Paralelizando unidades de cache hierárquicas para roteadores ICN

Abstract

Um desafio fundamental em ICN (do inglês Information-Centric Networking) é desenvolver Content Stores (ou seja, unidades de cache) que satisfaçam três requisitos: espaço de armazenamento grande, velocidade de operação rápida e custo acessível. A chamada Hierarchical Content Store (HCS) é uma abordagem promissora para atender a esses requisitos. Ela explora a correlação temporal entre requisições para prever futuras solicitações. Por exemplo, assume-se que um usuário que solicita o primeiro minuto de um filme também solicitará o segundo minuto. Teoricamente, essa premissa permitiria transferir proativamente conteúdos de uma área de cache relativamente grande, mas lenta (Layer 2 - L2), para uma área de cache mais rápida, porém menor (Layer 1 - L1). A estrutura hierárquica tem potencial para incrementar o desempenho da CS em uma ordem de grandeza tanto em termos de vazão como de tamanho, mantendo o custo. Contudo, o desenvolvimento de HCS apresenta diversos desafios práticos. É necessário acoplar as hierarquias de memória L2 e L1 considerando as suas taxas de transferência e tamanhos, que dependem tanto de aspectos de hardware (por exemplo, taxa de leitura da L2, uso de múltiplos SSD físicos em paralelo, velocidade de barramento, etc.), como de software (por exemplo, controlador do SSD, gerenciamento de memória, etc.). Nesse contexto, esta tese apresenta duas contribuições principais. Primeiramente, é proposta uma arquitetura para superar os gargalos inerentes ao sistema através da paralelização de múltiplas HCS. Em resumo, o esquema proposto supera desafios inerentes à concorrência (especificamente, sincronismo) através do particionamento determinístico das requisições de conteúdos entre múltiplas threads. Em segundo lugar, é proposta uma metodologia para investigar o desenvolvimento de HCS explorando técnicas de emulação e modelagem analítica conjuntamente. A metodologia proposta apresenta vantagens em relação a metodologias baseadas em prototipação e simulação. A L2 é emulada para viabilizar a investigação de uma variedade de cenários de contorno (tanto em termos de hardware como de software) maior do que seria possível através de prototipação (considerando as tecnologias atuais). Além disso, a emulação emprega código real de um protótipo para os outros componentes do HCS (por exemplo L1, gerência das camadas e API) para fornecer resultados mais realistas do que seriam obtidos através de simulação.

A key challenge in Information Centric Networking (ICN) is to develop cache units (also called Content Store - CS) that meet three requirements: large storage space, fast operation, and affordable cost. The so-called HCS (Hierarchical Content Store) is a promising approach to satisfy these requirements jointly. It explores the correlation between content requests to predict future demands. Theoretically, this idea would enable proactively content transfers from a relatively large but slow cache area (Layer 2 - L2) to a faster but smaller cache area (Layer 1 - L1). Thereby, it would be possible to increase the throughput and size of CS in one order of magnitude, while keeping the cost. However, the development of HCS introduces several practical challenges. HCS requires a careful coupling of L2 and L1 memory levels considering their transfer rates and sizes. This requirement depends on both hardware specifications (e.g., read rate L2, use of multiple physical SSD in parallel, bus speed, etc.), and software aspects (e.g., the SSD controller, memory management, etc.). In this context, this thesis presents two main contributions. First, we propose an architecture for overcoming the HCS bottlenecks by parallelizing multiple HCS. In summary, the proposed scheme overcomes racing condition related challenges through deterministic partitioning of content requests among multiple threads. Second, we propose a methodology to investigate the development of HCS exploiting emulation techniques and analytical modeling jointly. The proposed methodology offers advantages over prototyping and simulation-based methods. We emulate the L2 to enable the investigation of a variety of boundary scenarios that are richer (regarding both hardware and software aspects) than would be possible through prototyping (considering current technologies). Moreover, the emulation employs real code from a prototype for the other components of the HCS (e.g., L1, layers management and API) to provide more realistic results than would be obtained through simulation.