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Bloom Filter应用之Web Cache Sharing

 moonboat 2014-05-08


从这篇文章开始,我会陆续介绍一些bloom filter的应用。Bloom filter1970年由Burton Bloom在一篇名为Space/Time Tradeoffs in Hash Coding with Allowable Errors的论文中提出。这篇论文同时将bloom filter(论文中不叫这个,只说是一种哈希方法,Bloom还没有自负到直接将其命名为bloom filter,呵呵)应用在拼写检查中。从此以后,bloom filter就被广泛用于拼写检查之类的字典应用以及数据库中。到了90年代,bloom filter又赶上了网络和Web的浪潮,重新焕发了青春,各种变种和网络应用层出不穷。今天要介绍的summary cache就是bloom filter一个经典的分布式应用。

 

今天,web caching的概念已经得到广泛接受。为了减少带宽使用、降低web server的负载,我们常常通过代理服务器(proxy)浏览网页,浏览过的网页会被cacheproxy中,如果有别的请求或者下一次访问相同的网页,proxy就不用将请求转给web server,而是直接将本地cache的网页返回。当然,网页是经常变化的,因此proxy在返回cache的网页之前会做一些检查,只有满足特定的条件之后才会使用cache的网页,以保证client得到的不是过期的网页。

 

一旦网络中存在很多proxy,我们自然希望它们之间能够共享cache,这样可以进一步减少对web server的访问,web cache sharing的概念就由此而来。在bloom filter被提议应用在web cache sharing之前,Internet Cache ProtocolICP)作为一种web cache之间相互协作的协议已经被广泛应用。ICP的设计思路是,proxy中只要有cache miss发生,马上发送查询消息给它邻近的proxy,看能不能在它们的cache中找到相关的网页。这种方案随着proxy数量的增加,网络通信量和proxyCPU占用率都成二次方增长,因此扩展性很差,并有很大的开销。为了减少这些开销,一篇名为Summary Cache: A Scalable Wide-Area Web Cache Sharing Protocol的论文提出了一种名为Summary Cache的协议。也就是在这篇文章中,Counting Bloom Filter被提出。

 

Summary Cache采用了和ICP完全不同的设计思路。为了proxy之间能够协作,它们必须知道彼此cache的内容。ICP采用的是实时获取的方案,需要协作时才发请求广播式地查询。这样当然获取的信息是最准确的,但也导致通信的开销很大。Summary cache利用了这样一个简单的事实:proxy中的cache在短时间内不会有很大幅度的变化。因此它希望将proxycache的内容用简洁的形式表示(cache summary),让每个proxy保存所有其它proxycache summary,然后定期更新summary。这样一来,每当cache miss发生时,proxy会首先检查自己保存的所有cache summary,然后将请求发给那些检查结果为“有”的proxy

 

这种设计有两个关键的点需要认真考虑,一个是cache summary更新的频率,另一个是如何简洁地表示cache的内容,即如何构建cache summary。对于第一个问题,论文作者的回答是,当cache更新的内容在1%10%之间时发送更新信息,或者每隔一段时间发送更新,这段时间的长度也应该保证cache的更新幅度在1%10%之间。对于第二个问题,你应该已经猜出答案了,就是用bloom filter。每一个cache的网页由URL唯一标识,因此proxycache内容可以表示为一个URL列表。进而我们可以将URL列表这个集合用bloom filter表示,从而支持membership query。当false positive发生时,无非是请求的proxy以为另一个proxy有某个网页而实际没有,这样会造成一定的延时。由于cache的网页本身就有可能过期,因此很低的false positive概率很难造成什么影响。在cache更新后通知其它proxy时,有两种选择,一种是发送整个更新后的bloom filter,另一种是只发送bloom filter的更新位置。前者适合在更新频率较低的情况下使用,后者在更新频率高的情况下使用。

 

另外,前面提到这篇论文提出了Counting Bloom FilterCBF),下面我们就介绍一下它的应用。Proxy在发送cache summary以及保存其它proxycache summary时,无疑使用的是占用空间更少的标准bloom filter。但是proxy同时要表示自己本地的cache集合,由于本地的cache不断加入新的网页,也不断移除不经常使用的网页,因此是一个动态变化的集合。标准bloom filter不支持删除操作,因此不能胜任这个工作。为了避免不断重建bloom filter,作者通过把bloom filter中的每一位扩展为一个counter来支持删除操作,同时,位到counter的扩展使得CBFbloom filter的转化非常方便。从这个应用我们也可以看到,很多情况下我们需要bloom filter支持删除操作,但同时也希望支持删除操作之后还能还原为标准的bloom filter,以减少网络传输的信息量。

 

相比ICP,我们可以看到Summary Cache用不是最新、也不精确的cache summary换取了可扩展性。由于cache本身具有一定的过期性,summary cache牺牲的一点精确性很难对整个cache的命中率产生什么影响。论文作者通过实验比较,发现ICPsummary cache在命中率上几乎相同,但summary cache将网络通信量和proxyCPU占用率大幅减少。这个例子很典型地说明了将bloom filter用在对错误有一定容忍度的应用场合时带来的巨大好处,同时也印证了bloom filter“正确率换空间”的思想在网络环境下有很大的应用空间。

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