Consistency Algorithms and Protocols for Distributed Interactive Applications

Vogel, Jürgen

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URL:	https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/671
URN:	urn:nbn:de:bsz:180-madoc-6711
Document Type:	Doctoral dissertation
Year of publication:	2004
The title of a journal, publication series:	None
Publishing house:	Universität Mannheim
Evaluator:	Effelsberg, Wolfgang
Date of oral examination:	16 July 2004
Publication language:	English
Institution:	School of Business Informatics and Mathematics > Praktische Informatik IV (Effelsberg -2017)
Subject:	004 Computer science, internet
Classification:	CCS: H.5.3 H.3.4 D.2.11 C.2.4 C.2.2 ,
Subject headings (SWD):	Mehrplatzsystem , Multicastingverfahren , Netzwerk , Kommunikationsprotokoll
Individual keywords (German):	CSCW , Konsistenzerhaltung , Multicast , Late-Join , Shared Whiteboard
Keywords (English):	CSCW , consistency , multicast , late-join , shared whiteboard
Abstract:	The Internet has a major impact not only on how people retrieve information but also on how they communicate. Distributed interactive applications support the communication and collaboration of people through the sharing and manipulation of rich multimedia content via the Internet. Aside from shared text editors, meeting support systems, and distributed virtual environments, shared whiteboards are a prominent example of distributed interactive applications. They allow the presentation and joint editing of documents in video conferencing scenarios. The design of such a shared whiteboard application, the multimedia lecture board (mlb), is a main contribution of this thesis. Like many other distributed interactive applications, the mlb has a replicated architecture where each user runs an instance of the application. This has the distinct advantage that the application can be deployed in a lightweight fashion, without relying on a supporting server infrastructure. But at the same time, this peer-to-peer architecture raises a number of challenging problems: First, application data needs to be distributed among all instances. For this purpose, we present the network protocol RTP/I for the standardized communication of distributed interactive applications, and a novel application-level multicast protocol that realizes efficient group communication while taking application-level knowledge into account. Second, consistency control mechanisms are required to keep the replicated application data synchronized. We present the consistency control algorithms “local lag”, “Timewarp”, and “state request”, show how they can be combined, and discuss how to provide visual feedback so that the session members are able to handle conflicting actions. Finally, late-joining participants need to be initialized with the current application state before they are able to participate in a collaborative session. We propose a novel late-join algorithm, which is both flexible and scalable. All algorithms and protocols presented in this dissertation solve the aforementioned problems in a generic way. We demonstrate how they can be employed for the mlb as well as for other distributed interactive applications.
Translation of the title:	Consistency Algorithms and Protocols for Distributed Interactive Applications (English)
Translation of the abstract:	Das Internet hat sich zu einem alltäglichen und universellen Werkzeug der Informationsbeschaffung und der zwischenmenschlichen Kommunikation entwickelt. Durch den Austausch von multimedialen Inhalten über das Internet ermöglichen es so genannte verteilte interaktive Anwendungen einer Gruppe von Benutzern, miteinander zu kommunizieren und zusammenzuarbeiten. Beispiele für verteilte interaktive Anwendungen sind Mehrbenutzer-Texteditoren, Systeme zur Unterstützung von Projektteams, virtuelle Realitäten und Shared Whiteboards. Letztere dienen zum Präsentieren und Erstellen von Dokumenten in Videokonferenz-Szenarien. Die Entwicklung eines solchen Shared Whiteboards, des multimedia lecture boards (mlb), ist ein zentraler Beitrag dieser Dissertation. Wie viele andere verteilte interaktive Anwendungen auch hat das mlb eine replizierte Architektur, bei der jeder Benutzer auf seinem lokalen Rechner eine vollwertige und gleichberechtigte Anwendungsinstanz ausführt. Eine solche Architektur hat den Vorteil, dass die Anwendung ohne die Installation von zentralen Serverkomponenten sofort einsetzbar ist. Gleichzeitig birgt eine replizierte Architektur aber auch eine Reihe von technischen Herausforderungen, die von einer verteilten interaktiven Anwendung gelöst werden müssen: Zunächst ist es erforderlich, die Anwendungsdaten über geeignete Netzwerkprotokolle zwischen den beteiligten Anwendungsinstanzen auszutauschen. Zu diesem Zweck wurden im Rahmen dieser Dissertation das RTP/I-Protokoll zur standardisierten Kommunikation und ein neuartiges Protokoll zur effizienten Multicast-Kommunikation auf Anwendungsebene unter Berücksichtigung von Anwendungswissen entwickelt. Des Weiteren werden Verfahren zur Konsistenzerhaltung benötigt, die die replizierten Anwendungsdaten miteinander abgleichen und auf dem neuesten Stand halten. Die Dissertation stellt die Konsistenzerhaltungs-Mechanismen Local Lag, Timewarp und Zustandsanfrage vor und zeigt, wie diese kombiniert werden können. Zusätzlich wird ein neues Visualisierungs-Schema eingeführt, das es den einzelnen Benutzern erlaubt, Konflikte beim gleichzeitigen Zugriff auf die Anwendungsdaten zu erkennen und aufzulösen. Als letztem Schwerpunkt beschäftigt sich die Dissertation mit der Frage, wie neu hinzu gekommene Anwendungsinstanzen mit den aktuellen Anwendungsdaten initialisiert werden können. Der hierzu vorgeschlagene Late-Join-Algorithmus ist sowohl effizient als auch flexibel. Alle besprochenen Algorithmen und Protokolle können als generische Lösungen neben dem mlb für eine Vielzahl von verteilten interaktiven Anwendungen verwendet werden. (German)
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