مقاله کارایی سیاست های حافظه نهان در شبکه مبتنی بر نام داده

بخشی از مقاله

چکیده

امروزه در اینترنت توزیع محتوا نسبت به مکان محتوا اهمیت بیشتری یافته است. از آنجایی که معماری کنونی اینترنت بر پایهی ارتباط میان دو سیستم می باشد، دیگر قادر به پاسخ گویی نیازهای رو به افزایش کاربران نخواهد بود. در نتیجه معماری جدیدی تحت عنوان شبکه مبتنی بر نام داده برای دسترسی به محتوا توسط نام محتوا پیشنهاد شده است.

در این شبکه ذخیره سازی محتوا نقش کلیدی را بازی میکند. سیاست های جایگزینی متفاوتی از جمله LRU و LFU برای حافظه نهان وجود دارد. در این مقاله، برای بالا بردن بهره وری از حافظه نهان، استراتژی محبوبیت محتوا بیان شده است. سپس سیاست های محبوبیت محتوا، LRU و LFU پیاده سازی شده و با هم مقایسه گردیده است. نتایج نشان میدهد که سیاست محبوبیت محتوا نسبت به سیاست LFU و LRU بهتر کار میکند. همچنین بار روی سرور کاهش مییابد و متوسط توان عملیاتی نزدیک به %47 نسبت به زمانی که مسیریاب ها از حافظه نهان استفاده نکنند، کاهش یافته است.

-1 مقدمه

در ابتدا، هدف از طراحی شبکه آیپی1، ارتباط بین دو نقطه انتهایی بود. با رشد روزافزون تجارت الکترونیک، شبکههای اجتماعی، رسانههای دیجیتال، اینترنت و برنامههای کاربردی تلفنهای هوشمند، ارتباطات به سوی توزیع و بازیابی محتوا رفته است. شبکه مبتنی بر اطلاعات2 یکی از پیشنهادات برای جایگزینی معماری کنونی اینترنت است. هدف این شبکه نامگذاری اطلاعات، داده و محتوا می باشد. مدل ارتباطی معماری این شبکه محتوا محور میباشد در حالی که مدل ارتباطی معماری کنونی اینترنت میزبان محور میباشد. در نتیجه هدف اصلی در معماری این شبکه، جداسازی اطلاعات از منابع است. 

پروژه های تحقیقاتی فراوانی روی معماری شبکه مبتنی بر اطلاعات پیشنهاد شده است که نمونهای از پروژهها عبارتند از DONA3، NDN4، MobilityFirst، CONVERGENCE و PURSUIT5 که در اینجا NDN به عنوان مبنای اصلی انتخاب شده است. - Xylomenos et all, 2014 - در این مقاله هدف اینست که عملکرد سیاست های مختلف حافظه نهان مورد بررسی قرار گیرد.

به این ترتیب، اگر یک بسته جدید به مسیریاب بیاید و حافظه نهان مسیریاب پر باشد، باید یکی از بستههای درون حافظه خود را انتخاب کند و به بیرون بیندازد و بسته جدید را جایگزین بسته قبلی کند. در اینجا مهم است که کدام بسته قربانی شود و به بیرون انداخته شود. در نتیجه داشتن روشی مناسب برای انتخاب بهترین بسته قربانی میتواند موجب افزایش کارایی شود.

روند پیشرفت مقاله به این ترتیب است که در بخش دوم، ساختار شبکه NDN مورد مطالعه قرار میگیرد. پس از آن، در بخش سوم به بررسی کارهای مرتبط پرداخته میشود. در بخش چهارم استراتژی سیاست حافظه نهان براساس محبوبیت محتوا بیان میشود. سپس در بخش پنجم سیاست محبوبیت محتوا با دو سیاست LRU6 و LFU7 مورد ارزیابی قرار می گیرد و نتایج آن بیان می شود. در نهایت در بخش آخر نتیجه گیری و پیشنهادات آینده مطرح میگردد.

-2 مروری بر شبکه NDN

در شبکه NDN دو نوع بسته به نامهای بسته تمایل8 و بسته داده وجود دارد. در این شبکه از نام داده به جای آدرس مبدأ و مقصد در بستهها استفاده میشود. مصرف کننده، نام داده درخواستی خود را در بسته تمایل قرار میدهد و در شبکه ارسال میکند. هر گره که بسته تمایل را دریافت کند و داده موردنظر را داشته باشد، با بسته داده پاسخ مصرف کننده را می دهد.

در شبکه NDN مسیریابها، پیام ها را گره به گره ارسال میکنند. مسیریابها سه ساختار داده را نگهداری میکنند که عبارتند از PIT1، FIB2، منبع محتوا.3 جدول FIB دو ستون دارد. در ستون اول، نام اطلاعات قرار میگیرد و در ستون بعدی متناظر با آن نام، مسیریاب بعدی برای ارسال بسته تمایل به سمت منبع احتمالی دادهی موردنظر را مشخص میکند.

این ساختار تقریباً مشابه با جدول مسیریابی در TCP/IP است با این تفاوت که در جدول مسیریابی TCP/IP تنها یک لینک خروجی را مشخص میکند امّا در این جا میتواند لیستی از لینکها را به عنوان خروجی مشخص کند. این استراتژی نشان میدهد که NDN محدود به ارسال بر روی کوتاهترین مسیر نیست. همچنین مسیریابهای NDN، پیشوند نامهایی را که پوشش میدهند به مسیریابهای همسایه خود اطلاع میدهند. این اطلاعات از طریق شبکه و با استفاده از پروتکل OSPF منتشرمیشود.

منبع محتوا همانند حافظهی بافر در مسیریاب TCP/IP میماند امّا از سیاست جایگزینی متفاوتی تبعیت میکند. در TCP/IP هر بسته تنها متعلق به یک ارتباط نقطه به نقطه است، در نتیجه بعد از ارسال، ارزش دیگری ندارد. بنابراین مسیریاب TCP/IP آن را فراموش میکند و پس از اتمام ارسال، بافر ودخ را سریعاً از آن داده تخلیه میکند. امّا هر بسته NDN میتواند برای بسیاری از مصرفکنندگان مفید واقع شود. برای مثال مصرفکنندگانی که روزنامه یکسان، ویدئو یکسان و ... مشاهده میکنند. در نتیجه مسیریابهای NDN تا جای ممکن بستههای داده دریافتی را به خاطر میسپارند تا با به اشتراکگذاری آنها، درخواست برای پهنای باند در لینکهای نزدیک به تولید کننده را کاهش و میزان تأخیر را به حداقل برسانند.

در NDN فقط بسته تمایل مسیریابی میگردد. در نتیجه برای ارسال بسته داده، به جدولی به نام PIT نگاه میکند که این جدول از دو ستون تشکیل شده است. درستون اوّل نام اطلاعات قرار میگیرد و در ستون دوم متناظر با آن نام نشان میدهد که کدام مسیریاب، این بسته تمایل با این نام را ارسال کرده است. زمانی که بسته تمایل ارسال میشود، هر مسیریاب در جدول PIT خود نگاه میکند، ببیند آیا نام متناظر با بسته تمایل در جدول PIT پیدا میشود یا نه؟

حالت اول: در صورتی که چنین نامی وجود نداشت، یک موجودیت اضافه میکند و نام آن اطلاعات و از چه لینکی ارسال شده است را یادداشت میکند. تا زمانی که بسته داده از سمت منبع احتمالی داده در حال ارسال می باشد، دیگر نیازی به مسیریابی نیست و فقط به آن جدول نگاه میکند تا ببیند این نام شی را چه کسی درخواست کرده است. سپس بسته داده را به درخواست کننده میفرستد. در صورتی که بسته داده به مسیریاب رسید ولی در جدول PIT نام شی اطلاعات را پیدا نکرد، آن بسته داده را دور میاندازد.

حالت دوم: در صورتی که چنین نامی وجود اشتهد باشد، بدین معنی است که قبلاً یک نفر دیگر این نام اطلاعات را درخواست کرده است ولی هنوز بسته داده به دست درخواست کننده نرسیده است. در نتیجه درخواست کننده بعدی را هم به رکورد متناظر با آن نام اضافه میکند و مسیریاب، دیگر بسته تمایل را ارسال نمیکند و آن بسته را دور میاندازد. وقتی بسته داده به آن مسیریاب رسید، با توجه به جدول PIT، بسته داده را به همه درخواست کنندگان میفرستد.