Tiedon yhteiskäyttö ja välimuistin hallinta Visa Röyskö

Johdanto  Tässä esitelmässä käsitellään tapoja tiedon tehokkaampaan yhteiskäyttöön mobiileissa ad hoc - verkoissa  Cooperative Caching eli välimuistin käyttö yhteistyönä  Sijaintitietojen ylläpito -algoritmit

Cooperative Caching (1)  Keino nopeuttaa tiedon hakemista tietolähteestä  Tietolähde voi olla monen hypyn päässä, eikä se välttämättä ole edes tavoitettavissa  Laitteet voivat tallentaa välimuistiinsa tietoa, jota olettavat muiden verkon laitteiden tarvitsevan  Käytetty laajasti langattomissa verkoissa  Resurssien vähäisyyden ja laitteiden liikkuvuuden vuoksi tätä ei ole laajalti käytetty mobiileissa ad hoc -verkoissa

Cooperative Caching (2) Välimuistin käyttö yhteistyönä. [Cao04,s.33]

CachePath  Välimuistiin tallennetaan polku lähimpään tunnettuun laitteeseen, joka on tallentanut tietoyksikön välimuistiinsa + Nopeuttaa tiedon hakemista + Vie vähän tilaa eli sopii hyvin käyttöön kun välimuisti on pieni - Mobiilit laitteet voivat liikkua, jolloin polku on vanhentunut - Laite on voinut poistaa tiedon välimuististaan

CacheData  Talletetaan tietoyksikkö välimuistiin, kun havaitaan että useammat laitteet käyttävät tietoa + Tieto voidaan laittaa kysyjälle nopeasti - Vie enemmän tilaa välimuistista kuin polku  Tietoa ei kannata tallentaa välimuistiin, mikäli kaikki pyynnöt tulee saman solmun kautta

HybridCache (1)  Yhdistelmä CachePath- ja CacheData -ratkaisuja  HybridCache algoritmi valitsee, tallennetaanko välimuistiin tietoyksikkö, vai lyhin polku tietolähteeseen Toiminta:  Tietoyksiköllä d i on “aikaa jäljellä- laskuri” (TTL i ), jolla kontrolloidaan sitä, onko tieto vielä voimassa.  Tietoyksikön koko merkitään kirjaimella s i

HybridCache (2)  Toiminta:  HybridCache- algoritmi valitsee käytettävän tallennustavan seuraavilla perusteilla :  Kun TTL i on suuri, kannatta tallentaa polku. Muussa tapauksessa kannattaa tallettaa koko tietoyksikkö ja polku.  Kun tietoyksikön koko on pieni, kannattaa tallentaa välimuistiintietoyksikköja polku. Muuten tallennetaan vain polku.

HybridCache (3)  Kaavio, joka havainnolistaa kuinka kauan tiedon hakeminen keskimäärin kestää. [Cao04,s.36]

Proactive Cooperative Caching (1)  Aktiivista tiedon hakemista verkosta  Tarvitaan silloin, kun laite ei tiedä tietolähteen sijaintia, tai tietolähde ei ole saavutettavissa  Toiminta:  Laite lähettää kaikille naapureilleen viestin, jolla kysyy, onko näillä välimuistissaan kyseistä tietoyksikköä  Mikäli näillä ei ole sitä välimuistissaan, ne lähettävät kyselyn eteenpäin  Jos tieto on laitteen välimuistissa, se lähettää kuittauksen takaisin

Proactive Cooperative Caching (2)  Toiminta:  Tietoyksikön koon ollessa pieni, se voidaan lähettää kuittauksen mukana  Mikäli tieto löytyy useampaa reittiä pitkin, valitaan ensimmäiseksi saapunut + Ei tarvitse tietää tietolähdettä - Paljon tietoliikennettä - Broadcast- myrskyt mahdollisia

Välimuistin hallinta  Välimuistin hallinnan ongelmat mobiileissa ad hoc - verkoissa ovat korvausalgoritmit ja sisäänpääsyn valvonta  Korvausalgoritmien (replacement algorithms) avulla valitaan poistettava tieto uuden tieltä  Sisäänpääsyn valvonnalla (admission control) kontrolloidaan sitä, mitä tietoa välimuistiin tallennetaan

Korvausalgoritmit (1)  Tehtävä selvittää mitä tietoa välimuistista poistetaan, kun tarvitaan lisää tilaa  Korvausalgoritmin tulisi huomioida seuraavia seikkoja:  Tietoyksiköiden koko ei ole vakio  Tietolähteen sijainti ja koko vaikuttavat sen hakemisen nopeuteen  Tiedon konsistenssi

Korvausalgoritmit (2) Esimerkki algoritmista:  Tietolähteen etäisyys d  Mikäli tietolähde on kaukana, tietoyksikköä ei kannata poistaa välimuistista  Laitteen sijainti voi kuitenkin muuttua  Apumuuttuja t = 1/(t cur -t update )  t cur = tämän hetkinen aika  t update = aika viimeisestä päivityksestä  Poistettavaksi tiedoksi voidaan valita tietoyksikkö esimerkiksi kaavojen (d + t) tai (d * t) avulla

Sisäänpääsyn valvonta  Kaikkea tietoa ei kannata tallettaa välimuistiiin  Sisäänpääsyn valvontaa monimutkaistaa se, että laitteen on hyvä olla tietoinen naapurilaitteiden välimuistin sisällöstä  Asetetaan a = hyppyjen määrä eri laitteiden välillä, joilla on jokin tietoyksikkö välimuistissaan  Jos a on pieni, tiedon hakemisen on nopeampaa  Jos a on suuri, tiedon hakemisen nopeus on pienempi, mutta tiedon saatavuus on parempi

Tiedon konsistenssi  Suuri ongelma välimuistin käytössä  Tietolähde voi muokata tietoyksikköä, jolloin sen kopiot eivät ole enää ajantasaisia  HybridCache: aikaleimoihin perustuva heikko konsistenssi  Ajan umpeuduttua tietoa ei enää pidetä kelvollisena  Tieto voi kuitenkin olla vanhentunutta välimuistissa  Mikäli uudempi versio muistissa olevasta tietoyksiköstä kulkee laitteen kautta, laite päivittää oman tietonsa

Tietoturva  Välimuistin yhteiskäyttö voi aiheuttaa tietoturvaan vakavia uhkia  Tietolähteellä tulee olla mahdollisuus estää tiedon tallettaminen välimuisteihin  Esimerkiksi tietolähde voi määritellä, kuinka monen laitteen välimuistiin tiedon saa tallentaa  Lähde voi myös salata tiedon, jolloin sen saa auki vain avaimen haltijat  Digitaalinen allekirjoitus yksi tapa tiedon lähteen ja eheyden varmistukseen

Sijaintitietojen ylläpito -algorimit (1)  Tapa pitää yllä taulukkoa muiden verkon laitteiden sijainneista  Tarvitaan mm. joitakin reititysalgoritmeja varten Kaksi ad hoc –verkkoihin sopivaa algoritmia:  Perustuvat jäsenjoukkoihin (quorum), joka valitaan arpomalla ennen viestien lähettämistä  Lähettävät verkon laitteille päivitys- ja kyselyviestejä jäsenjoukon laitteille  Laitteet ovat tietoisia sijainnistaan esimerkiksi GPS- paikannuksen avulla

Algoritmi I  Jäsenjoukon koko on k+1  Laite valitsee jäsenjoukon arpomalla k saavutettavissa olevaa laitetta verkosta  Mikäli saavutettavissa olevien laitteiden lkm. r < k, tällöin jäsenjoukon koko on r+1  Näille kaikille lähetetään päivitys- ja kyselyviestit  Päivitysviestin saanut laite päivittää tiedon taulukkoonsa  Kyselyviestin saanut laite lähettää vastauksen, johon liittää kopion sijaintitaulukostaan

Algoritmi II  Toimii muuten samoin kuin algoritmi I, paitsi että laite valitsee jäsenjoukon eri tavalla  lähettää kysely tai päivitysviestin naapurilleen  mukana on laskuri, jonka arvo on k  viestin saava laite lähettää sen omalle naapurilleen, joka ei ole vielä viestiä saanut  tätä jatketaan niin kauan, kunnes se on lähetetty k- määrälle laitteita tai kun laitteella ei ole enää naapureita, joka ei ole viestiä saanut

Yhteenveto  Välimuistin käyttäminen yhteistyönä nopeutta tiedon hakemista muulta verkon laitteelta  Välimuistiin voidaan tallentaa tietoyksikkö tai polku sen lähimmälle haltijalle  Välimuistin hallintaa monimutkaistavat ne seikat, että laitteet liikkuvat ja laitteen pitää myös tietää mitä naapurilaitteella on välimuistissaan  Laitteiden sijaintitietojen ylläpitämiseen tarvittavaa tietoliikennettä voidaan vähentää käyttämällä jäsenjoukkoihin perustuvia algoritmeja

Lähteet Bha03 Randomized Location Service, MSWiM' , syyskuu 2003 sivu 1-8 Cao04 Cooperative Cache-Based Data Access in Ad Hoc Network Computer syyskuu 2004, sivut Tan02 Distributed systems, Prentice Hall, 2002 sivut