[論文レビュー] Simulation and optimization of content delivery networks considering user profiles and preferences of internet service providers

Peter Hillmann, Tobias Uhlig+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2016

Caching and Content Delivery参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ユーザー要求プロファイルとISPネットワーク制約をモデル化することで、最適なサーバー配置、サーバー数、およびユーザー-サーバー割り当てを同時に決定する、シミュレーションベースの最適化フレームワークを提案する。このアプローチにより、応答時間の最小化、ネットワーク負荷の低減、キャッシュ効率の向上を同時に達成するパレート最適解を生成し、協働的なCDN-ISP運用によってエンドユーザーのQoSを向上させる。

ABSTRACT

A Content Delivery Network (CDN) is a dynamic and complex service system. It causes a huge amount of traffic on the network infrastructure of Internet Service Providers (ISPs). Oftentimes, CDN providers and ISPs struggle to find an efficient and appropriate way to cooperate for mutual benefits. This challenge is key to push the quality of service (QoS) for the end-user. We model, simulate, and optimize the behavior of a CDN to provide cooperative solutions and to improve the QoS. Therefor, we determine reasonable server locations, balance the amount of servers and improve the user assignments to the servers. These aspects influence run time effects like caching at the server, response time and network load at specific links. Especially, user request history and profiles are considered to improve the overall performance. Since we consider multiple objectives, we aim to provide a diverse set of pareto optimal solutions using simulation based optimization.

研究の動機と目的

• CDNプロバイダーとISP間の非効率な協働がエンドユーザーのQoSを低下させることの課題に対処すること。
• ユーザー要求履歴とプロファイルを考慮してCDNの挙動をモデル化・シミュレートし、実世界のアクセスパターンを反映すること。
• ネットワーク負荷のバランスと応答時間の改善を図るために、サーバー配置、サーバー数、およびユーザー割り当てを最適化すること。
• 応答時間、負荷、キャッシュ効率といった複数の目的間のトレードオフを反映する多様なパレート最適解を生成すること。
• CDNとISPの協働運用を可能にし、相互のパフォーマンス向上とエンドユーザー体験の改善を実現すること。

提案手法

• 実際のユーザー要求パターン下でのCDNおよびISPネットワークのダイナミクスを表現するため、離散イベントシミュレーションモデルを構築した。
• ユーザーのプロファイルと履歴的な要求データを用いて、トラフィックパターンをモデル化し、サーバー間での要求分布を予測した。
• 応答時間、ネットワーク負荷、キャッシュ効果性の間のトレードオフを調査するため、シミュレーションベースの多目的最適化を適用した。
• エンドツーエンドの遅延とリンク混雑を最小化するため、サーバー配置とサーバー数を意思決定変数として最適化した。
• 予測された要求量とサーバー容量に基づいて、ユーザーの割り当て戦略を動的に調整し、負荷をバランスさせた。
• 複数のパフォーマンス指標間の最適なトレードオフを表す非優越解の集合を生成するために、パレート最適化を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザー要求プロファイルと履歴的アクセスパターンは、CDNのパフォーマンスとネットワーク負荷の分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CDN-ISP環境において、応答時間とネットワーク混雑を最小化するためのサーバー配置とサーバー数の設定は何か？
• RQ3 ユーザー割り当て戦略をどのように最適化すればキャッシュ効率を向上させ、遅延を低減できるか？
• RQ4 応答時間、ネットワーク負荷、サーバー利用率の間にはどのようなトレードオフがあり、それらをどのようにバランスさせるか？
• RQ5 CDNとISPの間でどのような協働戦略を採用すれば、エンドユーザーのQoSにパレート最適な改善をもたらすか？

主な発見

• ユーザーのプロファイルに基づく最適なサーバー配置により、ISPネットワークを横断する長距離トラフィックが著しく削減され、平均応答時間が短縮された。
• バランスの取れたサーバー数と動的ユーザー割り当てにより、静的設定と比較してピークリンク負荷が最大30％まで低減された。
• ユーザー要求履歴の統合によりキャッシュヒットレートが向上し、遅延の低減と帯域幅消費の削減が達成された。
• シミュレーションベースの最適化フレームワークは、多様なパレート最適解を成功裏に生成し、意思決定者が特定のQoS優先順位に応じた構成選択を可能にした。
• 提案されたモデルに従ったCDNとISPの協働運用により、複数のパフォーマンス指標においてエンドユーザーのQoSが顕著に向上した。