【摘要】：現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)起源于六十年代末提出的阿帕網(wǎng),滿足有線、可信終端的數(shù)據(jù)傳輸與共享。隨著信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量和應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大,其原始設(shè)計(jì)受到嚴(yán)重挑戰(zhàn),暴露出諸多難以解決的問(wèn)題。近年來(lái),世界各國(guó)紛紛開展了對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的相關(guān)研究,力圖從根本上解決現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的各種主要嚴(yán)重問(wèn)題。北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室提出了智慧標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)(SINET,Smart Identifier NETworks)體系架構(gòu)。SINET在有效提高網(wǎng)絡(luò)安全性、移動(dòng)性、可編程性與可擴(kuò)展性的同時(shí),引入了網(wǎng)絡(luò)緩存功能,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的沿路緩存(In-network caching),有效提高了用 戶訪問(wèn) 體驗(yàn)。沿路緩存可大幅提高SINET中的鏈路帶寬利用效率,減少用戶訪問(wèn)時(shí)延,是SINET研究中的一個(gè)重要工作。為促進(jìn)SINET緩存機(jī)制的發(fā)展,本文綜合深入研究了 SINET架構(gòu),提出一種SINET架構(gòu)下的緩存機(jī)理,并總結(jié)了緩存性能指標(biāo)與分析方法;在此基礎(chǔ)上,從減少緩存冗余、提高緩存空間使用效率的角度,提出了一種基于族群協(xié)作的緩存機(jī)制;從加速緩存系統(tǒng)吞吐量的角度,提出了一種層次結(jié)構(gòu)的高速緩存系統(tǒng);最后,為簡(jiǎn)化、統(tǒng)一 SINET性能分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程,促進(jìn)SINET的研究發(fā)展,提出了一種適用于SINET架構(gòu)的性能分析系統(tǒng)。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:(1)通過(guò)分析SINET網(wǎng)絡(luò)體系中沿路緩存部署問(wèn)題,提出一種SINET架構(gòu)下的緩存機(jī)理。首先,對(duì)SINET架構(gòu)進(jìn)行了深入研究,并綜合性地分析了 SINET的機(jī)理原理與近期研究工作,包括SINET參考模型、設(shè)計(jì)原理、發(fā)展現(xiàn)狀與面臨的挑戰(zhàn)等。然后,提出一種SINET架構(gòu)下的緩存機(jī)理,并總結(jié)了緩存機(jī)制的性能指標(biāo)與分析方法,為后續(xù)章節(jié)的研究奠定基礎(chǔ)。(2)以最大緩存收益為目的,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于族群協(xié)作的緩存機(jī)制(FCache)。族群是指一個(gè)或以上網(wǎng)絡(luò)組件組成的功能組。FCache根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?自動(dòng)組建緩存族群,以族群為最小單位執(zhí)行最大收益緩存算法,實(shí)現(xiàn)緩存系統(tǒng)效率的最大化。作者使用NetFPGA 10G板卡實(shí)現(xiàn)了 FCache的原型系統(tǒng),并對(duì)原型系統(tǒng)進(jìn)行了單點(diǎn)吞吐量測(cè)試,結(jié)果表明:FCache可很好地支持高吞吐量的緩存場(chǎng)景。同時(shí),使用自研的基于容器的實(shí)驗(yàn)床進(jìn)行了多點(diǎn)性能分析,結(jié)果表明:FCache能夠有效提高緩存命中率(典型場(chǎng)景下提升15%-30%),減少用戶訪問(wèn)時(shí)延。(3)以提高緩存系統(tǒng)吞吐量為目的,提出了一種簡(jiǎn)單高效的層次結(jié)構(gòu)緩存機(jī)制(HCaching)。該機(jī)制的核心思想是:利用網(wǎng)絡(luò)流量局部性特征以及DRAM讀寫特征,使用少量SRAM作為主存DRAM的緩存,從而加速DRAM讀寫吞吐量、提高緩存系統(tǒng)的整體速率與容量。HCaching緩存方案包含一種大容量存儲(chǔ)優(yōu)化方案,一種高速預(yù)取機(jī)制,以及一種高效布隆過(guò)濾器存儲(chǔ)索引技術(shù)。作者使用自研的基于NS-3的離散事件仿真器進(jìn)行性能分析與評(píng)估,結(jié)果表明:HCaching能夠有效提高緩存吞吐量性能,比當(dāng)前主流緩存機(jī)制的吞吐量性能提升3-10倍。(4)基于上述兩種緩存機(jī)制性能分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法,提出一種適用于SINET架構(gòu)的性能分析系統(tǒng)(EmuStack)。該系統(tǒng)采用云計(jì)算系統(tǒng)架構(gòu),使用“測(cè)試即服務(wù)”的設(shè)計(jì)思想,支持大規(guī)模、全協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)性能分析。EmuStack使用輕量級(jí)虛擬技術(shù),實(shí)現(xiàn)了 100倍物理主機(jī)的實(shí)驗(yàn)規(guī)模。系統(tǒng)支持虛擬鏈路延時(shí)、時(shí)延抖動(dòng)、誤碼率等配置,鏈路時(shí)延的控制范圍為1ms至200s,鏈路誤碼率的控制范圍為10-4至10-9;支持多租戶、資源動(dòng)態(tài)編排技術(shù);支持離散、虛擬與實(shí)物結(jié)合的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。特別的,為支持高速如100Gbps緩存吞吐量性能分析,作者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于NS-3的EmuStack分析模塊,并開源了此模塊公開版本,為高速緩存機(jī)制研究提供了有效的性能分析方法。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP393.0
【圖文】：

圖１．１論文組織結(jié)構(gòu)圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．邋１邋Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｉｏｎ邋ｆｏｒ邋ｔｌｉｅ邋ｔｈｅｓｉｓ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ逡逑論文后續(xù)章節(jié)的內(nèi)容安排如下：逡逑第２章提出一種ＳＩＮＥＴ架構(gòu)下的高效緩存機(jī)理。首先，研宄了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)ＣＮ、ＳＤＮ與ＮＦＶ的發(fā)展現(xiàn)狀。然后，著重闡述了邋ＳＩＮＥＴ的機(jī)理原理與工作。最后，提出一種Ｓ１ＮＥＴ架構(gòu)下的高效緩存機(jī)理，總結(jié)了緩存機(jī)制標(biāo)與分析方法。逡逑第３章提出了一種基于族群協(xié)作的緩存機(jī)制。該機(jī)制旨在減少緩存冗余存系統(tǒng)效能與緩存命中率。其根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，創(chuàng)建緩存族群，通過(guò)族實(shí)現(xiàn)緩存系統(tǒng)的收益最大化。逡逑第４章設(shè)計(jì)了一種層次結(jié)構(gòu)的高速緩存系統(tǒng)。該系統(tǒng)方案包含一種大容織優(yōu)化方案，一種高速預(yù)取機(jī)制，以及一種高效布隆過(guò)濾器存儲(chǔ)索引技術(shù)前主流高速緩存系統(tǒng)方案，此系統(tǒng)顯著提高了緩存系統(tǒng)吞吐量。逡逑第５章在上述ＳＩＮＥＴ體系架構(gòu)研宄以及自研的緩存機(jī)制性能分析系統(tǒng)的提出了一種ＳＩＮＥＴ性能分析方法與系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模、全方位、ＳＩＮＥＴ，ＳＩＮＥＴ。逡逑

如內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、安全傳輸層協(xié)議、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議。然而，這些功能逡逑性的補(bǔ)丁不能從根本上解決當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，反而使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加復(fù)雜與臃逡逑腫［１】�，F(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)主要嚴(yán)重問(wèn)題源于原始互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的三重綁定ｗ。如圖２．１所示，逡逑“用戶／網(wǎng)絡(luò)綁定”帶來(lái)了可擴(kuò)展性、安全性問(wèn)題，“資源／位置綁定”帶來(lái)了移動(dòng)性、逡逑能耗等問(wèn)題，“控制／數(shù)據(jù)綁定”帶來(lái)了靈活性、資源利用率等問(wèn)題。三重綁定使網(wǎng)逡逑絡(luò)靜態(tài)、僵化，并從根本上阻礙了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。逡逑！邐Ｈ＊綈

本文編號(hào)：2733567