Recently video content access and delivery become dominantly used over the Internet. Therefore innovative CDN architectures and technologies are quite essential to efficiently cache and distribute the surging amount of video content. In content delivery networks (CDNs), a CDN server is traditionally used to reduce traffic on the Internet backbone by offloading traffic requests from the origin server. However, sitting outside networks provided by Internet service providers (ISPs), the server cannot reduce traffic on the transit or peering links that connect the ISP network with the Internet backbone and other ISP networks.
In order to minimize delivery latency and inter-ISP traffic, a lot of recent researches have addressed localized delivery of large content volumes from network edge by introducing storage module into network entities (e.g., content router). In other words, the content router can be allowed to provide the in-network caching and the localized delivery while keeping on supporting its basic features such as the packet forwarding and the routing. Therefore, from the viewpoint of the design of content routers, the optimal caching length should be carefully determined for minimizing the performance degradation of a router as a result of introducing the storage module to it.
But the content router seems very unlikely to cache an entire content because of the limitations of content caching and content delivery capabilities. It however would be better to cache and deliver the prefix that is the beginning portion of content, if its length is short enough. In addition, the prefix caching has a number of advantages such as reduction of both delivery latency to clients and traffic volume over networks, particularly compared to threshold-based multicast scheme running on the centralized server. Therefore, both the bandwidth capacity and the cache size of content router should be carefully designed to evolve from overlay CDN system to novel CDN system, given the bandwidth capacity of a CDN server.
On the other hand, the Request-Routing System (RRS) in the traditional CDN system is used to redirect client requests to the closest surrogate by considering network proximity in order to provide fast delivery. We first proposes the persistent RRS that can redirect all the clients’ requests for the same content to a particular content router, only if the router is chosen from the first request. Therefore, such requests can consume a single multicast stream of CDN server only during patching stream of content router.
In this dissertation, we first proposes a novel CDN system that combines content routers with in-network caching and existing overlay CDN system. With using content routers, the proposed novel CDN system can reduce delivery latency as well as traffic volume over the network significantly. We also propose distributed patching-based multicast scheme by streaming a part of content at content router close to user. Given the bandwidth capacity of a CDN server, we effectively solve the problem of both minimizing the required bandwidth capacity of content routers and then determining their optimal cache size, considering content popularity. By applying proposed multicast scheme to the CDN system, we observe that at least 22% bandwidth capacity improvement (4,628 Mbit/sec) is achieved, comparing to centralized multicast scheme (6,005 Mbit/sec). Furthermore the required bandwidth capacity (1.5 Gbit/sec) is significantly improved at least 45%, comparing to batching scheme (2.8 Gbit/sec).
Second, this dissertation propose load-aware request redirection algorithm as a novel server selection method in multiple content routers environment, considering the limited capacity of a content router. The algorithm intends to persistently redirect the subsequent requests to the content router once selected by the very first content request while not increasing the required bandwidth capacity of content routers. We observe that service response time of content routers is very sensitive to their capacity rather than their number.
Third, this dissertation proposes an adaptive content delivery for selecting the most suitable delivery scheme (i.e., multicast or broadcast) and allocating the appropriate number of channels by considering the content popularity. The proposed scheme aims to minimize traffic volume and delivery cost since the most popular content is delivered through broadcast channels, and the least popular through multicast channels. The performance of the adaptive content delivery scheme depending on content popularity is clearly evaluated and compared against both the multicast and broadcast schemes in terms of the optimal in-network caching size and number of unicast channels in a content router in order to observe the significant impact of our proposed scheme. The proposed adaptive scheme requires an average of 2,236 channels at the content routers, whereas the multicast scheme requires 3,522 channels. By applying the proposed adaptive scheme, we significantly reduce the required number of channels compared to the multicast schemes by up to 36%.
Consequently, this dissertation firstly designs a hybrid CDN architecture that enable existing CDN system to evolve into a novel CDN system using in-network caching and request redirection, significantly decreasing traffic volume over Internet backbone and enhancing quality of experience. Therefore the pro-posed system and schemes are used for efficiently accommodating the surging amount of video content.
최근 인터넷에서 트래픽이 급격하게 증가하는 주요 원인은 스마트폰, IPTV, 스마트 TV 등과 같은 고품질의 멀티미디어 콘텐트를 소비하고 생산할 수 있는 단말의 보급 확대와 더불어서 적극적으로 다양한 콘텐츠를 생산 및 가공에 참여하는 콘텐트 사업자와 개인 사용자의 증가에 따른 추세로 분석된다. 특히 미국 시스코의 조사에 의하면 웹/데이터, P2P(peer-to-peer) 위주의 트래픽에서 인터넷 동영상 등과 같이 대용량의 트래픽 전송이 필요한 콘텐츠 이용이 증가하면서, 2017년에 이르면 인터넷 동영상 콘텐츠는 전체 인터넷 트래픽의 80% 이상을 차지할 것으로 전망하고 있다.
콘텐트 전달 네트워크 (Contents Delivery Network, CDN)는 본래 콘텐트 사업자 (Content Provider)가 사용자 가까이에서 효율적으로 콘텐트를 전달하기 위하여, CDN의 주요 거점 (Internet Data Center, IDC)을 확보하여 계약을 맺은 콘텐트 사업자의 콘텐트를 CDN에 분산 배치시키고 사용자의 요청을 콘텐트 사업자의 오리진 서버 (Origin Server) 대신에 인터넷 데이터 센터 내부에서 배치된 CDN 서버를 통해 트래픽을 분산하여 안정적으로 전송한다. 콘텐트 전달 네트워크은 주로 경제적인 이유로 나라별로 인터넷 데이터 센터에 CDN 서버를 배치 및 운영하며, 이로 인한 인터넷 서비스 사업자는 사업자간 피어 링크나 중계 (transit) 링크에서 발생하는 트래픽으로 고비용을 지불하고 있다.
이와 같은 콘텐트 전달에 따른 고비용을 해소하기 위하여 인터넷 서비스 사업자는 비용이 비싼 사업자간 링크를 사용하지 않기 위해 자신의 네트워크 내부에 직접 콘텐트 전달 네트워크을 구축하여 콘텐트 사업자에게 CDN 서비스를 제공하고 네트워크 백본에 집중되는 트래픽을 분산시켜 운용비용을 절감하면서 새로운 수익을 창출하려는 시도를 하고 있다. 이를 위하여 사업자의 네트워크 내부에 콘텐트 라우터를 구축하여 대부분의 트래픽이 내부에서 전달되도록 `콘텐트 전달의 지역화`를 통해 네트워크 증설에 대한 부담을 줄이고 고객에게 향상된 서비스 체감 품질을 제공하려고 시도하고 있다.
인터넷 서비스 사업자는 콘텐트 라우터를 이용하여 사용자 가까이에 콘텐트를 캐슁하여, 사용자 요청에 신속하게 응답하는 고품질의 콘텐트 전달 서비스를 제공할 수 있다. 콘텐트 라우터는 기존 라우터에 콘텐트 스토리지와 스트리밍 기능을 추가한 것으로서 사업자의 네트워크 내부에서 CDN 서버와 협력하여 콘텐트를 사용자에게 전달한다. 따라서 콘텐트 라우터와 CDN 서버는 트레이드-오프 관계가 있음을 알 수 있다.
한편 콘텐트 라우팅 (Request-Routing) 시스템은 기존 콘텐트 전달 네트워크에서 사용자의 콘텐트 요청에 대하여 네트워크 근접성을 고려하여 가장 빨리 콘텐트를 전달할 수 있는 CDN 서버를 선택하기 위하여 사용된다. 본 학위 논문에서 처음 제안한 반복적인 콘텐트 라우팅 기술은 동일한 콘텐트를 요청하는 요구에 대해 최초 요구에 의해 선택된 특정 콘텐트 라우터가 후속 요구에 대해서도 지속적으로 선택되도록 하여 멀티캐스트 전달 효율을 향상시키는 방법이다.
본 학위 논문은 첫번째로 네트워크 내부 캐슁이 가능한 콘텐트 라우터와 기존의 오버레이 CDN 시스템을 결합한 획기적인 CDN 시스템을 제안하였다. 제안한 CDN 시스템은 콘텐트 라우터를 이용하여 콘텐트 전달 지연과 인터넷 트래픽 볼륨을 획기적으로 줄일 수 있다. 또한 우리는 사용자 가까이에 배치한 콘테트 라우터에서 콘텐트의 일부분을 전달하는 패칭 기반의 분산형 멀티캐스트 기법을 제안하였다. 기존 CDN 시스템에서 CDN 서버의 대역 용량이 정해져 있을 때, 콘텐트 인기도를 고려하여 콘텐트 라우터의 필요한 대역 용량을 최소화하고 최적의 캐슁 크기를 결정하는 문제를 효과적으로 해결하였다. 제안한 분산형 멀티캐스트 기법을 CDN 시스템에 적용하여 기존의 중앙 제어형 멀티캐스트 기법 (6,005 Mbit/sec)과 비교하여 적어도 22%의 대역 용량 (4,628 Mbit/sec) 이 개선되는 것을 관찰하였다. 또한 배칭 기법 (2.8 Gbit/sec)과 비교하여 제안한 분산형 멀티캐스트 기법 (1.5 Gbit/sec)이 적어도 45%의 대역 용량이 개선되는 것을 알 수 있다.
두번째로, 본 학위 논문은 부하 인식형 콘텐트요청 재분배 알고리즘을 제안하고 멀티플 콘텐트 라우터 환경에서 서버 선택 방법에 적용하였다. 제안한 알고리즘은 첫번째 콘텐트 요청에 의해 선택된 콘텐트 라우터를 후속 요청에 대해서도 동일 콘텐트 라우터를 지속적으로 선택하는 것이다. 우리는 제안한 알고리즘을 사용하면 콘텐트 라우터에 필요한 대역 용량은 증가하지 않는 것을 관찰하였다. 또한 콘텐트 라우터의 평균 지연시간은 콘텐트 라우터의 수 보다는 그 용량에 더 민감하게 의존하는 것을 알았다.
세번째로, 본 학위 논문은 콘텐트 인기도에 따라서 적합한 콘텐트 전달 기법을 선택하고 적합한 채널 수를 각 기법에 할당하는 적응적 콘텐트 전달 기법을 제안한다. 제안한 콘텐트 전달 기법은 높은 인기도의 콘테트는 브로트캐스트 기법을 사용하고 낮은 인기도의 콘텐트를 멀티캐스트 기법을 사용하여 인터넷 트래픽 볼륨과 전달 비용을 최소화할 수 있다. 제안한 적응적 콘텐트 전달 기법은 기존의 멀티캐스트 기법과 비교하여 필요한 채널 수를 최대 36%까지 획기적으로 절감할 수 있다.
결론적으로 본 학위 논문은 기존의 CDN 시스템이 네트워크 내부 캐슁과 반복적인 콘텐트 라우팅이 적용된 획기적인 CDN 시스템으로 진화할 수 있도록 하이브리드 CDN 구조를 처음으로 제안하였다. 따라서 제안한 시스템과 기법을 이용하여 급격하게 증가하고 있는 비디오 콘텐트를 효과적으로 수용하여 인터넷 트래픽 볼륨을 감소시키고 사용자의 서비스 경험을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대된다.
