命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)緩存冗余優(yōu)化機制研究.pdf

1、隨著基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用的推陳出新，以及面向內(nèi)容的新型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)逐漸顯現(xiàn)出其原始設(shè)計的缺陷和不足。為了探究未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向和變革方式，國內(nèi)外的學(xué)者深入研究并提出了多種未來信息網(wǎng)絡(luò)體系及其架構(gòu)。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以“內(nèi)容”代替“IP”作為網(wǎng)絡(luò)沙漏模型的“細(xì)腰”，這種以內(nèi)容為中心的通信范式逐漸成為未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中被廣泛認(rèn)可的、最主要的研究熱點之一。然而命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)原始設(shè)計中的泛洪轉(zhuǎn)發(fā)策略和隨處緩存策略，使得大量的冗余內(nèi)

2、容在網(wǎng)絡(luò)中傳輸和緩存，不僅增加傳輸開銷、降低傳輸效率，而且浪費有限的緩存資源、減少緩存命中。為此，本文針對命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的緩存冗余問題進行深入研究，以轉(zhuǎn)發(fā)策略、緩存策略和路由機制作為切入點，提出兼顧效率和開銷的緩存冗余優(yōu)化機制。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　1)針對泛洪轉(zhuǎn)發(fā)策略產(chǎn)生的冗余內(nèi)容的傳輸和緩存問題，提出了一種基于分支路由器的轉(zhuǎn)發(fā)策略。該轉(zhuǎn)發(fā)策略新增了內(nèi)容確認(rèn)包及其產(chǎn)生和處理流程。結(jié)合命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)特點，利用內(nèi)容確認(rèn)

3、包使其他路徑上的內(nèi)容路由器停止轉(zhuǎn)發(fā)已收到的內(nèi)容，從而減少冗余內(nèi)容的傳輸。建立了基于樹型結(jié)構(gòu)的傳輸模型，分別針對單一分支路由器觸發(fā)和全局分支路由器觸發(fā)兩種場景，分析了興趣包、內(nèi)容包及內(nèi)容確認(rèn)包的轉(zhuǎn)發(fā)過程，并給出了三種轉(zhuǎn)發(fā)策略傳輸開銷的計算公式。此外，還探究了該轉(zhuǎn)發(fā)策略在多內(nèi)容請求者及丟包情況下的表現(xiàn)。仿真結(jié)果表明了該轉(zhuǎn)發(fā)策略可有效減少冗余內(nèi)容的傳輸及其傳輸開銷，降低不必要的緩存，且在鏈路故障時具有較穩(wěn)定的性能，也可滿足可擴展性需求。

4、>　　2)針對無差別的隨處緩存策略帶來的重復(fù)緩存問題，提出了基于層次簇的緩存策略。該緩存策略設(shè)計了兩層結(jié)構(gòu)的層次簇架構(gòu)，其中核心層的內(nèi)容路由器形成一個無簇首的核心簇，且內(nèi)容路由器無緩存功能，僅負(fù)責(zé)內(nèi)容的路由;邊緣層的內(nèi)容路由器根據(jù)簇首選舉算法產(chǎn)生簇首并形成相應(yīng)的邊緣簇?；趩蝹€邊緣簇，提出了內(nèi)容路由器重要程度的計算方法、內(nèi)容流行度的分級方式及緩存概率關(guān)聯(lián)矩陣的映射方案。簇內(nèi)內(nèi)容路由器從簇首的通告中獲得上述信息并各自獨立地執(zhí)行緩存決策，從

5、而將內(nèi)容按流行度的不同以相應(yīng)的概率緩存到不同重要程度的內(nèi)容路由器。而邊緣簇中的非重要內(nèi)容路由器無緩存功能，因此降低了緩存冗余。仿真結(jié)果表明了該緩存機制能夠大幅減少請求時間、緩存命中距離、緩存內(nèi)容數(shù)量和緩存替換量，并且顯著提高內(nèi)容路由器緩存命中。
　　3)針對沿路徑的緩存路由機制無法充分利用鄰近緩存資源以及路徑外的緩存路由機制面臨的可擴展性問題，結(jié)合層次簇網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出了一種基于K-medoids算法的簇內(nèi)Hash路由機制。該機制融

6、合了沿路徑的概率緩存放置策略與非協(xié)作路由、及路徑外的緩存放置策略與隱式協(xié)作路由的優(yōu)勢，能夠在精確定位緩存內(nèi)容的同時減少冗余內(nèi)容的緩存。該路由機制共設(shè)計了兩個部分:基于K-medoids算法的內(nèi)容路由器選取過程和基于內(nèi)容流行度的簇內(nèi)Hash路由過程。前者在每個邊緣簇內(nèi)選取出若干個中心點內(nèi)容路由器。后者則根據(jù)內(nèi)容流行度的不同，分別采用Hash路由機制定位到中心點內(nèi)容路由器來獲取所需內(nèi)容;或采用最短路徑路由機制向內(nèi)容提供者發(fā)起請求。該機制保證