Моделирование и эксперимент

Для иллюстрации принципа кэширования было проведено моделирование в сети доступа Астраханского филиала ОАО «Ростелеком». Модель сегмента сети доступа телекоммуникационной компании включает в себя центральный сервер tsTV, расположенный на главном узле связи Оператора, а также прокси- сервер на одном из узлов доступа. Для моделирования совместного кэширования второй прокси-сервер был размещен в той же локации сети доступа, что и первый прокси. При моделирования совместного кэширования стоимость использования связи между центральным сервером и прокси- сервером была установлена равной пяти условным единицам вместо единицы. Таким образом, центральный сервер не будет задействован, когда запрошенный сегмент уже можно найти на соседнем прокси-сервере (при расчете кратчайшего пути использовался взвешенный алгоритм Дейкстры).

Центральный сервер предоставлял услугу «Телевидение, сдвинутое по времени» для пяти телеканалов. Каждый канал транслировал в течение тестирования пять телепрограмм по шестьдесят минут каждая с потоковой пропускной способностью 2,3-2,5 Мбит/с. Общее число запросов в ходе тестирования было равно тысяче.

В ходе тестирования изменялся размер доступного дискового пространства на центральном сервере и прокси-сервере, в результате чего изменялось и количество запросов абонентов, обслуживаемое каждым из них. Популярность программ на канал подчиняется закону Ципфа с параметром в = 0,7 (популярность i-ой по популярности программы пропорциональна i-в). В тестировании приняло участие сто пользователей услугой. В ходе тестирования изменялся размер доступного дискового пространства на центральном сервере и прокси-сервере, в результате чего изменялось и количество запросов абонентов, обслуживаемое каждым из них.

В ходе проведения тестовых испытаний на первом этапе на узле агрегации (г. Нариманов) был установлен прокси-сервер, а на втором - два прокси-сервера для организации их совместной работы. Последовательно изменялось доступное дисковое пространство на прокси-серверах от нуля до двух гигабайтов. Испытания показали, что уже при размере дискового пространства прокси-сервера в половину гигабайта нагрузка на центральный сервер услуги (г. Астрахань) уменьшается вдвое. При увеличении дискового пространства до одного гигабайта, как видно из графика на рис. 3 а, загрузка центрального сервера услуги уже оказывается значительно сниженной. Когда оба объема кэша ограничены до 0,5 Гб (область S: 25 минут), нагрузка сервера уже гораздо ниже, а кэш обслуживает большинство tsTV запросов. Кэш 1 (ближайший к серверу) и кэш 2 сначала сохраняют все пятиминутные префиксы каждой новой программы, но как только кэш 2 получает новые запросы, то кэш 1 удаляет эти сегменты по прошествии времени А. Затем кэш 1 будет сохранять следующие 5 минут каждой программы, в то время как кэш 2 хранит скользящее "заполненное" окно из первого интервала. Это означает, что кэш будет обслуживать все запросы, сделанные в течение первых пяти минут каждой отдельной программы.

Рис. 3. Зависимость количества обслуженных запросов от размера кэш (Гб) (а) и изменение нагрузки канала связи (Мбит/сек) между узлом агрегации

и центральным узлом связи (б)

В ходе проведения моделирования измерялась также нагрузка канала передачи данных на участке: узел агрегации г. Нариманов - Центральный узел связи г. Астрахань (на котором расположен сервер tsTV). Измерения проводились при помощи утилиты Iperf, причем измерялся только трафик услуги «Телевидение, сдвинутое по времени». Измерения велись в три этапа: без использования прокси-серверов, с использованием одного прокси-сервера и двух прокси-серверов в режиме совместного кэширования. В результате измерений (рис. 3 б) было выявлено, что использование прокси-сервера позволяет разгрузить магистральную сеть передачи данных на участке: узел агрегации - узел установки центрального сервера tsTV в среднем более чем в пять раз. Для проведения моделирования применения кэширующих стратегий для услуги «Видео по запросу» был использован описанный выше сегмент сети Астраханского филиала ОАО «Ростелеком». Использовалась система предоставления услуги «Видео по запросу», которая поддерживает шесть видеофильмов (512 килобитов в секунду) с продолжительностью 120 минут каждая (Li = 120 мин), и с пакетным окном 10 минут (Bi = 10 минут). При этом полагали, что вероятность доступа к видео подчиняется распределению Ципфа с фактором 0 = 0,271. Чтобы перехватывать каждый запрос клиента, прокси- сервер с буферным пространством 225 мегабайтов (H = 225 Мб = 60 мин) был расположен на границе сети. Неоднородность достигалась путем установки размера буфера клиента либо равной B (B = 37,5 МБ = 10 мин), либо нулевой. Заметим, что если размер буфера клиента больше, чем B в реальной системе, то только B единиц клиентского буфера будет использоваться в данной стратегии кэширования.

Было проведено исследование влияния размера буфера Н на гибридное кэширование. Положим, что размер буфера прокси-сервера Н варьируется от 450 Мб (120 мин) до 2700 Мб (720 мин). Остальные параметры остаются такими же, как и в предыдущем моделировании. Было смоделировано три услуги «Видео по запросу» - с дестью, двадцатью и тридцатью процентами клиентов с ограниченным буфером для оценки влияния H. На рисунке 4 а изображены входные пропускные способности прокси-серверов этих услуг (A, B, C соответственно). Этот график демонстрирует, что чем больше размер

буфера, тем ниже входная полоса пропускания. Когда размер буфера составляет 2700 Мб, все видео может быть полностью кэшировано прокси-сервером, так что входная полоса достигает нижней границы. Рис. 4. Влияние размера буфера (а) и размера окна Bi (б) на пропускную способность

Помимо размера буфера H, размер пакетного окна B_i также является важным фактором в гибридном кэшировании. Следующее проведенное испытание было сосредоточено на изучении влияния размера Bi пакетного окна. При проведении испытания был установлен размер буфера прокси- сервера H в 900 Мб (240 мин), а размер пакетного окна B_i каждого видео изменялся от 5 до 60 минут, при этом остальные параметры были установлены такими же, как и в предыдущем моделировании. График на рис. 4б показывает входную полосу пропускания прокси-серверов в трех случаях A, B, C, и из него видно, что наиболее подходящее значение B_i составляет 10-20 мин. Если B_i слишком мало, то значительно возрастает потребность в запланированных потоках. Тем не менее, B_i не должно быть слишком большим, потому что B_i является единицей предложенного алгоритма распределения кэш прокси- сервера. Другим возможным усовершенствованием может быть допущение того, что единица распределения кэш будет меньше, чем размер пакетного окна. Подобная модификация может улучшить использование буфера, однако это приведет к усложнению алгоритма распределения кэш.

Также было исследовано влияние частоты запросов A, где A = A_b + А_е. В трех испытаниях размер буфера прокси-сервера был установлен в 900 Мб (240 мин), 1350 MB (360 мин) и 1800 МБ (480 мин). Размер окна B_i каждого видео был установлен в 10 минут, а общая частота запросов А увеличивалась с 5 до 40 запросов в минуту. Остальные параметры оставались такими же, как и в предыдущем моделировании. Как иллюстрирует график на рис. 5, более высокая частота запросов вызывает более высокую входящую пропускную способность.

Рис. 5. Влияние частоты запросов на входящую пропускную способность

Проведенные исследования показали, что, в случае автономного кэширования, нагрузка на каналы связи до центрального сервера снижается в 4,8 раз, а в случае совместного кэширования - в 9,7 раз. Были проведены расчеты затрат на реализацию услуги «Телевидения, сдвинутое по времени» в Астраханском филиале ОАО «Ростелеком», учитывающие расходы на развертывание системы прокси-серверов и модернизацию сетевой инфраструктуры. В результате были получены данные, что в случае использования прокси-серверов, работающих в совместном режиме, возможно получение экономии более чем в 33 раза для предоставления услуги «Телевидение, сдвинутое по времени».

******************************************************************