무선 환경에서 QoS 적응적인 스트리밍 프락시 서버를 위한 트래픽 기반 캐싱 알고리즘 및 성능 분석 Traffic-based Caching Algorithm and Performance Evaluation for QoS-adaptive Streaming Proxy Server in Wireless Networks원문보기
멀티미디어 스트리밍 서비스의 증가는 인터넷 컨텐츠의 새로운 국면으로 나타나고 있다. 특히, 무선이동통신망에서 증가하는 멀티미디어 응용에 대한 QoS 제공은 무엇보다 중요하다. 멀티미디어 스트림은 일반적으로 인터넷과 무선망의 유실 특성, 지연, 프로토콜오버헤드로 인해 높은 초기 지연시간을 가진다. 서비스 제공자는 클라이언트 가까이에 있는 프락시에서 자주 액세스 되어지는 멀티미디어 스트림의 초기 세그먼트를 캐슁함으로써 성능을 향상 시킬 수 있다. 프락시는 서버로부터 스트림의 나머지 부분을 요구함과 동시에 클라이언트에 전송을 시작할 수 있다. 본 논문에서는 캐슁 프락시의 성능을 향상시키기 위해 트래픽 기반 캐슁 기법(TSLRU)을 제안한다 TSLRU는 트래픽을 세 종류로 분류하여 캐슁하며, 교체 대상 결정 시 여러 요소(traffic types, recency, frequency, object size)를 반영함으로 써 캐슁 프락시의 성능을 향상 시킨다. 모의실험에서 캐슁 알고리즘은 byte hit rate과 startup latency에서 높은 성능을 보였다.
멀티미디어 스트리밍 서비스의 증가는 인터넷 컨텐츠의 새로운 국면으로 나타나고 있다. 특히, 무선이동통신망에서 증가하는 멀티미디어 응용에 대한 QoS 제공은 무엇보다 중요하다. 멀티미디어 스트림은 일반적으로 인터넷과 무선망의 유실 특성, 지연, 프로토콜 오버헤드로 인해 높은 초기 지연시간을 가진다. 서비스 제공자는 클라이언트 가까이에 있는 프락시에서 자주 액세스 되어지는 멀티미디어 스트림의 초기 세그먼트를 캐슁함으로써 성능을 향상 시킬 수 있다. 프락시는 서버로부터 스트림의 나머지 부분을 요구함과 동시에 클라이언트에 전송을 시작할 수 있다. 본 논문에서는 캐슁 프락시의 성능을 향상시키기 위해 트래픽 기반 캐슁 기법(TSLRU)을 제안한다 TSLRU는 트래픽을 세 종류로 분류하여 캐슁하며, 교체 대상 결정 시 여러 요소(traffic types, recency, frequency, object size)를 반영함으로 써 캐슁 프락시의 성능을 향상 시킨다. 모의실험에서 캐슁 알고리즘은 byte hit rate과 startup latency에서 높은 성능을 보였다.
The increasing popularity of multimedia streaming services introduces new challenges in content distribution. Especially, it is important to provide the QoS guarantees as they are increasingly expected to support the multimedia applications. Multimedia streams typically experience the high start-up ...
The increasing popularity of multimedia streaming services introduces new challenges in content distribution. Especially, it is important to provide the QoS guarantees as they are increasingly expected to support the multimedia applications. Multimedia streams typically experience the high start-up delay due to the large protocol overhead, the delay, and the loss properties of the wireless networks. The service providers can improve the performance of multimedia streaming by caching the initial segment (prefix) of the popular streams at proxies near the requesting clients. The proxy can initiate transmission to the client while requesting the remainder of the stream from the server. In this paper, we propose the traffic based caching algorithm (TSLRU) to improve the performance of caching proxy. TSLRU classifies the traffic into three types, and improve the performance of caching proxy by reflecting the several elements such as traffic types, recency, frequency, object size when performing the replacement decision. In simulation, TSLRU performs better than the existing schemes in terms of byte hit rate, hit rate, startup latency, and throughput.
The increasing popularity of multimedia streaming services introduces new challenges in content distribution. Especially, it is important to provide the QoS guarantees as they are increasingly expected to support the multimedia applications. Multimedia streams typically experience the high start-up delay due to the large protocol overhead, the delay, and the loss properties of the wireless networks. The service providers can improve the performance of multimedia streaming by caching the initial segment (prefix) of the popular streams at proxies near the requesting clients. The proxy can initiate transmission to the client while requesting the remainder of the stream from the server. In this paper, we propose the traffic based caching algorithm (TSLRU) to improve the performance of caching proxy. TSLRU classifies the traffic into three types, and improve the performance of caching proxy by reflecting the several elements such as traffic types, recency, frequency, object size when performing the replacement decision. In simulation, TSLRU performs better than the existing schemes in terms of byte hit rate, hit rate, startup latency, and throughput.
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문제 정의
본 논문에서는 무선 네트워크 환경에서 멀티미디어 서비스를 사용자가 좀 더 빠르게 제공받기 위해 그림 3과 같이 캐쉬를 트래픽별로 분할하여 사용하는 트래픽 기반의 캐슁 알고리즘 (TSLRU : Traffic based Segmented LRU)을 제안하였다. 트래픽 기반의 캐슁 알고리즘은 트래픽을 표 1과 같이 크기별로 분류하여 각각의 독립적인 공간에 캐슁하며, 각 트래픽별 캐쉬의 크기는 캐슁 정책의 성능에 큰 영향을 미치기 때문에 주기적으로 각 트래픽의 BHR(Byte Hite Rate)과 HR(Hit rate)를 측정하여 주어진 캐쉬크기를 가변적으로 변경시키는 방법을 사용한다.
본 논문에서는 무선 네트워크에서 스트리밍 서비스의 종단 간 QoS 보장을 위한 QoS 적응적인 프락시 서버 아키텍처를 설계하고, 프락시에서 가장 중요한 요소 중 하나인 캐슁 정책을 제안하였다. 캐슁 정책은 콘텐츠 캐슁 및 교체 정 책(replacement policy)을 포함하며, 종단 간 QoS 성능 향상을 목적으로 하고 있다.
수용제어 정책은 디스크와 네트워크 대역폭의 시스템 자원과 캐시의 저장공간에 대하여 사용 자 제어를 수행한다. 즉 캐시 입출력 시스템의 포화상태를 방지하고 사용자 QoS를 보장하기 위한 정책이다. 캐시 교체 정책은 저장해야 할 콘텐츠와 제어해야 할 콘텐츠를 선택하는 정책으로 입출력 부하, 사용자 QoS 애대한 캐슁시스템의 효율성 구조를 논리적으로 제시한다.
제안 방법
모니터링 모듈은 유무선 네트워크에서 발생하는 패킷 유실, 지연에 관한 정보와 무선 네트워크에서 이동 단말의 이동성에 관한 정보를 세션, 자원, 이동성 모듈에 전달하는 역할을 한다. 각 모듈은 전달받은 QoS 파라미터를 기반으로 QoS 정책을 수행한다. 자원관리 모듈은 유무선상에서의 적응적인 자원할당 및 예약을 관장하며, 유선 네트워크에서는 RSVP(resource reservation protocol)을 사용하고, 무선 네트워크에서는 RRNS(resource renegotiation scheme)[6] 을 사용한다.
예를 들에'raffic 1의 BHR이 20%, Traffic 2의 BHR이 30%, Traffic 3의 BHR이 40%이면 캐쉬를 2:3:4의 비율로 정하게 되며, HR을 사용하여 캐쉬크기를 조정하는 방법 또한 BHR을 사용한 방법과 동일하다. 또한 나누어진 캐쉬는 독립적인 교체정책을 사용하게 되며, 교체 대상 결정 시 여러 요소(recency, frequency, size)를 반영할 수 있는 ASLRU (Adaptive Segmented LRU) 캐쉬 교체 정책을 사용한다. ASLRU는 SLRU (Segmented LRU) 를 기본으로 하고 있지만, SLRU가 고정 크기의 세그먼트를 사용하며 교체 대상을 언프로텍티드 세그먼트에서만 결정하는 데 반해 ASLRU는 세그먼트들의 크기가 캐쉬 자원 상태에 따라 가변적으로 변하며, 상황에 따라 프로텍티드 세그먼트에서도 교체 대상을 물색한다.
현재까지 인터넷에서의 멀티미디어프락시에 대한 연구가 진행되었으며, 그 대부분은 BHR(byte hit ratio)이나 초기 전송 지연과 같은 확실한 성능 측정 기준의 높고 낮음으로 캐시 교체 정책을 최적화하는 것에 목적을 두고 있었다[3] 반면 무선환경에서의 프락시기법에 대한 연구는 스트리밍 데이터를 중계하기 위한 전송률 제어 모듈이나 포맷 전환을 위한 트랜스코드를 중심으로 이루어졌다[4][5]. 본 논문에서 제한하는 프락시 역시 인터넷에서의 캐시 교체 정책과 무선망에서의 전송률 제어 모듈을 기반으로 설계되었다. 하지만, 그림 1과 같이 종단 간 QoS 성능 향상을 위해 세션관리, 자원관리, 이동성 관리, 캐슁 관리 모듈로 세분화하였다.
본 논문에서는 캐슁 프락시의 성능을 향상시키기 위해 제안한 트래픽 기반 캐슁 기법(TSLRU)은 트래픽을 세 종류로 분류 캐슁하고, 교체 대상 결정 시 여러 요소(recency, frequency, size)를 반영함으로써 캐슁 프락시의 성능을 향상 시켰다.
캐슁 정책 TSLRU와 ASLRU에 대한 모의실험을 수행하며, hit rate, byte bit rate, startup latency 값으로 성능을 평가한다. Hit rate는 클라이언트의 요청 중 프락 시 캐쉬에 존재흐 'F는 오브젝트들의 수를 퍼센트로 나타낸 것이고, byte bit rate는 전체 요청 오브젝트의 크기에 대해 요청된 오브젝트 중 캐쉬에 존재하는 오브젝트의 크기를 퍼센트로 나타낸 것이다.
대상 데이터
캐슁 정책 모의실험은 그림 5와 같이 하나의 스트리밍프 락시를 가지는 네트워크 모델을 사용하였으며, WebTrafg[13] 시뮬레이터에 TSLRU와 ASLRU를 구현하여 실험하였다. 클라이언트로부터 오는 모든 요청은 프락시로 직접 전달되고, 프락시는 요청 파일의 카피본이 존재하는지 확인하여 존재하면 cache hit을 표시하고, 존재하지 않으면 cache miss를 표시하면서 동시에 스트리밍 서버로 파일을 요청한다.
이론/모형
각 모듈은 전달받은 QoS 파라미터를 기반으로 QoS 정책을 수행한다. 자원관리 모듈은 유무선상에서의 적응적인 자원할당 및 예약을 관장하며, 유선 네트워크에서는 RSVP(resource reservation protocol)을 사용하고, 무선 네트워크에서는 RRNS(resource renegotiation scheme)[6] 을 사용한다. 반면 이동성 관리 모듈은 단말의 핸드오프나 이동에 따라 전송률 조절 및 자원할당을 요청한다.
캐시 교체 정책은 저장해야 할 콘텐츠와 제어해야 할 콘텐츠를 선택하는 정책으로 입출력 부하, 사용자 QoS 애대한 캐슁시스템의 효율성 구조를 논리적으로 제시한다. 캐슁 정책은 본 논문에서 제안하는 트래픽가반의 스트리밍 캐슁 알고리즘을 사용한다.
성능/효과
모의실험에서 캐슁 알고리즘은 hit rate를 기존 캐슁 정책과 비슷하게 유지하면서 byte hit rate와 startup latency에서 높은 성능을 보였다. Byte hit rate의 경우 SLRU보다 5% 정도의 성능 향상을 보였으며, startup latency 도 2~3ms 정도 줄어들었다. 하지만 같은 TSLRU방식이라도 BHR을 기반으로 캐쉬크기를 정한 TSLRU-BHR과 HR을 기반으로 캐쉬크기를 정한 TSLRU-HR의 성능이 큰 차이를 나타내었다.
즉, 캐쉬크기가 증가하면 할수록 크기가 큰 트래픽이 더 많이 저장되어 그림 12에 나타난 것처럼 비슷한 hit rate인데도 불구하고 byte hit rate 면에서는 높은 성능을 나타내었다. TSLRU-BHRe 65% 정도의 byte hit rate 성능을 보였으며, TSLRU-HR, ASLRU, LRU는 60% 정도의 성능을 보임으로써 5% 정도의 성능 향상을 나타내었다.
하지만, 캐쉬크기가 작을 경우에는 TSLRU-HR의 startup latency가 낮게 나오고 캐쉬크기가 커져감에 따라 TSLRU-BHR의 startup latency가 다른 정책들에 비해 낮게 나옴을 알 수 있다. 다시 말해, TSLRU-HRe 멀티미디어 스트리밍 데이터보다 작은 캐쉬크기를 유지할 수 있는 텍스트나 이미지 같은 정적인 데이터에서 좋은 성능을 나타내었으며, TSLR-BHR의 경우 캐쉬크기를 크게 해주면, hit rate 을 다른 캐슁 정책과 비슷하게 유지하면서 데이터 크기가 큰 비디오 스트림에 대한 캐슁 성능을 향상시키며 startup latency 역시 줄일 수 있다.
ASLRU의 경우 세그먼트의 크기를 캐쉬크기에 따라 가변적으로 변화시키기 때문에 캐슁 크기가 작을 경우에는 SLRU에 가깝게 나왔으며, 큰 경우에는 TSLRU와 비슷한 성능을 보였다. 또한 캐쉬크기를 증가하면 증가할수록 hit rate의 성능이 좋아졌지만, hit rate가 65% 정도에 도달한 후에는 일정하게 유지되었다.
모의실험에서 캐슁 알고리즘은 hit rate를 기존 캐슁 정책과 비슷하게 유지하면서 byte hit rate와 startup latency에서 높은 성능을 보였다. Byte hit rate의 경우 SLRU보다 5% 정도의 성능 향상을 보였으며, startup latency 도 2~3ms 정도 줄어들었다.
본 논문에서 제안하는 TSLRU는 무선이동통신망에서 멀티미디어 스트리밍 서비스 제공에 있어 기존 방법보다 좋은 QoS 보장 능력을 가지고 있다. 하지만 제안 방안의 성능은 프락시의 전체 캐쉬크기와 가변적인 트래픽들의 캐쉬크기에 따라 큰 차이를 보임을 알 수 있었으며, 이를 보완하기 위해서 BHR과 같은 단순한 요소가 아닌 캐쉬와 네트워크 상황에 더욱 적응적인 요소를 통해 각 트래픽의 캐쉬크기를 관리하고 변화시키는 방법에 대한 연구가 필요할 것이다.
TSLRU-BHR과 TSLRU-HR는 캐쉬 크기 조정을 BHR이 나 HR을 사용한 것을 나타낸다. 실험 결과, 접근 요구의 최신성(recency), 동일한 오브젝트에 대한 접근 요구의 발생 빈도(frequency), 트래픽 크기(size)를 모두 고려한 TSLRU-BHROI 전체적으로는 좋은 성능을 보였지만, 캐쉬크기가 작을 경우에는 TSLRU-HR이 더욱 좋은 성능을 보였다. ASLRU의 경우 세그먼트의 크기를 캐쉬크기에 따라 가변적으로 변화시키기 때문에 캐슁 크기가 작을 경우에는 SLRU에 가깝게 나왔으며, 큰 경우에는 TSLRU와 비슷한 성능을 보였다.
하지만 같은 TSLRU방식이라도 BHR을 기반으로 캐쉬크기를 정한 TSLRU-BHR과 HR을 기반으로 캐쉬크기를 정한 TSLRU-HR의 성능이 큰 차이를 나타내었다. 즉, 제안한 TSLRU의 경우 성능에 가장 큰 영향을 주는 요소가 각 트래픽들의 가변적인 캐쉬크기라는 것을 알 수 있었다.
후속연구
본 논문에서 제안하는 TSLRU는 무선이동통신망에서 멀티미디어 스트리밍 서비스 제공에 있어 기존 방법보다 좋은 QoS 보장 능력을 가지고 있다. 하지만 제안 방안의 성능은 프락시의 전체 캐쉬크기와 가변적인 트래픽들의 캐쉬크기에 따라 큰 차이를 보임을 알 수 있었으며, 이를 보완하기 위해서 BHR과 같은 단순한 요소가 아닌 캐쉬와 네트워크 상황에 더욱 적응적인 요소를 통해 각 트래픽의 캐쉬크기를 관리하고 변화시키는 방법에 대한 연구가 필요할 것이다.
참고문헌 (15)
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