基于分层感知的最小缓存集合协同传输策略

基于分层感知的最小缓存集合协同传输策略

洪承化

（福州寰宇鸿通通讯信息有限公司，福建福州350001）

摘要：内容中心网络性能优劣与内容访问特征及网络缓存和请求内容的耦合度紧密相关。首先提出了一种分层感知算法，该算法实现了对缓存节点特征和内容访问特征的分层感知，旨在提升节点缓存与请求内容的耦合度。其次，在分层感知算法基础上提出了最小缓存集合机制，分层感知算法用于指导最小缓存集合节点位置选取及最小缓存集合对缓存内容选取，实现了基于分层感知的最小缓存集合协同传输策略，提高了网络缓存与内容请求的耦合度。针对分层感知算法和该协同传输策略进行了仿真验证，结果表明该传输策略在缓存命中率，传输时延和网络流量负载的性能表现良好，验证了该协同传输策略通过提高节点缓存与内容请求耦合度从而提升网络性能方面的有效性和可行性。

关键词：分层感知；传输策略；互联网

1引言

传统互联网中位置为中心的通信模式，一旦资源位置发生改变，客户端访问该资源就无响应，资源与位置的绑定使得数据传输方式过于僵化。内容中心、网络内容为中心的通信模式，摆脱了访问固定位置获取资源的束缚。网络缓存能够灵活动态地调整资源与用户的距离。用户发起某命名内容的请求，基于命名内容的寻址，命名内容的获取过程中用户对储存资源的位置没有感知，这在根本上提高了网络的鲁棒性和容错性。

内容中心、网络以命名内容请求为通信过程起始点，基于内容名称寻址和转发，直到找到该命名内容块并符合用户特定需求的内容源，由该内容源响应用户并回送该内容块。当用户请求一个内容时，根据网络对内容块划分方法和大小的不同，会对网络传输性能造成不同的影响。另一方面，内容块在网络中缓存的位置和兴趣包发送和响应的策略也是决定网络传，输性能的重要因素。除此么外，网络拓扑感知对网络整体性能的提升有重要作用，只有在恰当的位置缓存恰当的内容－网络传输性能和用户体验才能都得到提升。工作主要从网络拓扑和用户请求特征两个方面对网络性能的影响设计传输策略，从而提高网络整体性能和用户体验，

2研究背景

内容中心、网络的通信过程可以抽象成按照节点序列依次查表的过程，内容中心网络的节点模型主要由三个列表构成，它们分别是内容缓存列表（CS），等待兴趣包列表（PIT）和转发信息列表（FIB）。查表速度和列表大小、列表查找方法相关。内容缓存列表对网络传输性能的影响主要影响在于缓存命中率和缓存响应效率两方面。缓存命中率是由内容块划分，内容缓存策略和传输策略等共同决定的。缓存响应效率对内容传输性能有重要作用。等待兴趣包列表，通常是在条目生存时间和重传率之间寻找平衡。当生存时间过长，会导致等待兴趣包列表过大，不仅使得网络容易遭受恶意攻击，同时会对下行数据延迟造成影响。当生存时间过短，会导致返回内容块返回用户失败，导致用户频繁发起重传，从而影响传输效率。

转发信息列表，影响网络传输性能的主要因素在于基于内容块的路由策略效率和基于节点的流速控制及网络流量负载均衡等信息。转发的优劣在于平衡内容响应效率和网络负载的关系。网络中上下行负载不对称和网络中流量负载均衡与转发信息相关。

网络拓扑是承载网络包将要依次经过的节点，不同的缓存策略决定了网络中内容缓存的位置，不同的传输策略决定了网络中内容响应的效率和用户体验。同时，内容中心网络传输性能是与通信过程中三个列表的实现和查找性能息息相关。缓存策略和传输策略通常是相互关联和相互影响的关系。内容为中心的通信模式也决定了内容访问特征是影响网络性能的重要因素。因此，重点研究网络拓扑和用户请求对网络传输性能的影响，设计了一种基于网络拓扑感知和用户对内容请求特征的异步分层传输策略，提高网络传输性能。

3研究现状

内容中心网络中基于网络拓扑的缓存策略研究己经有一些研究工作。文献研究基于拓扑的内容缓存策略的研究主要集中在网络拓扑对内容缓存策略的影响。如何利用拓扑位置对内容块进行缓存，提高网络性能。研究基于内容访问特征对网络性能的影响，由此可知内容访问特征是基于命名内容通信网络的一个关键因素。只有内容访问特征的长尾效应越明显，内容中心网络的性能才能够越好；相反，内容访问的随机性越强，内容中心、网络的性能优势就会越小。

内容中心、网络缓存策略主要包括两个方面，一方面是内容缓存位于选择策略；另一方面是内容替换策略。内容缓存位置选择策略主要是研究在什么样的节点缓存什么样的内容块。现有的缓存策略主要包括LCD，LCE，CL4M和随机缓存策略等。除了此类内容缓存策略外，还有内容缓存位置的策略现有网络缓存替换主要是沿用已有的web缓存系统中采用的缓存策略，主要包括FIFO，LRU，LFU和随机缓存策略。这两种策略都对网络传输性能有重要影响，设计不同的传输策略与网络缓存策略结合可进一步提高网络性能。

在内容中心、网络中，根据缓存大小是否全网一致划分，内容缓存体系结构可分为同构缓存体系和异构缓存体系。同构缓存体系会导致网络资源的浪费，网络性能资源比较低，但是同构缓存体系部署简单，易于管理。异构缓存体系的优势在于根据网络拓扑和传输策略的影响决定网络资源部署，能够在较少的资源总量的情况下，通过部署资源在网络中的位置，从而达到更好地网络性能，难点在于部署网络缓存体系如何适应动态变化的内容访问特征。

在研究内容中心、网络传输策略时，重点集中于网络拓扑和内容访问特征对传输性能的影响。设计了一种基于拓扑感知和内容访问特征结合的异步双向分层传输策略。首先，研究了内容中心网络中路由节点的模型，提出了节点特征值；其次，研究内容访问特征；在两者基础上，提出了一种分层传输策略，旨在提升网络传输性能和内容响应效率。最后，研究了分层传输策略的性能表现，对比无分层传输策略的情况下，在不同的拓扑和缓存策略情况下，在传输时延，网络流量负载和内容缓存命中率和传输效率等方面进行仿真对比。从仿真结果可以看出，分层传输策略对于适应不同的拓扑和访问内容特征有很大的优势。

参考文献

[1]廖细生.基于混沌理论和神经网络的网络流量预测[J].微计算机信息.2010(03)

[2]李捷,候秀红,韩志杰.基于卡尔曼滤波和小波的网络流量预测算法研究[J].电子与信息学报.2007(03)