内容中心网络内置缓存优化技术研究

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随着网络技术的不断发展和信息化普及,人们从互联网获取内容类型、访问模式、数据量等需求的变化,网络体系结构也随着不断的发展。从起初的框架改进演变成现在的架构革命,以内容为中心的网络(Content Centric Network,CCN)体系架构应运而生。作为下一代网络架构中受到研究者广泛关注的网络体系架构,内容中心网络颠覆了传统基于Host-To-Host的网络通信模式,通过分布式内容缓存和基于请求者驱动的路由机制实现了以内容为核心的数据传输网络。内置缓存是内容中心网络的重要组成部分,缓存策略设计的优劣将直接影响网络中数据传输性能。内容中心网络默认采取泛在化的缓存策略、节点间相对独立缓存内容,并不能充分利用网络中的缓存资源达到高效数据传输的目的。  本文主要针对 CCN中内容分布模型、缓存替换策略和缓存放置策略进行研究,从单节点替换算法优化、节点间协作缓存、缓存路由结合、移动性支持入手,以提高CCN中内容传输效率为目标开展研究工作。  首先,针对单路径节点缓存流行度进行研究。CCN缓存泛在化特性导致了网络中缓存数据冗余,另外采用的单节点缓存算法具有局限性,影响了网络中不同流行度内容的有效命中。针对 CCN网络特性定义了缓存内容分布分析模型,用来分析稳定状态下全网内容请求命中率和平均时延。依据提出的缓存内容分布分析模型,结合网络中内容请求流行度,依据层次化缓存模型中提出的“边缘理论”,即将流行度高的内容对象缓存在距离请求者更近的边缘网络节点,提出一种基于内容流行度的缓存优化放置策略。利用用户请求记录构建内容流行度统计模型来计算内容的受欢迎程度,从而达到网络中内容的合理缓存放置,提高网络缓存的利用率。  其次,由单个节点缓存策略的局部性,导致无法共享网络中其他节点资源,全局调度缓存资源等问题,本文提出低复杂度的节点间协同缓存策略。协同缓存策略分别从缓存内容的选择放置和缓存内容选择替换两个方面入手,实现节点间协作缓存内容。当有新内容到达时,如果节点缓存区未满并且邻居未缓存该内容,那么将该内容缓存到节点中;若缓存区已满则优先替换出邻居已经缓存的内容,为新内容提供空间。这样可以保证节点尽量在一跳距离内请求到内容,同时增加全网缓存内容多样性,从而提高全网的内容传输效率。  同时,由于节点缓存空间有限,为进一步提高节点缓存空间利用率,从全网角度提高整个网络内容传输效率,提出一种路由与缓存相结合的缓存策略。利用哈希路由算法低复杂度的特性,设计了基于内容流行度的多哈希路由缓存机制,根据内容流行度动态调整网络中缓存副本的个数。并依据边缘化存储思想提出加权多哈希路由缓存机制,使得节点能够更精准、快速的定位内容,同时流行度的引入也有效地提高有限缓存利用率,提升全网内容传输效率。  最后,针对移动CCN具有网络拓扑结构不断变化、缓存内容不断更替的动态特性,为实现动态环境下数据有效、可靠、长时间缓存的目的,提出一种移动 CCN中基于节点分组的缓存策略。该算法根据节点位置信息,并设定移动CCN节点间通信距离上限,将整个网络划分成若干个三元分组,通过节点分组算法取得一个最佳分组网络。在每个分组内进行实时缓存内容同步,以分组为单位提供内容请求服务,从而达到节点频繁移动时数据有效、可靠、长时间缓存的目的。进一步考虑移动节点能耗,提出组间通信节点选择策略。实验结果表明在节点密度较大、缓存空间较小时,相比 CCN默认缓存策略提出的分组缓存策略具有较好的缓存性能。
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