Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin - Nguyễn Thị Thủy Liên

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE DOI: 10.18173/2354-1059.2017-0010 Natural Sci., 2017, Vol. 62, No. 3, pp. 76-87 This paper is available online at NGHIÊN CỨU ISP CACHING TRONG MẠNG HƯỚNG THÔNG TIN Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt. Mô hình mạng hướng thông tin (Information-centric networking - ICN) là một mô hình kiến trúc mạng mới được xây dựng nhằm giải quyết các vấn đề tồn tại trong mạng Internet, khi người dùng chỉ quan tâm tới việc lấy được nội dung mà không cần quan tâm đến vị trí nội dung được lưu trữ. Bài báo xem xét quan hệ không hợp tác giữa nhà cung cấp dịch vụ mạng (Internet Service Providers - ISP) với nhà cung cấp nội dung (Content Providers - CP) trong mô hình mạng ICN. Trong mô hình mạng ICN, ISP có động cơ để lưu trữ nội dung và hướng thanh toán giữa các bên trong mạng ICN (từ ISP đến CP) về cơ bản khác với mô hình mạng Internet hiện nay (mô hình mạng truyền thông hướng thiết bị - host-centric communication model). Bài báo phân tích sự tồn tại của trạng thái cân bằng trong trò chơi dựa trên tính toán đầu tư lưu trữ cache và định giá chi phí sử dụng nội dung. Bài báo cũng đưa ra một ràng buộc có liên quan tới hàm đáp ứng theo nhu cầu và hàm chi phí lưu trữ cache để ISP có lợi ích trong việc đầu tư lưu trữ cache. Nghiên cứu về trạng thái cân bằng Nash, sự tác động của lưu trữ cache đối với lợi ích các bên và sự đánh giá so sánh giữa mạng ICN với mô hình mạng hiện nay được phân tích qua các số liệu cụ thể. Từ khóa:Mạng hướng thông tin, trò chơi không hợp tác, ISP caching, phân tán nội dung. 1. Mở đầu Sử dụng mạng Internet tăng trưởng rất mạnh mẽ trong những năm gần đây. Theo Cisco VNI thống kê, lưu lượng IP toàn cầu đã tăng gấp năm lần từ năm 2007 tới năm 2013 và sẽ tăng gấp 3 lần trong vòng 5 năm tới [1]. Trong đó, hầu hết các lưu lượng tập trung trong các ứng dụng phân tán nội dung. Cisco VNI cũng cho thấy lưu lượng video chiếm 60% trong tổng lưu lượng IP vào năm 2012 và sẽ tăng đến 73% trong năm 2017 [1]. Mạng hướng thông tin với việc phân biệt rõ ràng bên gửi và bên nhận là hướng tiếp cận cho kiến trúc mạng tương lai nhằm đáp ứng tốt hơn với sự chuyển đổi sử dụng mạng Internet từ mô hình truyền thống end-to-end hướng người gửi sang mô hình truy hồi nội dung hướng người nhận [2]. Ý tưởng chính trong mạng ICN như sau: 1) nội dung được đặt bằng tên thay vì bằng vị trí, và 2) mỗi một nút mạng ICN có thể lưu trữ cache và phục vụ các nội dung được yêu cầu. Những thay đổi này mở ra tiềm năng cung cấp mạng hiệu năng cao toàn cầu về phân tán nội dung và làm xuất hiện những vai trò mới, cơ hội kinh doanh mới cho các bên liên quan, như là nhà cung cấp dịch vụ mạng (Internet Service Providers - ISP), nhà cung cấp nội dung (Content Providers - CP) và mạng phân tán nội dung (Content Distribution Networks - CDN) khi cộng tác lưu trữ cache trong mạng [3, 4]. Ngày nhận bài 2/6/2015. Ngày nhận đăng 4/3/2016. Tác giả liên hệ: Nguyễn Thị Thùy Liên, email: lienntt@hnue.edu.vn 76 Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin Mạng hướng thông tin hay mạng hướng dữ liệu là một đề tài nghiên cứu thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây. Sự quan tâm này thể hiện rõ ràng qua sự tăng lên nhanh chóng về số lượng các báo cáo khoa học ở các hội thảo, hội nghị, tạp chí và các dự án kiến trúc mạng internet tương lai cũng như sự tham gia của các công ti viễn thông, nhà cung cấp thiết bị [2, 5]. Một vài kiến trúc ICN đã được đề xuất (ví dụ [6-11]). Hầu hết các nghiên cứu về lưu trữ cache trong mạng ICN đều tiến hành tối ưu hóa một số các thông số của hiệu năng mạng. Ví dụ, trong [12, 13] các tác giả nghiên cứu vấn đề phân bổ không gian lưu trữ cache để tối ưu hóa hiệu năng lưu trữ cache của các hệ thống có kích thước tài nguyên lưu trữ giới hạn. Trong [14], Carofiglio đã trả lời câu hỏi làm thế nào để chia sẻ một cách hiệu quả các tài nguyên giới hạn giữa các lưu lượng khác nhau. Trong [15-18] các tác giả nghiên cứu các thuật toán khác nhau cho bài toán thay thế nội dung trong mạng ICN. Trong [19, 20], các tác giả nghiên cứu về các vấn đề quan trọng khác của lưu trữ cache trong mạng ICN để giải quyết bài toán tối ưu phân bổ lưu trữ cache nội dung trong các nút mạng, cụ thể là quyết định đối tượng nội dung nào được đặt ở nút mạng nào trong mạng ICN. Tuy nhiên, vẫn còn có ít những nghiên cứu, thảo luận về lưu trữ cache với ISP có liên quan tới sự cạnh tranh giữa ISP và CP trong khi đây là vấn đề quan trọng của phát triển mạng ICN trong thực tế. Trong [21], tác giả phân tích tác động của một vài yếu tố lên lợi ích của ISP và CP trong mạng ICN. Trong các nghiên cứu trước của chúng tôi [3, 4] chúng tôi sử dụng hướng tiếp cận lí thuyết trò chơi để chỉ ra sự cần thiết của một số các hình thức khuyến khích tài chính để có được một triển khai tối ưu của lưu trữ cache trong mạng, nơi mà ISP và CP cạnh tranh tối ưu hóa lợi ích của mình. Trong bài báo này, chúng tôi mở rộng nghiên cứu trước của mình bằng cách xem xét các tác động của lưu trữ cache và định giá trong một trò chơi không hợp tác, ở đó ISP có thể điều chỉnh chiến lược lưu trữ cache và CP có thể kiểm soát chiến lược định giá. Thêm vào đó, chúng tôi so sánh, lợi ích của mô hình mạng ICN so với mô hình mạng Internet hiện nay liên quan đến mô hình đáp ứng yêu cầu và hàm chi phí lưu trữ cache. Bài báo này xem xét một trò chơi không hợp tác ISP với CP trong mô hình mạng ICN, khi đó ISP có động lực để lưu trữ nội dung và hướng thanh toán giữa các bên trong mạng ICN (từ ISP đến CP) về cơ bản khác với mô hình mạng Internet hiện nay (mô hình mạng truyền thông hướng thiết bị – host-centric communication model). Việc ISP hiểu rõ hiệu quả của lưu trữ cache trong so sánh với CP có liên quan tới mô hình đáp ứng theo nhu cầu và hàm chi phí lưu trữ cache trong hiện thực hóa mạng ICN là rất quan trọng. Trong [4], chúng tôi xem xét trò chơi không hợp tác, trong đó CP có thể thay đổi giá của mình ứng với từng chiến lược lưu trữ cache mà ISP đưa ra và ngược lại ISP có thể thay đổi chiến lược lưu trữ cache của mình tương ứng với chiến lược giá mà CP đưa ra. Câu hỏi đặt ra là với những giả thiết đã cho, sự tác động qua lại giữa chiến lược giá và chiến lược lưu trữ cache có đưa hệ thống đến một trạng thái cân bằng ổn định hay không. Hơn nữa với điều kiện nào thì đầu tư lưu trữ cache trong mạng ICN thực sự mang lại lợi ích cho các bên cũng chưa được nghiên cứu, trong khi đó đây là vấn đề quan trọng để hiểu rõ hơn xu hướng tiến tới mạng hướng nội dung. Nghiên cứu này được thực hiện để làm rõ những vấn đề trên. Nội dung chính của bài báo như sau: - Phân tích hiệu quả của lưu trữ cache liên quan tới chiến lược định giá của CP trong bối cảnh cả ISP và CP đều muốn tăng tối đa lợi ích của mình. Xây dựng mối quan hệ cạnh tranh giữa ISP và CP như là một trò chơi mà ISP có thể thay đổi các chiến lược lưu trữ cache và CP có thể kiểm soát chiến lược giá của mình; Phân tích và chứng minh tồn tại sự cân bằng trong mối quan hệ cạnh tranh giữa ISP và CP. Điều đó có nghĩa là tồn tại điểm cân bằng mà ở đó cả ISP và CP 77 Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh không có động cơ để thay đổi chiến lược lưu trữ cache và chiến lược định giá; So sánh lợi ích của mô hình ICN với mô hình Internet hiện tại. Trong so sánh này, bài báo cũng chỉ ra điều kiện để đầu tư lưu trữ cache trong mạng ICN có hiệu quả mang lại lợi ích cho tất cả các bên. - Bài báo hoàn thiện các phân tích với các kết quả số liệu cụ thể đồng thời cung cấp những hiểu biết hữu ích về quan hệ giữa các yếu tố quan trọng trong mô hình mạng ICN ảnh hưởng tới kết quả cân bằng như thế nào. Cụ thể, giả sử rằng các CP chọn được chiến lược giá cho mình một cách tốt nhất thì lợi ích của ISP tăng lên đến một điểm nhất định ứng với tỷ lệ lưu trữ cache, sau đó lại giảm. Hơn nữa, những kết quả trong bài báo cũng chỉ ra rằng cả ISP và CP có lợi từ việc đầu tư lưu trữ cache. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Đặc điểm của mạng hướng thông tin Mạng hướng thông tin (Information Centric Networking – ICN) là một hướng tiếp cận mới cho kiến trúc mạng internet tương lai để giải quyết sự bùng nổ của cung và cầu nội dung trong Internet. Sự thay đổi của công nghệ tác động lên sự phát triển kinh tế và xã hội, vì vậy nghiên cứu ICN về mặt kinh tế là rất quan trọng, từ đó có thể hiểu tốt hơn về sự chuyển dịch của kỹ thuật mạng từ truyền thông end-to-end đến truyền thông host-to-content. Trong phần này, chúng tôi sẽ thảo luận các đặc điểm kiến trúc, kinh tế của ICN so sánh với mô hình mạng Internet hiện nay và mô tả các vấn đề phát sinh trong mạng ICN liên quan tới cả các đặc điểm kiến trúc và kinh tế. Có hai đặc điểm quan trọng về kiến trúc của mạng ICN so sánh với mô hình truyền thống end-to-end được sử dụng trong mạng Internet hiện nay. Đầu tiên, ICN đặt tên các đối tượng nội dung là duy nhất và nhất quán trong đó không gian tên có thể phẳng hoặc phân cấp [22]. Thông thường, các tên này cũng tự có thể chứng nhận cho tính toàn vẹn và kiểm tra an toàn của nội dung. Thứ hai, nội dung được lưu trữ cache ở mọi nơi dựa trên những tên đã được thống nhất trong mạng ICN giúp mạng đạt hiệu năng cao trong phân tán nội dung [23]. Đặc biệt, ICN có thể sử dụng lưu trữ cache off-path (ví dụ như lưu trữ cache tại proxy theo cách truyền thống hoặc đặt ở máy chủ của mạng phân tán nội dung (CDN)) hoặc lưu trữ cache on-path yêu cầu sự can thiệp mạng ít hơn và thích hợp hơn trong mạng ICN. Trong mạng ICN, người dùng truy vấn nội dung bằng cách gửi một gói tin có chứa tên nội dung lên mạng. Bộ định tuyến chuyển tiếp gói tin đến nút mạng tiềm năng dựa trên tên nội dung. Bất kỳ nút nào nhận được gói tin và có nội dung phù hợp có thể gửi dữ liệu phản hồi lại gói tin yêu cầu. Sự khác nhau về nguyên lí giữa thiết lập mạng Internet và ICN về phương diện kinh tế là hướng thanh toán giữa ISP và CP, tương tự như sự khác nhau giữa mạng hướng nội dung và mạng truy cập tập trung [3, 4]. Trong mạng hướng thông tin tương lai dưới đây, chúng tôi sẽ giả thiết một sự liên kết giữa ISP và bên cung cấp thông tin, sau đó chọn một CP hay CDN cho mỗi truy vấn. Nếu những thành phần này tách biệt trong thực tế, có thể sử dụng quy luật giá trị Shapley để chia lợi nhuận một cách công bằng. Khi thiết lập ISP kéo nội dung thay vì CP đẩy nội dung như trong mạng Internet hiện tại, CP có thể mong muốn được đền bù chi phí mạng của mình. Do đó, với thiết lập ICN chúng ta giả sử các cực thanh toán được đảo ngược, từ ISP đến CP. Thêm nữa, trong ICN, người dùng yêu cầu nội dung (hoặc các thông tin liên quan đến dịch vụ ứng dụng nói chung) của ISP/resolver, và ISP/resolver quyết định chọn nhà cung cấp nội dung. Vì vậy trong mạng ICN, có cơ sở để giả thiết hướng thanh toán là từ ISP đến CP. 78 Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin Hình 1. Mô hình mạng Internet và ICN Trong thực tế triển khai của mạng ICN, ISP và CP cạnh tranh với nhau về tối ưu lợi nhuận của mình. ICN thúc đẩy lưu trữ trong nội mạng để cung cấp hiệu năng tốt hơn cho phân tán nội dung. Đặc biệt, ISP có động lực để lưu trữ cache nội dung để giảm chi phí phải trả (ví dụ giảm chi phí trả cho chi phí mạng của CP được ISP chọn để truyền nội dung người dùng). Giả sử ISP quyết định lưu trữ một phần nội dung và như vậy có thể đáp ứng yêu cầu nội dung của người dùng nhanh hơn so với việc lấy nội dung từ CP, hơn nữa ISP cũng không phải trả phí phần nội dung này cho CP trong những lần sau người dùng yêu cầu. Phản ứng lại với cách thực hiện của ISP, CP có thể thay đổi chiến lược giá của mình để tối ưu hóa lợi nhuận của mình. Như vậy là trong bối cảnh cạnh tranh giữa ISP và CP cần phải phân tích và nghiên cứu vấn đề lưu trữ cache để tăng hiệu năng mạng. Trong phần tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày mô hình phân tích ISP caching có liên quan tới các đặc điểm kiến trúc và kinh tế của mạng ICN đã được đề cập ở trên. 2.2. Mô hình lí thuyết trò chơi cho bài toán cạnh tranh giữa ISP và CP Chúng tôi sử dụng một mô hình lí thuyết trò chơi để so sánh giữa ISP và CP trong mạng ICN. Mô hình liên quan đến 3 vai trò: người dùng cuối là người sử dụng nội dung, nhà cung cấp nội dung là người cung cấp nội dung của mình đến cho người dùng cuối, và ISP là bên kết nối người dùng cuối với nội dung. Trong mô hình này, chúng tôi chỉ tập trung vào lưu lượng nội dung bởi vì lưu lượng của các gói tin yêu cầu là không đáng kể so với lưu lượng của các gói tin nội dung kết quả. Gọi giá trong mô hình mạng ICN là p và trong mô hình Internet là q. Giá dưới sự kiểm soát của ISP là I và giá dưới sự kiểm soát của CP là O (Hình 1). 79 Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh Trong mô hình Internet, qI1 và qI2 lần lượt là chi phí mà CP và người dùng phải trả cho ISP để truyền tải nội dung từ CP tới người dùng, qO là chi phí mà người dùng trả cho CP khi sử dụng nội dung. ISP tính phí cả CP và người dùng cho việc truyền tải nội dung. Người dùng bị tính phí qO bởi CP cho cả nội dung và việc truyền tải nội dung. Trong mô hình ICN, gọi pI là chi phí truyền tải nội dung mà người dùng phải trả cho ISP. Chi phí pcO là chi phí mà người dùng phải trả cho CP khi sử dụng nội dung. Chi phí lưu trữ p s O là chi phí mà ISP trả cho CP khi yêu cầu nội dung từ CP. Mối quan hệ giữa chi phí nội dung và chi phí lưu trữ được biểu diễn bởi tham số β, psO = β.pO trong đó pO = p c O + p s O. ISP tính phí người dùng pI cho việc truyền tải thông tin tới người dùng. Trong bối cảnh cạnh tranh, ISP và CP cố gắng tối ưu hóa lợi ích của mình bằng cách thay đổi chiến lược lưu trữ cache và chiến lược định giá. CP thay đổi chiến lược định giá thông qua giá trị pO, và ISP tác động dựa vào việc đầu tư lưu trữ cache K . Người dùng tác động trở lại chi phí nội dung và chất lượng dịch vụ bằng cách thay đổi nhu cầu sử dụng. Giả sử ISP quyết định lưu trữ cache một phần K của nội dung. Gọi hàm phụ thuộc nội dung người dùng là D(K, pO), c(K) là hàm chi phí lưu trữ cache. Lợi nhuận của ISP cho phần nội dung người dùng yêu cầu được lấy từ cache là K.D(K, pO)pI . Lợi nhuận của ISP với phần nội dung còn lại được lấy từ CP là (1 − K)D(K, pO)(pI − p s O). Lợi nhuận của ISP là tổng lợi nhuận của ISP trừ đi chi phí lưu trữ cache. So sánh giữa ích lợi ISP và CP là tương đương. Gọi UI và UO là lợi nhuận của ISP và CP tương ứng. Ta có: UI = D(κ, po)[pI − (1− κ)P s O]− c(κ) UO = D(κ, pO)[P c O + (1− κ)P s O]. (1) Vấn đề so sánh mà chúng ta quan tâm là xác định một trò chơi với người chơi là CP và ISP, tập các mục tiêu S = {pO,K} và tập các hàm lợi nhuận U = {UI , Uo}[24]. Trong trò chơi này, mỗi người chơi chọn một chiến lược tối đa hóa hàm lợi nhuận của mình và kết hợp các chiến lược đã được chọn bởi tất cả người chơi để đưa ra lượng lợi nhuận cho mỗi bên. 2.3. Phân tích ISP caching Trong phần này, bài báo trình bày các kết quả phân tích cho kịch bản cạnh tranh giữa ISP và CP trong mạng được lưu trữ cache. Đầu tiên, chúng tôi chứng minh sự tồn tại trạng thái cân bằng ở đó lưu trữ cache và định giá được nghiên cứu để thấy ISP có thể thiết lập được một chiến lược lưu trữ cache tối ưu hay không. Sau đó, chúng tôi so sánh 2 mô hình mạng ICN và mạng Internet theo khía cạnh lợi ích của ISP và CP. Chúng tôi cũng chỉ ra một điều kiện để mà mô hình mạng ICN có thể mang lại lợi ích cho cả ISP và CP. * Sự cân bằng Trong bối cảnh cạnh tranh, ISP và CP tối ưu quyết định của mình theo cách riêng, và các quyết định của ISP và CP có thể tác động tới chiến lược của nhau. Chúng tôi nghiên cứu thế cân bằng Nash, một khái niệm cốt lõi trong mô hình lí thuyết trò chơi được quan sát trong cuộc sống thường ngày, theo đó để đạt đến trạng thái ổn định của cuộc chơi trong trò chơi không hợp tác, mỗi người chơi nắm giữ kì vọng chính xác về hành vi của những người chơi khác và hành động một cách hợp lí. Chiến lược S∗ = {p∗O,K ∗} cấu thành một thế cân bằng trong trò chơi nếu S∗ giải 80 Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin quyết những vấn đề tối ưu sau đây cho người chơi ISP và CP: max po,κ (UI(S ∗\ {κ∗} , κ, UO(S ∗\ {p∗O} , pO)) (2) Chúng tôi xem xét một hàm tuyến tính nhu cầu nội dung của người dùng người kết nối với CP thông qua ISP, như ví dụ trong [25] như sau: D(κ, po) = α+ ρkκ− ρp(1− β)pO (3) Trong đó α và ρk, ρp là các hằng số. Tham số α đại diện cho tổng nhu cầu tiềm năng của người dùng khi người dùng thỏa mãn một cách trọn vẹn QoS. ρp > 0 là tham số của sự tác động của chi phí nội dung lên nhu cầu người dùng và ρk > 0 là tham số tác động của đầu tư lưu trữ lên nhu cầu người dùng. Tham số ρk và ρp đại diện ảnh hưởng đáp ứng nhu cầu lên giá và chất lượng của dịch vụ. Ví dụ khi giá của CP tăng,nhu cầu của người dùng giảm. Khi ISP cache nhiều nội dung (K tăng), nhu cầu của người dùng tăng theo sự tăng của chất lượng dịch vụ. Hàm nhu cầu nội dung giảm tương ứng với giá nội dung, và tăng tương ứng với đầu tư lưu trữ cache có thể được quan sát thấy trong cuộc sống thường ngày. Định lí 1 chỉ ra một điều kiện theo đó trạng thái cân bằng Nash tồn tại. Định lí 1: Giả sử nhu cầu nội dung của người dùng được biểu diễn như trong công thức (3) và hàm chi phí của đầu tư lưu trữ cache là hàm mũ: c(κ) = c1 exp( c2 1− κ )− c1e c2 trong đó e là hằng số Euler e ≈ 2.71828, c1 và c2 là hai hằng số. Với chiến lược giá của ISP đã cho, nếu giá nội dung thỏa mãn điều kiện dưới đây thì tồn tại điểm cân bằng trong trò chơi lưu trữ cache - định giá nội dung p (c) O ∈ [ 0, c1c2e c2(2 + c2) 2ρα ] Chứng minh: Chứng minh hàm lợi ích UO của CP là hàm lõm. Tích phân hai lần hàm UO theo pO ta được ∂2UO ∂2pO = −2ρp(1− β)(1− κβ) Vì ρp > 0, β ∈ (0, 1) và K ∈ [0, 1 − τ ], 0 < τ < 1, ta có ∂2UO/∂p2O < 0 . Do đó,UO là hàm lõm. Đồng thời UI cũng là một hàm lõm. Đạo hàm bậc hai và bậc 3 từng phần UI theo K ta được: ∂2UI ∂κ2 = 2ρaβpO − d2c dκ2 , ∂3UI ∂κ3 = − d 3 c dκ3 Vì d3c dκ3 = exp ( c2 1− κ ) c1c2 (1− κ)4 [ 6 + 6c2 1− κ + ( c2 1− κ )2] 81 Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh Ta có ∂3UI/∂K3 < 0 Chú ý với K = 0, ∂2UI ∂κ2 = 2ρaβpO − c1c2e c2(1 + c2) Vì vậy, ∂2UI/∂α2 < 0 hay UI là hàm lõm nếu pO ∈ [ 0, c1c2e c2(2 + c2) 2ρaβ ] NếuK ∈ [0, 1− τ ], 0 < τ < 1 và với điều kiện trên của pO chúng ta có tập các hành động của ISP và CP là tập khác rỗng trong không gian Euclidian, và hàm lợi ích UI của ISP, UO của SP là liên tục và là hàm lõm. Vì vậy tồn tại điểm cân bằng Nash. Trong định lí, chúng tôi xem xét một hàm chi phí lưu trữ cache trong đó chi phí cache có xu hướng tiến tới vô hạn khi K ⇒ 1 và tiến tới 0 khi K ⇒ 0. Những đặc điểm này của hàm chi phí cache đồng ý với thực tế là hầu như không thể cho ISP lưu trữ cache tất cả mọi nội dung trên Internet cũng như ISP không thể trả chi phí lưu trữ cache nếu không thu lợi từ hệ thống lưu trữ cache. * So sánh giữa mô hình mạng ICN và mạng Internet Trong phần này, chúng tôi so sánh giữa mạng ICN và mô hình Internet theo phương diện lợi ích kinh tế. Chúng tôi giả thiết rằng tổng chi phí mà người dùng trả cho ISP và CP trong cả hai mô hình là như nhau, tuy nhiên chi phí mà người dùng trả cho ISP và CP có thể khác nhau phụ thuộc những dịch vụ mà ISP và CP cung cấp. Khi một đối tượng nội dung yêu cầu được đáp ứng, có cơ sở để giả thiết rằng CP trong cả hai mô hình cũng như ISP nhận được cùng một lượng doanh thu. Cụ thể, chúng ta có: qO + qI2 = p1 + p (c) O p (s) O + p (c) O = qO − qI1 p1 − p (s) O = qI1 + qI2 (4) Lợi nhuận ISP và CU trong mô hình mạng ICN được tính toán bằng công thức (1) và trong mô hình Internet được tính toán như sau: U˜O = D˜ (qO − qI1) , U˜I = D˜ (qI1 + qI2) (5) Từ (1), (4), (5) ta có quan hệ giữa lợi nhuận của ISP, DP trong mô hình ICN và internet như sau: - Tổng lợi ích của ISP và CP trong mô hình ICN là lớn hơn trong Internet khi và chỉ khi: c < ( D − D˜ )( pI + p (c) O ) (6) - Lợi ích của ISP trong mô hình ICN lớn hơn trong mô hình Internet khi và chỉ khi: 82 Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin c < Dp (s) O + ( D − D˜ )( pI − p (s) O ) (7) - Lợi ích của CP trong mô hình ICN lớn hơn trong mô hình Internet khi và chỉ khi: D > D˜ 1− κβ (8) Điều kiện (6) chỉ ra rằng tổng lợi ích của ISP và CP trong mô hình mạng ICN là lớn hơn trong mô hình Internet khi và chỉ khi chi phí đầu tư lưu trữ cache là ít hơn chênh lệch giữa tổng chi phí mà người dùng phải trả trong hai mô hình. Với điều kiện (7), chúng ta thấy rằng phạm vi lưu trữ cache để ISP có lợi nhuận được cho bởi tất cả các thông số của mô hình đáp ứng nhu cầu, giá của ISP, giá của CP và hàm chi phí lưu trữ cache. 2.4. Kết quả số liệu cụ thể Phần này trình bày số liệu kết quả cụ thể qua đó phân tích về lưu trữ cache và định giá trong quan hệ cạnh tranh giữa ISP và CP trong mạng ICN. Đầu tiên chúng tôi chỉ ra sự tồn tại của thế cân bằng ở đó cả ISP và CP đều không mốn thay đổi chiến lược của mình. Với nhu cầu nội dung của người dùng và chi phí lưu trữ cache đã được cho trước, ISP thiết lập chiến lược lưu trữ cache và CP thiết lập chiến lược giá một cách đồng thời để tối đa lợi ích. Hình 2 chỉ ra sự tồn tại của điểm cân bằng Nash và đại diện cho lợi ích của ISP và CP ở điểm cân bằng. Các thông số được thiết lập như trong Hình 2. Hình 2. Tồn tại điểm cân bằng trong trò chơi lưu trữ cahce - định giá (pI = 680, c1 = c2 = 1, a = 1000, ρα = 250, ρp = 1, β = 0.3) 83 Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh Chú ý rằng sự khác nhau về giá trị giữa các giá ảnh hưởng đến kết quả hơn là giá trị cụ thể của chúng. Trong phân tích số liệu bên dưới, chúng tôi sử dụng các thiết lập thông số đã được đưa ra trong Hình 2, trừ những thông số được chỉ rõ. Các đáp ứng tốt nhất của ISP đối với việc CP thay đổi chiến lược giá và của CP đối với thay đổi chiến lược lưu trữ cache của ISP được đưa ra trong Hình 3 và 4. Hình 5 phác họa lợi ích của ISP khi ISP thay đổi đầu tư lưu trữ cache, giả thiết rằng CP chọn chiến lược dựa theo hành vi đáp ứng tốt nhất. Kết quả cho thấy lợi ích của ISP tăng lên đến một điểm nhất định của tỷ lệ lưu trữ cache sau đó giảm xuống. Hình 3. Hàm đáp ứng của ISP Hình 4. Hàm đáp ứng của CP khi ISP thay đổi hệ số lưu trữ cache 84 Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin Hình 5. Tác động của lưu trữ cache lên lợi ích của ISP Hình 6. Lợi ích của ISP và CP trong mô hình mạng ICN và Internet Chúng tôi sử dụng giá trị đầu tư lưu trữ cache của ISP và định giá của CP tại điểm cân bằng để so sánh giữa doanh thu trong mô hình ICN và mô hình mạng Internet. Lợi ích của ISP và CP là trong khoảng từ 0-1. Kết quả trong Hình 6 cho thấy một ví dụ mà cả ISP và CP nhận được lợi nhuận từ đầu tư lưu trữ cache. 85 Nguyễn Thị Thùy Liên và Phạm Tuấn Minh 3. Kết luận Trong mô hình mạng hướng thông tin ICN, hướng thanh toán có thể theo hướng từ nhà cung cấp dịch vụ Internet đến nhà cung cấp nội dung – ngược lại với hướng thanh toán trong mô hình mạng Internet hiện tại. Trong bài báo này, chúng tôi mô hình hóa sự cạnh tranh giữa ISP và CP trong ICN bằng cách sử dụng mô hình lí thuyết trò chơi, trong đó ISP có thể điều khiển lượng nội dung được lưu trữ cache và CP có thể kiểm soát được giá của mình. Chúng tôi chứng minh rằng sự tác động qua lại giữa lưu trữ cache và định giá trong mô hình ICN có thể đưa hệ thống tới trạng thái cân bằng ở đó cả ISP và CP đều không muốn thay đổi. Chúng tôi cũng chỉ ra tác động của yếu tố lưu trữ cache trong lợi ích của ISP khi CP thay đổi giá để tối đa lợi ích của mình. Các kết quả phân tích thông qua số liệu cho thấy sự quan trọng của đầu tư lưu trữ cache để duy trì hiệu quả chi phí cho ISP trong ICN. Đồng thời so sánh giữa lợi ích của ICN và mô hình Internet trong bối cảnh mà giá trị của các thông số giá trong mô hình khác nhau có thể khác nhau. Hướng nghiên cứu tiếp theo của chúng tôi bao gồm phân tích chi tiết hơn về sự biến đổi của nhu cầu đối với độ trễ, cạnh tranh giữa nhiều nhà cung cấp, hoặc nghiên cứu ngữ cảnh hợp tác mà các ISP hình thành liên minh chia sẻ lợi nhuận. Lưu trữ cache nội dung trong mạng ICN tiếp tục là lĩnh vực thu hút của các nhà nghiên cứu. Một vài vấn đề mở liên quan đến lĩnh vực này là phân bố lưu trữ cache động cho các ứng dụng tương tác, thay thế cache cho lưu lượng video và sắp đặt cache cho môi trường di động. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Cisco visual networking index: forecast and methodology, 2013-2018,” Jun. 2014. [2] Information-centric networking research group. [Online]. Available: [3] T.-M. Pham, S. Fdida, and P. Antoniadis, “Pricing in InformationCentric Network interconnection,” in Proc. IFIP NETWORKING 2013,May 2013, pp. 1–9. [4] F. Kocak, G. Kesidis, T.-M. Pham, and S. Fdida, “The effect of cachingon a model of content and access provider revenues in informationcentric networks,” in Proc. the 2013 International Conference on SocialComputing. IEEE Computer Society, Sep. 2013, pp. 45–50. [5] J. Pan, S. Paul, and R. Jain, “A survey of the research on future internetarchitectures,” IEEE Communications Magazine, vol. 49, no. 7, pp. 26–36, Jul. 2011. [6] V. Jacobson, D. K. Smetters, J. D. Thornton, M. F. Plass, N. H.Briggs, and R. L. Braynard, “Networking named content,” in Proc.ACM CoNEXT 2009, Dec. 2009, pp. 1–12. [7] T. Koponen, M. Chawla, B.-G. Chun, A. Ermolinskiy, K. H. Kim,S. Shenker, and I. Stoica, “A data-oriented (and beyond) networkarchitecture,” in Proc. ACM SIGCOMM 2007, Aug. 2007, pp. 181–192. [8] P. Jokela, A. Zahemszky, C. Esteve Rothenberg, S. Arianfar, andP. Nikander, “Lipsin: line speed publish/subscribe inter-networking,”in Proc. ACM SIGCOMM 2009, Aug. 2009, pp. 195–206. [9] B. Ahlgren, M. D’Ambrosio, M. Marchisio, I. Marsh, C. Dannewitz,B. Ohlman, K. Pentikousis, O. Strandberg, R. Rembarz, and V. Vercellone, “Design considerations for a network of information,” in Proc.ACM CoNEXT 2008, Dec. 2008, pp. 66:1–66:6. [10] Named data networking project. [Online]. Available: [11] D. Han, A. Anand, F. Dogar, B. Li, H. Lim, M. Machado, A. Mukundan, W. Wu, A. Akella, D. G. Andersen, J. W. Byers, S. Seshan, andP. Steenkiste, “Xia: Efficient support for evolvable internetworking,”in Proc. USENIX NSDI 2012, Apr. 2012, pp. 23–23. [12] D. Rossi and G. Rossini, “On sizing ccn content stores by exploitingtopological information,” in Proc. the 2012 IEEE Conference on Computer Communications Workshops, Mar. 2012, pp. 280–285. 86 Nghiên cứu ISP caching trong mạng hướng thông tin [13] I. Psaras, W. K. Chai, and G. Pavlou, “Probabilistic in-network cachingfor information-centric networks,” in Proc. ACM ICN 2012, Aug. 2012,pp. 55–60. [14] G. Carofiglio, V. Gehlen, and D. Perino, “Experimental evaluation ofmemory management in content-centric networking,” in Proc. IEEEICC, Jun. 2011, pp. 1–6. [15] K. Katsaros, G. Xylomenos, and G. C. Polyzos, “Multicache: Anoverlay architecture for information-centric networking,” ComputerNetworks, vol. 55, no. 4, pp. 936–947, Mar. 2011. [16] J. Choi, J. Han, E. Cho, T. Kwon, and Y. Choi, “A survey on contentoriented networking for efficient content delivery,” IEEE Communications Magazine, vol. 49, no. 3, pp. 121–127, Mar. 2011. [17] A. Araldo, D. Rossi, and F. Martignon, “Design and evaluation of cost-aware information centric routers,” in Proc. ACM ICN 2014, Sep. 2014. [18] A. Gharaibeh, A. Khreishah, I. Khalil, and J. Wu, “Asymptotically-optimal incentive-based en-route caching scheme,” in Proc. IEEE MASS2014, Oct. 2014. [19] Y. Wang, Z. Li, G. Tyson, S. Uhlig, and G. Xie, “Optimal cacheallocation for content-centric networking,” in Proc. ICNP 2013, Oct.2013, pp. 1–10. [20] T.-M. Pham, M. Minoux, S. Fdida, and M. Pilarski, “Optimizationof content caching in content-centric networks,” UPMC SorbonneUniversit’ es, Tech. Rep. hal-01016470, Jun. 2014. [Online]. Available: [21] P. Agyapong and M. Sirbu, “Economic incentives in informationcentric networking: implications for protocol design and public policy,”IEEE Communications Magazine, vol. 50, no. 12, pp. 18–26, Dec. 2012. [22] B. Ahlgren, C. Dannewitz, C. Imbrenda, D. Kutscher, and O. B’ orje,"A survey of information-centric networking," IEEE CommunicationsMagazine, vol. 50, no. 7, p. 2636, Jul. 2012. [23] G. Zhang, Y. Li, and T. Lin, “Caching in information centric networking: A survey,” Computer Networks, vol. 57, no. 16, pp. 3128 – 3141,Nov. 2013. [24] M. J. Osborne and A. Rubinstein, A Course in Trò chơi Theory, 1st ed.The MIT Press, 1994. [25] S. Caron, G. Kesidis, and E. Altman, “Application neutrality and aparadox of side payments,” in Proc. ACM Re-Architecting the InternetWorkshop (ReARCH 2010), Dec. 2010, pp. 9:1–9:6. ABSTRACT Analysis of ISP Caching in Information-Centric Networks Nguyen Thi Thuy Lien and Pham Tuan Minh Faculty of Information Technology, Hanoi National University of Education Information-centric networking (ICN) models have recently emerged as novel network architectures for dealing with current Internet usage, where most users are interested in retrieving content without regard to its physical location. In this paper, we consider a noncooperative game between an Internet Service Provider (ISP) and content provider (CP) in an ICN model where the ISP is motivated to cache content and the polarity of the side-payment (from the ISP to the CP) in an ICN is basically different from that in the current Internet model (i.e. host-centric communication model). We analyze the existence of equilibrium in the game where in-network caching and pricing are taken into account. We show a condition with respect to the demand-response and caching cost functions for caching investment of the ISP profitable. The Nash equilibrium, the impact of caching on the utility, and comparison between the ICN and Internet models are studied numerically. Keywords: Information-centric networking, non-cooperative games, ISP caching, content distribution, collaborative caching. 87