發(fā)布時(shí)間：2020-09-29 15:01

　　 互聯(lián)網(wǎng)的誕生改變了人們的生產(chǎn)生活方式,它從方方面面影響著人類的進(jìn)步。然而網(wǎng)絡(luò)中的流量逐年遞增,多媒體數(shù)據(jù)的占比也越來越大,IP網(wǎng)絡(luò)中存在著大量的冗余傳輸,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率降低,逐漸成為了網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸。從電話網(wǎng)絡(luò)發(fā)展而來的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要是面向連接的網(wǎng)絡(luò),在兩臺(tái)靜態(tài)主機(jī)之間資源共享,而現(xiàn)如今已經(jīng)由這種通信方式逐漸向網(wǎng)絡(luò)中共享信息數(shù)據(jù)發(fā)展。信息中心網(wǎng)絡(luò)的提出有效改善了傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中許多的弊端,它將信息與位置的關(guān)系進(jìn)行解耦,在網(wǎng)絡(luò)中共享數(shù)據(jù),不關(guān)心數(shù)據(jù)的位置。在信息中心網(wǎng)絡(luò)中,路由器帶有緩存功能,可以對(duì)經(jīng)過的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存,當(dāng)下一次同名的請(qǐng)求經(jīng)過這個(gè)路由器時(shí),由路由器直接進(jìn)行響應(yīng),從而減小網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拈L(zhǎng)度,因此緩存策略直接影響信息中心網(wǎng)絡(luò)的性能。對(duì)于緩存策略的研究分為兩個(gè)方向,一個(gè)方向是緩存替換策略,當(dāng)緩存隊(duì)列被填充滿時(shí),需要通過緩存的替換策略決定是否替換以及替換哪個(gè)緩存信息。另一個(gè)方向是緩存部署策略,決定緩存信息部署在網(wǎng)絡(luò)中的哪個(gè)或者哪些緩存節(jié)點(diǎn)上。本文提出了動(dòng)態(tài)適應(yīng)的預(yù)過濾隊(duì)列緩存替換算法,可以適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)狀況,在此基礎(chǔ)上提出了基于緩存節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和位置的緩存部署策略,通過綜合評(píng)定狀態(tài)值選取相對(duì)適合的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存。首先對(duì)FIFO、LRU、RAND、LFU緩存替換策略進(jìn)行了分析,FIFO緩存替換算法忽略了緩存內(nèi)容流行度對(duì)緩存命中率的影響,LRU緩存替換算法對(duì)超過緩存隊(duì)列長(zhǎng)度的周期性訪問內(nèi)容緩存效果不佳,RAND緩存替換算法具有隨機(jī)性,網(wǎng)絡(luò)情況復(fù)雜時(shí)表現(xiàn)很不穩(wěn)定,LFU不能在O(1)的時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)完成緩存替換操作。因此,對(duì)于緩存替換算法還有繼續(xù)提升的空間,本文根據(jù)每種緩存替換策略優(yōu)缺點(diǎn)提出了動(dòng)態(tài)LRU-K緩存替換策略,通過增加預(yù)過濾隊(duì)列的方式過濾非頻繁訪問的緩存,根據(jù)緩存隊(duì)列的命中率和預(yù)過濾隊(duì)列的填充程度不斷地調(diào)整預(yù)過濾隊(duì)列的個(gè)數(shù),使其總體向提高命中率的方向調(diào)整。仿真實(shí)驗(yàn)表明動(dòng)態(tài)LRU-K緩存替換策略可以有效提高緩存命中率。緩存部署策略的研究分為三個(gè)類別,分別是非協(xié)作緩存、顯式協(xié)作緩存和隱式協(xié)作緩存。顯式協(xié)作緩存一般能體現(xiàn)出最佳的緩存效果,但是需要大量的通信以滿足緩存節(jié)點(diǎn)信息的交換,并且依賴于控制器進(jìn)行計(jì)算。因此,本文提出了一種on-path的隱式協(xié)作緩存部署策略,基于動(dòng)態(tài)LRU-K緩存替換策略,根據(jù)緩存節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)位置和狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)定,選取傳輸路徑上狀態(tài)值最佳的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存。每個(gè)緩存節(jié)點(diǎn)狀態(tài)值根據(jù)預(yù)過濾隊(duì)列的個(gè)數(shù)K、預(yù)過濾隊(duì)列的命中位置以及緩存在鏈路上與請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)的距離以不同的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算。每次的請(qǐng)求都只會(huì)在請(qǐng)求路徑上選擇一個(gè)或兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存,減小了數(shù)據(jù)的冗余度。仿真實(shí)驗(yàn)表明基于緩存節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和位置的緩存部署策略可以提高命中率,并小幅度降低平均請(qǐng)求長(zhǎng)度。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP393.07
【部分圖文】：

圖 2.1 IP 網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求與響應(yīng)過程圖 2.2 ICN 請(qǐng)求與響應(yīng)過程ICN 在最初的時(shí)候并沒有引起學(xué)術(shù)界足夠的重視，但是現(xiàn)在它已經(jīng)成為了未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究重要的一個(gè)方向。而目前并沒有對(duì) ICN 做出詳盡的規(guī)范，所以沒用共同的框架。世界上很多國(guó)家的學(xué)者都在研究下一代以信息為中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，包括歐洲國(guó)家所研究的 PSIRP、SAIL 和美國(guó)研究的 DONA、CCN、NDN 以及 NetInf，這些方案的設(shè)

圖 2.2 ICN 請(qǐng)求與響應(yīng)過程ICN 在最初的時(shí)候并沒有引起學(xué)術(shù)界足夠的重視，但是現(xiàn)在它已經(jīng)成為了未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究重要的一個(gè)方向。而目前并沒有對(duì) ICN 做出詳盡的規(guī)范，所以沒用共同的框架。世界上很多國(guó)家的學(xué)者都在研究下一代以信息為中心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，包括歐洲國(guó)家所研究的 PSIRP、SAIL 和美國(guó)研究的 DONA、CCN、NDN 以及 NetInf，這些方案的設(shè)計(jì)都是為了滿足內(nèi)容的分發(fā)，都采用了發(fā)布/訂閱模式，并且設(shè)置了緩存節(jié)點(diǎn)。CCN 最早由 PARC 在 2009 年提出，并由美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校在其基礎(chǔ)上提出NDN，NDN 對(duì) CCN 進(jìn)行了擴(kuò)充和延伸[19]。CCN 是 NDN 在獲得美國(guó)國(guó)家自然基金立項(xiàng)前的簡(jiǎn)稱，NDN 的思想都是基于 CCN 的，NDN 減少了收發(fā)數(shù)據(jù)包的時(shí)間，同時(shí)，解決了興趣包回環(huán)問題。NDN 目前已經(jīng)是最具有發(fā)展?jié)摿Φ?ICN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[20]，因此，本文后邊重點(diǎn)介紹 NDN，并以 NDN 作為 ICN 的代表進(jìn)行敘述，分析緩存策略在 NDN 下實(shí)現(xiàn)的方案。2.1.2 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文置改變時(shí)，節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)地址不被改變，從而使得 HASH 表不會(huì)因?yàn)殛?duì)列節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而導(dǎo)致失效。當(dāng)緩存隊(duì)列尚未填滿時(shí)，所有需要的緩存節(jié)點(diǎn)都會(huì)加入到緩存隊(duì)列的頭部。需要查詢緩存隊(duì)列時(shí)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包的名字計(jì)算 HASH 表中的 Key 值，通過 Key 值找到緩存隊(duì)列中的緩存節(jié)點(diǎn)，并將其移動(dòng)到隊(duì)列頭部。當(dāng)需要替換緩存節(jié)點(diǎn)時(shí)，刪除緩存隊(duì)列的尾部節(jié)點(diǎn)，并將新的節(jié)點(diǎn)插入到緩存隊(duì)列的頭部。

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