本文關(guān)鍵詞：以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中緩存技術(shù)的若干問題研究

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【摘要】：互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計理念可以上溯至上世紀(jì)六七十年代,當(dāng)時計算機硬件相對比較昂貴,互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使得通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實現(xiàn)硬件資源共享成為可能,TCP/IP體系架構(gòu)作為互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的架構(gòu),也得到了世界范圍的認(rèn)可。經(jīng)歷五十多年的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為支撐人類社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)。但是TCP/IP體系架構(gòu)在互聯(lián)網(wǎng)中的核心地位從來沒有發(fā)生變化。然而,隨著計算機硬件成本的降低,人們對于硬件資源的共享需求已經(jīng)逐漸淡化,更為關(guān)注的是互聯(lián)網(wǎng)能夠帶來的信息和服務(wù)。隨著云計算、社交網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的涌現(xiàn)以及視頻點播、時移電視等業(yè)務(wù)流量的高速增長,互聯(lián)網(wǎng)用戶的基本需求由端到端的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)轉(zhuǎn)變?yōu)橐杂脩趄?qū)動的信息獲取。目前基于TCP/IP體系架構(gòu)的CDN和P2P技術(shù)主要用于解決內(nèi)容分發(fā)和文件分享的問題,但是以覆蓋網(wǎng)絡(luò)的方式傳輸占據(jù)網(wǎng)絡(luò)最大比例的內(nèi)容業(yè)務(wù)流量,仍然存在傳輸效率低下的問題。為了適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和用戶需求本質(zhì)的變化,學(xué)術(shù)界近些年來提出一種以內(nèi)容為中心的未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu),即內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)。在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中,用戶并不關(guān)心內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中的位置,而內(nèi)容本身才是用戶最關(guān)注的。用戶需要獲取內(nèi)容時直接向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送內(nèi)容請求,網(wǎng)絡(luò)中任何能夠響應(yīng)請求的內(nèi)容源都可以將內(nèi)容返回給用戶,完成信息傳輸。為了達(dá)到以內(nèi)容為中心的設(shè)計目標(biāo),內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均內(nèi)嵌地支持緩存功能,向網(wǎng)絡(luò)提供泛在化和透明化的緩存服務(wù),在降低用戶獲取內(nèi)容所需時間的同時實現(xiàn)減少網(wǎng)絡(luò)重復(fù)流量的目的,緩存技術(shù)也成為內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文對內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的緩存技術(shù)進(jìn)行研究,著重解決緩存的替換、放置和定位這三個具體問題。在單一節(jié)點中如何淘汰舊的內(nèi)容以容納新到達(dá)內(nèi)容,是緩存替換的問題；在內(nèi)容分發(fā)過程中將內(nèi)容放置到哪些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,是緩存的放置問題；如何利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中緩存的內(nèi)容,是緩存內(nèi)容的定位問題。這些問題對優(yōu)化緩存資源分配、提高緩存命中率和減少網(wǎng)絡(luò)重復(fù)流量有重要意義。本論文的主要研究工作和創(chuàng)新性成果包括以下幾個方面：(1)第三章提出基于保護時間的緩存替換策略。由于業(yè)務(wù)流量的時間局部性,相同內(nèi)容在一定時間內(nèi)被重復(fù)請求的概率更大,如果內(nèi)容請求序列的堆棧距離超過緩存容量,采用傳統(tǒng)的最近最少使用替換策略會出現(xiàn)高熱度內(nèi)容頻繁地被新到達(dá)內(nèi)容替換的現(xiàn)象。通過對緩存內(nèi)容綁定保護時間,可以避免這一現(xiàn)象。在保護時間內(nèi),相應(yīng)的緩存內(nèi)容不允許被替換,當(dāng)有新內(nèi)容到達(dá)緩存節(jié)點時,僅允許替換保護時間超時的內(nèi)容；在保護時間內(nèi)如果發(fā)生緩存命中事件,保護時間將被重置為設(shè)定值。本文基于半馬爾可夫理論對替換過程進(jìn)行建模分析,并推導(dǎo)了不同熱度內(nèi)容在緩存中的逗留時間和緩存狀態(tài)的更新時間。理論分析和仿真實驗表明,這種機制在緩存容量有限的情況下可以提高對內(nèi)容熱度和業(yè)務(wù)特征的感知能力,優(yōu)化緩存性能。為了避免引入保護時間造成的緩存更新遲滯現(xiàn)象,本文又提出一種保護時間的動態(tài)調(diào)整算法,允許緩存節(jié)點根據(jù)本地緩存命中率的變化對保護時間的取值進(jìn)行動態(tài)調(diào)整,使本地緩存的命中率最終能夠達(dá)到最大值。(2)為了避免網(wǎng)絡(luò)中緩存內(nèi)容的同質(zhì)化,提高緩存資源的利用效率,第四章對緩存的協(xié)作放置策略進(jìn)行研究。首先提出了一種基于遺傳算法的緩存放置策略,采用集中式控制的思想,收集所有緩存節(jié)點的狀態(tài)信息和業(yè)務(wù)流量特征,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦詫彺娴姆胖眠^程進(jìn)行分析,將緩存的放置過程建模為0-1整數(shù)規(guī)劃問題,采用遺傳算法搜索最優(yōu)解,實現(xiàn)緩存節(jié)點之間的顯式協(xié)作。接著又提出了基于跳數(shù)的路徑內(nèi)緩存隨機放置策略,根據(jù)緩存節(jié)點與內(nèi)容服務(wù)器之間的跳數(shù)距離確定緩存節(jié)點的放置概率,并基于各節(jié)點的放置概率在內(nèi)容分發(fā)的路徑上隨機選擇放置節(jié)點,通過節(jié)點之間的隱式協(xié)作,實現(xiàn)對緩存系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載均衡的目的。本文推導(dǎo)了緩存命中率與內(nèi)容熱度分布、內(nèi)容請求速率和緩存容量等參數(shù)之間的關(guān)系,并通過仿真試驗證明提出的策略能提高緩存利用率,有效降低了用戶獲取內(nèi)容所需的平均跳數(shù)。(3)研究緩存內(nèi)容的定位機制。內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)允許用戶在發(fā)起內(nèi)容請求時不關(guān)心內(nèi)容來源,但網(wǎng)絡(luò)層必須承擔(dān)將請求轉(zhuǎn)發(fā)到內(nèi)容提供者的重要任務(wù)。為了充分利用網(wǎng)絡(luò)中泛在的緩存資源,第五章研究緩存內(nèi)容的定位問題。首先提出了一種基于蟻群算法的緩存內(nèi)容定位機制,允許緩存節(jié)點發(fā)送內(nèi)容探測請求并基于蟻群算法搜索到達(dá)緩存內(nèi)容的最優(yōu)路徑；同時存儲高熱度內(nèi)容的節(jié)點在局部范圍內(nèi)主動發(fā)送內(nèi)容通告,以輔助完成緩存內(nèi)容定位。然后提出了一種基于跟蹤節(jié)點的緩存內(nèi)容定位機制,以內(nèi)容文件為單位建立緩存協(xié)作網(wǎng)絡(luò),將屬于相同內(nèi)容文件但分布在不同緩存節(jié)點的內(nèi)容塊進(jìn)行資源整合,并基于跟蹤節(jié)點進(jìn)行協(xié)作管理。當(dāng)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點收到請求時,可以先轉(zhuǎn)發(fā)至跟蹤節(jié)點,然后跟蹤節(jié)點將請求快速定位到緩存所在位置。
【關(guān)鍵詞】：未來網(wǎng)絡(luò) 內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)內(nèi)緩存 緩存決策策略 緩存協(xié)作
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP393.02
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 緒論16-26
• 1.1 研究背景16-18
• 1.1.1 互聯(lián)網(wǎng)面臨的問題和挑戰(zhàn)16-17
• 1.1.2 內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)17-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-22
• 1.2.1 CCN和NDN19-20
• 1.2.2 DONA20-21
• 1.2.3 NetInf21
• 1.2.4 PSIRP和PURSUIT21-22
• 1.3 論文的主要貢獻(xiàn)和結(jié)構(gòu)安排22-26
• 1.3.1 論文的主要貢獻(xiàn)22-24
• 1.3.2 文章結(jié)構(gòu)安排24-26
• 第2章 內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)與緩存技術(shù)概述26-38
• 2.1 內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)26-31
• 2.1.1 基本思想26-29
• 2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)29-31
• 2.2 緩存技術(shù)31-36
• 2.2.1 緩存技術(shù)的發(fā)展與演化31-32
• 2.2.2 互聯(lián)網(wǎng)中內(nèi)容流量的特征32-33
• 2.2.3 內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中緩存的特點33-35
• 2.2.4 內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中緩存的研究內(nèi)容35-36
• 2.3 本章小結(jié)36-38
• 第3章 基于保護時間的緩存替換策略38-60
• 3.1 引言38-39
• 3.2 相關(guān)研究39-41
• 3.3 基于保護時間的替換策略41-44
• 3.3.1 最近最少使用替換策略(LRU)中的堆棧距離問題42-43
• 3.3.2 基于保護時間的LRU替換策略43-44
• 3.4 緩存替換模型44-51
• 3.4.1 模型概述及假設(shè)44-45
• 3.4.2 基于半馬爾可夫過程的緩存替換模型分析45-51
• 3.5 保護時間的動態(tài)調(diào)整算法51-53
• 3.6 仿真驗證53-59
• 3.7 本章小結(jié)59-60
• 第4章 緩存的協(xié)作放置策略60-82
• 4.1 引言60
• 4.2 相關(guān)研究60-63
• 4.3 緩存的顯式協(xié)作放置策略研究63-73
• 4.3.1 模型假設(shè)64-65
• 4.3.2 緩存放置問題的最優(yōu)化建模65-66
• 4.3.3 遺傳算法求解66-69
• 4.3.4 仿真分析69-73
• 4.4 緩存的隱式協(xié)作放置策略研究73-81
• 4.4.1 基于跳數(shù)的路徑內(nèi)隨機放置策略73-74
• 4.4.2 建模分析74-77
• 4.4.3 仿真驗證77-81
• 4.5 本章小結(jié)81-82
• 第5章 緩存內(nèi)容的定位機制82-107
• 5.1 引言82-83
• 5.2 相關(guān)研究83-84
• 5.3 基于蟻群算法的緩存內(nèi)容定位機制84-95
• 5.3.1 基本思想84-85
• 5.3.2 ACO-CL機制描述85-91
• 5.3.3 ACO-CL機制與OPP-CL機制的關(guān)系91-92
• 5.3.4 仿真驗證92-95
• 5.4 基于跟蹤節(jié)點的緩存內(nèi)容定位機制95-106
• 5.4.1 基本思想95-97
• 5.4.2 Tracker-CL機制描述97-103
• 5.4.3 仿真實驗與結(jié)果分析103-106
• 5.5 本章小結(jié)106-107
• 第6章 結(jié)束語107-111
• 6.1 論文總結(jié)與主要貢獻(xiàn)107-109
• 6.2 研究工作展望109-111
• 參考文獻(xiàn)111-117
• 縮略詞對照表117-119
• 致謝119-121
• 作者攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文121-122

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 吳堅,史忠科;基于遺傳算法的配送中心選址問題[J];華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2004年06期

2 黃韜;劉江;霍如;魏亮;劉韻潔;;未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究綜述[J];通信學(xué)報;2014年08期

3 賀琛,陳肇雄,黃河燕;Web緩存技術(shù)綜述[J];小型微型計算機系統(tǒng);2004年05期

4 閔二龍;陳震;許宏峰;梁勇;;內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)CCN研究進(jìn)展探析[J];信息網(wǎng)絡(luò)安全;2012年02期

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本文編號：841709