論文：對未來網(wǎng)絡(luò)中CCN的緩存策略的研究
引言
隨著傳統(tǒng)TCP /IP 網(wǎng)絡(luò)諸多弊端的暴露，以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)( Content-Centric Network，CCN)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，已經(jīng)成為未來網(wǎng)絡(luò)的研究熱點。CCN 將內(nèi)容置于首要地位，不再關(guān)心內(nèi)容的存儲位置，而僅關(guān)心內(nèi)容本身，內(nèi)容的來源可以是網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容服務(wù)器，也可以是任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的緩存。當(dāng)用戶需要獲取內(nèi)容時，首先作為內(nèi)容請求者，向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送內(nèi)容請求，然后根據(jù)CCN 的轉(zhuǎn)發(fā)策略，對內(nèi)容請求進(jìn)行逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，任何能夠響應(yīng)內(nèi)容請求的節(jié)點或內(nèi)容服務(wù)器都可以沿著內(nèi)容請求的方向，直接將內(nèi)容傳送給請求者，完成信息的傳輸。CCN 網(wǎng)絡(luò)采用了分布式的內(nèi)容緩存機制，允許節(jié)點對傳輸?shù)膬?nèi)容進(jìn)行緩存。盡管緩存技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，但考慮到CCN 中緩存功能的普遍性和通用性，緩存技術(shù)的研究仍存在很多需要解決的問題。
目前CCN 緩存技術(shù)的研究主要涉及緩存容量的分配策略、緩存替換策略、緩存利用策略和緩存放置策略，其中緩存放置策略是CCN 緩存研究的核心問題。但是當(dāng)前提出的緩存機制還是有一些問題需要解決:首先是緩存無效，當(dāng)很多節(jié)點上緩存相同的內(nèi)容時，有一些節(jié)點，比如上游節(jié)點上的內(nèi)容在一段時間內(nèi)從未被請求過，而導(dǎo)致這些緩存一直未發(fā)揮作用，這就叫無效緩存。這會導(dǎo)致空間的浪費。其次是相同的緩存內(nèi)容在某一時間段內(nèi)存在于各個節(jié)點，尤其是在熱門時間內(nèi)，各個節(jié)點上都緩存著�；谏鲜鰩讉�基礎(chǔ)方案存在的問題，文中提出一種基于內(nèi)容流行度的動態(tài)緩存決定策略�；驹砣缦�:
傳統(tǒng)的LCE 或者LCD 等對任何內(nèi)容都會進(jìn)行緩存，而沒有考慮到內(nèi)容的流行度，因為有的內(nèi)容較為流行，需求量較大，而有的內(nèi)容需求量較小。所以應(yīng)該盡量多緩存流行度較高的內(nèi)容，而流行度較低的內(nèi)容，則盡量少緩存。這樣可以節(jié)省資源，并且提高了CCN 的整體表現(xiàn)能力。將這個策略叫做MPC( Most PopularContent) ，即只緩存流行內(nèi)容，而不緩存不流行的內(nèi)容，不緩存不流行的內(nèi)容可以減少緩存替換時的負(fù)擔(dān)，因為緩存的不流行的內(nèi)容越多，那么當(dāng)流行的內(nèi)容被請求時，不流行的內(nèi)容就會被替換下來( 用LRU 等策略) ，這樣會增加緩存替換的工作量。
那么流行度怎么定義呢? 筆者定義了一個流行閾，當(dāng)一個內(nèi)容被請求了一定的次數(shù)，而達(dá)到了這個流行閾之后，這個內(nèi)容就被稱為流行的內(nèi)容。但是一個內(nèi)容可能在一定時間內(nèi)請求的節(jié)點比較多，但是過了一段時間后，漸漸變少了。所以將流行度定義為一定時間內(nèi)被請求的次數(shù)，這個時間定義為統(tǒng)計周期或者是重置時間。比如，如果統(tǒng)計周期為5 s，當(dāng)內(nèi)容o在5 s 內(nèi)被訂閱了3 次之后，它的流行度就是3。當(dāng)時間過了5 s 之后，它的流行度就需要被重新計數(shù)了。所以當(dāng)內(nèi)容o 剛剛被發(fā)布時，訂閱它的節(jié)點很多，所以在幾個統(tǒng)計周期內(nèi)它的流行度都很高。但是在過了一段時間之后，訂閱者逐漸減少。而且每隔一段時間流行度都需要被清零，所以流行度也就逐漸下降。在每個節(jié)點上，都會維護(hù)著一個流行度表，并且記錄著它收到的請求特定內(nèi)容的興趣包。當(dāng)一個內(nèi)容或者說數(shù)據(jù)包變得流行以后，緩存該內(nèi)容的節(jié)點，會通知它的相鄰節(jié)點，讓它的相鄰節(jié)點也緩存這個內(nèi)容。但是收到建議后，相鄰節(jié)點可以做出選擇，可以緩存這個內(nèi)容，也可以不緩存。需要注意的是，內(nèi)容的流行度不是一直不變的，當(dāng)一個內(nèi)容變成流行內(nèi)容之后，它可以在一段時間后變得不流行了，因為用戶的需求隨時在變化。
下面根據(jù)具體的實例來分析基于內(nèi)容流行度的緩存決策方案所示，在一個統(tǒng)計周期內(nèi)，最開始在節(jié)點D 緩存著一個流行內(nèi)容d1而節(jié)點E 緩存著一個不流行的內(nèi)容e1，假設(shè)為0。當(dāng)節(jié)點A 發(fā)出請求內(nèi)容e1的.興趣包之后，包括節(jié)點A，C，D，E 在內(nèi)的沿路節(jié)點中，e1在流行度表中的流行度都上升了。
也就是說，e1在節(jié)點A，C，D，E 中的流行度現(xiàn)在已經(jīng)由0 變?yōu)?了。同時，當(dāng)節(jié)點A 發(fā)出請求內(nèi)容d1的興趣包之后，包括沿路節(jié)點A，C，D 在內(nèi)的節(jié)點，d1在流行度表中的流行度也變?yōu)? 了。接下來，節(jié)點B 請求內(nèi)容d1，則在節(jié)點C 和D 中，d1的流行度變成了2。最后C 請求內(nèi)容d1，那么在節(jié)點C 和D 中，內(nèi)容d1的流行度也就變成了3。在這里把閾值設(shè)置為3，即流行度大于等于3 的內(nèi)容會被緩存。此時，節(jié)點D 是唯一緩存內(nèi)容d1的節(jié)點，D 向它的相鄰節(jié)點E 和C 發(fā)送消息，告訴它們，可以緩存內(nèi)容d1。至于是否緩存，還要看節(jié)點C和E 的緩存能力。因為每個節(jié)點中，另外維護(hù)了兩個參數(shù)，最大緩存數(shù)和應(yīng)當(dāng)緩存數(shù)目，當(dāng)緩存能力足夠時，就會緩存內(nèi)容d1。所以當(dāng)E 和C 緩存了d1之后，比如當(dāng)節(jié)點A 請求內(nèi)容d1時，就會直接從節(jié)點C 處獲取，而不是節(jié)點D
結(jié)束語
為了分析研究CCN 網(wǎng)絡(luò)的緩存決定策略，文中分析研究了幾種基本的緩存決定策略，如LCE、LCD 等，得出了它們存在的缺點和不足，比如無效緩存、冗余度高等等。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于內(nèi)容流行度的緩存決定策略，將內(nèi)容流行度引入了緩存決策分析。經(jīng)過仿真分析，基于內(nèi)容流行度的緩存決策在緩存效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于簡單的LCE 緩存決策。展望未來，還有很多地方值得研究，比如將MPC 推動到移動網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中去，還可以利用節(jié)點之間的帶寬來換取緩存效率的思想。
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