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命名数据网络中基于内容类型的隔跳概率缓存机制.docx
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命名数据网络中基于内容类型的隔跳概率缓存机制.docx
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摘要网络化缓存是命名数据网络实现对信息的高效获取,有效降低互
联网骨干网络流量的关键技术网络化缓存将缓存作为普适的功能添加
到每个网络节点用户需要获取信息时,缓存有该内容的任意网络节点
例如路由器接收到用户请求后都可直接向用户返回相应内容,提升
用户请求响应效率然而,命名数据网络采用泛在缓存使得内容发布者
到用户的传输路径上的各节点对内容进行重复并无差别缓存,造成数
据冗余、内容缓存无差别对待问题为此,提出一种基于内容类型的隔
跳概率缓存机制首先根据业务特征例如时延要求、带宽占用将内容
划分为 种类型:动态类、实时类、大数据类、以及小数据类;其次
构造隔跳待定缓存策略,将数据存储在非连续的传输节点上,从空间
上减少冗余缓存;最后针对不同内容提供差异化缓存服务:无缓存、
网络边缘概率缓存、网络次边缘概率缓存、以及网络核心概率缓存策
略,从而进一步降低冗余数据,同时提高用户获取内容的效率实验结
果表明,该机制能够减少冗余缓存,降低用户请求内容时延
关键词命名数据网络;数据冗余;缓存策略;内容类型;差异化缓存
服务
随着互联网规模和业务类型的爆炸式增长,主流应用模式从主机
互联和计算资源共享逐步转变为信息获取服务,例如视频分发、文件
下载等
以 为基础的互联网采用以 地址为中心的端到端通信
模式,导致网络上存在大量数据的重复传输,造成骨干网络的流量激
增这种通信模式与互联网主流应用的不匹配,导致现有互联网在扩展
性、动态性、安全可控性等方面面临严峻的挑战
为解决 体系
结 构 存 在 的 问 题 , 全 新 的 信 息 中 心 网 络
设计思想被提出,其中命名数据网络
!
"
是最受关注的 方案之一! 网络以
内容本身为中心,采用用户请求驱动通信模式,依据内容名字进行路
由与转发,并提供基于内嵌的网络化缓存机制,这种设计使得网络节
点例如路由节点被赋予存储功能,可直接向用户提供信息与服务,
实现用户对内容的高速获取,有效降低网络带宽的占用,减轻内容发
布者的响应负担,从而极大缓解网络流量爆炸性增长问题
现有 ! 对网络化缓存的设计相对简单,只注重缓存基本功能的
实现,缺乏对性能方面的考虑! 采用泛在缓存机制#$%&
$&'()
*
,即内容发送至用户的传输路径上所有路由节点
都无差别地对内容进行缓存这种机制简单、易于部署,但存在 个问
题,使得缓存性能较低:
冗余缓存,泛在缓存导致内容传输路径上各节点重复缓存相同
内容副本,这种逐跳缓存使得网内缓存内容的同质化,特别在缓存容
量有限的条件下,降低整个网络的缓存利用率已有研究表明
+
:在某
些场景下,沿路径的随机缓存机制即在内容发送的下行路径上随机选
择一个节点对内容进行缓存甚至都比 () 机制能获得更好的性能提升
内容缓存无差别对待,() 机制对于所有的内容都执行相同的
缓存决策,缺乏针对内容类型的差异化缓存服务需求考虑,难以提高
缓存性能
为了解决泛在缓存中的冗余缓存等问题,研究者们提出了各种优
化缓存方法
+
现有工作
+,
主要从单一因素考虑缓存,难以在网络化
缓存系统中做出合理的缓存决策,例如网络拓扑结构、热度内容感知
基于概率性选择尽管工作
结合网络拓扑和内容热度 个方面综合考
虑缓存决策,但忽略内容业务类型重要影响因素
上述缓存优化方案无法准确地降低冗余缓存,其根本原因主要有
个-现有网络化缓存机制不能识别内容的业务类型,无法区分哪些内
容是否需要缓存服务.基于单一信息的策略难以实现精确缓存,从信
息论角度看,信息越少则变量的熵值越大,即不确定性越大因此,本
文综合考虑网络拓扑和内容类型,提出了一种命名数据网络中基于内
容 类 型 的 隔 跳 概 率 缓 存 机 制 &% /0 12%
%//#&''0!3该机制允许沿途
路由节点首先执行隔跳待定缓存策略,使得内容副本存储在沿途非连
续节点,有效地减少冗余缓存;然后,执行基于内容类型的概率缓存
策略,即根据内容不同的业务特征,将缓存内容划分为 种类型:收
到内容包的路由节点根据内容类型和请求聚合度计算缓存概率;分别
提供无缓存、网络边缘缓存、网络次边缘缓存以及网络核心缓存;减
少冗余缓存;提升用户获取内容的效率实验结果表明,与典型缓存方
案相比,3 机制能够降低缓存冗余,同时实现用户对内容的高效获
取
1 相关工作
1.1 NDN 背景
! 网络包括用户20、内容发布者%$ 和路
由 器 2 类实 体 , 其数 据 传 输主 要 包 括 种 类 型: 兴 趣 包
0和数据包 兴趣包是由用户发送的数据请求包,其中
包括请求的内容名称等;数据包是由发布者或路由器
根据用户的请求返回的内容,其中包括内容名称、内
容本身等! 网络中单个节点通信流程如图 所示每个实
体包含 种数据结构,分别是内容存储04、待定兴
趣 表 % 0 /# 和 转 发 信 息 库
/0564 用于存储接收到的数据包,对于后续相
同的内容请求从本地响应数据包,有利于减少对于发布者的访问次数
提升内容分发的传输效率; 记录待转发兴趣包的内容名称以及接入
接口,并且汇聚相同的兴趣包在一个表项中;56 依靠路由协议生成,
记录兴趣包转发下一跳接口
5270# !
图
命名数据网络单个节点通信流程
! 网络用户获取内容的过程分 个步骤:
当需要内容时,用户发送一个兴趣包路由器收到兴趣包后,首
先查找 4 是否有请求的数据,如果有,则从兴趣包接入接口返回数据
包并丢弃兴趣包;否则,继续查找 ,查找之前是否转发来自其他节
点的,并且与该条目的请求内容相同的兴趣包如果找到,则将本次兴
趣包的接入接口添加到对应的 信息条目中;否则,在 中创建
兴趣包接入接口的信息条目,继续查找 56,进行路由寻址
兴趣包到达发布者并找到内容对象时,兴趣包被丢弃,响应的
信息以数据包的形式原路返回当数据包到达路由器时,首先查找
4,如果有相同的缓存数据,则丢弃数据包;若没有,则与 中条
目匹配如果 中有匹配条目,则向相应的接口转发数据包,缓存数
据包在 4 中,并删除 中的匹配条目;否则丢弃数据包
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