内容中心网络建模与内容放置问题研究

发布时间：2017-04-10 14:21

  本文关键词：内容中心网络建模与内容放置问题研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：互联网已经成为了现今社会最重要的通信基础设施之一,深刻地影响和改变着人们的工作、学习和生活。然而,随着网络规模的快速增长和多样化应用需求的不断涌现,现有互联网架构中存在的固有问题逐渐凸显,例如可扩展性、移动性、可控可管性、绿色节能等方面。为了从根本上解决这些问题,学术界提出了对未来网络“从头再来(clean-slate)"的设计思想,希望能够摆脱现有互联网约束,重新设计面向内容的网络体系架构。 内容中心网络(Content Centric Networking,CCN)或命名数据网络(Named Data Networking,, NDN)是这些面向内容的网络架构中最重要的架构之一：CCN/NDN采用了以命名数据为中心的命名、安全、缓存、路由转发和传输方式,形成了兴趣包-数据包的基本通信模型,从根本上改变了互联网架构,使其完成从关注地址和主机到关注内容本身的转变。CCN/NDN直接保护信息而不再是保护传输信息的容器,从而完成了从信任主机到信任数据的设计思路转变。CCN/NDN将存储功能置入到路由器中,利用网内缓存改进内容分发的传输效率。 本课题我们将研究CCN/NDN网络建模以及内容放置算法。CCN/NDN网络建模是指在网络请求分布、缓存策略和路由机制给定的条件下,按照CCN/NDN的数据传输方式,得到请求在各个路由节点的缓存命中概率,结合链路带宽的分配方式或链路时延,得到各个节点获取内容的平均往返时延。在CCN/NDN网络建模方面,本课题主要做了如下两个贡献： (1)在线型和二叉树型的网络拓扑结构及最近最少使用(Least Recently Used, LRU)缓存策略下,分析请求在节点未命中的两种情况,即(a)前一次内容k请求到本次内容k请求之间有大于缓存容量的内容种类的请求；(b)前一次内容k请求未命中之后到内容k返回之前(即内容k的往返时延内)的内容k的请求。然后利用排队论和大数定律的分析方法,通过分析推导,得到了各个内容在各节点的未命中率和往返时延的闭式解,并分析性能与资源的数量关系。 (2)对于CCN/NDN网络的任意拓扑结构,提出了带聚合的多缓存近似(Multi-Cache with Aggregation Approximation,MCAA)算法计算各内容在各个节点的命中率和分发时延的近似数值解。从CCN/NDN数据传输特点出发,考虑CCN/NDN路由节点PIT的聚合功能,用数学公式分别表达外来请求、转发、未命中、聚合以及时延,将这些表达式串联起来,设置误差阈值,先假定各节点的未命中率为零,通过逐步迭代,以两次迭代结果的误差落入预先设定的阈值内作为终止条件,最终得到任意拓扑结构下各种内容在各个节点的命中率和分发时延的近似数值解。 内容放置问题的研究主要包括集中式的内容放置和分布式的内容放置两类,集中式的内容放置能够获得全局信息以做全局优化,而分布式的内容放置则只能通过局部信息得到次优解。鉴于CCN/NDN的分布式架构,本文主要研究分布式的内容放置问题。CCN/NDN内容放置问题主要回答如下问题：内容是否放置到节点(或节点是否缓存内容的决定策略)、放置到节点的内容什么时候被替换(缓存内容的替换策略)、以及放置多少内容到节点(缓存空间大小分配策略)。本文主要针对网络的优化目标,研究了基于时延和能效的内容放置策略,具体创新点如下： (3)以用户获取内容的时延最小化为优化目标,通过提取出刻画节点对内容竞争力的逗留时间(Sojourn Time, ST),我们设计了一种基于ST的合作缓存决定新策略,逗留时间是指内容从缓存在节点到本次被替换出去的这段时间。并且在替换策略采用LRU策略时,理论分析了ST-LRU策略的优势,通过仿真进一步证实了该策略通过减少节点对内容的复制次数,增加缓存内容的多样性,提高了请求的总命中率,减少了用户获取内容的总时延。 (4)以网络总能量最小化为优化目标,建立网络总能量的优化模型,我们设计了基于往返时延的能效缓存(Energy efficiency cache scheme based on VRTT, EV)策略。该策略分析到达各个节点的内容缓存与否分别可能产生的能耗做缓存决定策略,在缓存产生的能耗较小的情况下,比较已缓存内容节省的能量与新到达内容将节省的能量大小,若新到达内容将节省的能量大于已缓存内容中节能最小的内容所节省的能量,则将该新到内容替换节能最小的内容而缓存到节点中。基本思想是权衡内容缓存能量与传输能量,同时最大化已缓存内容的节能,最终达到最小化总能量的目的。仿真结果显示,EV策略在能耗方面优于LRU和基于流行度的策略,在用户获取内容的平均跳数方面,EV策略也优于LRU策略。
【关键词】：未来网络 内容中心网络 数据传输建模 内容放置问题 逗留时间 能量效率
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP393.02
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-32
• 1.1 课题研究背景13-28
• 1.1.1 互联网的发展及其面临的问题13-15
• 1.1.2 信息中心网络15-17
• 1.1.3 内容中心网络17-28
• 1.2 课题来源及研究意义28-30
• 1.2.1 课题来源28-29
• 1.2.2 研究意义29-30
• 1.3 本文主要贡献30
• 1.4 本文组织结构30-32
• 第二章 CCN网络建模与内容放置问题概述32-48
• 2.1 引言32
• 2.2 CCN网络建模问题概述32-41
• 2.2.1 CCN网络建模的研究意义32-33
• 2.2.2 CCN网络建模的研究现状33-41
• 2.3 CCN网络内容放置问题概述41-48
• 2.3.1 CCN网络内容放置问题的研究意义41-42
• 2.3.2 CCN网络内容放置问题的研究现状42-48
• 第三章 基于分析方法的CCN数据传输建模48-62
• 3.1 引言48
• 3.2 研究思路48-49
• 3.3 模型描述和符号49-50
• 3.4 算法分析50-56
• 3.4.1 单节点模型50-52
• 3.4.2 线型52-54
• 3.4.3 二叉树型54-56
• 3.6 仿真与分析56-61
• 3.6.1 仿真环境和参数设置56
• 3.6.2 仿真结果和分析56-61
• 3.7 本章小结61-62
• 第四章 基于迭代方法的CCN数据传输建模62-73
• 4.1 引言62
• 4.2 研究思路62
• 4.3 模型描述和符号62-64
• 4.4 MCAA算法分析64-67
• 4.5 仿真与分析67-72
• 4.5.1 仿真环境和参数设置67-68
• 4.5.2 仿真结果和分析68-72
• 4.6 本章小结72-73
• 第五章 基于时延优化的内容放置策略73-91
• 5.1 引言73
• 5.2 研究思路73-74
• 5.3 基于逗留时间的内容放置算法74-79
• 5.3.1 系统模型描述74-75
• 5.3.2 ST策略在CCN中的设计实现75-77
• 5.3.3 ST-LRU策略举例77-79
• 5.4 ST-LRU策略的性能分析79-83
• 5.4.1 CCN数学模型及假设79-80
• 5.4.2 平均逗留时间的计算公式80-82
• 5.4.3 ST-LRU策略的定性分析82-83
• 5.5 仿真结果与分析83-90
• 5.5.1 仿真环境设置83-85
• 5.5.2 仿真结果分析85-90
• 5.5.2.1 ST-LRU与ALWAYS-LRU机制的比较85-88
• 5.5.2.2 平均逗留时间计算公式的有效性分析88-90
• 5.6 本章小结90-91
• 第六章 基于能效优化的内容放置策略91-101
• 6.1 引言91
• 6.2 研究思路91-92
• 6.3 基于往返时延的内容放置算法92-94
• 6.3.1 模型符号和假设92
• 6.3.2 EV策略在CCN中的设计实现92-94
• 6.4 EV策略的理论分析94-96
• 6.4.1 CCN能量优化模型94-95
• 6.4.2 EV算法理论分析95-96
• 6.5 仿真与分析96-99
• 6.5.1 仿真环境和参数设置96
• 6.5.2 仿真结果和分析96-99
• 6.6 本章小结99-101
• 第七章 结束语101-104
• 7.1 论文工作总结101-102
• 7.2 未来工作展望102-104
• 参考文献104-113
• 缩略语索引113-116
• 致谢116-117
• 攻读博士学位期间相关论文及专利117

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 何宝宏;;下一代互联网技术演进路线研究[J];电信网技术;2009年10期

2 吴建平;林嵩;徐恪;刘莹;朱敏;;可演进的新一代互联网体系结构研究进展[J];计算机学报;2012年06期

3 谢高岗;张玉军;李振宇;孙毅;谢应科;李忠诚;刘韵洁;;未来互联网体系结构研究综述[J];计算机学报;2012年06期

4 任勇;徐蕾;叶王毅;彭兆盟;孙权;杨超群;桂琨智;;未来网络的研究进展和发展趋势[J];中国科技论文在线;2011年04期

  本文关键词：内容中心网络建模与内容放置问题研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：296904