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2018年2月23日(金)に開催された、オープンソースカンファレンス東京のセミナー資料です。
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TIS Inc. All rights reserved. 新しいキャッシュ技術の通信量削減効果 計算時間 数秒 計算時間 10時間 理論最適値新技術従来技術②従来技術①キャッシュなし 通信量 オリジンサーバ通信量:97%削減 ネットワーク内通信量:87%削減 数千倍の 高速化
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13.
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TIS Inc. All rights reserved. About me • 中島 拓真(なかじま たくま) – 次世代CDNの研究で博士(工学)を取得 – スーパー連携大学院コンソーシアムより イノベーション博士サーティフィケートを取得 – 次世代CDNの事業化に向けて活動中 12 経歴 2013年3月 同志社大学卒業(学士) 2014年9月 電気通信大学修了(修士、短縮修了) 2017年12月 電気通信大学修了(博士) 2018年1月 TIS株式会社で次世代CDNの事業化に従事 受賞等 2016年11月 Outstanding Paper Award受賞(国際会議CANDAR’16) 2017年11月 優秀若手デモ/ポスタ賞受賞 (萌芽的コンピュータシステム研究展示会) 2017年12月 イノベーション博士サーティフィケート 資格等 応用情報処理技術者 Twitter: @penguin2716
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TIS Inc. All rights reserved. 通信量の増大と削減の仕組み 13
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TIS Inc. All rights reserved. 4K/8K時代のインターネット通信量 • オンデマンド動画配信サービスの普及に伴い通信量が増大 – 通信量は5年で約3倍、うち約8割が動画 – 97%がオンデマンド配信、4K動画の通信量は5年で30倍に増加 14 [出典] “The Zettabyte Era: Trends and Analysis,” Cisco, 07-Jun-2017. [Online]. Available: http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index- vni/vni-hyperconnectivity-wp.html. [Accessed: 25-Jun-2017].
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TIS Inc. All rights reserved. 通信量増大の仕組み • 多数の視聴者が、同じ動画を、異なる時間に視聴する → 同じ動画が何度もネットワークを流れて視聴者に転送 15 動画配信サーバ 視聴者 同じ動画がネットワークを 何度も通過 = 通信量増大の原因 視聴者 インターネット
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TIS Inc. All rights reserved. キャッシュサーバを活用した通信量削減 • データ転送経路にあるサーバがコピーを保存 – 2回目以降のリクエストに対してはコピーした動画を返答 16 ネットワークを通過する 通信量を削減 キャッシュサーバから 動画を取得 動画配信サーバ 視聴者 視聴者 キャッシュサーバ インターネット 途中のサーバで 動画のコピーを保存して 次のアクセスで再利用
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TIS Inc. All rights reserved. コンテンツ配信ネットワーク(CDN)を利用した配信支援 • 世界中にあるキャッシュサーバをネットワークで接続し、 コンテンツ配信に特化したネットワーク – Webサーバの負荷削減 + データ通信量の削減 + 転送速度の高速化 17
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TIS Inc. All rights reserved. では、今あるCDNで十分なのか? • 既存のCDNを使っても十分な通信量削減効果は得られない – キャッシュアルゴリズムが古い – キャッシュサーバの使い方が非効率的 18 [出典] “The Zettabyte Era: Trends and Analysis,” Cisco, 07-Jun-2017. [Online]. Available: http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index- vni/vni-hyperconnectivity-wp.html. [Accessed: 25-Jun-2017]. CDNを活用する 前提の通信量予測 「お金で解決」する発想 ・ ネットワークの増強 ・ ストレージの買い増し
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TIS Inc. All rights reserved. キャッシュサーバの仕組み 19
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TIS Inc. All rights reserved. コピーを保存 HTTPリクエストをWebサーバの代わりに返答 • Webサーバから取得したデータを 中継キャッシュサーバで保存 • 次回以降のリクエストには 保存したデータから応答 20 Webサーバ GET /index.html GET /index.html 200 OK index.html 200 OK index.html </> HTML </> HTML </> HTML ユーザ </> HTML ユーザ
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TIS Inc. All rights reserved. 国内 海外 HTTPリクエストをWebサーバの代わりに返答 • Webサーバから取得したデータを 中継キャッシュサーバで保存 • 次回以降のリクエストには 保存したデータから応答 21 Webサーバ キャッシュサーバ </> HTML </> HTML ユーザ GET /index.html 200 OK index.html ユーザ キャッシュヒット 通信量を削減 サーバ負荷を 削減 </> HTML </> HTML
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TIS Inc. All rights reserved. キャッシュされたコンテンツの管理 • 何をキャッシュするかによって、キャッシュヒット率が変化 → ヒット率を高くするキャッシュ管理の仕組みが重要 22 70% 20% 10% コンテンツの アクセス頻度 キャッシュサーバ キャッシュ領域 キャッシュサーバ キャッシュ領域 キャッシュサーバ キャッシュ領域 ヒット率 90% ヒット率 80% ヒット率 30% 時々刻々と変化
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TIS Inc. All rights reserved. 分散キャッシュ 分散キャッシュの仕組み • 複数のキャッシュサーバを組み合わせてキャッシュ領域を拡大 – キャッシュの配置方法が無数にあり、最適配置の計算が難しい 23 キャッシュサーバ キャッシュ領域 キャッシュサーバ キャッシュ領域 キャッシュサーバ キャッシュ領域 キャッシュサーバを ネットワーク接続 どのような配置が 良いだろうか?
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TIS Inc. All rights reserved. 従来の分散キャッシュ最適化 • 遺伝的アルゴリズムでキャッシュの最適配置を計算 – 10台の計算機クラスタを使用して10時間の計算時間がかかる • 動画コンテンツのアクセス傾向は 1時間で20-60%変化してしまう – 10時間もかけていては 結果が古く、使い物にならない 24 1時間毎の動画の人気変動
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TIS Inc. All rights reserved. 次世代CDNの技術紹介 ― 10時間の最適化計算を10秒に短縮する技術 25
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TIS Inc. All rights reserved. 基本的な考え方 • 時間をかけて計算した理論最適値の「理由」を見極めて、 無駄な計算をすべて省く 26 動画アクセス傾向 人工知能 キャッシュサーバ情報 ネットワーク形状 通信量が最小化される キャッシュ配置 (ただし10時間古い) 計算時間を数秒に短縮できる キャッシュ方法を思いついたぞ! 10時間
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TIS Inc. All rights reserved. コンテンツID(人気順) ネットワーク中に キャッシュされた数 通信量を最小化できる「理由」とは? • 人気のあるコンテンツほどネットワーク中に多数キャッシュされる – ユーザは欲しいコンテンツを近くのサーバから取得しやすくなる 27 全部 だいたい まあまあ ちょっと キャッシュしない コンテンツの人気に応じて どれだけキャッシュするか 調整できれば良い!
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TIS Inc. All rights reserved. 分散キャッシュ方法の検討:キャッシュサーバ2台の例 • コンテンツの人気度に応じて分散/重複度合いを調整 28 配信サーバ キャッシュサーバ 配信サーバ キャッシュサーバ 超人気 まあまあ あんまり コンテンツ人気度
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TIS Inc. All rights reserved. 配信サーバ 基本的な考え方: グループタグによる分散キャッシュ(1/2) • キャッシュサーバとコンテンツにそれぞれグループタグを付与 – 同一グループのコンテンツのみをキャッシュして分散保持 29 Cache server Cache server Cache server Cache server 実効キャッシュ容量を拡大 – そのままでは特定のサーバに負荷が集中してしまう
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TIS Inc. All rights reserved. 基本的な考え方: グループタグによる分散キャッシュ(2/2) • 人気コンテンツには複数のグループを付与して重複キャッシュ 30 Cache server Cache server Cache server Cache server 高人気なら 重複キャッシュ 低人気なら 分散キャッシュ 実効キャッシュ容量を拡大 キャッシュヒット率を向上
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TIS Inc. All rights reserved. キャッシュサーバのグループタグ設定方法 • 分散彩色して平均ホップ数を短縮し、通信量を削減 31 偏った彩色 分散して彩色 Hop R 2 G 3 B 0 Y 3 Avg 2 Hop R 2 G 0 B 1 Y 1 Avg 1 ホップ数を短縮
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TIS Inc. All rights reserved. コンテンツID(人気順) ネットワーク中に キャッシュされた数コンテンツタグの設定方法(1/2) • 遺伝的アルゴリズムで求めたグラフに「だいたい」フィットするよう コンテンツを人気度ごとに分類 32 人気順位 1-15 16-45 46-120 121-270 271- グループ数 4 3 2 1 0 人気度 極高 高 中 低 極低
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TIS Inc. All rights reserved. コンテンツタグの設定方法(2/2) • 人気グループごとに、 グループタグを循環的に設定 – 複雑な計算不要なため数秒で計算終了 33 人気順位 1-15 16-45 46-120 121-270 271- グループ数 4 3 2 1 0 人気度 極高 高 中 低 極低 人気順位 グループタグ 121 122 123 124 125 126 127 128 1色のタグを循環的に設定 … … 一定時間ごとに再設定
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TIS Inc. All rights reserved. 仕組みのおさらい • キャッシュサーバとコンテンツにグループタグを設定 – 人気コンテンツほど多数のグループを設定し、 理論最適に近いキャッシュ分散配置を実現 34 コンテンツID(人気順) ネットワーク中に キャッシュされた数 コンテンツのグループタグは、 厳密な計算不要でざっくり設定 キャッシュサーバは 分散彩色でバランス 良くデータ分散
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TIS Inc. All rights reserved. 通信量削減効果の評価 • 理論最適値と同等の通信量削減効果 – 従来技術と比較して60%程度の通信量を削減 35 データ通信量 理論最適値新技術従来技術③従来技術① 図:シミュレーションによる通信量評価結果 理論最適値と比較して 高々2-3%程度の 通信量オーバヘッド 実験に使用した ネットワーク構成
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TIS Inc. All rights reserved. 通信の負荷分散の評価 • グループタグに基づく経路制御で通信負荷を分散 – 配信サーバと反対方向への通信経路を活用 36 最短経路制御: 配信サーバへの最短経路のみが 使用されており,一部のリンクに 通信負荷が偏ってしまう グループタグに基づく制御: キャッシュ方向へリクエストを転送 し,負荷分散だけでなくヒット率も 向上し,全体的な通信量も削減
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TIS Inc. All rights reserved. 急激なアクセス変化に追従するハイブリッドキャッシュ技術 37
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TIS Inc. All rights reserved. 急激に変化するアクセス傾向 • TwitterやFacebookなどのSNSやニュースの影響を受けて、 特定のコンテンツに対してアクセスが集中 – 事前に予測することが難しい – キャッシュヒット率が急落して Webサーバ負荷が増大する可能性 38
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TIS Inc. All rights reserved. アクセス傾向の変化に追従するハイブリッドキャッシュ • キャッシュ領域を2つに分割し、異なるアルゴリズムを複合利用 – キャッシュヒット率向上を目的とした分散キャッシュ領域 – 変動追従を目的とした独立キャッシュ領域 39 キャッシュサーバ 分散領域 100% キャッシュサーバ 分散領域 90% 独立領域 10% グループタグがマッチし ないためキャッシュ不可 グループタグがマッチし なくてもキャッシュ可能
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TIS Inc. All rights reserved. アクセス傾向変化時のキャッシュヒット率の評価 • ハイブリッドキャッシュアルゴリズムは、 アクセス傾向が急激に変化してもキャッシュヒット率を維持 – Webサーバの負荷増大を回避 40 ハイブリッドキャッシュアルゴリズム 単一領域のキャッシュアルゴリズム アクセス傾向が変化 キャッシュヒット率 ユーザからのリクエスト数(千回) 従来のアルゴリズム:13.9%低下 新しいアルゴリズム:2.3%低下
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TIS Inc. All rights reserved. 次世代CDNの開発状況 41
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TIS Inc. All rights reserved. MPEG-DASH/HLS形式の動画通信を削減 42 • 複数のデータセンタを接続した検証環境を構築、 キャッシュからの動画配信と通信量削減を確認 複数拠点のデータセンターを連携したキャッシュネットワーク Windows/Mac/Linux/ Android/iOS端末から それぞれ動画を視聴可能
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TIS Inc. All rights reserved. 通信量のリアルタイム可視化 • 各キャッシュサーバからログを収集し、 通信状況を可視化、通信削減状況を確認 43 オリジンサーバの配信データ量 キャッシュサーバ間の通信量 クライアントへのデータ配信量 Elasticsearch/Kibanaで 通信量削減効果を リアルタイムで可視化
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TIS Inc. All rights reserved. 4K動画配信 • CEATEC 2017で4K配信の実機デモを展示 – 通信量を削減しつつ4K動画をユーザに配信 44
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TIS Inc. All rights reserved. 大容量データの分割キャッシュ • キャッシュ容量が不足するような大容量データを 複数の部分データに分割してキャッシュ可能 – 動画コンテンツの人気のあるシーンを優先的にキャッシュすることで 通信量削減効果を向上 45 再生位置 再生頻度 ニュースの 概要 スポーツの 得点シーン キャッシュサーバ
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TIS Inc. All rights reserved. その他の機能(開発予定・検討中のものを含む) • 複数CDNを組み合わせた階層化 • ジオルーティングによる近接キャッシュサーバの利用 • プライベート/オンプレミスCDNの構成 • データのプリフェッチ、予測キャッシュ制御 • キャッシュデータの暗号化 • HTTPSによるセキュア配信 • 秘密分散キャッシュ 46 その他、特許出願中・出願予定のものを含め多数
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TIS Inc. All rights reserved. まとめ 47
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TIS Inc. All rights reserved. まとめ • 次世代CDNの技術紹介 – グループタグを利用した分散キャッシュ制御で 理論最適値と同等の通信量削減効果 – グループタグを活用した新しい経路制御技術で通信負荷を分散 • 次世代CDNの開発状況 – 実動作するデモ環境ができつつある – 様々な通信量削減技術を駆使し、未来の社会インフラを目指す 48
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TIS Inc. All rights reserved. 49 動画配信がすべて4Kになっても、 新しい配信技術で解決できます。
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TIS Inc. All rights reserved. 50 私たちと共同で 次世代CDNをつくりませんか?
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