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 />