Popularity-based Caching in Content Centric Networks

Thomas SILVERSTON

Université de Lorraine Loria, CNRS UMR 7503 Inria Nancy – Grand Est

20 Mars 2014

Mo#va#on  § Internet  is  mostly  used  to  access  content  

– Video:  86%  of  global  consumer  traffic  by  2016  •  Cisco  VNI  2012  

§ Internet:  host-­‐to-­‐host  communica#on  – Users  are  interested  with  content,  not  loca#on  

§ Communica#on  Models  – Client/Server  – Content  Delivery  Networks  (CDN)  – Peer-­‐to-­‐Peer  (P2P)   1  

Communica#on  Models:    Client/Server  

Server Client

ISP 4

DT

ISP 1

ISP 3

ISP 2

•  Limited Resources of Server

•  Not scalable to a large audience

2  

ISP 4

DT

ISP 1

ISP 3

ISP 2

Server Client

Communica#on  Models:    Content  Distribu#on  Networks  

CDN

CDN

CDN

•  Replicated Server

•  Scalable

•  Costly

3  

Communica#on  Models:  P2P  

Server Client

ISP 4

DT

ISP 1

ISP 3

ISP 2

•  Client and/or server

•  Scalable

•  Traffic

4  

Mo#va#on  

§ Internet  is  mostly  used  to  access  content  – Video:  86%  of  global  consumer  traffic  by  2016  

•  Cisco  VNI  2012  

§ Internet:  host-­‐to-­‐host  communica#on  

§ Users  are  interested  with  content,  not  loca#on  

§ Future  Internet:  Informa#on  Centric  Networks  – Content  Centric  Networks  (CCN)  

•  Van  Jacobson  [ACM  CoNext  2009]   5  

CCN  Overview  § In-­‐Network  Caching  

§ Packet  address  refers  to  content  and  not  loca#on  

§ Two  primi#ves  –  Interest,  user  requests  content  by  issuing  an  Interest  message  

– Data,    a  node  having  the  content  answer  with  a  Data  message  

§ Data  at  the  core  of  the  communica#on  

§ ‘Network  Layer’  for  Content  Delivery   6  

CCN  Overview  

§ Host  1  wants  content  /content/abc.flv  

§ Host  1  issues  an  Interest  message  

7  

CCN  Overview  

§ CCN  Node  has  /content/abc.flv  in  its  Cache  

§ CCN  Node  issues  a  Data  message  

8  

CCN  Overview  

§ CCN  Node  has  NOT  /content/abc.flv  in  its  cache  

§ CCN  Node  transfers  the  Interest  to  the  rest  of  the  Network  

9  

CCN  Overview  

§  /content/abc.flv  is  found  

§ A  Data  message  is  transmi\ed  along  the  delivery  Path  

§ CCN  makes  room  by  evic#ng  some  content  

§ CCN  Node  stores  /content/abc.flv  and  forward  it  to  Host  1  10  

CCN  Cache  Management  § Caching  along  the  delivery  Path  

–  In-­‐Network  caching  

§ Replacement  Policies  – Decide  the  element  to  be  replaced  

•  LRU,  FIFO,  MRU  MFU  etc.  • Well-­‐studied  for  systems,  memory  etc.  

§ Caching  Strategy  – Decide  whether  to  cache  content  

•  Huge  cache,  Fricker  et.  al  [IEEE  NOMEN  2012]  •  Cache  less,  Chai  et.  al,  [IFIP  Networking  2012]   11  

Essential to design caching management for CCN

Popularity-­‐based  Caching  Strategy  § CCN  in-­‐network  caching  

–  Storing  content  at  every  nodes  on  the  path  – Overloading  nodes  and  network  Resources    

§ MPC  Caching  Strategy  [IEEE  ICC  2013]  – Decide  to  cache  the  content  only  if  the  content  is  popular  •  Counts  locally  #Interests  (Requests)  for  a  Content  •  #Interests  >  Popularity  Threshold➡Popular  

12  

Case  Study:  CCN  

13  

A B

C

E e

Scenario

A requests e

B requests d A requests d

C requests d d

D

Case  Study:  CCN  

14  

B

C

E d e

e

e

e

d

d d

e

d

X 3

X 3

#Replications

A

D

Case  Study:  MPC  

15  

B

C

E d e

Scenario

A requests e

B requests d A requests d

C requests d

A

D

Case  Study:  MPC  

16  

B

C

E d e

d

d

d

X 0

X 2

e #Replications

A

D

Content  Popularity-­‐based  Caching  

§ CCN  in  path  caching  – 3  replicas  of  each  content  d  and  e  

§ MPC  caches  only  popular  content    – 2  replicas  of  content  d  (popular)  – No  replica  of  content  e  – Pro-­‐ac#ve  caching  of  popular  content  

17  

Evalua#on  

§ Does  Caching  only  popular  content  improve  CCN  performances?  

§ ccnSim  simulator  –  Standard  parameters  

§ Comparison  – MPC  vs.  CCN  

 18  

MPC  Evalua#on  

19  

0.6

0.8

1

Tree Abilene Tiger2 GeantDTelekomLevel3

Cach

e H

it R

atio

Topologies

CCN (LRU+Always)MPC

MPC  Evalua#on  

20  

0

0.5

1

Tree Abilene Tiger2 Geant DTelekom Level3

Ratio

of C

ache

d El

emen

ts

Topologies

CCN (LRU+Always)MPC

Popularity  

1.  Content  

2.  Users  

21  

Future  Internet  

§ Internet  has  become  a  «  content  network  »  – Video  counts  for  86%  of  traffic  up  to  2016  

§ Users  'ac#vity:  Online  Social  Network  –  Internet  has  become  a  «  social  network  »  

§ Future  Internet  – OSN  over  CCN  

 

 

22  

Future  Internet  OSN  over  CCN  

23  

Future  Internet  

§ Internet  has  become  a  «  content  network  »  

§ Users  'ac#vity:  Online  Social  Network  –  Internet  has  become  a  «  social  network  »  

§ Future  Internet  – OSN  over  CCN  

§ Does  OSN  may  improve  CCN  ?  – Privilege  content  published  by  popular  users  

§ Does  popularity  of  users  help  In  CCN?  

 

 

24  

Popularity  of  Users  

§ Score  for  users  regarding  their  importance  

§ Eigenvector  centrality  measures  

§ PageRank  centrality  measures  – Google  

§ If  score(user)  >  Avg_score  –  Influen#als  <-­‐  user    

25  

Simula#on  Environment  

26  

Simula#on  Environment  § Social  Networks  

–  LastFM  and  Facebook  data  set  

§ Network  Topology  –  iNet  (default  parameters)  :  3,037  CCN  nodes  

§ Ac#vity  Traces  –  Sonetor:  SOcial  NEtwork  Traffic  generatOR  – ~50,000  ac#vi#es  by  synthe#c  traces  [IEEE  ICC  2014]  

27  

Users’  Interac#on  Model  

28  

Users  Popularity-­‐based  Caching  

29  

Sacs/PageRank Sacs/Eigenvector CCN

Users  Popularity-­‐based  Caching  

30  

Sacs/PageRank Sacs/Eigenvector CCN

PlanetLab  Experiments  

31  

PlanetLab  Experiments  

32  

Summary  § Internet:  a  “Content”  and  a  “Social”  network  

§ CCN  as  a  novel  “Network  Layer”  for    Content  Delivery  in  the  Future  Internet  

–  In-­‐network  Caching  

§ Popularity-­‐based  Caching  Strategies  for  CCN  – Content  Popularity  – Users  Popularity  [IFIP  Networking  2014]  

§ Improve  Cache  Performances  

§ Experiments  on  CCNx  and  PlanetLab   33  

Sorware-­‐Defined  Networking  § Decoupling    

– Data  Plane  (traffic  forwarding)  from    – Control  Plane  (Rou#ng  decision)  

§ Controller  – Openflow  

§ ICN/CCN:  alterna#ves  to  TCP/IP  architecture  –  Focus  on  content  and  not  hosts  –  Lack  of  deployments  

34  

SDN  integra#on  with  ICN  

§ Openflow-­‐compliant  ICN  – CONET  architecture  –  IP-­‐compa#ble  layer  to  enable  ICN  nodes  

§ Abstrac#on  layer  between  CCN  nodes  and  Controllers  based  on  IP  

– Not  full  ICN  

§ Goal:  SDN  with  ICN  without  IP  

35  

36  

SDN  integra#on  with  CCN  

§ Model  this  SDN/CCN  architecture  

§ Simula#ons  with  NS-­‐3  

§ Also  with  Controllers  (SDN):  – Network  security  (Firewall,  Access  Control),  etc.    

37  

Ongoing  Work  

Thank  You!  

Ques#ons?  

38  

39