Mobility - based proactive caching models for addressing niche mobile demand and scalable ICN name resolution designs

Abstract

Από την εποχή της αρχικής του σύλληψης, το Διαδίκτυο έχει υποστεί μια σειρά από ριζοσπαστικές αλλαγές λόγω της τεχνολογικής προόδου και της διεύρυνσης των εφαρμογών χρήσης του Διαδικτύου. Από τη σκοπιά των χρηστών του, αποτελεί ένα παγκόσμιο μέσο για την ανταλλαγή αντικειμένων Πληροφορίας ανάμεσα σε εκατομμύρια σταθερούς καικινητούς χρήστες. Ωστόσο, η κληροδοτημένη από τα προηγούμενα χρόνια αρχιτεκτονικήτου Διαδικτύου, θέτει σοβαρούς περιορισμούς ή καθιστά ανεπαρκή τη διάθεση και την ανάκτηση της επιθυμητής Πληροφορίας. Πλέον αυτού, τόσο οι επεκτάσεις που εφαρμόστηκαν(εν είδει «μπαλώματος») στην υπάρχουσα αρχιτεκτονική με στόχο την υποστήριξη της κινητικότητας των χρηστών, όσο και η εγγενώς προσφερόμενη υποστήριξη της κινητικότηταςστην περίπτωση των αρχιτεκτονικών Πληροφοριοκεντρικής δικτύωσης (Information-Centric Networking (ICN)), δεν επαρκούν για να αντιμετωπίσουν τις σύγχρονες ανάγκες και απαιτήσεις σε όρους ποιότητας-της-υπηρεσίας (Quality-of-Service (QoS)) και επιθυμητού επιπέδου ποιότητας-της-εμπειρίας (Quality-of-Experience (QoE)) των χρηστών. Τα προβλήματα επιδεινώνονται από το καινοφανές και συνεχώς αυξανόμενο πλήθος των διαφορετικών αντικειμένων της Πληροφορίας και των κινητών συσκευών στο Διαδίκτυο, το οποίο συνεπάγεται υψηλά επίπεδα όγκου κίνησης δεδομένων, τόσο για τα αιτήματα επίλυσης ονομάτωνπεριεχομένου, όσο και για τη μετάδοση των ίδιων των αντικειμένων της Πληροφορίας. Η κύρια συνεισφορά της παρούσας διατριβής έγκειται στο σχεδιασμό μοντέλων αποδοτικής προληπτικής ενταμίευσης (efficient proactive caching) για την ενίσχυση της απρόσκοπτης κινητικότητας των χρηστών. Τα εν λόγω μοντέλα είναι εκτελέσιμα σε επίπεδοεφαρμογής οποιασδήποτε υποκείμενης αρχιτεκτονικής δικτύωσης. Πλέον αυτού, δύνανται να εκτελούνται και σε επίπεδο δικτύου στην περίπτωση των αρχιτεκτονικών Πληροφοριοκεντρικής δικτύωσης. Το βασικό μοντέλο που προτείνουμε, είναι το αποκεντρωμένο μοντέλο αποδοτικής προληπτικής ενταμίευσης βάσει της κινητικότητας (Effiecient Mobility-basedCaching (EMC)). Πιο συγκεκριμένα, το EMC έχει σχεδιαστεί για να προβαίνει σε αυτόνομες αποφάσεις για τη προληπτική λήψη και ενταμίευση των δεδομένων τοπικά εντός μικρώνκυψελών ασύρματης μετάδοσης (small cells), κάνοντας χρήση α) της πληροφορίας πρόβλεψης με βάση τη συνολική κινητικότητα (aggregated mobility) των χρηστών και β) ενός σχήματος δυναμικής τιμολόγησης με βάση τη συμφόρηση της μνήμης (dynamic cache congestion pricing scheme) του τοπικού ενταμιευτή. Το EMC έχει ως στόχο του τη βελτίωση της εξυπηρέτησης της ζήτησης για περιεχόμενο εξειδικευμένου ενδιαφέροντος (Niche contentdemand). Σε αντίθεση με άλλες λύσεις προληπτικής ενταμίευσης, οι οποίες επικεντρώνονται αποκλειστικά στα δημοφιλή αντικείμενα της Πληροφορίας, η ζήτηση για εξειδικευμένοπεριεχόμενο αναφέρεται σε λιγότερο δημοφιλές περιεχόμενο ή περιεχόμενο εξατομικευμένουενδιαφέροντος, το οποίο –ιδίως στη περίπτωση περιεχομένου τύπου βίντεο– αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό τμήμα επί του συνόλου των αιτημάτων στο Διαδίκτυο, της τάξεως του 20-40% και με αυξητική τάση. Τέλος, πλέον του EMC προτείνουμε μια σειρά από επεκτάσεις στο βασικό μοντέλο αποφάσεων, οι οποίες συνδυάζουν τη πρόβλεψη της κινητικότητας των χρηστών με τη δημοφιλία (popularity) του αιτούμενου περιεχομένου, με καινοτόμο στοιχείο τη δυναμική εξισορρόπηση της επιρροής μεταξύ της πρόβλεψης της κίνησης των χρηστών και της δημοφιλίας των αντικειμένων. Βάσει ενδελεχών προσομοιώσεων για την αξιολόγηση της επίδοσης των μοντέλωνπου προτείνουμε, οι οποίες εξερευνούν διαφορετικά επίπεδα ζήτησης, συλλογές αντικειμένωντύπου βίντεο και διαφορετικά σενάρια κινητικότητας των χρηστών (π.χ., περίπατος ανθρώπων ή αυτοκίνηση), δείχνουμε ότι τα κέρδη από την πρόβλεψη της κινητικότητας μπορεί να είναι υψηλά. Παράλληλα, διαπιστώνουμε ότι τα κέρδη από τη κινητικότητα μπορεί να υπερβαίνουνεκείνα από την ενταμίευση με βάση μόνο τη δημοφιλία του περιεχομένου, υποδηλώνοντας έτσι ότι οι αποφάσεις του EMC είναι ικανές να προσαρμόζονται καλά στη τοπικότητα της δημοφιλίας στο χρόνο (temporal locality) λόγω της τοπικότητας και της μικρής χρονικής κλίμακας των μετρήσεων για τη πρόβλεψη της κινητικότητας των χρηστών. Επιπλέον, η απόδοση της λύσης μας μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την αντικατάσταση ήδη ενταμιευμένων δεδομένων με δεδομένα από μετέπειτα αιτήματα, υπό το κόστος μιας επιπρόσθετης υπολογιστικής επιβάρυνσης σε ό,τι αφορά τις αποφάσεις ενταμίευσης του μοντέλου. Επιπροσθέτως, με την παρούσα διατριβή συνεισφέρουμε ως προς το σχεδιασμό ενόςεφικτού και κλιμακώσιμου Συστήματος Επίλυσης ICN Ονομάτων (globally scalable ICNName Resolution System (ICN-NRS)), ως την απαραίτητη υποδομή για την ανταλλαγή &ανάκτηση της Πληροφορίας σε όλο το εύρος του Διαδικτύου. Η ιδιαίτερη συνεισφορά μαςέγκειται στις πτυχές του σχεδιασμού του μοντέλου επίλυσης ονομάτων που σχετίζονται μετη δομή της υποκείμενης τοπολογίας μεταξύ διαφορετικών δικτυακών τομέων (inter-domaintopology) στο Διαδίκτυο, και πιο συγκεκριμένα α) στον σχεδιασμό του μηχανισμού ιεραρχικής δρομολόγησης πάνω από το επικαλυπτόμενο δίκτυο που υποστηρίζει το σύστημα επίλυσης ονομάτων Distributed Hash Table-based Name Resolution System (ICN-NRS) καθώς επίσης και β) στη διεξοδική μελέτη για την ποσοτικοποίηση των επιδόσεων του DHT-NRS αλλά και άλλων συστημάτων τεχνολογίας αιχμής από τη βιβλιογραφία πάνω σε συστήματα ICN-NRS.