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distributed and cooperative cache server architecture to realize traffic volume reduction and low-latency response

Research Project

Project/Area Number 21K11805
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 60040:Computer system-related
Research InstitutionThe University of Electro-Communications

Principal Investigator

吉永 努  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (60210738)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords動画配信ネットワーク / 分散協調キャッシュ / デバイス間通信 / FPGA応用 / 低遅延処理 / モバイルエッジ処理 / マルチホップ通信 / 無線ネットワーク / 動画配信 / コンテンツ配信ネットワーク / 低遅延通信 / 低消費電力 / D2D通信 / ハンドオーバ / ユーザQoE / FPGA実装 / 低遅延サービス / 低消費電力化 / 通信量削減 / 低遅延応答
Outline of Research at the Start

インターネット通信量を削減するためには,通信量の大部分を占めるコンテンツ配信ネットワーク(CDN)の通信効率を改善することが有効である.そこで本研究では,ネットワーク内にキャッシュサーバを分散配置し,それらを独自の軽量な制御で協調動作させて通信路の使用効率を上げる.また,キャッシュサーバに通信プロトコルやストレージ・アクセスを実行する専用ハードウェアを導入し,キャッシュサーバの応答時間を低遅延化する.研究期間内に専用ハードウェアを導入した分散協調キャッシュサーバと実験的CDNを開発し,従来手法に比べ通信量・動的通信電力・コンテンツ取得までの平均遅延時間を大きく削減できることを示す.

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は,ネットワークの動画配信サービスを対象として,以下の研究を実施した.
1.動画配信ネットワーク用の分散協調キャッシュの改善と評価
2022年度に提案したLBCA方式による分散協調キャッシュについて,実践的な環境を想定したシミュレーション実験を行い,無線通信の電波強度と通信データの再利用度を考慮したキャッシュ制御方式の改善を行った.予備的な評価により,LBCA方式は従来方式に比べてネットワーク混雑時に動画視聴が途切れてしまうユーザ数を減少できることを確認した.また,マルチホップのデバイス間通信をサポートするモバイル分散協調キャッシュについても検討し,現在評価を進めている.
2.FPGA搭載型キャッシュサーバの実装と評価
モバイルエッジ計算(MEC)サーバにFPGA搭載型キャッシュを応用する方式についての実装と評価を実施した.FPGA搭載型キャッシサーバは,ソフトウェアで実装したキャッシュサーバに比べて,キャッシュの応答時間を短縮することができる.キャッシサーバは,コンテンツ要求メッセージをネットワーク経由で受信し,それに応答する.FPGA搭載型キャッシサーバでは,コンテンツ要求メッセージはネットワークインタフェース(I/F)を実装したFPGAで受信してからメモリ(DRAM)に格納し,キャッシュされたコンテンツの検索処理を起動する.我々は,FPGA搭載型キャッシュサーバ処理の応答時間を低遅延化するため,ネットワークI/FとDRAM間のデータパス上にコンテンツ要求メッセージを監視するハードウェアモジュールを追加した.この改良により,FPGA搭載型キャッシュサーバ処理の応答時間が削減できることを実験的に確認した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2021年度と2022年度にコロナ禍の影響を受け,実験室での実験が一部滞ったことにより,進捗はやや遅れている.このため,2024年1月末に本研究課題の補助事業期間延長を申請して,2024年度の延長が承認された.

Strategy for Future Research Activity

本研究課題の2024年度への補助事業期間延長が承認されたので,2024年度は以下の通り実施する.
1.動画配信ネットワーク用の分散協調キャッシュの改善と評価
本研究課題で提案したLBCA方式による分散協調キャッシュについて,従来方式との比較が不十分であるため,種々の条件での幅広な比較評価を実施する.
2.FPGA搭載型キャッシュサーバの改善と評価
FPGA内に実装する専用ハードウェア設計を改良すると共に,種々のコンテンツ要求メッセージ到着パターンについての応答時間の評価を実施する.

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (7 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Load-based Content Allocation Scheme for Realizing Efficient Mobile Cooperative Cache2023

    • Author(s)
      Taiki Akiba, Celimuge Wu and Tsutomu Yoshinaga
    • Journal Title

      International Journal of Networking and Computing

      Volume: 13, 2 Pages: 93-117

    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] A Failsoft Scheme for Mobile Live Streaming by Scalable Video Coding2021

    • Author(s)
      Hiroki Okada; Masato Yoshimi; Celimuge Wu; Tsutomu Yoshinaga
    • Journal Title

      IEICE Transactions on Information and Systems

      Volume: E104.D Issue: 12 Pages: 2121-2130

    • DOI

      10.1587/transinf.2021PAP0015

    • NAID

      130008123405

    • ISSN
      0916-8532, 1745-1361
    • Year and Date
      2021-12-01
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] FPGAを用いたキャッシュサーバにおけるリクエスト処理の低遅延実装2024

    • Author(s)
      袁 天翊; 策力木格; 吉永努
    • Organizer
      信学技報, vol. 123, no. 450, CPSY2023-41, pp. 18-23
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] モバイル分散協調キャッシュにおけるマルチホップD2D通信の活用2023

    • Author(s)
      宮原雅司; 秋場大暉; 萩原賢; WU Celimuge; 吉永努
    • Organizer
      電子情報通信学会技術研究報告, vol.122, no.451, CPSY2022-37, pp.19-24
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] モバイル分散協調キャッシュにおけるマルチホップD2D通信の活用2023

    • Author(s)
      宮原雅司・秋場大暉・萩原賢・策力木格・吉永努
    • Organizer
      電子情報通信学会,信学技報, IEICE-CPSY2022-96
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] モバイル分散協調キャッシュにおけるユーザQoE向上のためのコンテンツ配置手法2022

    • Author(s)
      秋場大暉・策力木格・吉永努
    • Organizer
      電子情報通信学会,信学技報, IEICE-CPSY2022-7
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Load-Based Content Allocation for Mobile Cooperative Cache2022

    • Author(s)
      Taiki Akiba, Celimuge Wu and Tsutomu Yoshinaga
    • Organizer
      Proc. of the 13th International Workshop on Advances in Networking and Computing (WANC2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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