面向信息中心网络的缓存管理方法研究

发布时间：2020-09-29 15:01

　　互联网的诞生改变了人们的生产生活方式,它从方方面面影响着人类的进步。然而网络中的流量逐年递增,多媒体数据的占比也越来越大,IP网络中存在着大量的冗余传输,导致网络效率降低,逐渐成为了网络发展的瓶颈。从电话网络发展而来的传统网络主要是面向连接的网络,在两台静态主机之间资源共享,而现如今已经由这种通信方式逐渐向网络中共享信息数据发展。信息中心网络的提出有效改善了传统IP网络中许多的弊端,它将信息与位置的关系进行解耦,在网络中共享数据,不关心数据的位置。在信息中心网络中,路由器带有缓存功能,可以对经过的数据进行缓存,当下一次同名的请求经过这个路由器时,由路由器直接进行响应,从而减小网络传输的长度,因此缓存策略直接影响信息中心网络的性能。对于缓存策略的研究分为两个方向,一个方向是缓存替换策略,当缓存队列被填充满时,需要通过缓存的替换策略决定是否替换以及替换哪个缓存信息。另一个方向是缓存部署策略,决定缓存信息部署在网络中的哪个或者哪些缓存节点上。本文提出了动态适应的预过滤队列缓存替换算法,可以适应不同的网络状况,在此基础上提出了基于缓存节点状态和位置的缓存部署策略,通过综合评定状态值选取相对适合的节点进行缓存。首先对FIFO、LRU、RAND、LFU缓存替换策略进行了分析,FIFO缓存替换算法忽略了缓存内容流行度对缓存命中率的影响,LRU缓存替换算法对超过缓存队列长度的周期性访问内容缓存效果不佳,RAND缓存替换算法具有随机性,网络情况复杂时表现很不稳定,LFU不能在O(1)的时间复杂度内完成缓存替换操作。因此,对于缓存替换算法还有继续提升的空间,本文根据每种缓存替换策略优缺点提出了动态LRU-K缓存替换策略,通过增加预过滤队列的方式过滤非频繁访问的缓存,根据缓存队列的命中率和预过滤队列的填充程度不断地调整预过滤队列的个数,使其总体向提高命中率的方向调整。仿真实验表明动态LRU-K缓存替换策略可以有效提高缓存命中率。缓存部署策略的研究分为三个类别,分别是非协作缓存、显式协作缓存和隐式协作缓存。显式协作缓存一般能体现出最佳的缓存效果,但是需要大量的通信以满足缓存节点信息的交换,并且依赖于控制器进行计算。因此,本文提出了一种on-path的隐式协作缓存部署策略,基于动态LRU-K缓存替换策略,根据缓存节点的网络位置和状态进行综合评定,选取传输路径上状态值最佳的节点进行缓存。每个缓存节点状态值根据预过滤队列的个数K、预过滤队列的命中位置以及缓存在链路上与请求节点的距离以不同的权值进行计算。每次的请求都只会在请求路径上选择一个或两个节点进行缓存,减小了数据的冗余度。仿真实验表明基于缓存节点状态和位置的缓存部署策略可以提高命中率,并小幅度降低平均请求长度。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP393.07
【部分图文】：

响应过程

图 2.1 IP 网络请求与响应过程图 2.2 ICN 请求与响应过程ICN 在最初的时候并没有引起学术界足够的重视，但是现在它已经成为了未来网络架构研究重要的一个方向。而目前并没有对 ICN 做出详尽的规范，所以没用共同的框架。世界上很多国家的学者都在研究下一代以信息为中心的计算机网络，包括欧洲国家所研究的 PSIRP、SAIL 和美国研究的 DONA、CCN、NDN 以及 NetInf，这些方案的设

响应过程

图 2.2 ICN 请求与响应过程ICN 在最初的时候并没有引起学术界足够的重视，但是现在它已经成为了未来网络架构研究重要的一个方向。而目前并没有对 ICN 做出详尽的规范，所以没用共同的框架。世界上很多国家的学者都在研究下一代以信息为中心的计算机网络，包括欧洲国家所研究的 PSIRP、SAIL 和美国研究的 DONA、CCN、NDN 以及 NetInf，这些方案的设计都是为了满足内容的分发，都采用了发布/订阅模式，并且设置了缓存节点。CCN 最早由 PARC 在 2009 年提出，并由美国加州大学洛杉矶分校在其基础上提出NDN，NDN 对 CCN 进行了扩充和延伸[19]。CCN 是 NDN 在获得美国国家自然基金立项前的简称，NDN 的思想都是基于 CCN 的，NDN 减少了收发数据包的时间，同时，解决了兴趣包回环问题。NDN 目前已经是最具有发展潜力的 ICN 网络架构[20]，因此，本文后边重点介绍 NDN，并以 NDN 作为 ICN 的代表进行叙述，分析缓存策略在 NDN 下实现的方案。2.1.2 命名数据网络

示意图,队列,缓存,示意图

哈尔滨工程大学硕士学位论文置改变时，节点的存储地址不被改变，从而使得 HASH 表不会因为队列节点的移动而导致失效。当缓存队列尚未填满时，所有需要的缓存节点都会加入到缓存队列的头部。需要查询缓存队列时，首先根据数据包的名字计算 HASH 表中的 Key 值，通过 Key 值找到缓存队列中的缓存节点，并将其移动到队列头部。当需要替换缓存节点时，删除缓存队列的尾部节点，并将新的节点插入到缓存队列的头部。

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