信息中心网络中多目标优化的缓存方法研究

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作为一个极具发展潜力的新型网络体系结构,信息中心网络(Information-Centric Networking,ICN)中“以信息为中心”的设计思想受到学术界广泛关注。在ICN中,相对于信息的物理或逻辑位置而言,用户更加关心的是信息的获取。因而,ICN提供了网络内置缓存技术(In-network Caching),以加速内容的分发,改善用户体验。网络内置缓存的核心思想是通过就近服务来提升ICN网络缓存性能,即通过为网络中的路由器配置一定的缓存空间,将内容资源放置在具有缓存空间的路由器上,以便用户发送的内容请求在路由时能直接访问到内容,而不需要次次从服务器中获取内容。由于ICN缓存中的缓存空间有限,合理高效的缓存放置方法对提高ICN网络整体性能有着至关重要的影响。因此,研究ICN中的缓存放置方法是非常有价值的。本文首先对信息中心网络缓存放置方法的研究背景和研究现状进行了介绍。其次,对ICN中典型的缓存放置方法和缓存网络性能评价指标进行了详细阐述。随后,通过考虑多个优化目标,提出两种新的缓存放置方法,以实现ICN网络缓存性能的优化。最后,为验证本文提出的缓存放置方法的有效性,采用多个网络缓存性能评价指标对提出的缓存放置方法进行了分析。本文的主要研究工作包括:(1)采用了内容中心性度量指标来衡量网络中节点在用户获取内容时的重要性。不同于传统网络中的中心性指标,内容中心性指标综合考虑了节点的位置中心性和内容本身的属性,用于刻画节点关于内容的重要性。(2)为了提升ICN缓存命中率和利用率,减少内容获取时延和缓存冗余,提出了一种基于内容中心性和时延的概率缓存方法,简称为ProbCCD方法。首先,通过考虑缓存命中和网络时延,分别定义了内容中心性度量指标和时延节省度量指标。其次,兼顾内容中心性和时延节省两方面优化目标,建立了缓存内容放置问题模型。然后,通过分析优化模型,提出了基于内容中心性和时延的概率缓存方法ProbCCD。在该方法中,沿途各缓存节点依据缓存概率进行缓存决策,且缓存概率与内容中心性和时延节省成正比。仿真实验表明,ProbCCD方法可以有效地提高缓存命中率和缓存内容利用率,降低内容获取时延和缓存冗余。(3)针对ICN中节点负载不均和缓存效率不高等问题,综合考虑负载均衡、网络时延以及缓存命中,提出了一种基于分区兼顾负载均衡和缓存效率的缓存方法,简称为PLBC方法。在该方法中,首先引入区域划分,兼顾网络时延和负载均衡两个目标对网络中的缓存节点进行区域划分。然后,在区域划分的基础上,采用局部内容中心性指标作为分区中缓存节点选择的重要依据,将内容协作地放置在各分区中。仿真实验表明,PLBC方法可以有效地提高缓存效率和缓存内容多样性,在网络整体上实现负载均衡,减少网络缓存冗余。
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