本文關鍵詞：軟件定義網絡中多媒體傳輸路由及緩存算法研究　出處：《中國科學技術大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 多媒體傳輸 軟件定義網絡 多路徑路由 整數線性規(guī)劃 緩存替換 內容分發(fā)

【摘要】：隨著多媒體技術、計算機網絡技術以及人機交互技術的飛速發(fā)展,多媒體內容開始逐漸深人到人們的日常交流、工作以及娛樂等各個方面,而由其所帶動的多媒體應用也開始改變人們使用因特網的方式,將人們對高質量多媒體內容的需求帶入了前所未見的高度�，F如今,人們利用社交網絡分享的內容已經不僅僅局限于文字和圖片,音頻和視頻內容也變得非常常見。而近年來逐漸流行的高分辨率設備以及虛擬現實等新興技術,在豐富了用戶感官體驗的同時,也顯著推動了人們對高質量視頻內容的需求。作為這一發(fā)展的必然結果,經由網絡傳輸的多媒體內容,無論是在數量、大小還是類型上均有顯著增長。飛速增長的多媒體流量給網絡傳輸帶來了包括服務質量保證、傳輸效率以及服務異構用戶等在內的多項挑戰(zhàn),不同領域的研究人員也分別從編碼、網絡架構以及傳輸方案等角度提出了相應的改進措施。其中,對網絡架構進行改進有著特殊的意義。一方面,現在的互聯網架構是在上世紀末基于點對點通信模型而設計的,在面對如今大量應用所需求的一對多服務模型時,不能提供很好的支持。另一方面,優(yōu)化底層網絡架構,可以從根本上解決傳統(tǒng)網絡在承載視頻業(yè)務時遇到的瓶頸,為新型編碼方案(如分層編碼等)以及新型傳輸方案(如自適應串流等)提供了實際應用的基礎。例如近年來流行的軟件定義網絡(software-defined networking, SDN)和命名數據網絡(named data networking, NDN),分別從靈活路由管控和一對多分發(fā)這兩方面出發(fā),針對傳統(tǒng)網絡在傳輸多媒體內容時的固有缺陷,提出了有效并且根本的解決方案,為提高多媒體內容的網絡傳輸性能創(chuàng)造了極大潛力。本文主要以目前學術界熱門的軟件定義網絡架構為基礎,考慮多媒體內容傳輸的性能和效率優(yōu)化。我們將考慮經典軟件定義網絡架構下的路由問題,以及帶有緩存節(jié)點的軟件定義網絡架構下的路由和緩存問題。具體來說,我們首先考慮傳統(tǒng)無緩存功能的軟件定義網絡架構,在傳輸多媒體內容時,利用多路徑路由算法滿足多媒體內容對帶寬、延時、路徑差分延時等指標的要求,并配合多媒體業(yè)務的分層特性來提高接收用戶的體驗。在此基礎上,我們繼續(xù)考慮支持網絡中緩存的軟件定義網絡架構,希望通過在部分網絡節(jié)點引入緩存功能來提高網絡的傳輸效率。在支持網絡中緩存的軟件定義網絡架構下,我們通過設計新的路由算法,在計算路徑時考慮利用緩存節(jié)點來提高網絡的傳輸效率。最后,在優(yōu)化路由的基礎上,我們展開對緩存節(jié)點的優(yōu)化,利用在線機器學習技術設計熱度感知緩存替換算法,顯著提高緩存節(jié)點的緩存命中率,從而協(xié)助路由算法進一步節(jié)省帶寬占用。論文的主要創(chuàng)新點以及貢獻如下：1)本文提出了一種針對分層多媒體業(yè)務的多路徑傳輸方法,通過在分配路徑時考慮多媒體內容的層間優(yōu)先級.為高優(yōu)先級數據分配質量更好的鏈路,從而針對性地提高分層多媒體業(yè)務的服務質量,為分層編碼技術提供了應用土壤。我們所提出的路由算法可以同時考慮用戶請求多媒體內容時對帶寬、延時、路徑間差分延時以及層間優(yōu)先級的要求,利用軟件定義網絡的靈活路由特性,為用戶請求動態(tài)計算并分配相應的路徑,從而提高網絡傳輸性能。2)本文提出了一種支持網絡中緩存的路由方法,為了充分利用網絡中具有緩存功能的中間節(jié)點,我們設計了一套基于整數線性規(guī)劃(integer linear programming, ILP)的路由算法,利用軟件定義網絡的全局路由特性,將流量合理分配、匯聚至緩存節(jié)點,以充分發(fā)揮緩存節(jié)點對帶寬的節(jié)省作用,從而提高網絡傳輸效率。3)本文提出了一種針對多媒體內容的網絡緩存技術,我們設計了一套基于在線機器學習的新型緩存替換算法。算法通過學習多媒體內容在何種情況下熱度如何變化,從而對內容的未來熱度作出精確預測。相比于直接學習內容的熱度,我們的方案有著更快的學習速度。由于采用無模型估計,我們的方案也打破了傳統(tǒng)算法對內容熱度分布函數的依賴,并且能快速追蹤內容熱度隨時間的變化。我們從理論上證明了算法學習性能收斂至最優(yōu),也證明了緩存命中率次線性收斂至最優(yōu)。在使用了真實系統(tǒng)數據的仿真評估中,我們所提出的算法不僅在緩存命中率上優(yōu)于對比算法,并且也大幅降低了緩存替換次數,有效緩解了傳統(tǒng)緩存替換算法對網絡緩存系統(tǒng)產生過大I/O壓力這一問題。我們所提出的算法有著對數時間復雜度,實際運行速度快于LFU等工業(yè)界常見算法。
[Abstract]:With the rapid development of computer multimedia technology, network technology and human-computer interaction technology, multimedia content gradually deep into people's daily communication, each work and entertainment, and by the multimedia application to begin to change how people use the Internet, the demand of high quality multimedia content into the unprecedented height. Nowadays, people use social networks to share content is not limited to text and pictures, audio and video content has become very common. High resolution devices gradually popular in recent years, virtual reality and other emerging technologies, in the rich user sensory experience at the same time, also significantly promoted the demand for high quality video content. As the inevitable result of the development of the multimedia content through the network transmission, whether in quantity, size or class Type had significant growth. The rapid growth of multimedia traffic brought include quality of service to network transmission, transmission efficiency and service of heterogeneous users including a number of challenges, researchers in different fields were also from the encoding, network architecture and transmission scheme and corresponding improvement measures were put forward. The structure of the network is a special significance improvement. On the one hand, the current Internet architecture is at the end of last century and based on the design of point-to-point communication model, in the face of today's application needs a lot of service model, can not provide good support. On the other hand, the optimization of the underlying network architecture, can fundamentally solve the the traditional network bottlenecks encountered in carrying video services, as a new encoding scheme (such as hierarchical encoding etc.) and a new transmission scheme (such as adaptive streaming etc.) provides a practical application For example, popular in recent years. Based on Software Defined Network (software-defined, networking, SDN) and data network (named data named networking, NDN, respectively) from the flexible routing control and the distribution of the two aspects, aiming at the inherent defects in the traditional network transmission of multimedia content, put forward effective solution and fundamental. Create a great potential for improving the performance of network transmission of multimedia content. This paper mainly to the current academic circles popular software defined network architecture, performance and efficiency of the optimization of multimedia content transmission. We will consider the routing problem of classical software defined network architecture, and software defined network architecture with the routing and cache node cache problem. Specifically, we first consider the software defined network architecture without traditional cache function, in the transmission of multimedia content, and Multi path routing algorithm to meet the multimedia content of the bandwidth, delay, delay path difference index requirements, and with hierarchical characteristics of multimedia services to improve the user experience. On this basis, we continue to consider the software defined network support network cache, in the hope that through part of the network nodes is introduced to improve the cache function the transmission efficiency of the network. In the software defined network support network cache, we design a new routing algorithm, in consideration when calculating the path to improve the efficiency of the transmission network using the cache node. Finally, on the basis of route optimization, we carried out optimization of cache nodes, using online machine learning technology design. Aware cache replacement algorithm, significantly improved cache node cache hit rate, so as to assist the routing algorithm further save bandwidth on the main. Innovations and contributions are as follows: 1) this paper proposes a multi path transmission method for layered multimedia services, by considering the multimedia content in the distribution path between the layers of priority. To link the high priority data distribution quality better, so as to improve the hierarchical quality of multimedia services, and provides the application of layered soil encoding technology. Our proposed routing algorithm can simultaneously consider the user request multimedia content on bandwidth, delay, delay and divided layer priority difference between path, using flexible routing characteristics of software defined network, users request dynamic calculation and distribution of the corresponding path, so as to improve the transmission performance of the network.2) is proposed in this paper. A routing method for caching support network, in order to make full use of the intermediate node has a buffer function in the network, we design a set based on the whole The number of linear programming (integer linear programming ILP) routing algorithm, using the global routing characteristics of software defined network, the flow converges to the rational allocation of cache nodes, in order to give full play to the role of the cache node to save bandwidth, improve network transmission efficiency of.3) this paper proposes a web caching technology for multimedia content. We designed a set of online machine learning based on the new cache replacement algorithm. The algorithm through how to change heat of the circumstances in which the multimedia content on the content of learning, to make accurate prediction of future heat. Compared to the direct learning content of the heat, our scheme has faster learning speed. By adopting the model estimation, we the scheme has also broken the traditional algorithm depends on the content of heat distribution function, and can quickly track the heat content changes over time. We have theoretically. It is proved that the algorithm converges to the optimal learning performance, also proved that the cache hit rate of linear converge to the optimal. In the use of real data in the simulation and evaluation system, our proposed algorithm not only in the cache hit rate is better than the comparison algorithm, and also significantly reduce the number of cache replacement, effectively alleviate the traditional cache replacement algorithm excessive pressure on the I/O network caching system. The proposed algorithm has a logarithmic time complexity, the actual operating speed faster than the LFU industry common algorithm.

【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN919.8

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本文編號：1366353