS-SD). The proposed approach is called Chatty Things. So smart objects may become a natural part of the network making the IoT readily usable for (non-technical) users and network administrators providing them with the same level of usability that is predominant in the current Internet infrastructure.
The applicability of XMPP and mDNS/DNS-SD for smart objects has been evaluated with implementations of minimized, modular, and extensible software stacks for the IoT operating system Contiki. This includes a readily usable Application Programming Interface (API), an essential set of XMPP extension protocols, a proposal for lightweight and user-friendly event notification, a standardized bootstrapping, and a seamless fallback mechanism for ad hoc use cases when infrastructure services are failing for XMPP-driven smart objects. Furthermore, this thesis presents optimizations for the used protocols to reduce the network traffic in low data rate smart object networks (e.g., sensor-specific groups, enhanced message compression mechanisms). To sum up, this thesis shows how XMPP and mDNS/DNS-SD can be used economically on smart objects for the seamless integration with low effort into the current Internet infrastructure to enable a transparent (H2M) interaction and service discovery for the IoT.