命名数据网络中缓存替换策略有效性分析

发布时间：2020-08-19 09:36

【摘要】：随着面向应用的内容的出现和发展,要求Internet的主要功能能够实现大规模高效的数据分发。然而当前互联网主机通信模式限制了数据分发的效率。因此,未来网络或下一代网络领域的一些研究人员提出了各种新的革命性的以信息为中心的网络架构,其中最具代表性的包括命名数据网络(NDN)。NDN具有接收者或请求者驱动主机到网络通信模式,并实现基于Pull的分组级数据分发。但是,对于实时流媒体数据应用(如实时视频和网络直播),它会使需要该内容的用户连续发送兴趣包,并且必须正确发送这些包以确保实时。随着数据包生成速率的增加,用户控制这些兴趣包的发送时间将变得更加困难,并且还会导致巨大的运行开销和路由器资源的浪费。新的NDN架构的成功需要广泛的社区参与和承诺。NDN已经获得了势头,有学术界和工业界的参与。增量部署的意图要求证明NDN可以解决TCP/IP解决方案存在问题或不存在的现实世界问题。NDN团队还维护NDN协议堆栈,模拟器和测试平台的开源实现,以促进测试和更广泛的社区参与。NDN可以运行任何可以转发数据报(以太网,Wi-Fi,蓝牙,蜂窝,IP,TCP等)的东西,任何可以在NDN上运行的东西,包括IP。NDN可以简单地运行它,而不是试图替换或更改已部署的IP基础架构。NDN还可以利用互联网经过数十年发展的经过充分测试的工程解决方案,如约定,策略和命名和路由管理实践。数据包具有唯一的名称,并根据数据包名称查找结果进行路由。在NDN网络中有两种类型的分组,兴趣分组和数据分组。如果用户想要一些内容,用户将发送兴趣包来表达请求。数据包已用于回复具有适当内容的兴趣包。NDN路由器能够缓存一定数量的转发数据包。当到达路由器的传入兴趣包并且路由器具有请求的内容时;它可以立即将内容发送回客户端,而不是将请求一直转发到服务器。此功能可能会节省网络中的大量带宽。NDN体系结构应支持全球唯一,人类可读,安全且与位置无关的名称。因此,主要的问题是开发一种能够满足所有这些要求的命名机制。目前现有的命名方法,如平面,层次和属性值支持一些要求。平面名称提供了唯一性,并且不会产生找到最长前缀匹配的开销。平面名称自我认证,易于使用高度可扩展的结构进行处理,如DHT。但是,平面名称不支持名称聚合。因此,使用平面名称会增加路由表大小并降低网络可伸缩性。但是,没有具体的研究是否可以提供所需的性能。分层名称是人性化的,并支持名称聚合。因此,它将路由表大小和更新时间降至最低,并使网络具有可扩展性。但是,由于名称聚合,分层名称不完全支持持久性。与在NDN中一样,内容名称(CN)显式显示内容属性。命名数据的优点是没有地址的网络,利用多个接口。安全的数据包可以缓存到任何地方,并支持ad hoc移动和DTN网络。在网络空间中,所有东西都可以视为有名的安全袋。内容缓存在命名数据网络(NDN)中发挥了至关重要的作用。缓存节点的内容存储(CS)中的内容与IP路由器中的缓冲存储器类似;但是,IP路由器在转发后不能重用数据包。命名数据链路状态路由(NLSR)是NDN的路由协议。由于NDN使用名称来标识和检索数据,因此NLSR将名称前缀而不是IP前缀的可达性传播。NLSR使用兴趣/数据包传播路由更新,直接受益于NDN的数据有效性。传统网络也受益于以信息为中心的网络技术,即内容交付网络,旨在高效快速地分发内容。在NDN缓存有以下几个好处。缓存其他节点产生的内容有助于将内容与其制作者分离。此外,它还减少了制作方的开销,并通过在网络中提供相同内容的多个副本从而避免单点故障。在由于数据包丢失而导致多播或重传的情况下,有助于实现动态内容的提供。在NDN中,根据底层缓存策略将内容从其内容存储库(CS)中取代。NDN网络中的每个路由器都可以缓存单个数据包。每个节点都附带一个内容存储库,该存储库具有一个附加策略,用于确定如何替换内容存储库中的项常见策略包括LRU(最近最少使用),FIFO(先入先出)和随机(RND)。在目前的NDN研究中,LRU是最常采用的缓存策略,因为观察到大约一半的数据包级别的缓存益处发生在前10秒。缓存替换策略ndnSIM的开发使用NFD的CS实现,因此可以创建新的缓存替换策略。用户需要扩展NFD的策略类来实现当新数据包被插入到CS中时调用的新的回调,从CS中删除现有的数据包,并且在查找匹配后将要返回数据包。在NDN中,缓存替换策略用于为新的最受欢迎的内容创造机会,并从缓存中移除不太受欢迎的内容。在路由器的处理能力和高速缓存替换策略的复杂性之间有一个折衷。由于路由器的处理限制,这些策略必须较为复杂。缓存策略如LRU,FIFO和RND的有效性2估旨在提高基于不同参数的缓存性能。现有研究致力于设计缓存分配机制,而没有研究缓存替换机制的有效性。在高度动态的网络中,内容优先级在应用程序性能中起着重要作用。与低优先级内容相比,高优先级内容将在网络中更多地可用。低优先级内容也会遭受高访问延迟。最大的问题是如何确定内容的优先级。两个主要的优先级决定因素可以是内容需求和节点间生成/交换的公共信息。针对缓存替换提出的网内内容优先化策略,并指出了命名数据以实现信息最大化的特定网络中缓存内容传递的好处。每个项目都存储在标记为热点或冷点的缓存中。每遇到相遇,在冷内容之前首先交换标记为热的内容。为了找到缓存数据中的热点内容,作者制定了背包问题,其中背包中的项目必须在所有用户查询答复中最大化效用。这些效用最大化的项目被标记为热门。本文旨在通过仿真评估三种缓存替换机制,即LRU,FIFO和RND在NDN缓存命中率方面的有效性。仿真是由一个开源的离散事件网络模拟器NS3软件包ndnSIM完成的。ndnSIM特定应用程序为各种网络级评估生成基本兴趣/数据包流,包括转发策略的行为,缓存策略等提供了一种便捷的方法。这些应用程序是基于NS3的应用程序抽象实现的,包括多个内置跟踪功能,包括检索数据的时间。ndnSIM中的数据包流包含多个元素,包括NS3的数据包,设备和通道抽象,ndnSIM内核以及借助ndn-cxx库进行集成NFD处理。在这项研究工作中,模拟网络包括12个路由器和80个节点。每个路由器随机与其他路由器连接,每个节点随机连接一台路由器。此外,所有路由器和节点都包含FIB,PIT和CS组件。在CS中使用的高速缓存大小可以是64Kbits,128Kbits和1024Kbits。发送速率设置为每秒16,64和128个数据包,由请求者发送。模拟分别在实验持续时间50,100和150秒完成。仿真在各种系统参数下进行,包括缓存大小,兴趣包发送速率和实验持续时间。仿真结果表明,LRU和FIFO适用于NDN缓存,并且在相同的兴趣分组发送速率和相同的实验持续时间下,两者的缓存命中率都是匹配的。在某些特殊情况下,RND比LRU和FIFO具有更好的缓存命中率。无论更换策略是LRU,FIFO还是RND,在相同的实验持续时间内,当兴趣数据包发送速率增加时,缓存命中率都会降低。无论替换策略是LRU,FIFO还是RND,在相同的实验持续时间内缓存大小都会增加,缓存命中率会增加。当兴趣数据包发送速率是10kbps时,RND具有比LRU和FIFO更好的高速缓存命中率。当缓存大小为1024时,兴趣报文发送速率为128,实验时长为100,LRU中的缓存命中率为7.53%,FIFO为7.95%,RND为3.94%。当实验持续时间增加时,LRU,FIFO和RND中的高速缓存命中率下降。在高速缓存大小为1024并且兴趣包发送速率为128的情况下,随着实验持续时间从50增加到150,LRU中的高速缓存命中率下降了 7.63%,FIFO从13.76%下降到了 5.72%,并且RND下降了 6.12%。在实验期间兴趣包发送速率从16增加到128时,RND的比率减少18.47%。当实验持续时间从50增加到150时,在兴趣包发送下,RND中的缓存命中率从16.69%降低到7.2%费率是128。NDN高速缓存的整体有效性使得区分缓存策略的每个对象基于缓存命中率的值。随着兴趣数据包发送速率的增加,LRU,FIFO和RND中的高速缓存命中率下降。但是,在高速缓存命中率中,RND减少的多于LRU和FIFO。例如,在实验持续时间为50的情况下,当兴趣包发送速率从16增加到128时,RND中的缓存命中率从82.4%下降到8.1%,但LRU和FIFO仅从82.4%下降到13.3%。此外,当缓存大小为1024时,LRU和FIFO在缓存命中率方面的性能优于RND,并且在实验持续时间为50到150时,兴趣包发送速率为64到128.作为结论,当兴趣包发送时缓存命中率降低无论替换策略是LRU,FIFO还是RND,在相同的实验持续时间内都会提高速率。未来的工作将在更多系统参数和复杂情况下比较它们的性能。另外,还有很多复杂的内容替换策略存在。这些策略的性能评估是未来的一个方向。此外,制定更有效的内容替换策略是下一步可能的工作。NDN没有任何传输层,IP传输层的主要职责已经转移到NDN转发平面。为不同的环境和网络设计有效和高效的转发策略仍面临着开放的挑战。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.0

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