Reputation-based solutions for trustworthy next-generation networks
Authors: Καπετανίδου Ιωάννα-Αγγελική 
Published: December 2024

Στη σύγχρονη εποχή του Διαδικτύου, η εστίαση τόσο στους τελικούς χρήστες όσο και στα ίδια τα δεδομένα έχουν εξελιχθεί σε δύο θεμελιώδεις πυλώνες. Αυτό οφείλεται κυρίως στη σημαντική διεύρυνση των πηγών δεδομένων, ιδιαίτερα με την εμφάνιση του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things (IoT)). Η εξέλιξη αυτή απαιτεί εξειδικευμένες λύσεις για την αποδοτική διαχείριση της συνεχώς αυξανόμενης κίνησης των δεδομένων αλλά και την υποστήριξη σύνθετων τύπων δεδομένων, όπως το πολυμεσικό περιεχόμενο, ενώ παράλληλα είναι ανάγκη να διασφαλίζεται η αξιοπιστία των δεδομένων, η ανθεκτικότητα στις επιθέσεις και υψηλή Ποιότητα Εμπειρίας (Quality of Experience (QoE)) για τους τελικούς χρήστες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αξιοποιούμε την εμπιστοσύνη που βασίζεται στη φήμη (reputation-based trust) ως ένα βασικό εργαλείο για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων σε δύο διακεκριμένα πρότυπα δικτύων επόμενης γενιάς: τα Πληροφοριοκεντρικά Δίκτυα (Information-Centric Networking (ICN)) και τα Δίκτυα Υπολογιστικού Νέφους (Cloud Networking). Στο πρώτο μέρος αυτής της διατριβής, διερευνούμε πώς η εμπιστοσύνη που βασίζεται στη φήμη μπορεί να ενδυναμώσει τα Πληροφοριοκεντρικά Δίκτυα· εστιάζοντας στην Named Data Networking (NDN), την πιο διαδεδομένη πληροφοριοκεντρική αρχιτεκτονική, διερευνούμε την εμπιστοσύνη που βασίζεται στη φήμη ως μέσο για την αντιμετώπιση ορισμένων εγγενών ευπαθειών των NDN δικτύων, ιδίως στις λειτουργίες ασφάλειας και προσωρινής αποθήκευσης. Σε αυτό το πλαίσιο, ασχολούμαστε με διάφορα σενάρια χρήσης και δικτυακές υποδομές, με στόχο να αναδείξουμε τις δυνατότητες της εμπιστοσύνης που βασίζεται στη φήμη σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Αρχικά, δείχνουμε πώς η φήμη μπορεί να λειτουργήσει ως ένας συμπληρωματικός μηχανισμός στα υφιστάμενα συστήματα ασφαλείας σε ad hoc NDN δίκτυα. Εφαρμόζουμε έναν μηχανισμό που βασίζεται στη φήμη και αποδεικνύουμε τα οφέλη του όσον αφορά τη χρηστικότητα, καθώς και το επικοινωνιακό και υπολογιστικό κόστος. Στη συνέχεια, προτείνουμε δύο διακριτούς μηχανισμούς βασισμένους στη φήμη, καθένας από τους οποίους έχει σχεδιαστεί για την αντιμετώπιση μιας διαφορετικής κρίσιμης απειλής ασφαλείας των NDN δικτύων: συγκεκριμένα, τις επιθέσεις Δηλητηρίασης Περιεχομένου (Content Poisoning Attacks) και των επιθέσεων Ταλάντωσης του Ρυθμού Μετάδοσης (Bitrate Oscillation Attacks). Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η φήμη μπορεί να αποτελέσει ένα αποτελεσματικό αντίμετρο για τον μετριασμό των επιθέσεων και στις δύο περιπτώσεις. Πιο συγκεκριμένα, ο πρώτος μηχανισμός περιορίζει σημαντικά τη διάδοση του “δηλητηριώδους”/κακόβουλου περιεχομένου στο δίκτυο αποφεύγοντας κακόφημους παραγωγούς περιεχομένου. Ο δεύτερος μηχανισμός παρακολουθεί τις ταλαντώσεις στην ποιότητα μετάδοσης κατά τη διάρκεια μιας συνόδου πολυμεσικής ροής (streaming sessions) και προσαρμόζει την πολιτική προσωρινής αποθήκευσης ανάλογα, ώστε τελικά να διασφαλίσει εμπειρία χρηστών παρόμοια με όταν η μετάδοση γίνεται κανονικά, χωρίς επιθέσεις. Τέλος, παρουσιάζουμε μια πολιτική προσωρινής αποθήκευσης βασισμένη στη φήμη, ειδικά σχεδιασμένη ώστε να λαμβάνει υπόψιν την ανοχή σε σφάλματα και την εξοικονόμηση ενέργειας σε NDN IoT δίκτυα. Τα πειραματικά αποτελέσματα ανέδειξαν τα πλεονεκτήματα της λύσης μας ως προς την αξιοποίηση της προσωρινής αποθήκευσης και την ενεργειακή αποδόση. Το δεύτερο ζήτημα που εξετάζεται σε αυτή τη διατριβή είναι η παρακολούθηση της απόδοσης των υπηρεσιών υπολογιστικού νέφους λαμβάνοντας υπόψιν την εμπειρία του χρήστη, δίνοντας έμφαση στην ανάγκη ενσωμάτωσης αποκλειστικά αξιόπιστων αξιολογήσεων από χρήστες. Παρουσιάζουμε το Feed4Cloud, μια λύση βασισμένη στο blockchain που χρησιμοποιεί τη φήμη για να διασφαλίσει τη δίκαιη αξιολόγηση των υπηρεσιών με βάση την εμπειρία των χρηστών. Η φήμη της υπηρεσίας εντάσσεται στη διαδικασία παρακολούθησης της απόδοσής της ως ένα επιπλέον κριτήριο, ώστε να βελτιωθεί, τελικά, η ορχήστρωση των υπηρεσιών σε όλο το υπολογιστικό εύρος - από το νέφος έως τις άκρες του δικτύου. Τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το Feed4Cloud μπορεί να εντοπίσει και να φιλτράρει αποτελεσματικά τις μη έγκυρες αξιολογήσεις των χρηστών, ακόμη και αν η στρατηγική της επίθεσης είναι αρκετά πολύπλοκη, ενώ η αξιολόγηση των υπηρεσιών με βάση την εμπειρία των χρηστών διεξάγεται με συνέπεια και αξιοπιστία. Από πλευράς υλοποίησης, στο πρώτο μέρος της διατριβής οι προτεινόμενοι μηχανισμοί έχουν αναπτυχθεί και επικυρωθεί σε περιβάλλοντα προσομοίωσης, ενώ, στο δεύτερο μέρος, παρέχουμε ένα πραγματικό πρωτότυπο του συστήματος. Μέσω εκτεταμένων πειραμάτων, η παρούσα διατριβή καταδεικνύει την αποτελεσματικότητα των μηχανισμών εμπιστοσύνης που βασίζονται στη φήμη για την ενίσχυση της ασφάλειας και τη διατήρηση της εμπειρίας των χρηστών σε υψηλά επίπεδα σε πληροφοριοκεντρικά δίκτυα και δίκτυα υπολογιστικού νέφους. Συνολικά, η διατριβή συνεισφέρει με τεκμηριωμένα συμπεράσματα για την πρακτική υλοποίηση και τα οφέλη στην απόδοση των λύσεων που βασίζονται στη φήμη, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη ανθεκτικών, προσαρμοστικών και εύχρηστων μοντέλων εμπιστοσύνης για δίκτυα επόμενης γενιάς.