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

Abstract

Since its original conception, the Internet has undergone a series of radical technological breakthroughs and usage expansions. From the perspective of its users, it is a global framework for sharing information among millions of fixed and mobile users. However, its legacy architecture poses serious functionality limitations or inefficiencies to information sharing & retrieval. At the same time, the patched mobility support over the legacy architecture and even the intrinsic mobility support of Future Internet architectures that adapt the Information-Centric Networking (ICN) paradigm are not enough to sufficiently address the Quality-of-Service (QoS) requirements and the desired user-perceived Quality-of-Experience (QoE) levels in contemporary mobile application scenarios. These problems get further aggravated by the unprecedented and continuously increasing numbers of the different Information Objects (IOs) and mobile devices in the Internet, as well as the corresponding high name resolution traffic and mobile traffic volumes.The main contribution of this thesis lies in the design of efficient proactive caching models for enhancing seamless mobility that run at the application layer of any underlying network architecture or within the network layer of ICN architectures. Our main model regards an Efficient Mobility-based Caching (EMC) scheme for addressing niche mobile demand along with popularity-based and legacy caching model extensions. Opposite to other proactive solutions, which focus exclusively on popular content, our proposed distributed design targets less popular or personalised content requests by prefetching and caching the desired information locally in small cells based on aggregated user mobility prediction information and a local cache congestion pricing scheme. Such niche demand, particularly for video content, represents a significant 20–40% of demand in the Internet and follows a growing trend. Due to its novel design, EMC can directly address niche demand and get easily extended to make ajoint use of content popularity information with the novelty of dynamically balancing the influence of mobility prediction and content popularity information on local cache actions. Based on thorough performance evaluation simulations for exploring different demand levels, video catalogues and mobility scenarios, including human walking and automobile mobility, we show that the gains from mobility prediction can be high and able to adapt well to temporal locality due to the localised and short timescale character of the exploited mobility prediction measurements, exceeding cache gains from popularity-only caching. Moreover, the performance of our model can be further improved by adapting cache replacements at the cost of an added computational overhead.Additionally, this thesis makes a contribution towards a feasible and globally scalable ICN Name Resolution System (ICN-NRS) to facilitate information sharing & retrieval in ICN. The contribution lies in certain design and performance aspects related to the structure of the underlying inter-domain topology in the Internet and specifically to a) the design of the hierarchical overlay routing mechanism that underlies the Distributed Hash Table-based Name Resolution System (DHT-NRS) and b) a thorough performance quantification study of DHT-NRS and other cutting-edge ICN NRSs with respect to load distribution and routing policy compliance across the Internet topology.

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.