[论文解读] On the Optimality of Separation between Caching and Delivery in General Cache Networks

Navid Naderializadeh, Mohammad Ali Maddah-Ali+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文提出了一种适用于通用无记忆网络的通用缓存与多播传输方案，无论网络拓扑如何，均可实现接近最优的传输延迟。通过将缓存放置与多播消息生成与依赖于网络的传输过程分离，该方案即使在未知网络容量区域的情况下，也能确保性能在常数因子范围内最优。

ABSTRACT

We consider a system, containing a library of multiple files and a general memoryless communication network through which a server is connected to multiple users, each equipped with a local isolated cache of certain size that can be used to store part of the library. Each user will ask for one of the files in the library, which needs to be delivered by the server through the intermediate communication network. The objective is to design the cache placement (without prior knowledge of users' future requests) and the delivery phase in order to minimize the (normalized) delivery delay. We assume that the delivery phase consists of two steps: (1) generation of a set of multicast messages at the server, one for each subset of users, and (2) delivery of the multicast messages to the users. In this setting, we show that there exists a universal scheme for cache placement and multicast message generation, which is independent of the underlying communication network between the server and the users, and achieves the optimal delivery delay to within a constant factor for all memoryless networks. We prove this result, even though the capacity region of the underlying communication network is not known, even approximately. This result demonstrates that in the aforementioned setting, a separation between caching and multicast message generation on one hand, and delivering the multicast messages to the users on the other hand is approximately optimal. This result has the important practical implication that the prefetching can be done independent of network structure in the upcoming delivery phase.

研究动机与目标

• 最小化通过通用无记忆通信网络连接的多个用户与服务器之间的缓存网络中的归一化传输延迟。
• 设计一种独立于未来用户请求和网络结构的缓存放置策略。
• 开发一种在任意网络拓扑中均能高效运行的多播消息生成与传输协议。
• 证明即使在未知网络容量区域的情况下，缓存/多播生成与网络传输之间的分离在近似意义上也是最优的。

提出的方法

• 设计一种不依赖于底层网络结构或未来用户请求的通用缓存放置方案。
• 在服务器为每个用户子集生成多播消息，以在任意无记忆网络中实现高效传输。
• 采用两阶段方法：(1) 在不了解用户需求的情况下进行缓存放置；(2) 基于实际请求进行多播消息生成与传输。
• 在一般网络约束下分析传输延迟，而无需精确掌握网络的容量区域。
• 证明所提出的方案在任意网络拓扑下，其传输延迟均在最优值的常数因子范围内。
• 利用多播传输与通用缓存的结构，将网络特定设计与缓存及消息生成过程解耦。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种适用于所有无记忆网络的通用缓存与多播传输方案，使其性能接近最优？
• RQ2 是否可能在不造成显著性能损失的情况下，将缓存放置与多播消息生成与特定网络的传输阶段分离？
• RQ3 当网络容量区域未知时，传输阶段的性能最多能保证到何种程度？
• RQ4 所提出的方案是否能在不事先了解网络拓扑的情况下，实现最优传输延迟的常数因子内？
• RQ5 在具有任意无记忆通信链路的一般缓存网络中，能否证明缓存与传输之间的分离在近似意义上是最优的？

主要发现

• 一种通用的缓存放置与多播消息生成方案，可在所有无记忆网络中实现传输延迟在最优值的常数因子范围内。
• 即使在未知网络容量区域的情况下，缓存/多播生成与网络传输之间的分离在近似意义上也是最优的。
• 所提出的方案可确保在任意底层通信网络结构下均实现最优性能。
• 该方案在缓存放置阶段无需预先知晓用户请求，但仍能实现接近最优的传输延迟。
• 即使缺乏对网络容量区域的近似知识，该结果依然成立，体现出其鲁棒性与通用性。
• 实际意义在于，预取操作可独立于网络设计进行，从而简化了在多样化网络环境中的部署。