现有互联网起源于六十年代末提出的阿帕网,满足有线、可信终端的数据传输与共享。随着信息网络的发展,互联网用户数量和应用规模不断扩大,其原始设计受到严重挑战,暴露出诸多难以解决的问题。近年来,世界各国纷纷开展了对未来网络体系架构的相关研究,力图从根本上解决现有互联网的各种主要严重问题。北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室提出了智慧标识网络(SINET,Smart Identifier NETworks)体系架构。SINET在有效提高网络安全性、移动性、可编程性与可扩展性的同时,引入了网络缓存功能,实现网络内容的沿路缓存(In-network caching),有效提高了用 户访问 体验。沿路缓存可大幅提高SINET中的链路带宽利用效率,减少用户访问时延,是SINET研究中的一个重要工作。为促进SINET缓存机制的发展,本文综合深入研究了 SINET架构,提出一种SINET架构下的缓存机理,并总结了缓存性能指标与分析方法;在此基础上,从减少缓存冗余、提高缓存空间使用效率的角度,提出了一种基于族群协作的缓存机制;从加速缓存系统吞吐量的角度,提出了一种层次结构的高速缓存系统;最后,为简化、统一 SINET性能分析实验过程,促进SINET的研究发展,提出了一种适用于SINET架构的性能分析系统。本文的主要工作和创新点如下:(1)通过分析SINET网络体系中沿路缓存部署问题,提出一种SINET架构下的缓存机理。首先,对SINET架构进行了深入研究,并综合性地分析了 SINET的机理原理与近期研究工作,包括SINET参考模型、设计原理、发展现状与面临的挑战等。然后,提出一种SINET架构下的缓存机理,并总结了缓存机制的性能指标与分析方法,为后续章节的研究奠定基础。(2)以最大缓存收益为目的,设计实现了一种基于族群协作的缓存机制(FCache)。族群是指一个或以上网络组件组成的功能组。FCache根据实际网络拓扑,自动组建缓存族群,以族群为最小单位执行最大收益缓存算法,实现缓存系统效率的最大化。作者使用NetFPGA 10G板卡实现了 FCache的原型系统,并对原型系统进行了单点吞吐量测试,结果表明:FCache可很好地支持高吞吐量的缓存场景。同时,使用自研的基于容器的实验床进行了多点性能分析,结果表明:FCache能够有效提高缓存命中率(典型场景下提升15%-30%),减少用户访问时延。(3)以提高缓存系统吞吐量为目的,提出了一种简单高效的层次结构缓存机制(HCaching)。该机制的核心思想是:利用网络流量局部性特征以及DRAM读写特征,使用少量SRAM作为主存DRAM的缓存,从而加速DRAM读写吞吐量、提高缓存系统的整体速率与容量。HCaching缓存方案包含一种大容量存储优化方案,一种高速预取机制,以及一种高效布隆过滤器存储索引技术。作者使用自研的基于NS-3的离散事件仿真器进行性能分析与评估,结果表明:HCaching能够有效提高缓存吞吐量性能,比当前主流缓存机制的吞吐量性能提升3-10倍。(4)基于上述两种缓存机制性能分析与实验验证方法,提出一种适用于SINET架构的性能分析系统(EmuStack)。该系统采用云计算系统架构,使用“测试即服务”的设计思想,支持大规模、全协议栈的网络性能分析。EmuStack使用轻量级虚拟技术,实现了 100倍物理主机的实验规模。系统支持虚拟链路延时、时延抖动、误码率等配置,链路时延的控制范围为1ms至200s,链路误码率的控制范围为10-4至10-9;支持多租户、资源动态编排技术;支持离散、虚拟与实物结合的实验验证。特别的,为支持高速如100Gbps缓存吞吐量性能分析,作者设计实现了一种基于NS-3的EmuStack分析模块,并开源了此模块公开版本,为高速缓存机制研究提供了有效的性能分析方法。