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一個在無線隨意網路下以樹狀結構 為基礎的合作快取策略 A Tree-Based Cooperative Data Cache Scheme for MANET

一個在無線隨意網路下以樹狀結構 為基礎的合作快取策略 A Tree-Based Cooperative Data Cache Scheme for MANET. 呂永和、宋政倫 國立台灣科技大學資管系. 研究背景與動機. 結論. 1. 5. 相關研究. 2. 研究方法. 3. 實驗結果與分析. 4. 大綱. 研究背景與動機. MANET 簡介. MANET( Mobile Ad Hoc Network ) ， 具有無線通訊功能的行動裝置所自我組織起來的網路 相較於其他網路環境， MANET 具有以下特點：

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一個在無線隨意網路下以樹狀結構 為基礎的合作快取策略 A Tree-Based Cooperative Data Cache Scheme for MANET

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Presentation Transcript

  1. 一個在無線隨意網路下以樹狀結構為基礎的合作快取策略 A Tree-Based Cooperative Data CacheScheme for MANET 呂永和、宋政倫 國立台灣科技大學資管系

  2. 研究背景與動機 結論 1 5 相關研究 2 研究方法 3 實驗結果與分析 4 大綱

  3. 研究背景與動機

  4. MANET簡介 • MANET(Mobile Ad Hoc Network)，具有無線通訊功能的行動裝置所自我組織起來的網路 • 相較於其他網路環境，MANET具有以下特點： • 多點式跳躍傳輸(Multi-Hop Relaying) • 移動性(Mobility) • 不穩定的網路拓樸(Unstable Network Topology) • 行動裝置的資源限制 (Energy Constraints)

  5. MANET簡介(續) • 合作快取(Cooperative Cache)是一種使資料存取更有效率的方式 • 利用附近行動裝置的快取空間合作存取資料，節省時間以及電力能源的消耗 • 資料會隨著時間有所異動，所以合作快取會產生資料一致性(Data Consistency)的問題

  6. 研究目的 • 本論文提出了以樹狀結構為基礎的合作快取策略(Tree-Based Cooperative Cache Scheme, TBOC) • 目的在於改善以下議題： • 縮短取得資料的回應時間 • 從較近的節點取得有效資料 • 降低網路傳遞資料的次數

  7. 系統架構

  8. 相關研究

  9. GPSCE概念 • GPSCE(GlobalPositioning System-based Connectivity Estimation) • 評估節點是否和伺服器連線 • 使用有限的廣播和位置資訊評估節點能與伺服器能維持的連線時間。

  10. GPSCE概念(續) N3, Hop = 3 , t = 70 N1, Hop = 1 , t = 75 3 1 S 2 Server N2, Hop = 2 , t = 100

  11. ACOD • ACOD(Aggregate cache based on demand) • 節點廣播向伺服器要求資料 • 伺服器負責驗證資料 • LRU(least recently used)資料快取策略

  12. ACOD(續) • 缺點 • 資料搜尋和驗證的封包最後都會傳到伺服器 • 節點發出資料請求後，會在整個網路中搜尋所需的資料，不管本身快取資料是否可用，都必須花費此成本 • ACOD方法對於網路頻寬以及節點電力會有大量耗損，平均查詢等待時間也較長

  13. MTS • MTS(Modified Timestamp):伺服器會定期送驗證報告(Invalid Report , IR)封包 • IR記錄某一段時間內，伺服器被異動的資料列表，節點收到IR後，將快取空間內過期的資料刪除 • 資料驗證方式與ACOD不同 • 自身快取空間有資料時，等待下次伺服器發送的IR

  14. MTS(續) • 缺點： • 發出查詢時等待的回應時間較長 • 容易造成廣播風暴 • 伺服器為了確保服務範圍內的節點都可以收到IR，會採用氾濫(flooding)的方式將IR廣播出去 • MTS方法對網路中的頻寬、電力的耗損程度不小，而且會隨著發出IR的頻率變快而變得嚴重

  15. 研究方法

  16. 樹狀結構的建立 • 伺服器服務範圍為1200mX800m以內的節點 • 取對角線(約1442m)一半的範圍(跳躍數為3)的節點建立樹狀結構 • 樹狀結構特性： • 代替伺服器驗證資料 • 快取空間內資料保持最新 • 單播的方式與父節點通訊

  17. 樹狀結構的建立(續) Hop = 4 Hop = 3 Hop = 5 Hop = 3 B A Hop = 4 Hop = 3 Hop = 4 E Hop = 2 C D H Hop = 2 Hop = 5 G Hop = 3 Hop = 2 Hop = 1 Hop = 4 F Hop = 1 Hop = 2 Hop = 1 Hop = 5 Hop = 3

  18. 資料搜尋及驗證流程 • 資料搜尋 • 資料驗證

  19. 資料搜尋 • 快取空間內有資料： • 節點為樹節點 • 資料保持有效，直接使用 • 資料無效，單播向父節點請求資料 • 節點非樹中節點 • 廣播向伺服器方向尋求驗證 • 快取空間內無資料： • 節點為樹中節點 • 單播向父節點要求資料 • 節點非樹中節點 • 廣播向伺服器方向尋求資料

  20. 資料搜尋及驗證流程 • 資料搜尋 • 資料驗證

  21. 資料驗證 • 節點在樹狀結構中 • 快取空間的資料為有效 • 代替伺服器驗證資料 • 樹節點無法確認該資料是否有效： • 單播向父節點請求驗證 • 節點非樹中節點： • 往伺服器的方向廣播，請求驗證

  22. 資料搜尋及驗證流程 Hop = 3 request data d B A has d , valid Hop = 4 Hop = 3 E Hop = 2 has d valid C D H Hop = 2 G Hop = 3 Hop = 1 Hop = 2 F Hop = 1 Hop = 1 Hop = 3 Hop = 2

  23. 資料搜尋及驗證流程 Hop = 3 B Hop = 4 Hop = 3 E Hop = 2 request data d C D H Hop = 2 G Hop = 3 Hop = 1 Hop = 2 F Hop = 1 has d , valid Hop = 1 Hop = 3 Hop = 2

  24. 快取策略 • 權重值計算舉例 • 資料項m被節點n要求查詢2次，且節點n總共收到了鄰居節點對資料項m的查詢7次，其權重值為：2 + 7 * 0.1= 2.7

  25. 快取策略(續) • 快取空間滿時，會有以下兩種情況 • 資料權重大於快取空間內權重最低的資料 • 取代掉快取空間內權重最低的資料(權重低代表自己和周圍的人對此資料項需求都偏低) • 資料權重不大於快取空間內權重最低的資料 • 非要求該資料的節點不快取該筆資料

  26. 資料更新流程 • 伺服器發生資料更新事件 • 將異動資料項廣播出去，樹根（Hop count =1)節點會依照權重值快取 • 樹根節點將異動的資料項目編號傳給其葉節點，通知葉節點資料已失效 • 葉節點收到父節點傳來的更新封包後，直接刪除快取空間內該筆資料

  27. 資料更新流程(續) J K Delete k Delete k Hop = 3 Hop = 3 B I Delete k Hop = 4 Hop = 3 Delete k E Hop = 2 C Delete k D H Hop = 2 Delete k G Cache k Hop = 3 Delete k Hop = 1 Hop = 2 Cache k Hop = 1 F M L Cache k Hop = 1 Delete k Delete k Hop = 3 Hop = 2 Update data k

  28. p值策略 • 非樹節點要求資料 • 廣播的方式搜尋資料 • 許多葉節點會收到封包並同時做同樣的查詢 • p值 • 控制葉節點有p機率執行此次收到的廣播資料查詢 • 假設n是路徑個數，pn=1則只有一條路徑回覆。

  29. p值策略(續) Hop = 3 Hop = 3 request data d B A Hop = 3 , p = 90% Hop = 4 E Hop = 2 C D Hop = 2 Hop = 3 , p = 90% G Hop = 2 , p = 90% Hop = 1 F Hop = 1 Hop = 1 Hop = 3 Hop = 2

  30. 模擬結果與實驗分析

  31. 實驗模擬參數設定

  32. 衡量指標 • 資料查詢回應時間 • 節點發出資料需求到取得資料時所經過的時間 • 資料要求跳躍數 • 節點要求資料時，需要問距離自己幾個跳躍數遠的節點才能拿到有效資料 • 電力消耗

  33. 實驗結果分析-回應時間

  34. 實驗結果分析-資料要求跳躍數

  35. 實驗結果分析-電力消耗計算

  36. 實驗結果分析-成功率

  37. TBOC加入p值之實驗

  38. TBOC加入p值之實驗(續)

  39. TBOC加入p值之實驗(續)

  40. 結論 • 基於MANET環境的特性，我們利用GPS的技術提出樹狀結構為基礎(TBOC)的網路拓樸，也設計出資料搜尋、驗證以及伺服器資料更新的策略 • 由實驗結果可以得知，TBOC方法能讓節點能更快的取得合法資料而縮短回應時間，有效減少整體網路傳遞資料的資源消耗

  41. 呂永和、羅嘉文 無線隨意網路中一個以群組為基礎的合作快取策略A Group-Based Cooperative Cache Scheme for MANET

  42. 大綱 無線隨意網路介紹 研究動機 相關研究 Group Membership Caching (GMC) 模擬結果與分析 結論

  43. 無線隨意網路模擬圖 Q E D A R S C B M N F H P K G J O Server I L

  44. 研究動機 • 合作快取(Cooperative Cache)是一種使資料存取更有效率的方式 • 快取空間有限，利用附近行動裝置的快取空間取得資料，節省時間以及電力能源的消耗 • 資料會隨著時間有所異動，所以合作快取也衍伸出資料一致性(Data Consistency)的議題

  45. 研究目的 • 我們提出一個在保持資料一致性下的合作快取與驗證方法GMC(Group Membership Caching) • 目的在於改善下列議題： • 降低取得資料的回應時間 • 從附近的節點取得資料 • 減少行動裝置能源消耗

  46. 相關研究 • ACOD • 使用GPSCE方法維持節點之間的連線 • 採用LRU快取策略 • 資料查詢跟資料驗證步驟做結合，傳到Server • MTS • 與ACOD不同的地方在於資料驗證過程，需等待IR封包(10秒一次)，透過封包內容來驗證快取資料的有效性

  47. T = 60 T = 50 T = 40 Server T = 50, 與AP距離= 2 T = 40, 與AP距離= 3 相關研究(續) A B C GPSCE

  48. 相關研究(續) • ACOD缺點 • 資料驗證與查詢的封包一定傳向伺服器，即便資料僅在鄰近節點 • MTS缺點 • 發出查詢時等待的回應時間長 • 容易造成廣播風暴(IR封包的傳送採用Flooding方法)

  49. Group Membership Caching (GMC) 分組方法 資料查詢 資料一致性驗證 資料更新 資料取代

  50. 分組方法 • 利用RKCP2演算法來找尋Headers並設定群組 [1]Bin Xiao, Qingfeng Zhuge, Yi He, Zili Shao, and Edwin H.-M. Sha, “Algorithms for Disk Covering Problems with the Most Points”

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