ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТРАТЕГИЙ КЭШИРОВАНИЯ ДАННЫХ В ИНФОРМАЦИОННО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ СЕТЯХ

DOI: 10.47026/1810-1909-2024-4-128-140

УДК [004.62:004.254]:004.7.04

ББК З971.35

И.В. ПУТЕВСКАЯ

Ключевые слова: кэш, стратегия кэширования, узел, маршрутизатор, коэффициент попадания в кэш, задержка, нагрузка канала, протяженность пути, хеш-функция, хеширование.

На сегодняшний день архитектура компьютерных сетей с применением IP-адресации ориентирована на взаимодействие между сетевыми устройствами с «привязкой» объектов данных к конкретным источникам, что приводит к снижению пропускной способности и перегрузке сети. В информационно-ориентированных сетях (ICN) маршрутизация и кэширование объектов данных на промежуточных сетевых узлах при передаче от источника к получателю выполняется с использованием уникальных имен. Целью исследования является анализ производительности различных стратегий кэширования на предмет частоты попадания в кэш и времени удовлетворения запроса на получение объектов данных.

Материалы и методы. Для проведения исследования выбраны следующие стратегии кэширования: Leave Copy Everywhere, Leave Copy Down, Probabilistic Cache, кэширование по произвольному выбору, вероятностное кэширование Бернулли, схема симметричной хеш-маршрутизации, схема асимметричной хеш-маршрутизации, схема многоадресной рассылки. Рассчитаны значения таких показателей, как коэффициент попадания в кэш, временная задержка доставки запрашиваемого объекта данных получателю, нагрузка канала при передаче объекта данных, протяженность пути следования объекта данных. Показатели измерялись с учетом следующих характеристик: асимметрии распределения популярности объектов данных, совокупного размера сетевых кэшей промежуточных узлов, как доли от общего количества объектов данных. Моделирование проводилось для трех топологий сети: GARR (итальянская академическая сеть), GEANT (европейская академическая сеть), WIDE (японская академическая сеть) с применением симулятора Icarus 8.0.

Результаты. Применение схем симметричной хеш-маршрутизации и многоадресной рассылки позволило получить наибольшую частоту попадания в кэш. Самое малое количество попаданий в кэш в большинстве испытаний наблюдается при применении асимметричной схемы хеш-маршрутизации, поскольку путь объекта данных к получателю может не проходить через ответственный за кэширование маршрутизатор. При использовании схем симметричной хеш-маршрутизации и многоадресной рассылки удалось получить задержку доставки ниже относительно других стратегий. При использовании стратегии кэширования Leave Copy Down задержка доставки при увеличении показателя асимметрии популярности объектов данных принимает меньшие значения, чем у схем хеш-маршрутизации. Самая высокая задержка среди рассматриваемых стратегий наблюдается при применении асимметричной схемы хеш-маршрутизации. Применение схемы хеш-маршрутизации приводит к относительно высокому значению параметра загруженности канала связи. Значения показателя нагрузки канала для таких стратегий, как Leave Copy Everywhere (LCЕ), Leave Copy Down (LCD), Probabilistic Cache (ProbCache), кэширование по произвольному выбору (RAND_CHOICE), кэширование Бернулли (RAND_BERNOULLI), не сильно отличаются друг от друга. Применение схем хеш-маршрутизации приводит к увеличению протяженности пути доставки данных, в особенности это касается применения схем симметричной хеш-маршрутизации и многоадресной рассылки, поскольку путь объекта данных к получателю может проходить через ответственный за кэширование маршрутизатор, который не всегда является кратчайшим.

Выводы. Схемы хеш-маршрутизации с кэшированием в ряде случаев являются вполне обоснованной альтернативой методам, которые ориентированы на кэширование по пути следования запросов и не предполагают использование хеш-функций для сопоставления уникального имени объекта данных и маршрутизатора, предназначенного для кэширования. Практическая значимость данной работы заключается в возможности использовать результаты исследования при выборе той или иной стратегии кэширования на промежуточных сетевых устройствах в зависимости от характеристик канала связи, в частности топологии сети и степени популярности передаваемого объекта данных.

Литература

1. Зангаладзе А.П., Квернадзе С.А., Квирквелия Ш.В. Информационно-ориентированная сеть и ее преимущества разгрузки для удаленных устройств интернета вещей // Научные горизонты. 2021. № 5(45). C. 132–138.
2. Навроцкий Я.Ю., Пацей Н.В. Реализация политик кэширования в информационно-ориентированных сетях // Труды БГТУ. 2018. Сер. 3. Физико-математические науки и информатика. № 1. С. 99–103.
3. Якименко С.И. Аспекты кэширования в информационно-ориентированных сетях // Современные сетевые технологии: труды 4-й Междунар. конф. (Москва, 27–29 октября 2022 г.). М.: Изд-во Моск. ун-та, 2022. С. 70–76.
4. Chai W., Psaras I., Pavlou G. In-Network cache management and resource allocation for Information-centric networks. IEEE transactions on parallel and distributed systems, 2014, vol. 25(11), 2920–2931. DOI: 10.1109/TPDS.2013.304
5. Chao Y., Ni H., Han R. A path load-aware based caching strategy for Information-centric networking. Electronics, 2022, vol. 11(19), p. 3088. DOI: 3390/electronics11193088.
6. Conti M., Gangwal A., Hassan M. et al. The road ahead for networking: A survey on ICN-IP coexistence solutions. IEEE communications surveys and tutorials, 2020, vol. 22(3), pp. 2104–2129. Article 9094202. DOI: 10.1109/COMST.2020.2994526.
7. Dutta N., Sarma H.K.D., Jadeja R. et al. Information Centric Networks (ICN). Springer Nature Switzerland AG, 2021, 194 p.
8. Man D., Wang Y., Wang H. et al. Information-centric networking cache placement method based on cache node status and location. Wireless communications and mobile computing, 2021, vol.8, pp. 1–13, 5648765 DOI: 1155/2021/5648765.
9. Qazi F., Khalid O., Rais R.N.B. et al. Optimal content caching in content‐centric networks. Wireless communications and mobile computing, 2019, Jan. 29, 6373960. DOI: 10.1155/2019/6373960.
10. Saino L. On the design of efficient caching systems: Ph.D. thesis university college. London, 2015, 158 p.

Сведения об авторе

Путевская Ирина Валерьевна – старший преподаватель кафедры математического и аппаратного обеспечения информационных систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (putevskayaIV@yandex.ru).

Формат цитирования

Путевская И.В. Исследование эффективности стратегий кэширования данных в информационно-ориентированных сетях // Вестник Чувашского университета. 2024. № 4. С. 128–140. DOI: 10.47026/1810-1909-2024-4-128-140.

Загрузить полный текст статьи