緩存可感知的路由機制研究.pdf

1、隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，因特網(wǎng)滲入到人們生活的方方面面，越來越多的數(shù)據(jù)內(nèi)容如電子商務(wù)、視頻媒體進入網(wǎng)絡(luò)，整個因特網(wǎng)的主要用途已經(jīng)從傳統(tǒng)的資源共享變成了內(nèi)容分發(fā)。為了從根本上滿足日益增長的數(shù)據(jù)內(nèi)容分發(fā)的需求，信息中心網(wǎng)絡(luò)ICN（Information Centric Networking）體系結(jié)構(gòu)被提出來。ICN方案的一個重要特點就是網(wǎng)絡(luò)中的路由器具有緩存數(shù)據(jù)內(nèi)容的功能以改善網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的效率，該特點被稱為ICN的網(wǎng)絡(luò)緩存功能。

2、
　　網(wǎng)絡(luò)緩存可以減少整個網(wǎng)絡(luò)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，也可以降低發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的可能性，并可以降低內(nèi)容服務(wù)器的負(fù)載。因此網(wǎng)絡(luò)緩存在彰顯ICN的優(yōu)勢方面扮演著重要的角色，它的性能對ICN的系統(tǒng)性能有著至關(guān)重要的影響。作為一個獨特的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)功能，網(wǎng)絡(luò)緩存引入了許多新問題:首先，當(dāng)前每個ICN路由器無差異地普遍緩存任何途經(jīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容報文，由于路由器中緩存空間有限，無差異的普遍緩存不僅在數(shù)據(jù)內(nèi)容報文傳輸?shù)穆窂缴希╫n-path）造成了不小的冗

3、余，而且產(chǎn)生了不必要的頻繁的緩存置換更新。其次，當(dāng)前ICN路由器并不能感知和定位其他鄰近路由器所緩存的內(nèi)容，用戶請求傳輸路徑之外（off-path）大量就近緩存的內(nèi)容沒有被利用，而且臨近路由器中的內(nèi)容緩存缺乏協(xié)作，路由器中的緩存空間未能被有效利用，緩存空間的潛在能力沒有被充分釋放和發(fā)揮。緩存已經(jīng)是當(dāng)今因特網(wǎng)用于減少帶寬消耗的一個實用工具(如Web，P2P)，而且優(yōu)化緩存系統(tǒng)的緩存理論和技術(shù)已經(jīng)得到大量的研究。但ICN網(wǎng)絡(luò)緩存異于傳統(tǒng)緩存

4、的透明性、普遍性和精細(xì)化的特征使得網(wǎng)絡(luò)緩存系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模和分析增添了難度，也使得現(xiàn)有的為Web緩存系統(tǒng)和CDN緩存系統(tǒng)開發(fā)的模型和集中式的復(fù)雜協(xié)作緩存優(yōu)化技術(shù)難以直接無縫地植入到網(wǎng)絡(luò)緩存中。
　　現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)緩存方面的研究工作幾乎都是獨立討論緩存內(nèi)容的放置，沒有將緩存內(nèi)容的放置與緩存內(nèi)容的定位相互結(jié)合。緩存內(nèi)容的合理定位可以提高off-path緩存內(nèi)容的使用率，可以避免緩存內(nèi)容的放置形成冗余的緩存，可以提高網(wǎng)絡(luò)緩存器之間協(xié)作緩存的程

5、度。本文的工作以ICN的重要代表NDN(NamedData Networking)為背景，將緩存內(nèi)容的可達(dá)性適度引入路由，基于緩存可感知的路由設(shè)計簡單而有效的網(wǎng)絡(luò)緩存管理方案以減少緩存冗余，提高緩存內(nèi)容的使用率和緩存空間的利用率，并減少用戶請求數(shù)據(jù)內(nèi)容所需開銷。本文的主要工作和研究成果如下:
　　1.當(dāng)前on-path緩存機制存在冗余緩存和不必要緩存置換。針對這個問題，提供了一種機會型的on-path網(wǎng)絡(luò)緩存機制（OPPORTUN

6、ISTIC）。即使不能感知其他節(jié)點中緩存的內(nèi)容，該機制使路由器選擇性地緩存本地流行度高和離數(shù)據(jù)源遠(yuǎn)的內(nèi)容，實現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容的差異化緩存，減少不必要的緩存置換操作;同時，由于ICN網(wǎng)絡(luò)存在請求聚合和緩存過濾的特征，網(wǎng)絡(luò)中的每個路由器對數(shù)據(jù)內(nèi)容的流行度分布有不同的視圖，加上每個路由器在網(wǎng)絡(luò)中位置不一樣，不同路由器也偏向于緩存不同的數(shù)據(jù)內(nèi)容，減少冗余的緩存。
　　2.若暫態(tài)緩存內(nèi)容只有本地可以感知，路由器不能使用off-path就近暫態(tài)緩存

7、的內(nèi)容，也會導(dǎo)致冗余的緩存。針對這個問題，提出了一種將內(nèi)容放置、置換和定位相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)緩存機制（PRL）。該機制支持緩存可感知的路由，使得路由器可以感知和定位臨近路由器暫態(tài)緩存的內(nèi)容，提高暫態(tài)緩存內(nèi)容的使用率，同時內(nèi)容放置、置換和響應(yīng)用戶請求時考慮臨近節(jié)點內(nèi)的暫態(tài)緩存內(nèi)容，進而減少網(wǎng)絡(luò)中緩存內(nèi)容的冗余度以及不必要的內(nèi)容緩存和置換，有效利用網(wǎng)絡(luò)緩存器的緩存空間，改善網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的性能。
　　3.針對傳統(tǒng)集中式的復(fù)雜協(xié)作緩存優(yōu)化技

8、術(shù)難以應(yīng)用到穩(wěn)態(tài)緩存內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作緩存中的問題，提出了一種分布式的協(xié)作緩存機制(DICC)。該機制將穩(wěn)態(tài)緩存內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作緩存的問題形式化為一個帶約束條件的優(yōu)化問題，然后使用拉格朗日松弛法和原始對偶分解法將優(yōu)化問題分解為一系列的緩存內(nèi)容放置決策子問題和數(shù)據(jù)內(nèi)容定位子問題，每個緩存內(nèi)容放置決策子問題可以在各路由器處分布式地解決，然后緩存可感知的路由使得數(shù)據(jù)內(nèi)容定位的子問題也可以在各路由器處分布式地解決。DICC以節(jié)點間少量的通信開銷最終實

9、現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)緩存器之間對穩(wěn)態(tài)緩存內(nèi)容的共享以及協(xié)作緩存。
　　4.將AS節(jié)點抽象為自治緩存器，針對自治緩存器試圖最小化的只是它自身的數(shù)據(jù)內(nèi)容訪問開銷而非整體的數(shù)據(jù)內(nèi)容訪問開銷的情況，提出了一種自治緩存器間的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作緩存機制(NSCC)。該機制采用博弈論的方法——迭代最佳對策:在每輪中，基于本地用戶對數(shù)據(jù)內(nèi)容的請求率信息、到其他緩存節(jié)點訪問內(nèi)容的“價格”以及緩存可感知的路由提供的其他節(jié)點的緩存決策，自治的緩存節(jié)點依次獨自決定本地應(yīng)該緩存哪