Designing and analyzing end-to-end, high-performance multipath applications in path-aware networks

Abstract

The Internet’s BGP routing obscures routing and limits multipathing. Path-Aware Networking (PAN), like SCION, shifts routing control to the edge, creating optimization, performance, and fairness challenges. This dissertation designs high-performance multipath applications for PANs. Through experimental deployments, we contribute across three areas. For network optimization, making BitTorrent and IPFS path-aware boosted goodput by 48%. We also accelerated Brave browser loads and designed a stateless inter-domain multicast. For end-host performance, we bypassed processing bottlenecks using Xiondp and Hercules; the latter uses zero-copy processing to saturate intercontinental 100 Gbps links on standard hardware. Finally, addressing fairness and economics, we built Uncoupled Multipath Congestion Control (UMCC) for decentralized fairness, and our SAPEX-F framework proves cooperative behavior mitigates ISP economic risks. Collectively, these solutions prove PAN's barriers are solvable.

Das BGP-Routing des Internets verschleiert Routing-Entscheidungen und begrenzt Multipathing. Path-Aware Networking (PAN) wie SCION verlagert die Routing-Kontrolle an die Endknoten, was Optimierungs-, Leistungs- und Fairness-Herausforderungen birgt. Diese Arbeit entwirft hochperformante Multipath-Anwendungen für PANs. Durch experimentelle Implementierungen leisten wir Beiträge in drei Bereichen. Zur Netzwerkoptimierung erhöhte die Path-Awareness in BitTorrent und IPFS den Goodput um 48 %. Wir beschleunigten zudem Ladezeiten im Brave-Browser und entwarfen einen zustandslosen Inter-Domain-Multicast. Für die End-Host-Performance umgingen wir Engpässe mittels Xiondp und Hercules. Letzteres nutzt Zero-Copy, um interkontinentale 100-Gbit/s-Links auf Standardhardware auszulasten. Für Fairness und Wirtschaftlichkeit entwickelten wir UMCC zur dezentralen Fairness. Unser SAPEX-F-Framework zeigt, dass Kooperation wirtschaftliche ISP-Risiken mindert. Die Lösungen beweisen, dass PAN-Hürden überwindbar sind.