Content delivery network (CDN) with a high quality-of-service (QoS) requirement deals with three challenging problems: 1) a cache server deployment problem to determine where to locate cache servers, 2) a request routing problem to settle which cache server serves a user request, and 3) a content replication problem to decide which content is stored in a cache server. Cooperation among cache servers significantly improves the user QoS by increasing the cached content diversity of the network. Since the aforementioned problems are tightly coupled, we formulate a new CDN model which jointly considers all the three problems under the cooperative content replication with optimal solutions using integer linear programming. As the joint optimization problem is an NP-hard problem, we propose a greedy heuristic algorithm which is close to the optimal solution. Furthermore, we also suggest the dynamic algorithm determining request routing and stored contents with cache server positions obtained from the optimal solution.
In the simulation part, we consider two scenarios for application of the algorithm, where the popularities of contents are identical and are different among nodes which are homogeneous and heterogeneous scenarios, respectively. The three kinds of simulations are conducted. First, the simulation on $2\times3$ grid and tree topologies at the homogeneous scenario is conducted. Second, the simulation on $2\times3$ grid and tree topologies at the heterogeneous scenario is conducted. By conducting four simulations, the performance between the cooperation and the non-cooperation models are compared and the performance of the heuristic algorithm is investigated. Third, the performance of the algorithm is investigated on the actual topology sampled from the Level 3 CDN network. In all three cases, the performance evaluations are conducted between optimal solution and solution from the dynamic algorithm. By increasing the cached content diversity in the network, the joint optimization problem under the cooperative content replication shows higher performance than that of the non-cooperation case given the same number of cache servers.
인터넷 트래픽은 날로 증가하여 2017년에는 2013년 대비 2배 이상의 트래픽으로 증가할 것으로 예상되고 있다. 그 중 비디오 콘텐츠 트래픽이 전체 콘텐츠의 73\%를 차지할 것으로 예상되고 있다. 따라서 증가하는 비디오 콘텐츠와 같은 대용량 데이터를 효율적으로 사용자에데 전달하기 위해서 네트워크를 잘 관리해야 한다. 이를 위한 방법 중에 하나로써 콘텐츠 전달망이 있다. 콘텐츠 전달망은 콘텐츠의 원본 서버 대비 유저와 훨씬 가까운 위치에 캐시 서버를 포설함으로써 사용자의 서비스질을 향상시키는데 그 목적이 있다. 이 콘텐츠 전달망을 디자인하기 위해서는 캐시 서버 포설, 콘텐츠 캐싱, 그리고 요청 라우팅을 고려해야 한다. 특히 캐시 간 협력은 사용자 서비스 향상에 큰 도움을 줄 수 있으며, 이는 앞에 언급된 3가지 이슈와 상호 영향을 미치게 된다. 따라서 콘텐츠 전달망을 디자인하는데 있어서 이 모든 사항들은 함께 고려되어야 한다. 그래서 본 눈문에서는 이를 위한 ILP 형태의 최적화 문제를 제공한다. 최적화 문제가 NP-hard문제 군에 속하며, 이는 굉장히 높은 계산 복잡도를 요구하기 때문에, 휴리스틱 알고리즘을 제안한다. 시뮬레이션 검증을 통해서 캐시간 협력을 하는 모델과 그렇지 않은 모델의 성능 비교 및 휴리스틱 알고리즘의 성능을 확인한다. 휴리스틱 알고리즘으로 부터 얻은 결과와 최적화 문제의 결과사이의 차이가 굉장히 적은 것을 확인할 수 있다. 휴리스틱 알고리즘이 최적화 문제와 거의 비슷한 성능을 보이기 때문에 실제 네트워크 토폴로지를 기반으로 시뮬레이션을 진행을 하고, 이를 통해 캐시 협력 모델이 비협력 모델 대비 월등한 성능을 보이는 것을 확인 할 수 있다.
