行動隨意網路之資料快取及快取一致性之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

行動隨意網路之資料快取及快取一致性之研究 研究成果報告(精簡版)

計 畫 類 別 ： 個別型

計 畫 編 號 ： NSC 94-2213-E-011-064-

執 行 期 間 ： 94 年 08 月 01 日至 96 年 01 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立臺灣科技大學資訊管理系

計 畫 主 持 人 ： 呂永和

計畫參與人員： 博士班研究生-兼任助理：洪振洲

碩士班研究生-兼任助理：李建宗、劉威呈、宋子康

報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文

處 理 方 式 ： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 96 年 01 月 31 日

行動隨意網路之資料快取及快取一致性之研究

A study on data caching and cache consistency in Mobile Ad Hoc Networks

主持人：呂永和 {[email protected]} 國立台灣科技大學資訊管理系 計畫參與人員：呂永和、洪振洲、李建宗、劉威呈、宋子康

一、中文摘要

關鍵詞：行動隨意網路、行動計算、

合作式資料快取、快取一致性 行動隨意網路(Mobile ad hoc networks)是近年來的一個熱門研究 題目，由於行動隨意網路不需要固定 的網路設施，適合緊急性的網路應 用，如災難救援：或在艱難的環境中 執行溝通任務，如戰場情報系統。由 於行動隨意網路中的各個節點都是 使用電池為能源，所以在行動隨意網 路中傳送資料，必須考慮省電的需 求。本計畫研究在行動隨意網路上的 資料快取問題。行動計算是無線網路 應用的一種，網路中有一個伺服器保 存行動客戶端所需的資料；而行動客 戶端會以無線網路向伺服器擷取所 需的資料。資料快取技術可以降低行 動客戶端能源消耗與查詢等待時 間，很適合在行動隨意網路中使用。

然而，傳統的資料快取在行動隨意網 路中使用，會遭遇到一些困難，包括 (1)在行動隨意網路中傳送資料，必 須經由多節點轉送(multi-hop communication)及(2)網路中的節點 移動性高等。這些因素使得行動隨意 網路中的資料傳輸的成本很高。也使 得傳統的資料快取技術不適用於行 動隨意網路中。本計畫的目的在研究 適合行動隨意網路的資料快取技 術，包括適合行動隨意網路的資料快 取方法以及維持快取資料一致性的 方法。

二、英文摘要

Key Words: Mobile Ad Hoc Networks, Mobile Computing, Collaborative

Caching, Cache Consistency Mobile ad hoc network (MANET) is an active research area in the recent years. Without the need of a pre-installed infrastructure, a MANET is very suitable for disaster recovery and military applications. Since a mobile host in a MANET is battery-powered, it is very important to reduce its power consumption. In this project, we study the issues of using data caching to enhance the performance of a mobile computing environment in a MANET. A mobile computing environment is an environment in which a server keeps data items and a set of mobile clients retrieve their required data items from the server through a wireless network.

Traditional data caching techniques are not suitable for MANETs because they do not consider the multi-hop communication nature and the constantly changing of network topology of a MANET. In this project, we develop data caching schemes and cache consistency maintaining schemes for a MANET.

三、前言

由於無線通訊技術的進步，無線網 路的應用正在蓬勃發展，無線網路的 技術中，有一種網路稱為行動隨意網 路(Mobile Ad Hoc Network, 簡稱 MANET)，MANET 是由具有無線通訊 能力的行動設備，臨時建立起來的網 路。由於此種網路不需要預先建立固 定的網路設施，因此對於一些臨時的 網路應用(如災難救助) ，或是在無法 建立網路設施的地方(例如,在戰場 上)，都可以達到傳送資料及通訊的效 果。MANET 中傳送資料時，會有相當 大的限制。MANET 主要的特性如下 [1]：

1、沒有網路基礎架構 (infrastructure-less)。

2、多節點封包轉送(Multi-hop communication)

3、受限於能源的操作模式(Energy constrained operation)

4、不斷變化的網路拓樸 (Dynamically changing network topology)

由於這些限制，在 MANET 上傳 輸資料，會比較沒有效率。

四、研究目的

考慮如圖一中的一個建立在 MANET 中的行動計算模型，其中節點 Ns為資料伺服器，可以連上 Internet 以取得系統所需資料項，資料項會週 期性地更新；而其他節點則必須由資 料伺服器 N_s（或向其他擁有快取的節 點）取得所需資料項。在這個環境下，

我們討論兩個主題：一、各節點除了

Ns外，如何決定應該快取(cache)哪些 資料項？二、當一個節點需要某一資 料項時，如何取得該資料項的最新內 容？

圖一、 行動計算系統模型 五、文獻探討

在解決第一個問題上，有 Cao 等 [2]提出的協同快取方法，作者提出了 簡單且結合 MANET 的繞境協定

（Routing Protocol）的合作快取的方法 --Cache Data 與 Cache Path。在 Cache Data 策略中，每一個節點會紀錄周圍 其他節點透過它請存取的資料項的存 取頻率，當某一節點發現其周圍節點 透過它請求某一資料項 i 的存取頻率 超過所訂的門檻值時，此一節點會將 資料項 i 快取下來，所快取的資料項 i 可供相鄰節點使用。而在 Cache Path 中，節點不會快取熱門資料項，而是 紀錄熱門資料項所在節點的路徑。當 另一個客戶端傳送資料項要求給此節 點時，此節點會回應可能具有該熱門 資料項的節點的路徑。

在[3]中 T. Hara 提出了三個合作的 快取資料配置(Replica Allocation)方 法，討論每一個節點的快取策略。這 三種方法是：SAF、DAFN 與 DCG。

在 SAF 方法中，每一個節點只快取對 自己有用的資料項；換句話說，這一

個方法沒有合作的行為。在 DAFN 中，每一個節點仍依照 SAF 策略來快 取資料項，但每隔 T 秒，每一個節點 必須與周圍的其它節點溝通，若發現 該節點與周圍的節點快取相同的資料 項時，則對該資料項的存取頻率較低 的那一個節點，會將其資料項刪除，

以節省快取空間。而在 DCG 的方法 中，會考慮節點的移動性(mobility)對 合作快取所帶來的影響，透過尋找穩 定的合作夥伴，加強彼此的合作程 度。在[4]中 T. Hara 延伸在[3]中的方 法，考慮當資料項會被異動時，較佳 的合作快取方法。作者以 P*T 當作資 料項被快取與否的指標，P 是資料項的 存取機率，而 T 是剩下多久時間該資 料項將會被會異動。P*T 值越小代表 該資料項的存取機率低且已經快要被 異動了，這種資料項較不值得暫存在 快取記憶體中。作者以此方式改進在[3]

中所提的三種方法，而提出三個考量 資料項會被異動時的合作方法，即 E-SAF＋、E-DAFN＋與 E-DCG＋。

在解決第二問題上，Cao 等[5]提出 了 MTS 及 ACOD 方法，MTS 是改進 T. Imielinski [6]針對傳統 GSM 行動計 算 環 境 中 維 護 暫 存 資 料 一 致 性 的 Timestamp(TS)法。在 MTS 當中，資料 伺服器採用 TS 的做法，定期播放失效 資料驗證報告（IR） 。IR 中紀錄前一 段時間在資料伺服器中被異動的資料 項清單，當節點收到 IR 之後，會利用 IR 把快取中的過時暫存資料項清除，

以維護快取一致性。而 MTS 與 TS 不 同的是，當節點所需資料項不存在於 快取中時，節點會利用合作快取的方 式，來尋找可用資料項。而在 ACOD 方法中， 資料 伺服器 並不播放任何

IR，而當節點存取資料項時，必須先 搜尋介於自己與資料伺服器之間的所 有節點的快取，以找出擁有該資料項 的較新內容的節點。並將此相關資料 項繼續傳送至資料伺服器端，驗證該 資料是否有效（亦即是否與伺服器端 的相同？）。然後資料伺服器將驗證的 結果 傳 回至擁有該快 取資料項的節 點，再由該節點回覆最新的資料項內 容給請求該資料項的節點。Cao 將此資 料 驗 證 方 法 稱 為 “ 需 求 式 (On-Demand)”的快取資料驗證方式。

此方法的特點是與 MANET 合作快取 結合，確保節點能有效率地尋找到所 需的資料項。

六、研究方法

在 本 計 畫 中 我 們 發 展 了 三 個 方 法，針對第一個問題，我們發展了一 個考量各節點剩餘能 源的快取方法 [7] ，在這個方法中，相鄰節點會形成 一個群組，該群組中每一個節點會依 其所剩餘的能源比率，決定提供合作 快取的記憶體空間大小；剩餘能源較 多者，提供較多的合作快取空間；如 此，整個網路的存活時間會較久，因 為由能源較多的節點負擔快取別人的 資料項的責任，較不會因存取資料項 及資料項的傳送而耗盡某一節點的能 源，使網路不連通。在[8]中我們發展 了一個考慮節點間連結穩定度的合作 快取方法，主要的作法是設計一個量 測節點間連結穩定度的方法，每一個 節點依其與相鄰節點之間的連結穩定 程度，決定所提供合作快取的記憶體 空間大小。與相鄰節點的穩定程度越 高者，提供較多的快取空間以儲存相

鄰節點所需的資料項。這個方法較能 應付節點間因移動而造成所合作快取 的內容無法取得的問題。

而在處理第二問題上，我們改良 了 ACOD 的方法，提出 NCIS 方法[9]，

NCIS 改變 ACOD 的資料搜尋及驗證 方式，NCIS 會先行驗證本地快取資料

項的有效性，同時也決定所需的最大 資料搜尋半徑；最後，透過向各方向 廣播的方式，在較小的廣播半徑中，

取 得 最 近 的 有 效 資 料 項 。 NCIS 比 ACOD 更能節省資料伺服器及各節點 的能源消耗；同時，資料查詢等待時 間也較短。

八、參考文獻

[1] I. Chlamtac, M. Conti and J. J.-N. Liu,

``Mobile ad hoc networking: imperatives and challenges, ''Ad hoc networks, vol. 1 (2003)13-64.

[2] G. Cao, L. Yin and C. R. Das ,

``Cooperative cache-based data access in ad hoc networks, ''IEEE Computer

Magazine, vol. 37, issue. 2, pp. 32 - 39,

[3] T. Hara,``Effective replica allocation in ad hoc networks for improving data accessibility, ''

IEEE INFOCOM 2001,

[4] T. Hara and S. K. Madria,``Data replication for improving data

accessibility in ad hoc networks, ''

IEEE Transactions on Mobile Computing, vol.

5, no. 11, pp. 1515 –1532, Nov. 2006.

[5] S. Lim, W. Lee, G. Cao, and C. Das,

``Performance Comparison of Cache Invalidation Strategies for Internet-based Mobile Ad Hoc Networks,'' IEEE

International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems (MASS),

[6] D. Barbara and T. Imielinski. ``Sleeper and Workaholics: Caching Strategies in Mobile Environments, '' Proc. ACM

SIGMOD, pp.1-12, 1994

隨意網路中節省能源

的協同資料快取方法,”

National Computer Symposium, MC28, Dec.

12/15-12/16, 2005.

[8] 呂永和、劉威呈， “無線隨意網路中考 量連結穩定度的協同快取方法,” Tanet 2006.

[9] Y. Leu, J.-J. Hung and M. -B Lin, ``A new cache invalidation and searching policy for mobile ad hoc networks, ''Wseas Transactions on Computer

Research, Issue 1, vol. 2, Jan. 2007.

url:

http://www.worldses.org/journals/research/

contents.htm

1、研究內容與原計畫相符程度

本研究內容與原提案計畫內容相符。

2、預計達成目標狀況

本計畫所提之研究目標，都能有效地達 成。

3、研究成果的學術或應用價值

本研究初步結果，分別發表在全國計算 機[7]會議(NCS)及 Tanet[8]研討會中。

4、是否適合在期刊上發表

本研究的第三結果已發表在 2007 年的國 外期刊之中[9]，其他兩個結果可望整合 成為一篇期刊論文。

出席國際學術會議心得報告

計畫編號 NSC 94-2213-E-011-064

計畫名稱 行動隨意網路之資料快取及快取一致性之研究 出國人員姓名

服務機關及職稱 呂永和，國立台灣科技大學資管系副教授 會議時間地點 澳洲，黃金海岸

會議名稱 WSEAS International Conference on Computer Engineering and Applications (CEA’07)

發表論文題目 A New Cache Invalidation and Searching Policy for Mobile Ad Hoc Networks 一、參加會議經過

本人參加該會議並擔任一個議程的主席（Session Chair）。我的議程有八篇論文發表，

其中有一位泰國人（New York City University 的 Ph.D.），有一位印度人(IIT 碩士)，和我 三個人發表論文，其間大家相談甚歡。尤其是和泰國人更是投緣，大家用英文交談毫無 障礙。會議的聽眾大約 5 到 6 人，以前我對於別人的發問，不太容易掌握重點，這次應 付的還不錯。我想在美國 5 年的求學經驗，幫了很大的忙。

不過我還是發現泰國人的英文比我熟練，相談之下發現泰國人在泰國是用英文上 課。該泰國人所在的大學有兩個學程—全英語學程與泰語學程。我想用英文上課對英文 的熟練程度應該有所幫助。

本人在旅行時遇到了一些波折，到了香港發現香港轉接到布里斯本的飛機延後一天 才到，航空公司原本安排免費進住機場飯店(Regal Hotel)，但香港海關人員硬是不給進入 該飯店，說我沒有港簽，問題是我根本沒有預定要進入香港，我想香港政府對於台灣人 民並不十分友善。另外，我發覺香港赤蠟角機場已經被中國政府接管。

二、與會心得

雖然該會議的等級並不高，但參與者相當多，專業上的收穫雖然不大，但跟各國學 者一起討論，對於提升研究樂趣幫助很大；同時，與各國人交換國際情勢等意見，對於 增進外國人對於台灣的瞭解、台灣困境的瞭解幫助很大。

我的論文有被收錄到期刊中，雖然期刊不是很好，也不無收穫。

不過，下次還是需要提升研究的深度，投稿較專業的會議，收穫才會比較大。