Phân tích hiệu năng của kiến trúc Internet web caching nhở sử dụng mô hình mạng Petri có màu và thời gian ngẫu nhiên (SCPN)

Bài viết này đưa ra phương pháp phân tích hiệu năng của kiến trúc Internet web caching theo hướng tiếp cận dựa trên mạng Petri nhằm mục tiêu tối ưu hóa kiến trúc internet web caching để cải thiện tốc độ truy cập web và sử dụng các dịch vụ đa phương tiện trên mạng internet.

ISBN 2354-0575 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA KIẾN TRÚC INTERNET WEB CACHING NHỞ SỬ DỤNG MƠ HÌNH MẠNG PETRI CĨ MÀU VÀ THỜI GIAN NGẪU NHIÊN (SCPN) Hồ Khánh Lâm, Nguyễn Xuân Trường, Nguyễn Thị Chung Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày nhận: 01/10/2016 Ngày sửa chữa: 31/10/2016 Ngày xét duyệt: 15/11/2016 Tóm tắt: Hiện nay, công nghệ mạng truyền thông phát triển nhanh cung cấp dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao phục vụ nhu cầu người sử dụng dịch vụ web Web caching ứng dụng cấp độ routing phần lớn băng thông dùng cho web với mục tiêu làm tăng tốc độ đường truyền tốc độ truy cập web Hiện nay, có số phương pháp khác để đánh giá hiệu kiến trúc internet web caching Tuy nhiên, phương pháp mô hình hóa sử dụng mạng Petri có màu thời gian ngẫu nhiên (SCPN) phương pháp hoàn toàn giúp cho việc xác định điều chỉnh thông số hiệu làm tối ưu kiến trúc internet web caching dựa thông số: trễ đáp ứng chi phí băng thơng kênh truyền dẫn Bài báo đưa phương pháp phân tích hiệu kiến trúc Internet web caching theo hướng tiếp cận dựa mạng Petri nhằm mục tiêu tối ưu hóa kiến trúc internet web caching để cải thiện tốc độ truy cập web sử dụng dịch vụ đa phương tiện mạng internet Từ khóa: web caching, mạng petri (PN), mơ hình mạng Petri có mầu thời gian ngẫu nhiên (SCPN) Đặt vấn đề Ngày nay, cơng nghệ truyền thơng có kết nối truy nhập Internet để cung cấp dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao, thời gian thực đến tận người dùng đầu cuối sử dụng thiết bị máy tính, điện thoại thơng minh Khơng thể tính có dịch vụ Internet phát triển đáp ứng nhu cầu ngày cao hàng tỷ người dùng toàn cầu Hầu tất dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao truy nhập sử dụng qua dịch vụ web, nhu cầu băng thông Internet tăng nhanh cấp thiết Internet cần phải đảm bảo cung cấp dịch vụ với trễ nhỏ phải tiết kiệm băng thơng Đó u cầu hiệu Internet Cho đến có giải pháp kiến trúc web caching mà đa số ISP áp dụng nhằm đáp ứng yêu cầu hiệu năng, là: kiến trúc phân cấp (hierarchical web caching architecture), kiến trúc web caching phân tán (distributed web caching) kiến trúc web caching kết hợp (hybrid web caching) Các nghiên Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 cứu đánh giá hiệu hệ thống web caching báo [1], [2], [3], [4], [5] cho thấy cấp mạng phải có nghiên cứu đánh giá riêng khác lưu lượng Tuy nhiên, nhà mạng sử dụng kiến trúc kết hợp Tại cấp mạng thực kiến trúc web caching phân tán, song tất nút có hệ thống web cache, lý đảm bảo tiết kiêm chi phí, mà nút có u cầu băng thơng cao có số đơng dân cư sử dụng mạng Internet Và tất hệ thống web cache liên kết ngang hàng tầng mạng (kết nối P2P) với để tăng mức độ sử dụng hệ thống web caching cấp mạng Kiến trúc web cache phân tầng kết hợp đảm bảo hệ thống web cache tầng liên kết với nhau, đảm bảo tỷ lệ trúng web cao yêu cầu client chuyển lên tầng mạng làm tiết kiện băng thông tầng mạng Hình sơ đồ kiến trúc web caching kết hợp tầng mạng liên kết với có cấp Journal of Science and Technology 89 ISBN 2354-0575 Origin web servers International Internet ISP Central Caches ISP Regional Caches ISP Institutional Caches Clients Hình Kiến trúc Internet web caching kết hợp Cấp cao toàn kiến trúc web caching kết hợp hệ thống web caching trung tâm (cấp thứ nhất) mạng trục Internet quốc gia, ISP CC (Central Caches) Tại mạng khu vực mạng ISP (ISP Regional Network) có hệ thống Web cache khu vực (cấp thứ hai), RC (Regional Caches) Cấp (cấp thứ ba) hệ thống web cache mạng địa phương, IC (Institutional Caches) Những người sử dụng đầu cuối (clients) cấp thứ Chúng kết nối với mạng truy nhập địa phương Các trạm viễn thông tỉnh, thành phố có nút POP (Network Point of Presence) nút truy nhập địa phương mạng Internet Tại POP đặt hệ thống web cache, IC (Institutional Caches) Các client máy tính PC, điện thoại di động, trực tiếp hay thông qua mạng LAN, kết nối với Internet qua POP mạng truy nhập Dialup, ADSL, mạng di động Các POP có liên kết truyền dẫn tốc độ cao với mạng khu vực Các client trình duyệt web trực tiếp gián tiếp qua Proxy server cục LAN gửi yêu cầu trạng web qua mạng truy nhập đến mạng địa phương Trong trường hợp Proxy server cục nội dung trang web u cầu, 90 Proxy server chuyển yêu cầu client đến hệ thống IC POP địa phương Nếu hệ thống IC có nội dung mà client u cầu (IC hit) IC chuyển nội dung yêu cầu cho client (đồng thời Proxy server cục lưu nội dung trang web này) Khi trượt IC (IC miss) nghĩa nội dung trang web mà client u cầu khơng có hệ thống IC, từ hệ thống IC yêu cầu chuyển lên mạng cấp - mạng khu vực Tại mạng khu vực, hệ thống RC có nội dung u cầu (RC hit) chuyển nội dung hệ thống IC, từ hệ thống IC chuyển tiếp Proxy server client Nếu trượt RC (RC miss), yêu cầu client chuyển lên hệ thống CC mạng quốc gia Nếu hệ thống CC có nội dung nội dung (CC hit) chuyển hệ thống RC, hệ thống IC, đến Proxy server, đến client Nếu trượt CC (CC miss), yêu cầu từ client chuyển đến Internet quốc tế, đến web server gốc Đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào cải thiện hiệu Web dựa thuật toán thay trang web giải pháp web caching Các yêu cầu nội dung web từ người dùng phải đáp ứng với trễ nhỏ tầng mạng Đáp ứng nhanh yêu cầu Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 truy nhập web phụ thuộc vào xác suất trúng Internet web caching tối ưu hiệu dựa cache (hit rate) Nhưng yêu cầu trang web hai thơng số: trễ đáp ứng chi phí băng thơng khơng có tầng mạng u cầu phải kênh truyền dẫn, báo đưa phương pháp chuyển lên tầng mạng trên, trễ đáp ứng phân tích hiệu kiến trúc Internet web cịn phụ thuộc vào liên kết truyền thơng caching dựa mạng Petri [6] tầng mạng Do để có kiến trúc Mơ hình mạng Internet web caching kết hợp Origin Servers (OC) Internet Liên kết quốc gia – quốc tế mạng ISP Central Caches (CC) Liên kết mạng khu vực- quốc gia ISP Regional Caches (RC) Liên kết mạng khu vực - địa phương ISP Institution Caches (IC) Mạng truy nhập địa phươngClient Proxy caches Clients Hình Mơ hình kiến trúc web caching phân tầng Mơ hình kiến trúc Internet web caching kết hợp cho hình hình đồ thị diễn giải trễ mà yêu cầu HTTP từ client đến web servers [7] Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology 91 ISBN 2354-0575 Client (4) IC (3) RC (2) Origin Servers (OC) CC (1) D 4M D Client REQ D 3M Request toRC D 3REQ D I C H E[W3Q ] E[S ] D DRCH Content to Client E[W2Q ] D4 2M Request to CC E[S ] D REQ D 1M Content to IC E[W1Q ] Content to Client D3 Content to RC E[S1 ] Request to Web Server D 1REQ D4 E[W0Q D2 Content to IC Content to Client Content to CC ] E[ S 0S ] D3 Content to RC D4 D Content to IC Content to Client D1 D3 D4 Hình Đồ thị thời gian trễ giao dịch HTTP client mạng Internet với kiến trúc Web caching kết hợp Tổng quát, kiến trúc web caching mạng ISP có n cấp mạng, yêu cầu HTTP mạng thứ n , phụ thuộc kích thước nội dung web Với kiến trúc tầng ta có: D4M - thời gian trượt web cục mạng client trượt web cấp mạng thứ n , trúng web hệ thống web caching cấp mạng thứ i , mà n i , client, thời gian phụ thuộc vào tốc độ LAN (trong có proxy server) client Nếu client máy tính đơn lẻ khơng qua LAN (1) thời gian bỏ qua D4REQ – thời gian mà yêu cầu HTTP đáp ứng hệ thống web caching cấp mạng thứ i cho yêu cầu HTTP client bằng: E[Ri ] (DnM (Di 1M DnREQ) (Dn 1M Dn 1REQ) Di 1REQ) E[Ci ] Di Dn Dn Trong đó: DnM - trễ trượt web cấp mạng thứ n ; DnREQ - trễ phụ thuộc băng thông kênh truyền dẫn mà yêu cầu HTTP client (hay từ proxy server cục bộ) chuyển từ cấp mạng thứ n đến cấp mạng thứ n 1; Dn - trễ trả nội dung web yêu cầu cho client phụ thuộc băng thông client gửi đến mạng địa phương/cơ sở (đến POP đến Router sở) Thời gian phụ thuộc vào tốc độ đường truyền kết nối client qua mạng truy nhập (dial-up, ADSL, vô tuyến, di động, đường truyền trực tiếp) tới nút mạng địa phương/cơ sở , phụ thuộc kích thước gói u cầu, trễ qua nút mạng truy nhập trung gian khu vực quận, huyện đến POP kênh truyền dẫn từ cấp mạng thứ n 1đến cấp 92 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 D4 - trễ trả client trúng web hệ thống IC (trúng web cấp 3), phụ thuộc vào băng thông kênh truyền dẫn kích thước nội dung web trả từ cấp mạng địa phương đến client mạng cấp DICH – thời gian đáp ứng trung bình hệ thống web caching IC trúng web IC (IC hit) Thời gian bao gồm: thời gian tổng thời D4REQ ) , thời gian đáp ứng trung gian (D4M gia trúng web cấp mạng Internet quốc tế web server nguồn Công thức (5) công thức tổng quát để tính trễ truy nhập web cho trường hợp xấu Các công thức [7] cho thấy phụ thuộc vào hệ thống web caching cấp mạng: liên kết ngang hàng, số lượng nút hệ thống web caching, giao thức thay web cache, liên kết hệ thống web caching tầng mạng với nhau, số lượng tầng mạng bình hệ thống web caching cấp mạng 3, Mơ hình SCPN kiến trúc Internet web E(C3 ) thời gian trả nội dung web D4 caching D (D ICH D M (D4M D D (D4M REQ ) E [C ] D 4 REQ ) E [W Q ] E [ S ] D 4 REQ ) E[N3Q] Mạng Petri có mầu thời gian ngẫu nhiên chung SCPN (Stochastic Colored Petri Net) (2) định nghĩa thông số [6]: SCPN (P,T , A, , N , C, E, G, I ) ; đó: P – tập D4 hợp vị trí có mầu (có đặc tính liệu) ký hiệu vòng tròn với thẻ (dấu chấm RCH - đáp ứng trung bình hệ thống web đen); T – tập hợp chuyển tiếp (có thể hàm caching mạng khu vực trúng RC (RC hit): thời gian) khơng có thời gian (kích hoạt thỏa mãn điều kiện vị trí vào chúng DRCH ( D4M D4REQ ) ( D3M D3REQ ) E[ C2 ] D3 D4 (D4 REQ D4M ) ( D3REQ D3M ) E[ W2Q ] E[S2 ] D3 D4 (3) có thẻ), biểu diễn chữ nhật trắng (có thời gian) đen (khơng có thời E[N2Q ] (D4M D4REQ ) (D3M D3REQ ) D3 D4 gian); A tập hợp cung thỏa mãn: 2 D CCH đáp ứng trung bình hệ thống web P T P A T A ; tập hợp hữu hạn tập hợp mầu xác định SCPN Tập caching mạng quốc gia trúc CC (CC hit): D )( D D (D D hợp chứa tất mầu thể, phép D REQ ) ( D M ) toán hàm sử dụng SCPN; NE[C1 ] D D3 D (D hàm nút, xác định từ A vào 3 D CCH REQ M ( D4 REQ D M ) ( D REQ M D3 M ) E[W1Q ] E[S1 ] D D3 D4 ( D4 M D4 REQ ) ( D M D3 REQ ) E[ N 1Q ] D2 D3 D4 REQ D2 M ) REQ D (D2M ) (4) REQ P T T P vào mầu DWSH - đáp ứng trung bình Internet quốc tế D (D WSH D M ) (D REQ D 3M ) (D 3REQ D M (D1M D1REQ ) E[W0Q ] E[S0 ] D1 D2 D3 D ) (D4 M D4 REQ ) (D3M D3REQ ) (D2 M REQ (D1M D1REQ ) D1 , p P vào viết D2 D3 G ánh xạ chuyển tiếp t T vào biểu thức giám sát Biểu thức giám sát phải có giá trị boolean true hay false, viết là: ) REQ t T: Type(G(t)) BooleanType(Var(G(t))) Trong Type(Vars) tập hợp (D1M D1REQ ) E[C0 ] D1 D2 D3 D4 (D4 REQ D4 M ) (D3REQ D3M ) (D2 REQ D2 M ) E[N0Q ] tập hợp C : P; G - hàm giám sát (guard function); web server nguồn: ; C – hàm mầu, xác định từ P ánh xạ vị trí D4 (5) D4 kiểu Type (v) | v Vars ,Vars E- hàm biểu thức cung E ánh xạ Như vậy, trường hợp xấu không trúng web Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 hợp biến, Vars (G(t)) biến sử dụng g(t) yêu cầu tất cấp mạng ISP quốc tập cung a A vào biểu thức E Các kiểu Journal of Science and Technology 93 ISBN 2354-0575 vào biểu thức cung phải tương ứng với kiểu nút nối cung: a A : Type(E(a)) C( p(a))MS đề xuất sử dụng SCPN để mơ hình hệ thống web caching phân tích hiệu hệ thống web caching; TimeNET phần mềm sử Type(var(E(a))) Trong đó, p(a) vị trí A(a) C( p)MS tập hợp hữu hạn multiset I –hàm khởi tạo I ánh xạ vị trí p vào biểu thức khởi tạo (khơng có biến) rằng: p P : Type(I ( p)) C( p)MS Var(I ( p)) Đối với chuyển tiếp có thời gian, phép (nếu vị trí vào có thẻ), bắt đầu kích hoạt, lấy thẻ khỏi vị trí vào Tuy nhiên thẻ đưa vào vị trí chuyển tiếp trễ kết thúc Các thẻ bị “giữ chuyển tiếp” khoảng trễ kích hoạt Kết nghiên cứu [7], [8] có đề xuất sử dụng mạng hàng đợi để phân tích hiệu kiến trúc Internet web dụng để mơ mơ hình đề xuất Hình 2(a) mơ hình SCPN hệ thống Internet web caching lớp IC kịch cho http client yêu cầu nội dung web có IC, nghĩa có IC-hit Vị trí client_request với loại thẻ: thẻ 1: thể loại liệu không online (non_online_data) thẻ 2: thể loại liệu online (online_data) Hình 2(b) (c) kết xác địnhcác thơng số T_non_online T_online = (số lượng truy nhập IC)/(trễ trung bình cấp mạng IC)theoms (tọa độ Y) vàchạy khoảng seconds với số lần kích hoạt thể số yêu cầu web từ client (tọa độ X) non_online_data online_data caching kết hợp Bài báo (b) (a) (c) Hình (a) mạng SCPN cấp webching cache IC có IC-hit (b) Trễ nhận nội dung web với non-online-data, (c) Trễ nhận nội dung web với online-data 94 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 (a) (b) (c) (d) Hình (a) mạng SCPN hai cấp webching cache IC-RC có IC-miss RC-hit (b) Trễ nhận nội dung web với non-online-data, (c) Trễ nhận nội dung web với online-data Hình (a) mơ hình SCPN hệ thống Internet hai cấp web caching IC-RC IC-miss RC-hit, vị trí RC-request thể mơ hình SCPN cho RC (hình 5(b)) Hình 5(c) (d) kết xác định thông số T_non_online_IC_to_RC T_online_IC_to_RC = (số lượng truy nhập IC)/(tổng trễ trung bình cấp mạng IC RC) theo ms (tọa độ Y) chạy khoảng 64 seconds với số lần kích hoạt thể số yêu cầu web từ client (tọa độ X) non_online_data online_data Có thể cách tương tự xác định mơ hình SCPN cho hệ thống cấp web Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 caching IC-RC-CC có IC-miss, RC-miss, CChit, hệ thống cấp web caching IC-RC-CC-OC IC-miss, RC-miss, CC-miss, OC-hit Phân tích kết luận Với cấp web caching, ví dụ IC (hình 4), kết mô phụ thuộc vào số yêu cầu web từ client trễ trung bình cấp web caching Đối với liệu online, thơng thường có độ dài lớn nên chúng có chi phí trễ trung bình lớn so với liệu non-online (thể thơng số đặt trước hình 4(a) 5(a)) Do thơng số hiệu T_online < T_non_online nhận nội Journal of Science and Technology 95 ISBN 2354-0575 dung web yêu cầu nhỏ Với hai cấp webcaching IC-RC IC không sẵn sàng nội dung (vị trí IC_content_not_ready có thẻ) kết mơ hình 5(c) (d) cho thấy ban đầu tỷ số IC-miss nội dung web cần lấy từ cấp RC với trễ truy nhập lớn nên giá trị T_online_IC_to_RC < T_online_IC T_non_online_IC_to_RC < T_non_online Với tăng số thể từ RC đến vị trí IC_web_content_ready, tỷ số IC_hit cao lên, trễ truy nhập giảm, T_online_IC_to_RC > T_online_IC T_non_online_IC_to_RC > T_non_online Như vậy, với số cấp web caching tăng ta giảm trễ truy nhập Internet, không cần phải tăng dung lượng băng thông cấp mạng Với phương pháp mơ hình hóa SCPN đưa vào đặc tính liệu cho loại thẻ vị trí mức ưu tiên, độ dài liệu (hay số lượng gói tin), thay đổi thơng số trễ trung bình cấp mạng web caching, ta xác định thông số hiệu khác để đánh giá hiệu kiến trúc Internet web caching Tài liệu tham khảo [1] Carey Williamson, Mudashiru Busari: Simulation Evaluation of Web Caching Architectures, M.Sc Thesis, June 2000, Department of Computer science, University of Saskatchewan, http://www.cs.usask.ca/faculty/carey/ [2] [3] [4] [5] [6] [7] Haohuan Fu, Pui-On Au, Weijia Jia, 2004 Performance Evaluation of Replacement Algorithms In Hierarchical Web Caching Book series Lecture notes in computer science, Publisher “Springer Berlin/Heidelberg”, ISSN 0302-9743(print) 1611-3349 (online), volume 3129/2004 A Rousskov, “On Performance of Caching Proxies”, In ACM SIGMETRICS, Madison, USA, September 1998 C Maltzahn, J.Richardson, “Performance Issues of Enterprise Level Web Proxies”, 1998 M Deshpande, G Karypis, “ Selective Markov models for pedicting Web page access” ACM Transactions on Internert technology, May 2004 Hồ Khánh Lâm, “Mạng Petri: lý thuyết ứng dụng" Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, NXB KHKT, 2015 Ho Khanh Lam, Nguyen Xuan Truong, “Performance Analysis of Hybrid Web Caching Architecture” American Journal of Networks and Communications 2015; 4(3): 37-43.Published online April 24, 2015 (http://www.sciencepublishinggroup.com/j/ajnc) doi: 10.11648/j.ajnc.20150403.13.ISSN: 2326-893X (Print); ISSN: 2326-8964 (Online) [8] Hồ Khánh Lâm, Nguyễn Xuân Trường, "Sử dụng mạng hàng đợi phân tích ảnh hưởng client proxy server kiến trúc web caching" Tạp chí Khoa học Công nghệ - Đại học Thái Nguyên Tập 137, số 07, 2015 ISSN: 1859 - 2171 96 Khoa học & Công Nghệ - Số 12/Tháng 12 – 2016 Journal of Science and Technology ISBN 2354-0575 ANALYSIS PERFORMANCE OF INTERNET WEB CACHING BASED ON USED PETRI NETWORK MODEL HAS COLORS AND RONDOM TIME (SCPN) Abstract: At present, the communication network technology developed rapidly provide high speed multimedia services to serve the demand of web services 's users Web caching is an application-level routing and bandwidth for most of the web with the goalsare increasing the line speed and the web access speed Currently, there are several different methods to evaluate the performance of internet web caching architecture However, modeling methods use colored Petri network and random time (SCPN) is a completely new method helps to identify and adjust parameters to optimize performance of internet web caching architecture based on two parameters: delay and cost to meet the transmission bandwidth channel This paper gives a method for analyzing the performance of Internet web caching architecture oriented based approach Petri net aims to optimize web caching architecture to improve web access speed and use multimedia services on the internet Keywords: web caching, Petri network (PN), Petri network model has colors and random time (SCPN)  ... trên, trễ đáp ứng phân tích hiệu kiến trúc Internet web phụ thuộc vào liên kết truyền thông caching dựa mạng Petri [6] tầng mạng Do để có kiến trúc Mơ hình mạng Internet web caching kết hợp Origin... client mạng Internet với kiến trúc Web caching kết hợp Tổng quát, kiến trúc web caching mạng ISP có n cấp mạng, yêu cầu HTTP mạng thứ n , phụ thuộc kích thước nội dung web Với kiến trúc tầng ta có: ... Proxy caches Clients Hình Mơ hình kiến trúc web caching phân tầng Mơ hình kiến trúc Internet web caching kết hợp cho hình hình đồ thị diễn giải trễ mà yêu cầu HTTP từ client đến web servers [7] Khoa