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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:hbz:385-6317
URL: http://ubt.opus.hbz-nrw.de/volltexte/2011/631/


Berücksichtigung der Infrastruktur- und Konsistenzaspekte zur Verbesserung der Skalierbarkeit und der Lastverteilung in verteilten virtuellen Umgebungen

Consideration of infrastructural and consistency aspects for scalability and load balancing improvement in distributed virtual environments

Schloss, Hermann

pdf-Format:
Dokument 1.pdf (2.210 KB) (Dissertation)

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SWD-Schlagwörter: Konsistenz , Overlay-Netz , Peer-to-Peer-Netz , Multicastingverfahren
Freie Schlagwörter (Deutsch): Virtuelle Umgebung
Freie Schlagwörter (Englisch): Consistency , Overlay Network , Peer-to-Peer Network , Multicast Communication , Virtual Environment
CCS - Klassifikation: H.3.4
Institut: Informatik
Fakultät: Fachbereich 4
DDC-Sachgruppe: Informatik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Sturm, Peter (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.03.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 01.04.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Virtuelle Umgebungen erfreuen sich in den letzten Jahren einer großen Beliebtheit und können kontinuierlich wachsende Nutzerzahlen vorweisen. Deshalb wird erwartet, dass die ohnehin große Nutzergemeinde weiterhin wächst. Dieses Wachstum stellt jedoch die Entwickler und die Betreiber von virtuellen Umgebungen vor eine Herausforderung. Die meisten heutzutage erfolgreichen virtuellen Umgebungen basieren auf einer Client-Server-Infrastruktur, in der der Server für die Verwaltung der gesamten Umgebung zuständig ist. Bei einer gleichzeitigen Inanspruchnahme durch viele Nutzer werden die serverbasierten Umgebungen jedoch massiven Skalierbarkeits- und Lastverteilungsproblemen ausgesetzt. Diese Probleme führen beispielsweise dazu, dass Nutzer Wartezeiten beim Einloggen in Kauf nehmen müssen bzw. selbst im Falle eines erfolgreichen Logins die „überfüllten“ virtuellen Regionen nicht betreten dürfen. Deshalb wird in dieser Arbeit untersucht, ob eine Verbesserung der Skalierbarkeit und der Lastverteilung in virtuellen Umgebungen durch die Verwendung alternativer Infrastrukturansätze erreicht werden kann. Außerdem werden Maßnahmen zur weiteren Entlastung der Basis-Infrastruktur entwickelt.rnrnDiese Verbesserung soll zum einen dadurch erzielt werden, dass anstelle eines Servers ein Server-Verbund (Peer-to-Peer-System) als eine Art Management-Schicht agieren soll, in der jeder Knoten nur einen bestimmten Teil der virtuellen Umgebung verwaltet. Dabei wird die gewünschte Lastverteilung durch die Aufteilung der Verantwortungsbereiche auf die Knoten der Management-Schicht erreicht. Gleichzeitig entsteht aber ein Mehraufwand für die Konstruktion bzw. Erhaltung einer solchen Management-Schicht. Deshalb werden in dieser Arbeit die Vor- und Nachteile eines Infrastrukturwechsels hin zu dezentralisierten Infrastruktur-Ansätzen untersucht.rnrnZum anderen wird eine spürbare Entlastung der Management-Schicht und somit eine Verbesserung der Skalierbarkeit und der Lastverteilung durch die Übertragung einiger Verwaltungsaufgaben an die Clients angestrebt. Zu diesen Verwaltungsaufgaben zählen die Gruppenkommunikation und das Konsistenz-Handling. Dazu wird in dieser Arbeit erforscht, inwiefern die Clients, die sich innerhalb derselben virtuellen Region befinden, selbst die Gruppenkommunikation über eine Multicast-Infrastruktur regeln können bzw. in die Wahrung der Konsistenz eines gemeinsamen Zustandes und der gemeinsam genutzten Objekte involviert werden können. Bei dem clientbasierten Konsistenz-Handling sollte vor allem auf die besonderen Interaktivitäts- und Konsistenzanforderungen, die Nutzer an die virtuellen Umgebungen stellen, geachtet werden. Dazu wird ein neues Konsistenzmodell definiert, welches die Einhaltung der strengen Interaktivitätsanforderungen erzwingt und die Konsistenz mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit garantieren kann.rn
Kurzfassung auf Englisch: Distributed Virtual Environments (DVEs) such as Massive Multiplayer Online Games (MMOGs) or Virtual Worlds have become very popular in the last few years and a more substantial surge in popularity and use is expected. Because of the huge number of users most of these environments have to cope with scalability problems. The change of the basic infrastructure from a centralized client-server to a decentralized peer-to-peer architecture mitigates these problems. However it makes the handling of management and consistency issues more complicated. This thesis introduces an alternative DVE architecture and addresses the infrastructural (multicast, publish and lookup) and consistency issues in peer-to-peer-based DVEs.rnrnThe proposed architecture uses a two-tier hybrid peer-to-peer infrastructure. The first (management) tier is responsible for content provision and management tasks. The content provision and management in a distributed manner is much more complicated and requires an exhaustive study of overlay network properties. In order to investigate which kind of overlay networks suits the requirements stated by DVEs at best, a comparative evaluation of the deterministic and the nondeterministic overlay networks was performed considering their data location performance and construction cost. As proof of concept a 2D online game application was implemented on top of the indentified overlay network.rnrnIt the second (client) tier the clients are responsible for application level multicast communication and consistency handling in a peer-to-peer fashion. This thesis proposes a multicast approach based on a Minimum Spanning Tree (MST) approximation. According to the evaluation results, this approach achieves a good MST approximation with respect to a communication cost and avoids extraneous communication needed for latency measurements.rnrnFurthermore, this thesis addresses consistency problems which may occur in distributed virtual environments and introduces the “elastic consistency” model to tackle these problems. This model achieves a good trade-off between consistency and responsiveness in order to provide an efficient way of interaction on a global scale. rn

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