BCKH Đánh giá hiệu năng của thuật toán thay thế Web caching LRUEXT cho internet Web caching sử dụng mạng tích hợp hàng đợi và Petri Net có thời gian

Cơng nghệ thơng tin

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA THUẬT TỐN THAY THẾ WEB
CACHE LRU-EXT CHO INTERNET WEB CACHING SỬ DỤNG
MẠNG TÍCH HỢP HÀNG ĐỢI VÀ PETRI NET CĨ THỜI GIAN
Nguyễn Xuân Trường*, Hồ Khánh Lâm, Nguyễn Minh Quý
Tóm tắt: Web caching là việc lưu trữ bản sao của những tài liệu web sao cho gần
với người dùng; Web caching là ứng dụng ở cấp độ routing và phần lớn băng thông
dùng cho web với mục tiêu làm tăng tốc độ đường truyền và tốc độ truy cập web.
Các kiến trúc Internet web caching cùng với các chính sách thay thế Web cache là
những giải pháp quan trọng và không thể thiếu được trong phát triển Internet nhằm
đáp ứng các dịch vụ chất lượng cao. Một số thuật toán thay thế web cache như LRU,
LFU, MRU… đã được ứng dụng từ lâu, tuy nhiên mỗi thuật tốn đều có những ưu
điểm và nhược điểm. Do đó, cho đến nay các nghiên cứu về thay thế Web cache vẫn
còn được quan tâm. Thuật toán thay thế Web cache LRU-EXT đã được đề xuất [1]
và đánh giá hiệu năng qua các ví dụ và cơng thức tính tốn. Trong bài báo này,
chúng tơi đề xuất sử dụng mơ hình mạng tích hợp hàng đợi và Petri Net có thời gian
chung để đánh giá hiệu năng của thuật tốn LRU-EXT.
Từ khóa: Internet web caching architecture; LRU-EXT; Hybrid model of Queue and GSPN.

1. MỞ ĐẦU
Trong kiến trúc Web caching phân tầng (Hierarchical Web Caching) [2], chúng
tơi lựa chọn kiến trúc lai và phân tích đánh giá hiệu năng sử dụng mơ hình hàng
đợi với các cấp cache: Institutional Caches (IC), Regional Caches (RC), Central
Caches (CC), Original Caches (OC) [3]. Thời gian đáp ứng trung bình cho truy
nhập HTTP trong một kiến trúc Web caching phân tầng của ISP đã được chúng tôi
đề xuất trong [3]:
E[ RWC ]  E[ R3 H ]  ( Miss3 )( E[ R2 H ]  ( Miss2 )( E[ R1H ]  ( Miss1 )( E[ R0 H ])))

(1)

Trong đó: E[ R3 H ], E[ R2 H ], E[ R1H ], E[ R0 H ] - Thời gian đáp ứng truy nhập trung
bình của các cấp cache tương ứng: IC, RC, CC, và OC; Miss3 , Miss2 , Miss1 - Tỷ số
trượt cache (cache miss) ở các cấp cache tương ứng: IC, RC, CC, và OC.
Sự thay thế Web cache được thực hiện khi trượt Web cache, nghĩa là khi đối tượng
mà yêu cầu http từ người dùng (client http request) khơng có trong Web cache mà
dung lượng của Web cache đã đầy khơng cịn vùng trống để nhận vào đối tượng
web mới từ Internet đáp ứng yêu cầu của người dùng. Quá trình thực hiện tìm kiếm
nội dung web và thực hiện một thuật tốn hay chính sách thay thế Web cache nói
chung ở một cấp cache (ví dụ cấp IC) của kiến trúc Internet web caching được
chúng tơi đề xuất trong [1] cho ở hình 1.
Thuật tốn LRU (Least Recently Used) chỉ đạt hiệu quả khi các đối tượng Web
có kích thước giống nhau. Thực tế phụ thuộc vào chỉ số dân trí từng vùng, sự phát
triển của các dịch vụ thông tin di động, xét theo Zipf [4]: Các hệ thống Web cache
thiết lập ở đó cần có sự đầu tư về cơng suất, dung lượng để đáp ứng nhu cầu. Vậy
142

N. X. Trường, H. K. Lâm, N. M. Quý, “Đánh giá hiệu năng … và Petri Net có thời gian.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

nên mặc dù cùng cấp mạng nhưng các hệ thống Web cache sẽ khác nhau về dung
lượng, cơng suất vì số lượng các website được ưa chuộng khác nhau, kích thước
các đối tượng web cũng khác nhau.

Hình 1. Tìm đối tượng Web ở cấp cache IC cho u cầu Client HTTP.
Do đó khơng áp dụng các thuật toán LRU hay LFU (Least Frequently Used)
một cách đơn thuần. Ngồi ra, có một số trang web có thể một thời điểm không
được người dùng quan tâm, và dễ bị thay thế theo LRU hay LFU, nhưng sau đó,
chúng lại có thể được sự bùng nổ số người tham chiếu đến. Khi đó theo LRU hay

LFU những trang web này lại phải tìm kiếm qua mạng trên các hệ thống Web
cache khác, mà chưa chắc đã tồn tại. Thực tế đã có đề xuất thuật tốn MRU (Most
Recently Used) đối tượng được sử dụng gần đây nhất là ứng viên bị thay thế [5].
MRU được sử dụng khi cần phải truy cập đến thông tin lịch sử. Thuật tốn của
chúng tơi đề xuất khắc phục nhược điểm này bằng cách đưa vào mỗi hệ thống Web
cache một Web cache cục bộ mở rộng LEWC (Local Extended Web Cache) để lưu
tạm thời các đối tượng web bị loại bỏ khi thực hiện LRU hay LFU. Để áp dụng
thay thế cache thuật tốn SIZE liên kết kích thước cho từng đối tượng trong Web
Cache, và sẽ loại bỏ đối tượng có kích thước lớn nhất và ít được tham chiếu gần
đây nhất theo LRU. Thuật toán LRU-MIN lại loại bỏ các đối tượng có kích thước
nhỏ nhất. Thực tế sự đa dạng của các đối tượng web, đặc biệt là các nội dung của
các dịch vụ đa phương tiện, không làm cho các thuật toán này đạt được hiệu quả
cao. Bởi vì ở một thời điểm một đối tượng web được coi là lớn nhất về kích thước
nên bị loại bỏ, xong ở thời điểm khác nó khơng phải là lớn nhất.
Hoặc ngược lại một đối tượng bị coi là nhỏ nhất và bị loại bỏ theo LRU-MIN,
nhưng sau đó nó lại khơng phải là nhỏ nhất. Do đó giải pháp đưa vào LEWC có thể
khắc phục được lỗi của SIZE và LRU-MIN. Như vậy khi trượt đối tượng trong
Web cache đầu tiên, thì phải tìm kiếm trong LEWC xem có đối tượng nào trước đó
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018

143


Công nghệ thông tin

bị thay thế trùng với yêu cầu của http. Nếu có thì đó là trúng Web cache. Chỉ khi
khơng có trong LEWC, mới phải chuyển u cầu http đến Web cache tiếp thep
cùng cấp. Hình 2 thể hiện tiến trình thực hiện thuật tốn thay thế LRU-EXT cho
trường hợp Web Cache ở cấp IC: IC0 và IC1 [1].

Hình 2. Tiến trình thực hiện thuật tốn LRU-EXT.
Tỷ số trúng cache của thuật tốn LRU-EXT được tính theo cơng thức sau:
HRLRU  EXT 

HN inC  HN in LEWC  Number of hit obj in web cache    Number of hit obj in LEWC 

TN
Totalnumber of requested obj

(2)

Tỷ số trúng cache của thuật tốn LRU tính theo công thức sau:
HRLRU 

HN inC Number of hit obj in web cache

TN
Totalnumber of requested obj

(3)

So sánh hiệu năng của LRU-EXT với LRU qua tỷ số trúng cache của chúng:
HRLRU-EXT/HRLRU=(HNinC+HNinLEWC)/HNinC=1+HNinLEWC/HNinC

(4)

Giá trị 1+ HNinLEWC/HNinC > 1.
Trong bài báo này chúng tôi đề xuất sử dụng mơ hình mạng tích hợp hàng đợi
M/M/1 (Queue Model) và mạng Petri có thời gian (GSPN: Generalized Stochastic
Petri Net) để bổ sung đánh giá hiệu năng của thuật tốn LRU-EXT.

Khả năng xây dựng mơ hình kết hợp mạng hàng đợi với GSPN cho phép kết
hợp các đặc tính của các loại hàng đợi với các q trình đến của các yêu cầu truy
nhập web là quá trình Markov với phân bố mũ của tốc độ đến trung bình λ và thời
gian phục vụ trung bình của nút hàng đợi f(x) = λe - λx cùng với các đặc tính của
chuyển tiếp (Transition) kích hoạt theo thời gian (có trễ hoặc tức thời) và các vị trí
(Place) thể hiện các trạng thái và hành vi của mạng Petri cho phép tạo ra các mô

144

N. X. Trường, H. K. Lâm, N. M. Quý, “Đánh giá hiệu năng … và Petri Net có thời gian.”


Nghiên cứu khoa học cơng nghệ

hình phân tích phức tạp. Các nghiên cứu trước đây về hiệu năng của hệ thống nói
chung và kiến trúc Internet web caching chỉ sử dụng riêng lẻ hoặc mạng hàng đợi
hoặc mạng Petri. Giải pháp của chúng tôi ở đây là xây dựng mô hình q trình thực
hiện thuật tốn thay thế Web Cache LRU-EXT đã được để xuất dựa vào sự kết hợp
các hàng đợi M/M/1 và các thành phần của mạng GSPN để phân tích và đánh giá
hiệu năng của LRU-EXT.
Một số nghiên cứu liên quan: Có một số nghiên cứu về các chính sách thay
thế Web cache sử dụng Petri Net. Trong [6], các tác giả đã sử dụng mơ hình
Deterministic and Stochastic Petri Net (DSPN) để mơ hình hóa kiến trúc Proxy
Server với các loại cache để đánh giá hiệu năng theo trễ dựa vào kích thước cache
và lưu lượng. Nghiên cứu [7] sử dụng mơ hình chuỗi Markov thời gian xác định
DTMC để phân tích hiệu năng của các hệ thống caching. Mơ hình mạng hàng đợi
(Queueing Netwwork) cũng được sử dụng để nghiên cứu kiến trúc và hiệu năng
của Web Proxy Cache Server [8][9][10][11], trong đó nghiên cứu [10] đề xuất mơ
hình hàng đợi M/M/1/K và trong nghiên cứu [11] Cao et al. xây dựng hàng đợi
M/G/1/K-PS. Nghiên cứu [12] xây dựng mơ hình mạng hàng đợi đóng để đánh giá

mạng hàng đợi. Một số nghiên cứu khác sử dụng các công cụ phần mềm mô phỏng
chuyên dụng dựa trên lý thuyết hàng đợi và các loại Petri Net để dựng mơ hình
phân tích các hệ thống cache như JMT [13], Coloured Petri Net Tool (CPNTool)
[14][15], TimeNet Tools [16], CacheSIM - là công cụ mô phỏng Cache dựa vào
Coloured Petri Nets và lập trình java [17].
2. THIẾT KẾ CÁC MƠ HÌNH MẠNG KẾT HỢP
CÁC HÀNG ĐỢI VÀ GSPN
2.1. Mơ hình mạng thực hiện tìm đối tượng Web và thực hiện thay thế Web
Cache
Chuyển đồ thị ở hình 2 thành mơ hình mạng ở hình 3 với bốn cấp cache (Proxy
Cache L0, L1, L3, và Origin Server Cache). Kết quả được xây dựng trên công cụ
JMT1.0.2.
Bảng 1. Các nút mạng tích hợp cho ở hình 3.
Mạng GSPN
Các nút
Chức năng
Các nút
Chức năng
Client-D
Yêu cầu client
PRC-L3Cache L3 đã đầy
http
FULL
PRC-L0-S Ghi vào Cache
ORG-H
Trúng Cache ORG
L0
PRC-L0-H
Trúng Cache
tReq_L0

Client request to Proxy Server
L0
Cache L0
PRC-L0-M
Trượt Cache
tL0Resp
Đáp ứng trả về client từ Cache L0
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018

145


Công nghệ thông tin

PRC-L0FULL
PRC-L1-S
PRC-L1-H
PRC-L1-M
PRC-L1FULL
PRC-L2-S
PRC-L2-H
PRC-L2-M
PRC-L2FULL
PRC-L3-S
PRC-L3-H
PRC-L3-M

Các
nút
ClientQ

PRCL0
PRCL1
PRCL2
PRCL3

146

L0
Cache L0 đã
đầy
Ghi vào Cache
L1
Trúng Cache
L1
Trượt Cache
L1
Cache L1 đã
đầy
Ghi vào Cache
L2
Trúng Cache
L2
Trượt Cache
L2
Cache L2 đã
đầy
Ghi vào Cache
L3
Trúng Cache
L3

Trượt Cache
L3
Chức năng

Các đầu cuối người
dùng
Proxy Server
Cache L0
Proxy Server
Cache L1
Proxy Server
Cache L2
Proxy Server
Cache L3

tReq_L1

Gửi yêu cầu đến Proxy Server
Cache L1
Đáp ứng trả về Cache L0 từ
Cache L1
Thực hiện thuật toán thay thế
Cache
Gửi yêu cầu đến Proxy Server
Cache L2
Đáp ứng trả về Cache L1 từ
Cache L2
Thực hiện thuật toán thay thế
Cache L1
Gửi yêu cầu đến Proxy Server

Cache L3
Đáp ứng trả về Cache L2 từ
Cache L3
Thực hiện thuật toán thay thế
Cache L2
Gửi yêu cầu đến Origin Server
Cache
Đáp ứng trả về Cache L3 từ
Cache OS
Thực hiện thuật toán thay thế
Cache L3

tL1Resp
tReplL0
tReq_L2
tL2Resp
tReplL1
tReq_L3
tL3Resp
tReplL2
tReq_OS
tOSResp
tReplL3
Mạng Hàng đợi
Các nút

Chức năng

OrgSER

Origin Server

PRC-L1-L0W
PRC-L2-L1W
PRC-L3-L1W
PRC-OS-L3W

Ghi đối tượng Web từ Cache L1
vào L0
Ghi đối tượng Web từ Cache L2
vào L1
Ghi đối tượng Web từ Cache L3
vào L2
Ghi đối tượng Web từ Cache
OS vào L3

N. X. Trường, H. K. Lâm, N. M. Quý, “Đánh giá hiệu năng … và Petri Net có thời gian.”


Nghiên cứu khoa học cơng nghệ

Hình 3. Mơ hình mạng 4 cấp cache tìm đối tượng web
và thực hiện thay thế web cache.
2.2. Mơ hình với ba cấp cache
Để so sánh kiến trúc Web caching giữa ba cấp và bốn cấp cache, chúng tơi đưa
vào mơ hình ba cấp cache như ở hình 4.

Hình 4. Mơ hình mạng 3 cấp cache tìm đối tượng Web
và thực hiện thay thế Web Cache.
2.3. Mơ hình mạng tích hợp cho phân tích kiến trúc cache với thực hiện thay

thế web cache bằng LRU-EXT

Hình 5. Mơ hình tích hợp kiến trúc cache với thực hiện t
hay thế Web cache bằng LRU-EXT.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018

147


Công nghệ thông tin

Từ đồ thị diễn giải thực hiện thuật tốn thay thế Web cache ở hình 2, chúng tơi đề
xuất mơ hình mạng tích hợp hàng đợi và GSPN của kiến trúc Web caching 3 cấp ở
hình 5.
Bảng 2. Các nút của mơ hình cho ở hình 5.
Mạng GSPN
Các nút

Chức năng

Các nút

Chức năng

Client-D

Yêu cầu client http L2-NoMinSize

Min Size In Cache L2: No

PRC-L0-S

Ghi vào Cache L0 L0-NoMaxSize

Max Size IN Cache L0: No

PRC-L0-H

Trúng Cache L0

L1-NoMaxSize

Max Size IN Cache L1: No

PRC-L0-M

Trượt Cache L0

L2-NoMaxSize

Max Size IN Cache L2: No

PRC-L0FULL

Cache L0 đã đầy

tReq_L0

Client request to Proxy Server
Cache L0

PRC-L1-S

Ghi vào Cache L1

tL0Resp

Đáp ứng trả về client từ Cache
L0

PRC-L1-H

Trúng Cache L1

tReq_L1

Gửi yêu cầu đến Proxy Server
Cache L1

PRC-L1-M

Trượt Cache L1

tL1Resp

Đáp ứng trả về Cache L0 từ
Cache L1

PRC-L1FULL

Cache L1 đã đầy

tReq_L2

Gửi yêu cầu đến Proxy Server
Cache L2

PRC-L2-S

Ghi vào Cache L2

tL2Resp

Đáp ứng trả về Cache L1 từ
Cache L2

PRC-L2-H

Trúng Cache L2

tReq_OS

Gửi yêu cầu đến Origin Server
Cache

PRC-L2-M

Trượt Cache L2

tOSResp

Đáp ứng trả về Cache L2 từ
Cache OS

PRC-L2FULL

Cache L2 đã đầy

ORG-H

tSizeCompLRU SIZE Compare: New Object
and Cache L0 Object by LRUMINL0
MIN

Trúng Cache ORG tSizeCompLRU SIZE Compare: New Object
and Cache L1 Object by LRUMINL1
MIN

L0Min Size In Cache tSizeCompLRU SIZE Compare: New Object
and Cache L2 Object by LRUYesMinSize
L0: Yes
MINL2
MIN
L1-

148

Min Size In Cache tStoreIntoLEWC Store Object to Ext Cache L0

N. X. Trường, H. K. Lâm, N. M. Quý, “Đánh giá hiệu năng … và Petri Net có thời gian.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

YesMinSize

L1: Yes

-L0

L2Min Size In Cache tStoreIntoLEWC Store Object to Ext Cache L1
YesMinSize
L2: Yes
-L1
L0Max Size In Cache tStoreIntoLEWC Store Object to Ext Cache L2
YesMaxSize
L0: Yes
-L2
L1Max Size In Cache tSizeCompSIZEI SIZE Compare: New Object
YesMaxSize
L1: Yes
nL0
and Cache L0 Object by SIZE
L2Max Size In Cache tSizeCompSIZEI SIZE Compare: New Object
YesMaxSize
L1: Yes
nL0
and Cache L1 Object by SIZE
L0Min Size In Cache tSizeCompSIZEI SIZE Compare: New Object
NoMinSize

L0: No
nL0
and Cache L2 Object by SIZE
L1Min Size In Cache
NoMinSize
L1: No
Mạng Hàng đợi
Các nút

Chức năng

Các nút

Chức năng

Client-Q

Các đầu cuối người PRC-OS-L2-W
dùng

Ghi đối tượng Web từ Cache
OS vào L2

PRC-L0

Proxy Server Cache
L0

PRC-L0MinSizeFind

Min Size finded in Cache L0

PRC-L1

Proxy Server Cache
L1

PRC-L1MinSizeFind

Min Size finded in Cache L1

PRC-L2

Proxy Server Cache
L2

PRC-L2MinSizeFind

Min Size finded in Cache L2

OrgSER

Origin Server

PRC-L0MaxSizeFind

Max Size finded in Cache L0

PRC-L1-L0- Ghi đối tượng Web
W

từ Cache L1 vào L0

PRC-L1MaxSizeFind

Max Size finded in Cache L1

PRC-L2-L1- Ghi đối tượng Web
W
từ Cache L2 vào L1

PRC-L2MaxSizeFind

Max Size finded in Cache L2

3. MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN
3.1. So sánh các kiến trúc Web caching 4 cấp cache, 3 cấp cache với thực hiện
thay thế Web cache, và thực hiện LRU-EXT
- Sử dụng cơng cụ JMT1.0.2 tính các thơng số hiệu năng: PRCL0_class1_Number of Customers (j): Số yêu cầu của client đến Proxy Server
Cache

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018

149


Công nghệ thông tin

PRC-L0_class1_Response Time (s): Đáp ứng của Proxy Server Cache L0 (giây)
PRC-L0_class1_Utilization: Mức độ sử dụng của Proxy Server Cache L0
class1_Systen Number of Customers (j): Tổng số yêu cầu http trong kiến trúc

mạng
class1_System Response Time (s): Đáp ứng trung bình của kiến trúc mạng
3.2. Mơ phỏng
a) Đặt thời gian phục vụ của các nút hàng đợi mơ hình mạng 4 cấp cache cho ở
hình 3: PRC-L0, PRC-L1-L0-W, PRC-L1, PRC-L2, PRC-L2-L1-W, PRC-L3,
PRC-L3-L2-W, PRC-OS-L3-W, OrgSER có phân bố mũ f(x)=λe-λx và có giá trị
trung bình= 0.25s và λ=4.
Các chuyển tiếp có thời gian trễ kích hoạt như sau: tReq_L0=1s mean và λ=1;
tL0Resp=4s mean và λ=0.25; tReq_L1 = 5s mean và λ=0.2; tL1Resp=10s mean và
λ=0.1; tReq_L2=8s mean và λ=0.125; tL2Resp=15s mean và λ=0.067;
tReq_L3=10s mean và λ=0.1; tL3Resp=20s mean và λ=0.05; tReq_OS=15s mean
và
λ=0.067;
tOSResp=25s
mean
và
λ=0.04;
tReplL0=tReplL1=tReplL2=tReplL3=0.2s mean và λ=5.
b) Đặt thời gian phục vụ của các nút hàng đợi mơ hình mạng 3 cấp cache cho ở
hình 4: PRC-L0, PRC-L1-L0-W, PRC-L1, PRC-L2, PRC-L2-L1-W, PRC-OS-L2W, OrgSER có phân bố mũ f(x)=λe-λx và có giá trị trung bình = 0.25 và λ=4. Các
chuyển tiếp có thời gian trễ kích hoạt như sau: tReq_L0=1s mean và λ=1;
tL0Resp=4s mean và λ=0.25; tReq_L1=5s mean và λ=0.2; tL1Resp=10s mean và
λ=0.1; tReq_L2=8s mean và λ=0.125; tL2Resp=15s mean và λ=0.067;
tReq_OS=15s mean và λ=0.067; tOSResp=25s mean và λ=0.04;
tReplL0=tReplL1=tReplL2=tReplL3=0.2s mean và λ=5.
c) Đặt thời gian phục vụ của các nút hàng đợi mơ hình mạng 3 cấp cache những
có thực hiện LRU-EXT cho ở hình 5: PRC-L0, PRC-L1-L0-W, PRC-L1, PRC-L2,
PRC-L2-L1-W, PRC-OS-L2-W, OrgSER có phân bố mũ f(x)=λe-λx và có giá trị
trung bình = 0.25 và λ=4. Các nút hàng đợi L0-MaxSizeFind, PRC-L0MinSizeFind, L1-MaxSizeFind, PRC-L1-MinSizeFind, L2-MaxSizeFind, và PRCL2-MinSizeFind có thời gian phục vụ trung bình = 0.2s và λ=5. Các chuyển tiếp có
thời gian trễ kích hoạt như sau: tReq_L0=1s mean, λ=1; tL0Resp=4s mean,

λ=0.25; tReq_L1= 5s mean, λ=0.2; tL1Resp=10s mean, λ=0.1; tReq_L2=8s mean,
λ=0.125; tL2Resp=15s mean, λ=0.067; tReq_OS=15s mean, λ=0.067;
tOSResp=25s mean, λ=0.04; tReplL0=tReplL1=tReplL2=tReplL3=0.2s mean,
λ=5. Các chuyển tiếp tức thời cho thực hiện LRU-EXT: tSizeCompLRUMINInL0,
tStoreIntoLEWC-L0,
L0-YesMinSizeFind,
L0-MaxSizeFind,
tSizeCompLRUMINInL1, tStoreIntoLEWC-L1, L1-YesMinSizeFind, L1MaxSizeFind,
tSizeCompLRUMINInL2,
tStoreIntoLEWC-L2,
L2YesMinSizeFind, và L2-MaxSizeFind.

150

N. X. Trường, H. K. Lâm, N. M. Quý, “Đánh giá hiệu năng … và Petri Net có thời gian.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

d) Xác suất định tuyến của các hàng đợi được xác định cho trường hợp có xác
suất trúng cache cao: PRC-Li-H = 0.9, PRC-Li-M = 0.1; trong đó, i = 0, 1, 2, 3
Để có thể thực hiện thay thế Web cache, đặt trường hợp xấu nhất: PRC-L0-L0W có xác suất định tuyến đến nút vị trí PRC-Li-FULL = 0.9; trong đó i = 0, 1, 2, 3
3.3. Kết quả chạy mô phỏng các mô hình mạng
a) Mạng 4 cấp cache:
b) Mạng 3 cấp cache:

Hình 6a. PLC-L0_class1_Number of
Customers (j).

Hình 7a. PLC-L0_class1_Number of

Customers (j).

Hình 6b. PRC-L0_class1_Response
Time (s).

Hình 7b. PRC-L0_class1_Response
Time (s).

Hình 6c. PRC-L0_class1_Utilization.

Hình 7c. PRC-L0_class1_Utilizatio.

Hình 6d. class1_System Number of
Customers (j).

Hình 7d. class1_System Number of
Customers (j).

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018

151


Cơng nghệ thơng tin

Hình 6e. class1_System Response
Hình 7e. class1_System Response Time
Time (s).
(s).
c) Mạng 3 cấp cache với thuật toán thay thế Web cache LRU-EXT

Hình 8a. PLC-L0_class1_Number of
Customers (j).

Hình 8b. PRC-L0_class1_Response
Time (s).

Hình 8c. PRC-L0_class1_Utilization.

Hình 8d. class1_System Number of
Customers (j).

Hình 8e. class1_System Response Time (s).
3.4. Đánh giá kết quả
Vì Proxy Server L0 nằm ngay tại mạng của người dùng Internet, nó ảnh hưởng
trực tiếp và quan trọng đến chất lượng đáp ứng các yêu cầu http từ người dùng, nên
các số đo hiệu năng lấy trên PRC-L0. Mạng 4 cấp cache và mạng 3 cấp cache sử
dụng thay thế Web cache cho thấy đáp ứng của PRC-L0_Response Time (s) có sự
khác nhau. Giá trị này của mạng 3 cấp cache (3.393s-232.768s) nhỏ hơn so với
mạng 4 cấp cache (3.658s-241.543s), đó là vì trễ đáp ứng của mạng 4 cấp cache có
cao hơn, trong khi xác suất trúng cache cục bộ được đặt giống nhau. Đáp ứng của
152

N. X. Trường, H. K. Lâm, N. M. Quý, “Đánh giá hiệu năng … và Petri Net có thời gian.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

hệ thống mạng 3 cấp cache (662.241s-2050.199s) có giá trị trung bình tương
đương với mạng 4 cấp cache (667.894s-1879.915s). Điều này xác định số cấp

cache khác nhau của kiến trúc Web caching không ảnh hưởng nhiều đến đáp ứng
của mạng cho các yêu cầu người dùng (http client).
Kết quả mơ phỏng của mơ hình mạng 3 cấp cache có thực hiện thuật tốn thay
thế được đề xuất LRU-EXT cho thấy PRC-L0-class1_Response Time (s) (3.111s230.901s) nhỏ hơn kết quả của mạng 3 cấp cache không sử dụng LRU-EXT
(3.393s-232.768s). Đáp ứng của hệ thống với LRU-EXT (507.463s-1870.567s)
cũng nhỏ hơn hệ thống khơng có LRU-EXT (662.241s-2050.199s). Như vậy, sự
đưa vào thuật tốn LRU-EXT vừa đảm bảo có được truy nhập các nội dung web
lịch sử vừa cho đáp ứng trung bình của Proxy Server Cache và tồn kiến trúc mạng
có nhúng thuật tốn LRU-EXT tốt hơn.
4. KẾT LUẬN
Sự kết hợp mạng hàng đợi và mạng Petri có thời gian cho phép thực hiện mơ
hình hóa các kiến trúc mạng và các thuật tốn phức tạp. Sử dụng mơ hình kết hợp
này chúng tơi đã có thể phân tích và đánh giá hiệu năng thuật toán thay thế Web
cache LRU-EXT được đề xuất mà nghiên cứu [1] đã trình bày. Công nghệ nhớ làm
cho vấn đề mở rộng dung lượng của cache (trên hệ thống đĩa) của Proxy Server là
đơn giản, vì vậy LRU-EXT sẽ làm tăng tỷ số trúng cache, tỷ số trúng byte, và giảm
thời gian đáp ứng của Proxy Server Cache, giảm tải lưu lượng ở các cấp mạng trên
về phía các Server nguồn của các web site.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Xuân Trường, Hồ Khánh Lâm, "Đề xuất thuật toán thay thế cache
cho kiến trúc Internet Web Caching của nhà cung cấp dịch vụ Internet". Tạp
chí Nghiên cứu Khoa học và Cơng nghệ qn sự, số đặc san 07-2017 (Tr. 5460). ISSN: 1859-1043.
[2]. Pablo Rodriguez, Christian Spanner, Ernst W.Biersack,"Web Caching
Architectures:
Hierarchical
and
Distributed
Caching".
(4th International WWW Caching Workshop),
Institut EUROCOM, france, 1999.

[3]. Ho Khanh Lam, Nguyen Xuan Truong, “Performance Analysis of Hybrid
Web Caching Architecture”, American Journal of Networks and
Communications. Vol. 4, No. 3, 2015, pp. 37-43. doi:
10.11648/j.ajnc.20150403.13.
[4]. George Kingsley Zipf, “Relative frequency as a determinant of phonetic
change”. eprinted from the Havard Studies in Classical Philiology, Volume
XL, 1929.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018

153


Công nghệ thông tin

[5]. Harshal N. Datir, Yogesh H. Gulhane, P.R. Deshmukh, "Analysis and
Performance Evaluation of Web Caching Algorithms". International Journal
of Engineering Science and Technology (IJEST). ISSN : 0975-5462 NCICT.
Special Issue Feb 2011.
[6]. Christoph Lindemann and Martin Reiser, "Modeling Web Proxy Cache
Architectures". />[7]. Valentina Martina, Michele Garetto, Emilio Leonardi, "A unified approach to
the performance analysis of caching systems". />1307.6702.pdf. 2016
[8]. Tamas Berczes, Janos Sztrik, "A queueing network model to study Proxy
Cache Servers". Proceedings of the 7th International Conference on Applied
Informatics Eger, Hungary, January 28–31, 2007. Vol. 1. pp. 203–210.
[9]. Xue Liu, Jin Heo, Lui Sha, "Modeling 3-Tiered Web Services". University of
Illinois at Urbana-Champaign.
[10]. TAMÁS BÉRCZES, "Performance evaluation of Proxy Cache Servers".
University of Debrecen, Dept. of Informatics Systems and Networks.
7/2006.

[11]. J. Cao, M. Andersson, C. Nyberg, and M. Kihl, "Web server performance
modeling using an M/G/1/K*PS queue”, presented at 10th International
Conference on Telecommunications (ICT 2003), 2003.
[12]. K. Y. Wong and K. H. Yeung, "Analytical Study on Web Caching Systems
using Closed
Queuing Network Modeling". Computer Studies Program
Macao Polytechnic Institute.
[13]. M.Bertoli, G.Casale, G.Serazzi, "JMT: performance engineering tools for
system modeling". ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review,
Volume 36 Issue 4,
New York, US, March 2009, 10-15, ACM press.
(Article) (BibTex).
[14]. "CPN Tools: A tool for editing, simulating, and analyzing Colored Petri
nets". />[15]. Kurt Jensen, "A Brief Introduction to Coloured Petri Nets". Computer
Science Department, University of Aarhus NyMunkegade, Bldg. 540, DK8000 AarhusC, Denmark.
[16]. Reinhard German, Christian Kelling, Armin Zimmermann, Günter Hommel,
"TimeNET: a toolkit for evaluating non-Markovian stochastic Petri nets".
Performance Evaluation Volume 24, Issues 1–2, November 1995, Pages 69.
[17]. "CacheSIM: A Web Cache Simulator Tool Based on Coloured Petri Nets and
Java Programming". IEEE Latin America Transactions (Volume: 13, Issue:
5, May 2015). Print ISSN: 1548-0992.
154

N. X. Trường, H. K. Lâm, N. M. Quý, “Đánh giá hiệu năng … và Petri Net có thời gian.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

ABSTRACT
EVALUATE PERFORMANCE OF REPLACEMENT WEB CACHE LRU-EXT

ALGORITHM FOR INTERNET WEB CACHING USING INTEGRATED
QUEUE NETWORK AND GENERALIZED STOCHASTIC PETRI NETS
Web caching is to save the copy of the document web which is near to the
web user; Web caching is the application in the routing level and the most
bandwidth is used for web to go up speed data transfer and speed access web.
The internet web caching architectures and web cache replacement policies
are the importance solution and they can not missing in the internet
development to provide the high quality services. Some algorithm of the web
cache replacement are RLU, LFU, MRU and etc were applied since many
years ago. Nevertheless, each algorithm exists the advantage and dis
advantage. Therefore, web cache replacement has been considered by the
reseacheres. The LRU-EXT algorithm web cache replacement was proposed
[1] and its evaluated by the examples and the formular equations. In this
paper, we propose a model which is the network integrated the queue and
Petri net has common time to evaluate the performance of the algorithm
LRU-EXT.
Keywords: Internet web caching architecture; LRU-EXT; Hybrid model of Queue and GSPN.

Nhận bài ngày 28 tháng 6 năm 2018
Hoàn thiện ngày 03 tháng 10 năm 2018
Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 11 năm 2018
Địa chỉ:

Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên.
* Email:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CNTT, 11 - 2018

155