Conception et évaluation de systèmes de caching de réseau pour améliorer la distribution des contenus sur Internet

Design and Evaluation of Enhanced Network Caching Systems to Improve Content Delivery in the Internet

• Auteur / Autrice : Andrea Giuseppe Araldo
• Direction : Fabio Martignon, Dario Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/10/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020) - Ecole nationale supérieure des télécommunications (Paris). Département Systèmes et Communications
• Jury : Président / Présidente : Tijani Chahed
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabio Martignon, Dario Rossi, Tijani Chahed, Emilio Leonardi, Gwendal Simon, Giovanna Carofiglio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emilio Leonardi, Gwendal Simon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes optimaux

Algorithmes d'approximation

Architecture des réseaux d'ordinateurs

Analyse de réseau (planification)

Mots clés libres

Caching de réseau

Distribution des contenus

Optimisation de réseaux

Network Caching

Content Delivery

Network Optimization

Résumé

Le caching de réseau peut aider àgérer l'explosion du trafic sur Internet et à satisfaire la Qualité d'Expérience (QoE)croissante demandée par les usagers. Néanmoins, les techniques proposées jusqu'à présent par la littérature scientifique n'arrivent pas à exploiter tous les avantages potentiels. Les travaux de recherche précédents cherchent à optimiser le hit ratio ou d'autres métriques deréseau, tandis que les opérateurs de réseau(ISPs) sont plus intéressés à des métriques plus concrètes, par exemple le coût et la qualité d'expérience (QoE). Pour cela, nous visons directement l'optimisation des métriques concrètes et montrons que, ce faisant, on obtientdes meilleures performances. Plus en détail, d'abord nous proposons des nouvelles techniques de caching pour réduire le coût pour les ISPs en préférant stocker les objets qui sont les plus chères à repérer. Nous montrons qu'un compromis existe entre la maximisation classique du hit ratio et la réduction du coût. Ensuite, nous étudions la distribution vidéo, comme elle est la plus sensible à la QoE et constitue la plus part du trafic Internet. Les techniques de caching classiques ignorent ses caractéristiques particulières, par exemple le fait qu'une vidéo est représentée par différentes représentations, encodées en différents bit-rates et résolutions. Nous introduisons des techniques qui prennent en compte cela. Enfin, nous remarquons que les techniques courantes assument la connaissance parfaite des objets qui traversent le réseau. Toutefois, la plupart du trafic est chiffrée et du coup toute technique de caching ne peut pas fonctionner.Nous proposons un mécanisme qui permet auxISPs de faire du caching, bien qu’ils ne puissent observer les objets envoyés.

Network caching can help cope with today Internet traffic explosion and sustain the demand for an increasing user Quality of Experience. Nonetheless, the techniques proposed in the literature do not exploit all the potential benefits. Indeed, they usually aim to optimize hit ratio or other network-centric metrics, e.g. path length, latency, etc., while network operators are more focused on moremore practical metrics, like cost and quality of experience. We devise caching techniques that directly target the latter objectives and show that this allows to gain better performance. More specifically, we first propose novel strategies that reduce the Internet Service Provider (ISP) operational cost, by preferentially caching the objects whose cost of retrieval is the largest. We then focus on video delivery, since it is the most sensitive to QoE and represents most ofthe Internet traffic. Classic techniques ignore that each video is represented by different representations, encoded at different bit-rates and resolutions. We devise techniques that take this into account. Finally, we point out that the techniques presented in the literature assume the perfect knowledge of the objects that are crossing the network. Nonetheless, most of the traffic today is encrypted and thus caching techniques are inapplicable. To overcome this limit, We propose a mechanism which allows the ISPs to cache, even without knowing the objects being