Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin

Chia sẻ: Vixyliton Vixyliton | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

0
4
lượt xem
0
download

Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết phân tích sự tồn tại của trạng thái cân bằng trong trò chơi dựa trên tính toán đầu tư lưu trữ cache và định giá chi phí sử dụng nội dung. Bài viết cũng đưa ra một ràng buộc có liên quan tới hàm đáp ứng theo nhu cầu và hàm chi phí lưu trữ cache để ISP có lợi ích trong việc đầu tư lưu trữ cache. Nghiên cứu về trạng thái cân bằng Nash, sự tác động của lưu trữ cache đối với lợi ích các bên và sự đánh giá so sánh giữa mạng ICN với mô hình mạng hiện nay được phân tích qua các số liệu cụ thể.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE<br /> Natural Sci., 2017, Vol. 62, No. 3, pp. 76-87<br /> This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn<br /> <br /> DOI: 10.18173/2354-1059.2017-0010<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ISP CACHING TRONG MẠNG HƯỚNG THÔNG TIN<br /> Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh<br /> Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội<br /> Tóm tắt. Mô hình mạng hướng thông tin (Information-centric networking - ICN) là một<br /> mô hình kiến trúc mạng mới được xây dựng nhằm giải quyết các vấn đề tồn tại trong mạng<br /> Internet, khi người dùng chỉ quan tâm tới việc lấy được nội dung mà không cần quan tâm<br /> đến vị trí nội dung được lưu trữ. Bài báo xem xét quan hệ không hợp tác giữa nhà cung<br /> cấp dịch vụ mạng (Internet Service Providers - ISP) với nhà cung cấp nội dung (Content<br /> Providers - CP) trong mô hình mạng ICN. Trong mô hình mạng ICN, ISP có động cơ để<br /> lưu trữ nội dung và hướng thanh toán giữa các bên trong mạng ICN (từ ISP đến CP) về cơ<br /> bản khác với mô hình mạng Internet hiện nay (mô hình mạng truyền thông hướng thiết bị<br /> - host-centric communication model). Bài báo phân tích sự tồn tại của trạng thái cân bằng<br /> trong trò chơi dựa trên tính toán đầu tư lưu trữ cache và định giá chi phí sử dụng nội dung.<br /> Bài báo cũng đưa ra một ràng buộc có liên quan tới hàm đáp ứng theo nhu cầu và hàm chi<br /> phí lưu trữ cache để ISP có lợi ích trong việc đầu tư lưu trữ cache. Nghiên cứu về trạng thái<br /> cân bằng Nash, sự tác động của lưu trữ cache đối với lợi ích các bên và sự đánh giá so sánh<br /> giữa mạng ICN với mô hình mạng hiện nay được phân tích qua các số liệu cụ thể.<br /> Từ khóa: Mạng hướng thông tin, trò chơi không hợp tác, ISP caching, phân tán nội dung.<br /> <br /> 1.<br /> <br /> Mở đầu<br /> <br /> Sử dụng mạng Internet tăng trưởng rất mạnh mẽ trong những năm gần đây. Theo Cisco VNI<br /> thống kê, lưu lượng IP toàn cầu đã tăng gấp năm lần từ năm 2007 tới năm 2013 và sẽ tăng gấp 3 lần<br /> trong vòng 5 năm tới [1]. Trong đó, hầu hết các lưu lượng tập trung trong các ứng dụng phân tán<br /> nội dung. Cisco VNI cũng cho thấy lưu lượng video chiếm 60% trong tổng lưu lượng IP vào năm<br /> 2012 và sẽ tăng đến 73% trong năm 2017 [1]. Mạng hướng thông tin với việc phân biệt rõ ràng<br /> bên gửi và bên nhận là hướng tiếp cận cho kiến trúc mạng tương lai nhằm đáp ứng tốt hơn với sự<br /> chuyển đổi sử dụng mạng Internet từ mô hình truyền thống end-to-end hướng người gửi sang mô<br /> hình truy hồi nội dung hướng người nhận [2]. Ý tưởng chính trong mạng ICN như sau: 1) nội dung<br /> được đặt bằng tên thay vì bằng vị trí, và 2) mỗi một nút mạng ICN có thể lưu trữ cache và phục<br /> vụ các nội dung được yêu cầu. Những thay đổi này mở ra tiềm năng cung cấp mạng hiệu năng cao<br /> toàn cầu về phân tán nội dung và làm xuất hiện những vai trò mới, cơ hội kinh doanh mới cho các<br /> bên liên quan, như là nhà cung cấp dịch vụ mạng (Internet Service Providers - ISP), nhà cung cấp<br /> nội dung (Content Providers - CP) và mạng phân tán nội dung (Content Distribution Networks CDN) khi cộng tác lưu trữ cache trong mạng [3, 4].<br /> Ngày nhận bài 2/6/2015. Ngày nhận đăng 4/3/2016.<br /> Tác giả liên hệ: Nguyễn Thị Thùy Liên, email: lienntt@hnue.edu.vn<br /> <br /> 76<br /> <br /> Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin<br /> <br /> Mạng hướng thông tin hay mạng hướng dữ liệu là một đề tài nghiên cứu thu hút sự quan<br /> tâm của nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây. Sự quan tâm này thể hiện rõ ràng qua sự<br /> tăng lên nhanh chóng về số lượng các báo cáo khoa học ở các hội thảo, hội nghị, tạp chí và các dự<br /> án kiến trúc mạng internet tương lai cũng như sự tham gia của các công ti viễn thông, nhà cung<br /> cấp thiết bị [2, 5]. Một vài kiến trúc ICN đã được đề xuất (ví dụ [6-11]). Hầu hết các nghiên cứu về<br /> lưu trữ cache trong mạng ICN đều tiến hành tối ưu hóa một số các thông số của hiệu năng mạng.<br /> Ví dụ, trong [12, 13] các tác giả nghiên cứu vấn đề phân bổ không gian lưu trữ cache để tối ưu hóa<br /> hiệu năng lưu trữ cache của các hệ thống có kích thước tài nguyên lưu trữ giới hạn. Trong [14],<br /> Carofiglio đã trả lời câu hỏi làm thế nào để chia sẻ một cách hiệu quả các tài nguyên giới hạn giữa<br /> các lưu lượng khác nhau. Trong [15-18] các tác giả nghiên cứu các thuật toán khác nhau cho bài<br /> toán thay thế nội dung trong mạng ICN. Trong [19, 20], các tác giả nghiên cứu về các vấn đề quan<br /> trọng khác của lưu trữ cache trong mạng ICN để giải quyết bài toán tối ưu phân bổ lưu trữ cache<br /> nội dung trong các nút mạng, cụ thể là quyết định đối tượng nội dung nào được đặt ở nút mạng nào<br /> trong mạng ICN.<br /> Tuy nhiên, vẫn còn có ít những nghiên cứu, thảo luận về lưu trữ cache với ISP có liên quan<br /> tới sự cạnh tranh giữa ISP và CP trong khi đây là vấn đề quan trọng của phát triển mạng ICN trong<br /> thực tế. Trong [21], tác giả phân tích tác động của một vài yếu tố lên lợi ích của ISP và CP trong<br /> mạng ICN. Trong các nghiên cứu trước của chúng tôi [3, 4] chúng tôi sử dụng hướng tiếp cận lí<br /> thuyết trò chơi để chỉ ra sự cần thiết của một số các hình thức khuyến khích tài chính để có được<br /> một triển khai tối ưu của lưu trữ cache trong mạng, nơi mà ISP và CP cạnh tranh tối ưu hóa lợi<br /> ích của mình. Trong bài báo này, chúng tôi mở rộng nghiên cứu trước của mình bằng cách xem xét<br /> các tác động của lưu trữ cache và định giá trong một trò chơi không hợp tác, ở đó ISP có thể điều<br /> chỉnh chiến lược lưu trữ cache và CP có thể kiểm soát chiến lược định giá. Thêm vào đó, chúng tôi<br /> so sánh, lợi ích của mô hình mạng ICN so với mô hình mạng Internet hiện nay liên quan đến mô<br /> hình đáp ứng yêu cầu và hàm chi phí lưu trữ cache.<br /> Bài báo này xem xét một trò chơi không hợp tác ISP với CP trong mô hình mạng ICN, khi<br /> đó ISP có động lực để lưu trữ nội dung và hướng thanh toán giữa các bên trong mạng ICN (từ ISP<br /> đến CP) về cơ bản khác với mô hình mạng Internet hiện nay (mô hình mạng truyền thông hướng<br /> thiết bị – host-centric communication model). Việc ISP hiểu rõ hiệu quả của lưu trữ cache trong<br /> so sánh với CP có liên quan tới mô hình đáp ứng theo nhu cầu và hàm chi phí lưu trữ cache trong<br /> hiện thực hóa mạng ICN là rất quan trọng. Trong [4], chúng tôi xem xét trò chơi không hợp tác,<br /> trong đó CP có thể thay đổi giá của mình ứng với từng chiến lược lưu trữ cache mà ISP đưa ra và<br /> ngược lại ISP có thể thay đổi chiến lược lưu trữ cache của mình tương ứng với chiến lược giá mà<br /> CP đưa ra. Câu hỏi đặt ra là với những giả thiết đã cho, sự tác động qua lại giữa chiến lược giá và<br /> chiến lược lưu trữ cache có đưa hệ thống đến một trạng thái cân bằng ổn định hay không. Hơn nữa<br /> với điều kiện nào thì đầu tư lưu trữ cache trong mạng ICN thực sự mang lại lợi ích cho các bên<br /> cũng chưa được nghiên cứu, trong khi đó đây là vấn đề quan trọng để hiểu rõ hơn xu hướng tiến<br /> tới mạng hướng nội dung. Nghiên cứu này được thực hiện để làm rõ những vấn đề trên.<br /> Nội dung chính của bài báo như sau:<br /> - Phân tích hiệu quả của lưu trữ cache liên quan tới chiến lược định giá của CP trong bối<br /> cảnh cả ISP và CP đều muốn tăng tối đa lợi ích của mình. Xây dựng mối quan hệ cạnh tranh giữa<br /> ISP và CP như là một trò chơi mà ISP có thể thay đổi các chiến lược lưu trữ cache và CP có thể<br /> kiểm soát chiến lược giá của mình; Phân tích và chứng minh tồn tại sự cân bằng trong mối quan<br /> hệ cạnh tranh giữa ISP và CP. Điều đó có nghĩa là tồn tại điểm cân bằng mà ở đó cả ISP và CP<br /> 77<br /> <br /> Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh<br /> <br /> không có động cơ để thay đổi chiến lược lưu trữ cache và chiến lược định giá; So sánh lợi ích của<br /> mô hình ICN với mô hình Internet hiện tại. Trong so sánh này, bài báo cũng chỉ ra điều kiện để<br /> đầu tư lưu trữ cache trong mạng ICN có hiệu quả mang lại lợi ích cho tất cả các bên.<br /> - Bài báo hoàn thiện các phân tích với các kết quả số liệu cụ thể đồng thời cung cấp những<br /> hiểu biết hữu ích về quan hệ giữa các yếu tố quan trọng trong mô hình mạng ICN ảnh hưởng tới<br /> kết quả cân bằng như thế nào. Cụ thể, giả sử rằng các CP chọn được chiến lược giá cho mình một<br /> cách tốt nhất thì lợi ích của ISP tăng lên đến một điểm nhất định ứng với tỷ lệ lưu trữ cache, sau<br /> đó lại giảm. Hơn nữa, những kết quả trong bài báo cũng chỉ ra rằng cả ISP và CP có lợi từ việc đầu<br /> tư lưu trữ cache.<br /> <br /> 2.<br /> <br /> Nội dung nghiên cứu<br /> <br /> 2.1. Đặc điểm của mạng hướng thông tin<br /> Mạng hướng thông tin (Information Centric Networking – ICN) là một hướng tiếp cận mới<br /> cho kiến trúc mạng internet tương lai để giải quyết sự bùng nổ của cung và cầu nội dung trong<br /> Internet. Sự thay đổi của công nghệ tác động lên sự phát triển kinh tế và xã hội, vì vậy nghiên cứu<br /> ICN về mặt kinh tế là rất quan trọng, từ đó có thể hiểu tốt hơn về sự chuyển dịch của kỹ thuật<br /> mạng từ truyền thông end-to-end đến truyền thông host-to-content. Trong phần này, chúng tôi sẽ<br /> thảo luận các đặc điểm kiến trúc, kinh tế của ICN so sánh với mô hình mạng Internet hiện nay và<br /> mô tả các vấn đề phát sinh trong mạng ICN liên quan tới cả các đặc điểm kiến trúc và kinh tế.<br /> Có hai đặc điểm quan trọng về kiến trúc của mạng ICN so sánh với mô hình truyền thống<br /> end-to-end được sử dụng trong mạng Internet hiện nay. Đầu tiên, ICN đặt tên các đối tượng nội<br /> dung là duy nhất và nhất quán trong đó không gian tên có thể phẳng hoặc phân cấp [22]. Thông<br /> thường, các tên này cũng tự có thể chứng nhận cho tính toàn vẹn và kiểm tra an toàn của nội dung.<br /> Thứ hai, nội dung được lưu trữ cache ở mọi nơi dựa trên những tên đã được thống nhất trong mạng<br /> ICN giúp mạng đạt hiệu năng cao trong phân tán nội dung [23]. Đặc biệt, ICN có thể sử dụng lưu<br /> trữ cache off-path (ví dụ như lưu trữ cache tại proxy theo cách truyền thống hoặc đặt ở máy chủ<br /> của mạng phân tán nội dung (CDN)) hoặc lưu trữ cache on-path yêu cầu sự can thiệp mạng ít hơn<br /> và thích hợp hơn trong mạng ICN. Trong mạng ICN, người dùng truy vấn nội dung bằng cách gửi<br /> một gói tin có chứa tên nội dung lên mạng. Bộ định tuyến chuyển tiếp gói tin đến nút mạng tiềm<br /> năng dựa trên tên nội dung. Bất kỳ nút nào nhận được gói tin và có nội dung phù hợp có thể gửi<br /> dữ liệu phản hồi lại gói tin yêu cầu.<br /> Sự khác nhau về nguyên lí giữa thiết lập mạng Internet và ICN về phương diện kinh tế là<br /> hướng thanh toán giữa ISP và CP, tương tự như sự khác nhau giữa mạng hướng nội dung và mạng<br /> truy cập tập trung [3, 4]. Trong mạng hướng thông tin tương lai dưới đây, chúng tôi sẽ giả thiết một<br /> sự liên kết giữa ISP và bên cung cấp thông tin, sau đó chọn một CP hay CDN cho mỗi truy vấn.<br /> Nếu những thành phần này tách biệt trong thực tế, có thể sử dụng quy luật giá trị Shapley để chia<br /> lợi nhuận một cách công bằng. Khi thiết lập ISP kéo nội dung thay vì CP đẩy nội dung như trong<br /> mạng Internet hiện tại, CP có thể mong muốn được đền bù chi phí mạng của mình. Do đó, với thiết<br /> lập ICN chúng ta giả sử các cực thanh toán được đảo ngược, từ ISP đến CP. Thêm nữa, trong ICN,<br /> người dùng yêu cầu nội dung (hoặc các thông tin liên quan đến dịch vụ ứng dụng nói chung) của<br /> ISP/resolver, và ISP/resolver quyết định chọn nhà cung cấp nội dung. Vì vậy trong mạng ICN, có<br /> cơ sở để giả thiết hướng thanh toán là từ ISP đến CP.<br /> <br /> 78<br /> <br /> Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin<br /> <br /> Hình 1. Mô hình mạng Internet và ICN<br /> Trong thực tế triển khai của mạng ICN, ISP và CP cạnh tranh với nhau về tối ưu lợi nhuận<br /> của mình. ICN thúc đẩy lưu trữ trong nội mạng để cung cấp hiệu năng tốt hơn cho phân tán nội<br /> dung. Đặc biệt, ISP có động lực để lưu trữ cache nội dung để giảm chi phí phải trả (ví dụ giảm<br /> chi phí trả cho chi phí mạng của CP được ISP chọn để truyền nội dung người dùng). Giả sử ISP<br /> quyết định lưu trữ một phần nội dung và như vậy có thể đáp ứng yêu cầu nội dung của người dùng<br /> nhanh hơn so với việc lấy nội dung từ CP, hơn nữa ISP cũng không phải trả phí phần nội dung này<br /> cho CP trong những lần sau người dùng yêu cầu. Phản ứng lại với cách thực hiện của ISP, CP có<br /> thể thay đổi chiến lược giá của mình để tối ưu hóa lợi nhuận của mình. Như vậy là trong bối cảnh<br /> cạnh tranh giữa ISP và CP cần phải phân tích và nghiên cứu vấn đề lưu trữ cache để tăng hiệu năng<br /> mạng. Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày mô hình phân tích ISP caching có liên quan tới<br /> các đặc điểm kiến trúc và kinh tế của mạng ICN đã được đề cập ở trên.<br /> <br /> 2.2. Mô hình lí thuyết trò chơi cho bài toán cạnh tranh giữa ISP và CP<br /> Chúng tôi sử dụng một mô hình lí thuyết trò chơi để so sánh giữa ISP và CP trong mạng<br /> ICN. Mô hình liên quan đến 3 vai trò: người dùng cuối là người sử dụng nội dung, nhà cung cấp<br /> nội dung là người cung cấp nội dung của mình đến cho người dùng cuối, và ISP là bên kết nối<br /> người dùng cuối với nội dung. Trong mô hình này, chúng tôi chỉ tập trung vào lưu lượng nội dung<br /> bởi vì lưu lượng của các gói tin yêu cầu là không đáng kể so với lưu lượng của các gói tin nội dung<br /> kết quả. Gọi giá trong mô hình mạng ICN là p và trong mô hình Internet là q. Giá dưới sự kiểm<br /> soát của ISP là I và giá dưới sự kiểm soát của CP là O (Hình 1).<br /> <br /> 79<br /> <br /> Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh<br /> <br /> Trong mô hình Internet, qI1 và qI2 lần lượt là chi phí mà CP và người dùng phải trả cho ISP<br /> để truyền tải nội dung từ CP tới người dùng, qO là chi phí mà người dùng trả cho CP khi sử dụng<br /> nội dung. ISP tính phí cả CP và người dùng cho việc truyền tải nội dung. Người dùng bị tính phí<br /> qO bởi CP cho cả nội dung và việc truyền tải nội dung.<br /> Trong mô hình ICN, gọi pI là chi phí truyền tải nội dung mà người dùng phải trả cho ISP.<br /> Chi phí pcO là chi phí mà người dùng phải trả cho CP khi sử dụng nội dung. Chi phí lưu trữ psO là<br /> chi phí mà ISP trả cho CP khi yêu cầu nội dung từ CP. Mối quan hệ giữa chi phí nội dung và chi<br /> phí lưu trữ được biểu diễn bởi tham số β, psO = β.pO trong đó pO = pcO + psO . ISP tính phí người<br /> dùng pI cho việc truyền tải thông tin tới người dùng.<br /> Trong bối cảnh cạnh tranh, ISP và CP cố gắng tối ưu hóa lợi ích của mình bằng cách thay<br /> đổi chiến lược lưu trữ cache và chiến lược định giá. CP thay đổi chiến lược định giá thông qua<br /> giá trị pO , và ISP tác động dựa vào việc đầu tư lưu trữ cache K. Người dùng tác động trở lại chi<br /> phí nội dung và chất lượng dịch vụ bằng cách thay đổi nhu cầu sử dụng. Giả sử ISP quyết định<br /> lưu trữ cache một phần K của nội dung. Gọi hàm phụ thuộc nội dung người dùng là D(K, pO ),<br /> c(K) là hàm chi phí lưu trữ cache. Lợi nhuận của ISP cho phần nội dung người dùng yêu cầu được<br /> lấy từ cache là K.D(K, pO )pI . Lợi nhuận của ISP với phần nội dung còn lại được lấy từ CP là<br /> (1 − K)D(K, pO )(pI − psO ). Lợi nhuận của ISP là tổng lợi nhuận của ISP trừ đi chi phí lưu trữ<br /> cache. So sánh giữa ích lợi ISP và CP là tương đương. Gọi UI và UO là lợi nhuận của ISP và CP<br /> tương ứng. Ta có:<br /> UI = D(κ, po )[pI − (1 − κ)POs ] − c(κ)<br /> UO = D(κ, pO )[POc + (1 − κ)POs ].<br /> <br /> (1)<br /> <br /> Vấn đề so sánh mà chúng ta quan tâm là xác định một trò chơi với người chơi là CP và ISP,<br /> tập các mục tiêu S = {pO , K} và tập các hàm lợi nhuận U = {UI , Uo }[24]. Trong trò chơi này,<br /> mỗi người chơi chọn một chiến lược tối đa hóa hàm lợi nhuận của mình và kết hợp các chiến lược<br /> đã được chọn bởi tất cả người chơi để đưa ra lượng lợi nhuận cho mỗi bên.<br /> <br /> 2.3. Phân tích ISP caching<br /> Trong phần này, bài báo trình bày các kết quả phân tích cho kịch bản cạnh tranh giữa ISP và<br /> CP trong mạng được lưu trữ cache. Đầu tiên, chúng tôi chứng minh sự tồn tại trạng thái cân bằng<br /> ở đó lưu trữ cache và định giá được nghiên cứu để thấy ISP có thể thiết lập được một chiến lược<br /> lưu trữ cache tối ưu hay không. Sau đó, chúng tôi so sánh 2 mô hình mạng ICN và mạng Internet<br /> theo khía cạnh lợi ích của ISP và CP. Chúng tôi cũng chỉ ra một điều kiện để mà mô hình mạng<br /> ICN có thể mang lại lợi ích cho cả ISP và CP.<br /> * Sự cân bằng<br /> Trong bối cảnh cạnh tranh, ISP và CP tối ưu quyết định của mình theo cách riêng, và các<br /> quyết định của ISP và CP có thể tác động tới chiến lược của nhau. Chúng tôi nghiên cứu thế cân<br /> bằng Nash, một khái niệm cốt lõi trong mô hình lí thuyết trò chơi được quan sát trong cuộc sống<br /> thường ngày, theo đó để đạt đến trạng thái ổn định của cuộc chơi trong trò chơi không hợp tác, mỗi<br /> người chơi nắm giữ kì vọng chính xác về hành vi của những người chơi khác và hành động một<br /> cách hợp lí. Chiến lược S ∗ = {p∗O , K ∗ } cấu thành một thế cân bằng trong trò chơi nếu S ∗ giải<br /> 80<br /> <br />

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản