[论文解读] Coded Caching with Distributed Storage

Tianqiong Luo, Vaneet Aggarwal+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2016

Caching and Content Delivery参考文献 20被引用 14

一句话总结

本文提出了一种面向多服务器系统的联合编码缓存与分布式存储方案，通过文件分条和纠错编码降低峰值传输速率。通过在多个服务器间实现并行传输，并利用二分图中的饱和匹配来配对用户请求，该方案在用户组大小为偶数时可将峰值速率降低高达50%，即使在奇数大小下也实现了显著增益，优于现有最先进的单服务器编码缓存方法。

ABSTRACT

Content delivery networks store information distributed across multiple servers, so as to balance the load and avoid unrecoverable losses in case of node or disk failures. Coded caching has been shown to be a useful technique which can reduce peak traffic rates by pre-fetching popular content at the end users and encoding transmissions so that different users can extract different information from the same packet. On one hand, distributed storage limits the capability of combining content from different servers into a single message, causing performance losses in coded caching schemes. But, on the other hand, the inherent redundancy existing in distributed storage systems can be used to improve the performance of those schemes through parallelism. This paper designs a scheme combining distributed storage of the content in multiple servers and an efficient coded caching algorithm for delivery to the users. This scheme is shown to reduce the peak transmission rate below that of state-of-the-art algorithms.

研究动机与目标

• 解决将编码缓存应用于多服务器分布式存储系统时存在的性能差距问题。
• 设计一种联合存储与传输协议，以利用多服务器环境中的冗余与并行性。
• 将现有单服务器编码缓存方案扩展至具有文件分条与不具文件分条的多服务器系统。
• 在对称与非对称文件请求模式下，最小化多用户、多服务器场景下的峰值传输速率。
• 构建图论匹配框架，实现在多个服务器间高效配对请求，以减少冗余传输。

提出的方法

• 将系统建模为两种文件存储方式：每台服务器存储完整文件，以及跨多台服务器的文件分条存储。
• 将Maddah-Ali与Niesen [6] 及Tian与Chen [15] 的编码缓存方案适配至具有分布式存储的多服务器环境。
• 使用二分图表示法建模跨两台服务器的请求子集（大小为t+1），其中边表示可进行联合传输的有效配对。
• 应用Hall婚姻定理及其推论，以保证饱和匹配，从而最大化配对请求数量并最小化冗余传输。
• 通过按每台服务器上的请求数量（类型w）对请求子集进行分类，并分析对称与非对称情形，推导出峰值速率。
• 引入配对损失度量Δ以量化奇数t时未配对请求集的性能退化，其最坏情况下有界于1/3。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在多服务器系统中有效结合编码缓存与分布式存储以减少峰值流量？
• RQ2 当文件作为整体单位存储在多台服务器上时，可实现的最大速率降低是多少？
• RQ3 在对称用户请求下，所提方案与单服务器编码缓存方案的性能相比如何？
• RQ4 图论匹配在实现跨服务器高效并行传输中起到什么作用？
• RQ5 当每组请求的用户数量为奇数时，系统如何处理性能退化问题？

主要发现

• 对于偶数t，所提方案的峰值速率可达到单服务器编码缓存速率的一半，有效将传输负载减半。
• 对于奇数t，峰值速率被限制在(1/2 + 1/6Δ)倍的单服务器速率以内，且Δ ≤ 1/3，确保性能损失有限。
• 通过利用分布式存储中的并行性与冗余性，该方案优于现有最先进的单服务器编码缓存算法。
• 在二分图中使用饱和匹配可确保当t为偶数时，最多100%的请求子集可被成功配对。
• 即使t为奇数，配对损失Δ在最坏情况下仍被限制在1/3以内，这是由于二分图模型中度分布的平衡性所致。
• 该框架可推广至其他纠错码（如分数重复码和RAID-6结构），支持灵活的系统设计。