Prefetching control for on-demand contents distribution : a Markov decision process study

Contrôle du préchargement pour la distribution de contenus à la demande : une approche par les processus de décision markoviens

• Auteur / Autrice : Olivia Morad
• Direction : Alain Jean-Marie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/09/2014
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2014)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de robotique et de micro-électronique (Montpellier ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : William Puech
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Jean-Marie, William Puech, Vincent Charvillat, Jean-Philippe Gayon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Charvillat, Jean-Philippe Gayon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Markov, Processus de

Commande, Théorie de la

Mots clés libres

Préchargement

Contrôle optimal

Processus de décision Markoviens

Contenu à la demand

Distribution

Prefetching

Optimal Control

Markov Decision Process

On-Demand contents

Distribution

Résumé

Le contexte de la thèse porte sur le contrôle des réseaux de distribution de contenu à la demande. La performance des systèmes distribués interactifs dépend essentiellement sur la prévision du comportement de l'utilisateur et la bande passante en tant que ressource de réseau critique. Le préchargement est une approche prédictive bien connu dans le World Wide Web ce qui évite les délais de réponse en exploitant un temps d'arrêt que permet d'anticiper les futures demandes de l'utilisateur et prend avantage des ressources réseau disponibles. Le contrôle de préchargement est une opération vitale pour les systèmes à la demande interactifs où la réponse instantanée est le facteur crucial pour la réussite du système. Le contrôleur en ce type de système interactif fonctionne dans un environnement incertain et rend séquences de décisions à court et long terme effets stochastique. La difficulté est alors de déterminer à chaque état du système les contenus préchargés dans le cache. Le plan de préchargement pendant une session en flux continu interactif peut être modélisé comme un problème de décision séquentielle par les processus de décision de Markov (MDP). Nous nous concentrons sur le problème de contrôle de préchargement, dans lequel le contrôleur cherche à atteindre l'état du système à coût zéro aussi vite que possible. Nous modélisons ce problème de contrôle comme un problème de programmation dynamique stochastique négatif dans lequel nous minimisons le coût total prévu. Dans ce contexte, nous avons abordé les questions de recherche suivantes: 1) Comment fournir un politique de préchargement optimale/ approximative optimale qui maximise l'utilisation de la bande passante tout en minimisant les coûts de blocage et de la latence de l'utilisateur engagés sur le chemin? 2) Comment exploiter la structure du modèle de contrôle de préchargement pour aider efficacement calculer la politique de contrôle de préchargement avec la réduction des efforts de calcul et la mémoire de stockage? 3) Comment mener une étude d'évaluation pour évaluer le préchargement de différents algorithmes heuristiques basée sur le contexte de l'optimisation au lieu du cadre de l'empirique / simulation. Pour l'étude de notre problème de recherche, nous avons développé notre modèle MDP de préchargement, PREF-CT, nous avons établi ses propriétés théoriques et nous avons résolu par l'algorithme Value Iteration comme algorithme MDP pour calculer la politique de préchargement optimale. Pour calcul de la politique de préchargement optimale efficace, nous avons détecté une structure spéciale qui réalise un modèle de contrôle plus compact. Cette structure spéciale permet de développer deux algorithmes différents stratégiquement qui améliorent la complexité du calcul de la politique de préchargement optimale: - la première est « ONE-PASS » le second est « TREE-DEC ». Pour surmonter le problème de la dimensionnalité résultant du calcul de la politique de préchargement optimale, nous avons proposé l'algorithme de préchargement heuristique: « Relevant Blocks Prefetching » (RBP). Pour évaluer et comparer le préchargement politiques calculés par des algorithmes de préchargement heuristiques différents, nous avons présenté un cadre fondé sur des différentes mesures de performance. Nous avons appliqué le cadre proposé sous différentes configurations de coûts et différents comportements des utilisateurs pour évaluer les politiques de préchargement calculées par notre algorithme de préchargement proposé; RBP. Par rapport aux politiques de préchargement optimales, l'analyse expérimentale a prouvé des performances significatives des politiques de préchargement de l'heuristique du RBP algorithme. En outre, l'algorithme heuristique de préchargement; RBP se distingue par une propriété de clustériser qui est important pour réduire considérablement la mémoire nécessaire pour stocker la politique de préchargement.

The thesis context is concerned with the control of theOn-demand contents distribution networks. The performance of suchinteractive distributed systems basically depends on the prediction ofthe user behavior and the bandwidth as a critical network resource.Prefetching is a well-known predictive approach in the World Wide Webwhich avoids the response delays by exploiting some downtime thatpermits to anticipate the user future requests and takes advantage ofthe available network resources. Prefetching control is a vitaloperation for the On-demand interactive systems where the instantaneousresponse is the crucial factor for the system success. The controller insuch type of interactive system operates in an uncertain environment andmakes sequences of decisions with long and short term stochasticeffects. The difficulty, then, is to determine at every system statewhich contents to prefetch into the cache. The prefetching plan duringan interactive streaming session can be modeled as a sequential decisionmaking problem by a Markov Decision Process (MDP). We focus on theprefetching control problem in which the controller seeks to reach aZero-Cost system state as quickly as possible. We model this controlproblem as a Negative Stochastic Dynamic Programming problem in which weminimize the undiscounted total expected cost. Within this context, weaddressed the following research questions: 1) How to provide anoptimal/approximate-optimal prefetching policy that, maximizes thebandwidth utilization while minimizes the user's blocking and latencycosts incurred along the way? 2) How to exploit structure in theprefetching control model to help efficiently compute such prefetchingcontrol policy with both computational efforts and storage memoryreduction? 3) How to conduct a performance evaluation study to evaluatedifferent prefetching heuristic algorithms based on the context of thecontrol optimization rather than the context of theempirical/simulation. For studying our research problem, we developedour MDP prefetching control model, PREF-CT, we established itstheoretical properties and we solved it by the Value Iteration algorithmas MDP algorithm for computing the optimal prefetching policy. Forcomputing the optimal prefetching policy efficiently, we detected aspecial structure that achieves more compact control model. This specialstructure permits to develop two strategically different algorithmswhich improve the complexities of computing the optimal prefetchingpolicy: - the first one is the ONE-PASS which is based mainly on solvinga system of linear equations simultaneously in only one iteration,whereas the second is the TREE-DEC which is based on Markov decisiontree decomposition in which sequential sets of systems of equations aresolved. For overcoming the problem of the curse of dimensionalityresulting from the computation of the optimal prefetching policy, weproposed the prefetching heuristic algorithm: the Relevant BlocksPrefetching algorithm (RBP). For evaluating and comparing prefetchingpolicies computed by different prefetching heuristic algorithms, wepresented a framework based on different performance measures. Weapplied the suggested framework under different costs configurations anddifferent user behaviors to evaluate the prefetching policies computedby our proposed prefetching heuristic algorithm; the RBP. Compared tothe optimal prefetching policies, the experimental analysis provedsignificant performance of the prefetching policies of the RBP heuristicalgorithm. In addition, the RBP prefetching heuristic algorithm isdistinguished by a clustering property which is of importance to reducesignificantly the memory necessary to store the prefetching policy tothe controller.