A A Nati tive e Con Conten ent t Di Disc scover ery - - PowerPoint PPT Presentation

A ¡ A ¡Nati tive ¡ e ¡Con Conten ent ¡ t ¡Di Disc scover ery ¡ ¡ Me Mechanism sm ¡ ¡for ¡

• r ¡ICN

CN

Onur Ascigil, Vasilis ¡Sourlas, ¡Ioannis Psaras, ¡and ¡George ¡Pavlou Department ¡of ¡Electronic ¡and ¡Electrical ¡Engineering, ¡ University ¡College ¡London, ¡UK

1

Ou Outline

• Intra-­‑domain ¡Content ¡Discovery ¡(CD)
• Forwarding ¡Strategies ¡for ¡CD
• Proposed ¡Content ¡Discovery ¡Mechanism
• Evaluation
• Conclusions

2

In Intr tra-­‑

• ­‑do

domain ¡ n ¡Conten ent ¡ ¡Discover ery

3

In Intr tra-­‑

• ­‑do

domain ¡ n ¡Conten ent ¡ ¡Discover ery

• Find ¡a ¡copy ¡of ¡the ¡requested ¡content ¡within ¡the ¡source ¡domain ¡(AS).
• Incentives
• Avoid ¡receiving ¡traffic ¡over ¡expensive ¡inter-­‑domain ¡links.
• Improving ¡QoS for ¡end-­‑users.
• Optimal ¡Content ¡Discovery: ¡
• Nearest ¡Replica ¡Routing ¡(NRR) ¡with ¡single-­‑copy ¡caching ¡within ¡the ¡domain.
• Avoid ¡inter-­‑domain ¡content ¡retrieval ¡as ¡long ¡as ¡there ¡is ¡a ¡locally ¡cached ¡content.
• Avoid ¡redundant ¡content ¡replicas ¡in ¡the ¡domain.
• Mainstream ¡ICN ¡architectures ¡(NDN/CCN) ¡does ¡minimal ¡discovery.
• Search ¡content ¡opportunistically on-­‑path ¡(along ¡the ¡shortest ¡path ¡to ¡origin). ¡
• Why ¡not ¡incorporate ¡NRR ¡or ¡similar? ¡
• Conventional ¡wisdom: ¡Difficult ¡to ¡achieve ¡comparable ¡performance ¡to ¡NRR ¡without ¡

significant coordination ¡overhead.

4

In Intr tra-­‑

• ­‑do

domain ¡ n ¡Conten ent ¡ ¡Discover ery

• Coordination ¡of ¡i) ¡routing ¡with ¡ii) ¡content ¡placement.
• Need ¡to ¡keep ¡track ¡of: ¡what ¡is ¡cached, ¡where.
• Possible ¡ways ¡of ¡coordination:
• Control ¡plane ¡messages: ¡cache ¡nodes advertise ¡content ¡locations ¡to ¡each ¡other.
• Directory ¡service: ¡a ¡(logically) ¡centralised entity ¡collects ¡update ¡messages.
• Static ¡content ¡placement: ¡a ¡function ¡determines ¡the ¡placement ¡for ¡each ¡content.
• What ¡is ¡wrong ¡with ¡coordination? ¡
• Can ¡lead ¡to ¡high ¡communication ¡overhead: ¡signalling and/or ¡update ¡messages.
• Opportunistic ¡on-­‑path ¡discovery ¡(i.e., ¡no ¡coordination) ¡has ¡very ¡limited ¡
• gain. ¡
• What ¡do ¡we ¡propose ¡instead?
• An ¡opportunistic ¡coordination ¡mechanism.

5

Co Contri ributions

• Plenty ¡of ¡existing ¡work ¡on ¡different ¡aspects ¡of ¡content ¡discovery:
• In-­‑network ¡caching,
• Content ¡placement,
• Request ¡to ¡content ¡routing.
• Combine ¡several ¡existing ¡works ¡to ¡achieve ¡near ¡optimal ¡content ¡

discovery ¡with ¡no ¡signaling ¡or ¡update ¡protocols ¡for ¡coordination.

• Uncoordinated, ¡probabilistic ¡content ¡placement.
• Request ¡routing ¡using ¡Breadcrumb ¡Routing.

6

Co Content ¡ ¡Disc scovery ¡ y ¡usi sing ¡ ¡Br Breadcru rumb mb ¡ ¡Routing

• Data ¡packets ¡leave ¡breadcrumbs ¡behind ¡for ¡interests ¡to ¡follow. ¡
• Store ¡the ¡breadcrumb ¡state ¡in ¡a ¡domain-­‑local FIB ¡table: ¡Ephemeral ¡FIB ¡(EFIB)

/foo/bar /foo/bar Name Next-­‑hop

/foo/bar

S

R S

/foo/bar /foo/bar

Need ¡a ¡forwarding ¡ strategy ¡to ¡choose ¡ among ¡EFIB ¡and ¡FIB ¡ entries.

Fo Forwarding ¡ ¡Strategies

8

Ex Extreme ¡ ¡1: ¡ ¡Stop ¡ p ¡& ¡ ¡Wait

Name Next-­‑hop

/foo/bar

S

R S

/foo/bar /foo/bar /foo/bar /foo/bar

The ¡main ¡Interest ¡ “waits” ¡while ¡the ¡off-­‑ path ¡interest ¡explores ¡ the ¡trail

T

Name Next-­‑hop

/foo/bar

S, ¡T

Ex Extreme ¡ ¡2: ¡ ¡Mul ulticast

Name Next-­‑hop

/foo/bar

S

R S

/foo/bar /foo/bar /foo/bar /foo/bar

The ¡main ¡Interest ¡is ¡ forwarded ¡on ¡towards ¡ the ¡content ¡origin

/foo/bar Name Next-­‑hop

/foo/bar

S,T

T

/foo/bar

Inter-­‑domain ¡retrieval ¡is ¡ wasteful ¡and ¡leads ¡to ¡ redundant ¡copies ¡of ¡ content ¡stored ¡in ¡the ¡

• caches. ¡

/foo/bar

Re Recap: ¡ ¡Extreme ¡ ¡Scenarios

• Stop ¡& ¡Wait:
• Suffers ¡from ¡high ¡latency. ¡
• Not ¡scalable. ¡
• Multicast:
• Low ¡latency.
• Not ¡reducing ¡inter-­‑domain ¡traffic.
• Redundant ¡copies ¡in ¡the ¡caches.
• Augment ¡multicast ¡to ¡prevent ¡

unnecessary ¡inter-­‑domain ¡retrievals ¡ and ¡content ¡placements.

Pr Proposed ¡ ¡CD ¡ ¡Mechanism

12

Li Limi mit ¡ ¡Co Copies ¡ s ¡& ¡ ¡Br Breadcru rumb mb ¡ ¡Routing

• Perform ¡placement ¡only ¡once ¡along ¡the ¡content ¡retrieval ¡path ¡(for ¡inter-­‑

domain ¡retrievals). ¡

Extra ¡copies ¡are ¡placed ¡

• nly ¡in ¡the ¡event ¡of ¡

inter-­‑domain ¡retrievals

/foo/bar /foo/bar

In Invalida alidatio tion ¡ n ¡of ¡ ¡EFIB FIB ¡ ¡Entr tries ies

/foo/bar NACK /foo/bar /foo/bar /foo/bar /foo/bar

Mu Multicast ¡ ¡with ¡ ¡Forwarding ¡ ¡Bu Budget

• Deduct ¡a ¡constant ¡cost ¡for ¡FIB ¡forwarding ¡(e.g., ¡1).
• A ¡variable ¡amount ¡for ¡EFIB ¡forwarding.

FB ¡= ¡9 FB ¡= ¡6 FB ¡= ¡10

1 1 1 1 1 1 1

FB ¡= ¡5 FB ¡= ¡7

Static ¡Costs ¡require ¡a ¡ good ¡guess ¡for ¡the ¡ ¡ initial ¡forwarding ¡ budget.

FB ¡= ¡3

Off-­‑path ¡Interests ¡follow ¡ the ¡freshest ¡trail ¡and ¡ are ¡not ¡multicasted.

/foo/bar

Re Recap: ¡ ¡Forwarding ¡ ¡Budget ¡ ¡and ¡ ¡Placement

• Assign ¡an ¡initial ¡forwarding ¡budget ¡for ¡each ¡Interest ¡originating ¡from ¡

users.

• Spend ¡the ¡budget ¡on ¡forwarding ¡the ¡interest ¡using ¡FIB ¡(on-­‑path).
• Spend ¡the ¡budget ¡on ¡replicating ¡the ¡Interest ¡using ¡EFIB ¡(off-­‑path).
• An ¡off-­‑path ¡interest ¡replica ¡explores ¡a ¡single ¡EFIB ¡trail ¡with ¡

unlimited ¡budget.

• Choose ¡the ¡freshest EFIB ¡entry ¡(if ¡more ¡than ¡one ¡matching ¡entries).
• Entry ¡is ¡invalidated ¡if ¡the ¡trail ¡leads ¡to ¡a ¡dead-­‑end.
• Content ¡placement ¡is ¡done ¡according ¡to ¡probabilistic ¡caching ¡

[PROBCACHE].

• Placement ¡is ¡only ¡performed ¡when ¡content ¡is ¡retrieved ¡through ¡an ¡inter-­‑

domain ¡path.

Dy Dynam amic ¡O ic ¡Off-­‑

• ­‑pa

path ¡ h ¡Forwardi ding ¡ ng ¡Costs

• Deduct ¡a ¡constant ¡cost ¡for ¡FIB ¡forwarding ¡(e.g., ¡1).
• A ¡variable ¡amount ¡for ¡EFIB ¡forwarding.

FB ¡= ¡9 FB ¡= ¡3 FB ¡= ¡10

1 1 4 1 1 3 1

FB ¡= ¡2 FB ¡= ¡4

Dy Dynam amic ¡O ic ¡Off-­‑

• ­‑pa

path ¡ h ¡Forwardi ding ¡ ng ¡Costs

• EFIB ¡trails ¡with ¡highest ¡likelihood ¡of ¡content ¡retrieval ¡has ¡higher ¡costs.
• Likelihood ¡of ¡retrieval ¡depends ¡on ¡the ¡freshness of ¡a ¡trail ¡[Breadcrumb ¡Routing].
• EFIB ¡is ¡an ¡LRU ¡cache.
• Position ¡of ¡a ¡slot ¡in ¡the ¡cache ¡determines ¡freshness.
• Assign ¡a ¡cost ¡to ¡each ¡cache ¡slot.
• Independent ¡of ¡the ¡content.
• Compute ¡cost ¡for ¡each ¡EFIB ¡cache ¡slot ¡depending ¡on ¡the ¡recent ¡

success/failure ¡of ¡requests.

Dy Dynam amic ¡O ic ¡Off-­‑

• ­‑pa

path ¡ h ¡For

• rwarding ¡C

¡Cos

• sts
• Update ¡forwarding ¡costs ¡depending ¡on ¡the ¡

success/failure ¡of ¡the ¡EFIB ¡trails using ¡AIMD.

…

n 1 Cost /x/y/z R1 10.1 /a/b/c R2 8.0 Name Next-­‑hop /a/b/c R1 1.0

EFIB ¡CACHE

Fresher

n-­‑1 /x/y/z R2 1.0 /a/b/c R1 R2 /a/b/c /a/b/c /a/b/c 9.0 /e/f/g R2 7.8 /k/l/m R1 6.9

/a/b/c

Dy Dynam amic ¡O ic ¡Off-­‑

• ­‑pa

path ¡ h ¡For

• rwarding ¡C

¡Cos

• sts
• Update ¡forwarding ¡costs ¡depending ¡on ¡the ¡

success/failure ¡of ¡the ¡EFIB ¡trails using ¡AIMD.

…

n 1 Cost /x/y/z R1 10.1 /a/b/c R2 8.0 Name Next-­‑hop /a/b/c R1 1.0

EFIB ¡CACHE

Fresher

n-­‑1 /x/y/z R2 1.0 /a/b/c NACK R1 R2 /a/b/c /a/b/c /e/f/g R2 7.8 2 4.0 /k/l/m R1 6.9

Dy Dynam amic ¡O ic ¡Off-­‑

• ­‑pa

path ¡ h ¡For

• rwarding ¡C

¡Cos

• sts
• Update ¡forwarding ¡costs ¡depending ¡on ¡the ¡success/failure ¡of ¡the ¡EFIB ¡

trails.

• Failure: ¡Return ¡of ¡a ¡NACK.
• Success: ¡Return ¡of ¡Data.
• AIMD.
• Linear ¡increase ¡with ¡success ¡and ¡exponential ¡decrease ¡with ¡failure.
• Dynamically ¡adjust ¡cost.
• Lower ¡bound ¡on ¡the ¡costs ¡is ¡necessary ¡to ¡limit ¡overhead.
• Forward ¡packet ¡as ¡long ¡as ¡the ¡forwarding ¡allowance ¡is ¡positive.
• Allowance ¡not ¡necessarily ¡exceeding ¡the ¡cost.

Ev Evaluation

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Ev Evaluation ¡ ¡Metrics

• Content ¡discovery ¡rate.
• Intra-­‑AS ¡only: ¡Success in ¡discovering ¡content.
• Inter-­‑AS ¡only: ¡Failure to ¡discover ¡content.
• Both: Success ¡in ¡discovering ¡content ¡BUT ¡failure ¡to ¡prevent ¡redundant ¡

traffic.

• Latency: ¡Average ¡RTT ¡latency ¡in ¡retrieving ¡content.
• Overhead.
• Average ¡number ¡of ¡data ¡copies ¡per ¡satisfied ¡interest. ¡(Ideally ¡= ¡1)
• Average ¡interest ¡hops: ¡Average ¡number ¡of ¡hops ¡that ¡interests ¡travel ¡within ¡

the ¡AS.

Ev Evaluation ¡ ¡Setup

• C ¡= ¡106 content ¡items
• ISP ¡operated ¡Content ¡Provider.
• Rocketfuel Tiscali ¡(AS ¡3257) ¡topology
• 161 ¡routers ¡and ¡328 ¡bidirectional ¡links ¡
• 16 ¡of ¡the ¡lowest-­‑degree ¡nodes ¡act ¡as ¡the ¡border ¡routers ¡of ¡the ¡AS
• Aggregated ¡Network ¡Storage ¡of ¡0.3xC.
• Request ¡rate: ¡105 per ¡second.
• Requests ¡originate ¡from ¡randomly ¡chosen ¡routers.
• AIMD: ¡increase ¡by ¡1, ¡decrease ¡by ¡½.
• Icarus: ¡A ¡publicly ¡available ¡Python-­‑based ¡simulator ¡for ¡cached ¡networks.
• Code ¡and ¡experiments ¡are ¡available ¡at: ¡https://github.com/oascigil/efib

Ev Evaluation ¡ ¡Strategies

• Nearest-­‑Replica ¡Routing ¡(optimal).
• Placement ¡using ¡ProbCache.
• Limit ¡cached ¡copies ¡to ¡one. ¡
• Budget-­‑based ¡multicast ¡with ¡static ¡forwarding ¡costs. ¡
• Budget-­‑based ¡multicast ¡with ¡dynamic ¡forwarding ¡costs.

Ev Evaluation: ¡ ¡Impact ¡ ¡of ¡ ¡ Ex Extra Fo Forwarding ¡ ¡ Bu Budget

• Redundant ¡Traffic

Initial ¡Forwarding ¡ Budget ¡has ¡negligible ¡ impact ¡on ¡the ¡overall ¡ performance

Ev Evaluation: ¡ ¡Impact ¡ ¡of ¡ ¡Forwarding ¡ ¡Budget

Ev Evaluation: ¡ ¡Impact ¡ ¡of ¡ ¡Forwarding ¡ ¡Budget

Ev Evaluation: ¡ ¡Impact ¡ ¡of ¡ ¡EFIB ¡ ¡Size

• EFIB ¡size ¡in ¡terms ¡of ¡“slots” ¡w.r.t. ¡cache ¡size ¡at ¡each ¡node. ¡

Ev Evaluation: ¡ ¡Impact ¡ ¡of ¡ ¡EFIB ¡ ¡Size

• EFIB ¡size ¡in ¡terms ¡of ¡“slots” ¡w.r.t. ¡cache ¡size ¡at ¡each ¡node. ¡

Ev Evaluation: ¡ ¡Impact ¡ ¡of ¡ ¡EFIB ¡ ¡Size

• EFIB ¡size ¡in ¡terms ¡of ¡“slots” ¡w.r.t. ¡cache ¡size ¡at ¡each ¡node. ¡

Co Conclusi sions

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Co Conclusi sions

• A ¡content ¡discovery ¡mechanism ¡that ¡passively ¡coordinates ¡routing ¡

and ¡caching ¡without ¡signaling ¡or ¡update ¡protocols.

• A ¡domain-­‑local ¡forwarding ¡table ¡to ¡store ¡breadcrumbs.
• Budget-­‑based ¡Multicast ¡Forwarding ¡Strategies ¡with ¡dynamic ¡

forwarding ¡costs.

• Comparable ¡performance ¡to ¡NRR ¡using ¡Dynamic ¡Forwarding ¡Costs.