信息中心網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)緩存單點(diǎn)架構(gòu)設(shè)計與性能優(yōu)化研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主體逐步向內(nèi)容獲取和信息服務(wù)演進(jìn)。傳統(tǒng)的TCP/IP架構(gòu)在解決內(nèi)容分發(fā)問題時存在可擴(kuò)展性差,靈活性不夠等諸多不足。在這種背景下,以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)(Information-Centric Networking,ICN)被提出并受到廣泛關(guān)注。ICN架構(gòu)的成功依賴于網(wǎng)元設(shè)備兩個方面的能力:(1)提供大容量的內(nèi)容存儲;(2)線速地處理網(wǎng)絡(luò)流量。然而當(dāng)前能夠提供大容量存儲的塊設(shè)備的I/O速度無法滿足網(wǎng)元設(shè)備的

2、高線速要求,引入塊設(shè)備后將給網(wǎng)元設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)性能帶來極大影響。如何設(shè)計一個能夠同時滿足上述要求的緩存節(jié)點(diǎn)是一個亟需解決的問題。
  近年來,軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking,SDN)由于其控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離的特性,廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)管理、架構(gòu)設(shè)計等多個領(lǐng)域,這也為ICN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計帶來了新的契機(jī)。本文基于SDN技術(shù),首先考慮單個緩存節(jié)點(diǎn)的設(shè)計問題,提出了一種支持TB級別緩存的分離式架構(gòu),進(jìn)而基于該架構(gòu),從緩

3、存插入過濾、緩存決策策略等方面提高整個緩存網(wǎng)絡(luò)的性能,主要研究工作與創(chuàng)新如下:
  1.提出了一種支持TB級別緩存的分離式架構(gòu)
  針對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在使用塊設(shè)備作為內(nèi)容存儲時所面臨的低速I/O與高速轉(zhuǎn)發(fā)不匹配的問題,基于協(xié)議無感知轉(zhuǎn)發(fā)(Protocol Oblivious Forwarding,POF)技術(shù),提出了一種將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備切割為交換單元和存儲單元的分離式架構(gòu)。該架構(gòu)通過將緩存操作從轉(zhuǎn)發(fā)操作中徹底解耦,保障交換單元的轉(zhuǎn)發(fā)性能

4、不受I/O操作的影響;通過存儲端口的擴(kuò)展,使得交換單元可以依據(jù)負(fù)載均衡策略將每個存儲單元需要處理的負(fù)載減小到不超過SSD的吞吐限制,多個存儲單元從而可以利用大容量的SSDs來滿足TB級別的容量需求。該架構(gòu)充分考慮了交換單元完全可編程的特點(diǎn),將存儲單元處理的協(xié)議固定為SSCP(Switch end and Storage end Communication Protocol)協(xié)議,而在交換單元實現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與SSCP協(xié)議之間的雙向轉(zhuǎn)換。

5、為了應(yīng)對分離架構(gòu)下的報文依賴問題,本文提出了一種基于線性表的數(shù)據(jù)平面狀態(tài)存儲方法;為了加速協(xié)議轉(zhuǎn)換,本文提出了一系列優(yōu)化方法,包括設(shè)計專有操作實現(xiàn)SSCP頭部的快速封裝,減少SSCP負(fù)載構(gòu)造過程中的報文數(shù)據(jù)拷貝等。實驗結(jié)果表明,基于線性表的數(shù)據(jù)平面狀態(tài)存儲方法,可以有效改善POF交換機(jī)在處理狀態(tài)存儲需求應(yīng)用時的時延和吞吐性能;分離架構(gòu)相對傳統(tǒng)內(nèi)置存儲設(shè)備架構(gòu),交換單元的處理時延降低1到2個數(shù)量級;在不考慮網(wǎng)卡開銷和采用多線程處理情況下,

6、交換單元處理簡化的ICN報文或SSCP報文的吞吐速率可達(dá)9Mpps。
  2.提出了一種輕量級的緩存插入過濾機(jī)制
  針對當(dāng)前典型的負(fù)載請求特征是很長一段時間內(nèi)大部分內(nèi)容只會被訪問一次,以及SSD具有受限的生命周期的特點(diǎn),提出了一種基于LRU隊列和Hash表的輕量級的緩存插入過濾機(jī)制。該方法利用LRU隊列來控制統(tǒng)計周期和緩存替換,使用Hash表記錄在這段統(tǒng)計周期內(nèi)內(nèi)容的請求次數(shù),通過將訪問次數(shù)低于指定閾值的內(nèi)容過濾掉,減少S

7、SD的寫入次數(shù),提高層次存儲系統(tǒng)的可用性。該方法充分考慮了Hash表的查詢開銷所帶來的性能問題,通過將Hash表的每一個桶大小與CPU緩存行對齊,保證一次讀取操作就能將整個桶放置在CPU的L1級緩存中,減少碰撞發(fā)生時對慢速內(nèi)存的多次讀取?;?種典型流行度分布的維基百科日志與合成日志的實驗表明,所提機(jī)制只需要大約200個時鐘周期的處理開銷,不到處理一對興趣/內(nèi)容報文所消耗的平均時鐘周期的1%;在單層存儲系統(tǒng)上,相比無過濾機(jī)制,兩種請求負(fù)

8、載的緩存命中率分別提升了10.27%和48.6%;在層次化存儲系統(tǒng)上,相比一種輕量級的見習(xí)式插入過濾機(jī)制,所提機(jī)制可以減少SSD的寫入次數(shù),同時不會帶來緩存命中率的下降。
  3.提出了一種基于排名匹配的緩存決策策略
  針對當(dāng)前信息中心網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)處處緩存策略帶來的緩存冗余問題,提出了一種基于內(nèi)容流行度排名與節(jié)點(diǎn)介數(shù)排名匹配的緩存決策策略PRIRM。該策略在緩存內(nèi)容時充分考慮內(nèi)容的流行度與節(jié)點(diǎn)的介數(shù),在內(nèi)容沿途返回到用戶的過程

9、中,根據(jù)節(jié)點(diǎn)在分發(fā)路徑上的排名與內(nèi)容的流行度排名是否匹配,實現(xiàn)內(nèi)容的最佳放置。為了估算內(nèi)容流行度排名,該策略要求本地節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個內(nèi)容流行度表,記錄內(nèi)容的請求次數(shù)。為了避免流行度表膨脹所帶來的內(nèi)存開銷與查詢開銷,本文提出了一種基于時間窗口來實時更新流行度表的方法,將該時間窗口內(nèi)未被請求的內(nèi)容記錄刪除。在ndnSIM平臺的仿真結(jié)果表明,在PRIRM策略中,基于時間窗口估計內(nèi)容流行度的方法可以獲取和全局流行度相當(dāng)?shù)男阅?。與現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的處處緩

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