軟件定義網(wǎng)絡(luò)中多媒體傳輸路由及緩存算法研究.pdf

1、隨著多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)的飛速發(fā)展，多媒體內(nèi)容開(kāi)始逐漸深人到人們的日常交流、工作以及娛樂(lè)等各個(gè)方面，而由其所帶動(dòng)的多媒體應(yīng)用也開(kāi)始改變?nèi)藗兪褂靡蛱鼐W(wǎng)的方式，將人們對(duì)高質(zhì)量多媒體內(nèi)容的需求帶入了前所未見(jiàn)的高度。現(xiàn)如今，人們利用社交網(wǎng)絡(luò)分享的內(nèi)容已經(jīng)不僅僅局限于文字和圖片，音頻和視頻內(nèi)容也變得非常常見(jiàn)。而近年來(lái)逐漸流行的高分辨率設(shè)備以及虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)，在豐富了用戶(hù)感官體驗(yàn)的同時(shí)，也顯著推動(dòng)了人們對(duì)高質(zhì)量視頻內(nèi)容的需

2、求。作為這一發(fā)展的必然結(jié)果，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)亩嗝襟w內(nèi)容，無(wú)論是在數(shù)量、大小還是類(lèi)型上均有顯著增長(zhǎng)。
　　飛速增長(zhǎng)的多媒體流量給網(wǎng)絡(luò)傳輸帶來(lái)了包括服務(wù)質(zhì)量保證、傳輸效率以及服務(wù)異構(gòu)用戶(hù)等在內(nèi)的多項(xiàng)挑戰(zhàn)，不同領(lǐng)域的研究人員也分別從編碼、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及傳輸方案等角度提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。其中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)有著特殊的意義。一方面，現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是在上世紀(jì)末基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模型而設(shè)計(jì)的，在面對(duì)如今大量應(yīng)用所需求的一對(duì)多服務(wù)模型時(shí)，不能提供

3、很好的支持。另一方面，優(yōu)化底層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以從根本上解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在承載視頻業(yè)務(wù)時(shí)遇到的瓶頸，為新型編碼方案（如分層編碼等）以及新型傳輸方案（如自適應(yīng)串流等）提供了實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。例如近年來(lái)流行的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software-definednetworking，SDN)和命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(named data networking，NDN)，分別從靈活路由管控和一對(duì)多分發(fā)這兩方面出發(fā)，針對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在傳輸多媒體內(nèi)容時(shí)的固有缺陷，提出了有效并且

4、根本的解決方案，為提高多媒體內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能創(chuàng)造了極大潛力。
　　本文主要以目前學(xué)術(shù)界熱門(mén)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為基礎(chǔ)，考慮多媒體內(nèi)容傳輸?shù)男阅芎托蕛?yōu)化。我們將考慮經(jīng)典軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的路由問(wèn)題，以及帶有緩存節(jié)點(diǎn)的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的路由和緩存問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，我們首先考慮傳統(tǒng)無(wú)緩存功能的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在傳輸多媒體內(nèi)容時(shí)，利用多路徑路由算法滿(mǎn)足多媒體內(nèi)容對(duì)帶寬、延時(shí)、路徑差分延時(shí)等指標(biāo)的要求，并配合多媒體業(yè)務(wù)的分層特性來(lái)提高接

5、收用戶(hù)的體驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，我們繼續(xù)考慮支持網(wǎng)絡(luò)中緩存的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，希望通過(guò)在部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)引入緩存功能來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。在支持網(wǎng)絡(luò)中緩存的軟件定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，我們通過(guò)設(shè)計(jì)新的路由算法，在計(jì)算路徑時(shí)考慮利用緩存節(jié)點(diǎn)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。最后，在優(yōu)化路由的基礎(chǔ)上，我們展開(kāi)對(duì)緩存節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化，利用在線機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)設(shè)計(jì)熱度感知緩存替換算法，顯著提高緩存節(jié)點(diǎn)的緩存命中率，從而協(xié)助路由算法進(jìn)一步節(jié)省帶寬占用。
　　論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)以及貢

6、獻(xiàn)如下:
　　1)本文提出了一種針對(duì)分層多媒體業(yè)務(wù)的多路徑傳輸方法，通過(guò)在分配路徑時(shí)考慮多媒體內(nèi)容的層間優(yōu)先級(jí)，為高優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)分配質(zhì)量更好的鏈路，從而針對(duì)性地提高分層多媒體業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，為分層編碼技術(shù)提供了應(yīng)用土壤。我們所提出的路由算法可以同時(shí)考慮用戶(hù)請(qǐng)求多媒體內(nèi)容時(shí)對(duì)帶寬、延時(shí)、路徑間差分延時(shí)以及層間優(yōu)先級(jí)的要求，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的靈活路由特性，為用戶(hù)請(qǐng)求動(dòng)態(tài)計(jì)算并分配相應(yīng)的路徑，從而提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。
　　2)本文提出

7、了一種支持網(wǎng)絡(luò)中緩存的路由方法，為了充分利用網(wǎng)絡(luò)中具有緩存功能的中間節(jié)點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于整數(shù)線性規(guī)劃(integer linearprogramming，ILP)的路由算法，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的全局路由特性，將流量合理分配、匯聚至緩存節(jié)點(diǎn)，以充分發(fā)揮緩存節(jié)點(diǎn)對(duì)帶寬的節(jié)省作用，從而提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。
　　3)本文提出了一種針對(duì)多媒體內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于在線機(jī)器學(xué)習(xí)的新型緩存替換算法。算法通過(guò)學(xué)習(xí)多媒體內(nèi)容在何種情

8、況下熱度如何變化，從而對(duì)內(nèi)容的未來(lái)熱度作出精確預(yù)測(cè)。相比于直接學(xué)習(xí)內(nèi)容的熱度，我們的方案有著更快的學(xué)習(xí)速度。由于采用無(wú)模型估計(jì)，我們的方案也打破了傳統(tǒng)算法對(duì)內(nèi)容熱度分布函數(shù)的依賴(lài)，并且能快速追蹤內(nèi)容熱度隨時(shí)間的變化。我們從理論上證明了算法學(xué)習(xí)性能收斂至最優(yōu)，也證明了緩存命中率次線性收斂至最優(yōu)。在使用了真實(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的仿真評(píng)估中，我們所提出的算法不僅在緩存命中率上優(yōu)于對(duì)比算法，并且也大幅降低了緩存替換次數(shù)，有效緩解了傳統(tǒng)緩存替換算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)緩