蔡君，余順爭(zhēng)，劉外喜

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 電子與信息學(xué)院，廣東 廣州 510665；2.中山大學(xué) 電子與信息工程系，廣東 廣州 510006；3.廣州大學(xué) 電子信息工程系，廣東 廣州 510006)

1 引言

為了適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用由發(fā)送者驅(qū)動(dòng)的端對(duì)端通信模式向接收者驅(qū)動(dòng)的海量?jī)?nèi)容獲取模式的轉(zhuǎn)變，同時(shí)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)安全性、業(yè)務(wù)質(zhì)量、移動(dòng)性、可擴(kuò)展性等方面的支持，研究者們近年來提出了一類以信息為中心的新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，統(tǒng)稱為信息中心網(wǎng)絡(luò)（ICN,information-centric networking），典型的如：DONA[1]、CCN/NDN[2]、PURSUIT[3]、COMET[4]和 GreenICN 項(xiàng)目[5]。在這類ICN網(wǎng)絡(luò)中，為緩解當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量的快速增長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬造成的嚴(yán)峻壓力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都增加了內(nèi)置緩存功能。雖然緩存機(jī)制也是目前互聯(lián)網(wǎng)中用于提高網(wǎng)絡(luò)性能的重要手段之一，緩存理論及相關(guān)技術(shù)也已經(jīng)在Web、CDN和P2P中得到了較為廣泛的應(yīng)用，但目前的緩存策略主要針對(duì)某一具體應(yīng)用，并需配置成一個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)。因此，這些緩存策略與中間節(jié)點(diǎn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，效率較低。然而，ICN中的緩存是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)在的一部分（每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有該功能），與應(yīng)用無關(guān)，具有網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)等特性，因而，傳統(tǒng)的面向Web、CDN和P2P緩存算法也就不能直接應(yīng)用于ICN中。近年來，研究者們對(duì)ICN中的緩存優(yōu)化方法進(jìn)行了探索，得出了許多研究成果，主要集中在2個(gè)方面：一是判斷內(nèi)容是否被節(jié)點(diǎn)緩存的緩存決策策略[6～14]；二是單節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)容的替換策略[15]。

在緩存決策策略方面：ICN原始提案實(shí)行的是處處緩存(CEE, cache everything everywhere)策略[6]，即所有的內(nèi)容對(duì)象被要求緩存于去往目的地途中的所有節(jié)點(diǎn)。這直接降低了緩存系統(tǒng)所能緩存內(nèi)容的多樣性，導(dǎo)致了嚴(yán)重的緩存浪費(fèi)，因?yàn)檎?qǐng)求被任意中間節(jié)點(diǎn)響應(yīng)后而不會(huì)再往上游節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，其上游某些節(jié)點(diǎn)緩存的內(nèi)容可能根本沒有機(jī)會(huì)響應(yīng)后來的請(qǐng)求而因緩存空間受限被替換。最近，Chai等[7]提出了基于介數(shù)（betweenness），即Betw策略的選擇性緩存機(jī)制，只將對(duì)象放置于 ICN中興趣分組(interest packet)沿途中介數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)，即對(duì)象僅緩存于最重要的節(jié)點(diǎn)處。與CEE策略相比，這種策略具有較高的緩存命中率，并且減少了節(jié)點(diǎn)的替換次數(shù)，但由于內(nèi)容請(qǐng)求的社團(tuán)性質(zhì)，依然存在局限性，即大部分的內(nèi)容緩存在全網(wǎng)介數(shù)相對(duì)大的部分節(jié)點(diǎn)處，導(dǎo)致內(nèi)容對(duì)象在空間分布上不合理，網(wǎng)絡(luò)性能亦隨之降低，主要體現(xiàn)在：1) 大部分的網(wǎng)絡(luò)流量與介數(shù)大的節(jié)點(diǎn)相關(guān)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載容量；2) 高介數(shù)節(jié)點(diǎn)的替換次數(shù)大幅增加，增加了節(jié)點(diǎn)的計(jì)算開銷，因而不能滿足ICN節(jié)點(diǎn)線速執(zhí)行的要求；3) 由于網(wǎng)絡(luò)介數(shù)是描述節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)全局重要度的指標(biāo)，高介數(shù)的節(jié)點(diǎn)處并不一定是網(wǎng)絡(luò)中大部分用戶最容易訪問的位置。針對(duì)以上問題，基于Internet網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的社團(tuán)特性[8]——社團(tuán)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間連接相對(duì)緊密，社團(tuán)之間的節(jié)點(diǎn)之間的連接則相對(duì)稀疏，所以把內(nèi)容分別緩存于其經(jīng)過的各社團(tuán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度最大的節(jié)點(diǎn)處。因?yàn)樵谕簧鐖F(tuán)中，社團(tuán)重要度大的節(jié)點(diǎn)不僅越容易被社團(tuán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)訪問，而且也越容易被社團(tuán)外的節(jié)點(diǎn)訪問。這樣做不僅能提高網(wǎng)絡(luò)的緩存效率，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)的緩存空間，而且能使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)空間上的分布變得更加均勻和合理。

在緩存替換策略方面：為保證ICN節(jié)點(diǎn)運(yùn)行于高速的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，目前在ICN的諸多緩存策略中[8,9,17]，采用較多的還是簡(jiǎn)單易運(yùn)行的 LRU(least recently used)或 LFU(least frequently used)。但是，如果在全網(wǎng)中，所有節(jié)點(diǎn)都以內(nèi)容在該節(jié)點(diǎn)處被訪問的頻率大小或被訪問的時(shí)間先后為標(biāo)準(zhǔn)，采用相同的替換機(jī)制，將直接導(dǎo)致內(nèi)容對(duì)象在時(shí)間上分布不合理，即在熱門時(shí)間里，社團(tuán)內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都緩存到相同的對(duì)象，這將不利于緩存空間的合理利用。然而，在熱門時(shí)間過后，該內(nèi)容對(duì)象在各節(jié)點(diǎn)上又幾乎同時(shí)消失，若需訪問該內(nèi)容，又會(huì)產(chǎn)生比較大的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，抑制網(wǎng)絡(luò)的整體性能。為此，本文基于Internet網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的社團(tuán)特性，在每個(gè)社團(tuán)內(nèi)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)容替換時(shí)，不僅考慮內(nèi)容在該節(jié)點(diǎn)處被訪問的情況，還考慮到了該節(jié)點(diǎn)在社團(tuán)中的位置，使同一社團(tuán)中各節(jié)點(diǎn)采用混合的替換機(jī)制，即通過節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度確定替換節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中的內(nèi)容對(duì)象位置的概率，如節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度大的節(jié)點(diǎn)，在緩存隊(duì)列中靠后位置的內(nèi)容對(duì)象被替換的概率大；而節(jié)點(diǎn)重要度度小的節(jié)點(diǎn)，在緩存隊(duì)列中靠前位置的內(nèi)容對(duì)象被替換的概率大，以達(dá)到內(nèi)容對(duì)象在時(shí)間上的合理分布。

本文貢獻(xiàn)如下：1) 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度，提出了一種確定ICN緩存位置的決策策略，使內(nèi)容對(duì)象在空間上分布更合理；2) 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度和內(nèi)容對(duì)象在各節(jié)點(diǎn)處的訪問情況，提出了一種ICN節(jié)點(diǎn)混合替換策略，使內(nèi)容對(duì)象在時(shí)間上分布更合理；3) 在多種實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)CSNIC策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明該策略與CEE+LFU、Betw+LRU和Opportunistic相比，能更好地提升包括緩存命中率、跳數(shù)減少率、內(nèi)容差異性及替換數(shù)量等在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)緩存性能指標(biāo)，并且CSNIC的通信開銷和計(jì)算開銷都較小。

2 相關(guān)工作

緩存作為ICN的一個(gè)關(guān)鍵組件，最近受到了很多研究者的廣泛關(guān)注，而緩存決策策略和緩存替換策略是緩存的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。緩存決策策略用于確定內(nèi)容對(duì)象的緩存位置，在最初的 ICN原始提案中，實(shí)行的是CEE (cache everything everywhere)策略，即所有的內(nèi)容對(duì)象被要求緩存于去往目的地途中的所有節(jié)點(diǎn)，這種處處緩存的機(jī)制已被證明導(dǎo)致了嚴(yán)重的緩存浪費(fèi)[10]。為此，Eum等[11]提出了一種在對(duì)象返回沿途節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存的機(jī)制，該機(jī)制易于實(shí)現(xiàn)，但未考慮對(duì)象的訪問頻率，緩存效率不高，緩存性能的穩(wěn)定性也得不到保證。Psaras等[12]提出了一種基于加權(quán)概率的緩存機(jī)制，即對(duì)象在返回途中的緩存概率與節(jié)點(diǎn)和請(qǐng)求者的距離成反比，該方法提高了內(nèi)容在距離請(qǐng)求者更近的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存的概率，但也會(huì)增加不同對(duì)象在邊緣緩存節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)。最近，Chai等[7]提出了基于介數(shù)（betweenness）的選擇性緩存機(jī)制，只將對(duì)象放置于 Interest沿途中介數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)，即：對(duì)象緩存于更重要的節(jié)點(diǎn)上從而實(shí)現(xiàn)更高的擊中率，并減少替換次數(shù)。與此類似，He等[13]應(yīng)用另一種網(wǎng)絡(luò)全局節(jié)點(diǎn)重要度的測(cè)度方法確定 ICN節(jié)點(diǎn)緩存對(duì)象。而實(shí)際上，這2種以節(jié)點(diǎn)全局重要度來確定緩存位置的方法并不能使內(nèi)容對(duì)象在空間上分布變得更加均勻和合理，并導(dǎo)致了許多額外的問題（如引言中所述）。Hu等[14]提出一種Opportunistic緩存策略，該策略基于內(nèi)容在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的訪問情況和該內(nèi)容源與節(jié)點(diǎn)之間距離確定內(nèi)容是否被該節(jié)點(diǎn)緩存的概率，由于各節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，因而緩存空間的利用率不高。劉外喜等[15]基于用戶的潛在需求，并結(jié)合帶寬換緩存的思想，利用鏈路的冗余帶寬，將內(nèi)容分流到相鄰節(jié)點(diǎn)緩存，改善緩存效率，但該方法需要一些開銷。在張國強(qiáng)等[9,17]的綜述性論文中，對(duì)目前的信息中心網(wǎng)絡(luò)的一些緩存策略進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)。而本文方法與以上方法的主要區(qū)別在于，本文基于 Internet網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)特性，從節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度（局部重要度）出發(fā)，把內(nèi)容緩存于社團(tuán)內(nèi)和社團(tuán)外用戶容易訪問的節(jié)點(diǎn)處，使內(nèi)容對(duì)象在網(wǎng)絡(luò)上的空間分布相對(duì)均勻，同時(shí)實(shí)現(xiàn)緩存資源的充分利用。

緩存替換算法已在傳統(tǒng)的 Web緩存中得到了廣泛的研究，Podlipnig等對(duì)其進(jìn)行較全面的綜述[18]。在目前ICN緩存策略研究中，普遍采用2種簡(jiǎn)單易行的LRU或LFU替換策略。本文同樣采用的是LRU策略，但不同的是，本文是以節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度為依據(jù)，在同一社團(tuán)內(nèi)，不同重要度的節(jié)點(diǎn)實(shí)行概率制的LRU策略，使緩存對(duì)象在時(shí)間上合理分布。

3 CSNIC緩存策略

3.1 節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度定義

3.2 CSNIC緩存決策機(jī)制

圖1 基于節(jié)點(diǎn)重要度的決策緩存位置

CSNIC緩存決策機(jī)制的原理是：ICN興趣分組在經(jīng)過每個(gè)社團(tuán)時(shí)，都會(huì)記錄下其所經(jīng)過的每一個(gè)社團(tuán)中節(jié)點(diǎn)重要度最大的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)在以數(shù)據(jù)分組的形式返程時(shí)將內(nèi)容對(duì)象緩存于這些節(jié)點(diǎn)上。下面通過一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例對(duì) CSNIC緩存決策機(jī)制進(jìn)行分析，如圖1所示。如用戶A需從S處獲取一個(gè)內(nèi)容，首先用戶A通過圖1實(shí)線路徑發(fā)送興趣分組，并記錄該路徑上所經(jīng)過的社團(tuán)以及各自社團(tuán)內(nèi)所經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度的最大值。當(dāng)搜索到內(nèi)容對(duì)象緩存(或內(nèi)容服務(wù)器)的位置S后，內(nèi)容對(duì)象沿圖1虛線路徑（興趣包的反向路徑）返回。在返回過程中，匹配各社團(tuán)節(jié)點(diǎn)重要度的值，若與興趣包路徑保存的節(jié)點(diǎn)社團(tuán)最大值一致，則在該節(jié)點(diǎn)處緩存該內(nèi)容對(duì)象，否則，徑自通過該節(jié)點(diǎn)。如圖1所示，數(shù)據(jù)分組在返回過程中經(jīng)過了社團(tuán) 1、社團(tuán) 2和社團(tuán) 3，在所經(jīng)過的每個(gè)社團(tuán)的節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度最大的節(jié)點(diǎn)分別為v1、v2和v3。因此，將內(nèi)容對(duì)象在v1、v2和v3處緩存。而這些節(jié)點(diǎn)正是各自社團(tuán)內(nèi)用戶容易達(dá)到的位置。這樣，社團(tuán) 1、社團(tuán)2、社團(tuán)3內(nèi)的用戶需再次訪問該內(nèi)容時(shí)，直接從緩存該內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)處獲取即可，與緩存于其他節(jié)點(diǎn)相比，該方法實(shí)現(xiàn)了內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)空間上的合理分布，減少了網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)，提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。

3.3 CSNIC替換機(jī)制

CSNIC替換機(jī)制的原理是：以網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)為一個(gè)單位，在同一社團(tuán)內(nèi)根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度和內(nèi)容對(duì)象在該節(jié)點(diǎn)處被訪問的時(shí)間先后順序，選擇不同的內(nèi)容對(duì)象進(jìn)行替換，即通過節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度確定節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中的內(nèi)容對(duì)象被替換的概率，如節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度大的節(jié)點(diǎn)，在緩存隊(duì)列中流行度低的內(nèi)容對(duì)象被替換的概率大；而節(jié)點(diǎn)重要度度小的節(jié)點(diǎn)，在緩存隊(duì)列中流行度高的內(nèi)容對(duì)象被替換的概率大，以達(dá)到內(nèi)容對(duì)象在時(shí)間上的合理分布。簡(jiǎn)而言之，并不是所有節(jié)點(diǎn)都使用相同的替換機(jī)制。

若ICN節(jié)點(diǎn)緩存建模為大小為C個(gè)對(duì)象的隊(duì)列，以最近最少使用的時(shí)間順序進(jìn)行排列。假定第i個(gè)社團(tuán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)j的節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度為Iij，在該社團(tuán)內(nèi)的平均節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度為。當(dāng)有一內(nèi)容對(duì)象在該節(jié)點(diǎn)需緩存時(shí)，將按照概率pij(k)替換該節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列的第k個(gè)位置的內(nèi)容(k∈ [1 ,C])，pij(k)定義如式(2)所示。

其中，α為歸一化因子，滿足式(3)，β為概率調(diào)節(jié)系數(shù)。

3.4 CSNIC運(yùn)行機(jī)制

下面對(duì)CSNIC緩存策略在ICN架構(gòu)中的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行分析。首先，假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的社團(tuán)重要度I值和每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的每個(gè)位置的替換概率是通過離線方式提前計(jì)算得到（如通過中心網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)）。當(dāng)一個(gè)用戶向某一內(nèi)容對(duì)象發(fā)起請(qǐng)求興趣分組，在興趣分組中記錄下它所經(jīng)歷的社團(tuán)以及在每個(gè)社團(tuán)中所經(jīng)歷的節(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度的最大值。當(dāng)興趣分組達(dá)到內(nèi)容對(duì)象所在的服務(wù)器或者中間路由器時(shí)，這些值將被嵌入數(shù)據(jù)分組內(nèi)。在數(shù)據(jù)分組沿興趣分組路徑逆向傳輸過程中，每個(gè)社團(tuán)內(nèi)的路由器匹配自己的I值與數(shù)據(jù)分組的附加值，如果2個(gè)值匹配，則該內(nèi)容被緩存。如果在同一社團(tuán)內(nèi)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)的I值相同，那么這些節(jié)點(diǎn)都將緩存該對(duì)象。在確定內(nèi)容對(duì)象需緩存后，再根據(jù)該節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列中各位置的替換概率確定被替換內(nèi)容對(duì)象。從以上分析可知，CSNIC緩存決策策略在執(zhí)行過程中的開銷比較小，每個(gè)節(jié)點(diǎn)決定是否緩存是相互獨(dú)立的，完全是基于節(jié)點(diǎn)所在社團(tuán)的重要度的值，既不需要與其他節(jié)點(diǎn)交互信息，也無需推斷服務(wù)器的位置和流量模式。CSNIC替換策略也僅與節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度和該節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列相關(guān)。由于在 CSNIC策略中，離線方式預(yù)先計(jì)算的I值充分考慮了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置和與其鄰居的關(guān)系，因而它又是一種協(xié)作式或合作式的緩存策略。在每個(gè)社團(tuán)內(nèi)其轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求和內(nèi)容的偽碼如算法1所示。

算法1 （CSNIC緩存策略）

Content request

1) Initialize (Ii-max=0)； 在興趣分組中記錄第i個(gè)社團(tuán)中的節(jié)點(diǎn)社團(tuán)最大值

2) foreach (jfrom 0 toNi)； 在社團(tuán)i中經(jīng)歷Ni個(gè)節(jié)點(diǎn)

3) if data in cache

4) then send (data)

5) else

6) GetIij

7) ifIij＞Ii-max

8) thenIi-max=Iij

9) Forward request to the next hop towardN

Content data

…

1) recordIi-maxfrom corresponding content request

2) foreach (jfrom 0 toNi)

3) GetIij

4) ifIij==Ii-max

5) then cache (data)

6) forward data packet to the next hop towardNi

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

ICN引入緩存的主要目的為：1)減輕服務(wù)器負(fù)載，因?yàn)橐淮尉彺婷?，意味著服?wù)器減少一次用戶請(qǐng)求；2) 降低用戶對(duì)內(nèi)容請(qǐng)求的延遲，借助緩存，用戶能快速從鄰近緩存位置獲取所請(qǐng)求內(nèi)容，而不是從服務(wù)器端；3)減少網(wǎng)絡(luò)流量和網(wǎng)絡(luò)堵塞，當(dāng)緩存命中后，內(nèi)容請(qǐng)求將經(jīng)過更少的跳數(shù)(hops)到達(dá)用戶。在達(dá)到這些目的的同時(shí)，由于ICN緩存線速執(zhí)行的條件，對(duì)此提出了以下要求：1)在有限的緩存空間內(nèi)緩存更多的不同種類的內(nèi)容；2)減少替換次數(shù)。

為量化以上ICN緩存的目的和要求，引入緩存命中率(CHR, cache hit ratio)對(duì)目的1)進(jìn)行評(píng)估，其定義為：由緩存而不是由服務(wù)器端響應(yīng)用戶請(qǐng)求的概率。定義跳數(shù)減少率(HRR, hop reduction ratio)對(duì)目的2)和目的3)進(jìn)行評(píng)估，其定義如式(4)所示。

其中，Hr(t)和hr(t)分別表示在[t-1，t]時(shí)間段內(nèi)，用戶從服務(wù)器和緩存位置獲取內(nèi)容fr所需要的跳數(shù)。若網(wǎng)絡(luò)中沒有緩存，則Hr(t) =hr(t)，此時(shí)的HRR恒為1。定義內(nèi)容差異性(CDR, content diversity ratio)對(duì)要求1)進(jìn)行評(píng)估，其被定義為緩存中所有內(nèi)容的種類數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)中由服務(wù)器所產(chǎn)生的內(nèi)容種類總數(shù)量的比值，CDR值越大，則在相同緩存空間內(nèi)所緩存的內(nèi)容種類數(shù)越多。定義替換數(shù)量(NR,number of replacement)對(duì)要求2)進(jìn)行評(píng)估，其定義為一個(gè)興趣分組在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上引起的替換次數(shù)，由于在ICN中緩存要求線速執(zhí)行，因此頻繁地替換緩存內(nèi)容并不合適。

4.2 ICN緩存模型

ICN緩存模型構(gòu)建方式如下。首先，假定網(wǎng)絡(luò)具有發(fā)布/訂閱的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容請(qǐng)求和分發(fā)機(jī)制已經(jīng)存在。用圖G=(V,E)表示具有N個(gè)節(jié)點(diǎn)、M條邊的無向無權(quán)網(wǎng)絡(luò)，其中，V=v1,v2,…,vN表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的集合，E=e1,e2,…,eM表示網(wǎng)絡(luò)中邊的集合。F=f1,f2,…,fR表示網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容的集合，S=s1,s2,…,sp表示網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容服務(wù)器的集合，并且每個(gè)內(nèi)容服務(wù)器與一個(gè)節(jié)點(diǎn)v∈V相對(duì)應(yīng)。內(nèi)容隨機(jī)地分布在服務(wù)器S中，并假定每個(gè)內(nèi)容對(duì)象僅保存于一個(gè)服務(wù)器中。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)溆?00個(gè)節(jié)點(diǎn)和386條鏈路組成[22]，其中描述網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)特性的模塊度Q=0.794，Q＞0.3表明網(wǎng)絡(luò)具有明顯的社團(tuán)特性[23]。本文采用多個(gè)性能參數(shù)將 CSNIC策略與CEE+LFU策略、Betw+LRU策略、Opportunistic策略進(jìn)行比較，其中包含系統(tǒng)的緩存命中率、跳數(shù)減少率、內(nèi)容差異性和替換數(shù)量變化。下面重點(diǎn)討論節(jié)點(diǎn)緩存空間大小、內(nèi)容數(shù)量、替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)和網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)對(duì) CSNIC策略的緩存性能的影響。

1) 節(jié)點(diǎn)緩存空間大小的影響

在該實(shí)驗(yàn)過程中，用戶數(shù)量設(shè)置為50 000，Zipf參數(shù)(α)的參數(shù)設(shè)置為 1.2，替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)設(shè)置為0.7，節(jié)點(diǎn)緩存空間大小從10 MB至320 MB變化。

圖2為4種緩存策略的緩存命中率隨網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)緩存空間的變化情況。從圖可以看出，4種緩存策略的緩存命中率都隨網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)緩存空間的增大而增大。這是由于節(jié)點(diǎn)緩存空間增大，緩存的內(nèi)容增多，用戶在緩存內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)處獲取所需內(nèi)容的概率增大，從而導(dǎo)致緩存命中率增大。但在這個(gè)過程中，CSNIC策略的性能一直優(yōu)于其他3種策略。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是：CEE+LFU策略實(shí)行把所有的內(nèi)容對(duì)象緩存于去往目的地途中所有節(jié)點(diǎn)，這樣直接浪費(fèi)了節(jié)點(diǎn)的緩存空間，網(wǎng)絡(luò)中緩存的內(nèi)容減少導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的緩存命中率降低；Betw+LRU策略把內(nèi)容緩存到全網(wǎng)介數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)，間接地閑置了其他節(jié)點(diǎn)的緩存空間；Opportunistic策略提高了流行度高的內(nèi)容在靠近用戶節(jié)點(diǎn)處的緩存概率，與上 2種策略相比，提高了網(wǎng)絡(luò)緩存的命中率。而CSNIC策略不僅在空間上把內(nèi)容合理地分布在網(wǎng)絡(luò)中不同的社團(tuán)內(nèi)，而且在時(shí)間上合理地利用了社團(tuán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度較低的節(jié)點(diǎn)的緩存空間，因而更能提高系統(tǒng)的緩存命中率。

圖2 緩存命中率對(duì)緩存空間的影響

圖3顯示了跳數(shù)減少率對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)緩存空間大小的變化情況，從圖可以看出，4種緩存策略的跳數(shù)減少率都隨網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)緩存空間大小的增大而減少，這是由于節(jié)點(diǎn)緩存空間增大，緩存的內(nèi)容增多，用戶獲取所需內(nèi)容的跳數(shù)減少，從而跳數(shù)減少率降低。但在這個(gè)過程中，CSNIC策略的性能一直優(yōu)于其他 3種策略。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是CSNIC策略把內(nèi)容緩存到社團(tuán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)和社團(tuán)外節(jié)點(diǎn)相對(duì)容易訪問的位置，從而降低了跳數(shù)減少率。

圖3 跳數(shù)減少率對(duì)緩存空間的影響

圖4為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容差異率對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)緩存空間的變化情況，從圖可以看出，4種緩存策略的內(nèi)容差異率都隨網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)緩存空間的增大而增大，這是由于節(jié)點(diǎn)緩存空間增大，緩存的內(nèi)容增多，節(jié)點(diǎn)之間內(nèi)容差異性增大。但在這個(gè)過程中，CSNIC策略的性能一直優(yōu)于其他3種策略。雖然Betw+LRU策略在內(nèi)容的傳輸過程中僅緩存介數(shù)最大的節(jié)點(diǎn)，在一定的緩存空間條件下，Betw+LRU策略在網(wǎng)絡(luò)中緩存內(nèi)容的差異性通常被認(rèn)為最好，但深入的分析發(fā)現(xiàn)，由于緩存空間有限，其結(jié)果是介數(shù)大節(jié)點(diǎn)的替換次數(shù)增加，并沒有大幅增加網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的差異性。由于Opportunistic策略在內(nèi)容返回過程不僅考慮了內(nèi)容在節(jié)點(diǎn)處的流行度，而且通過概率機(jī)制考慮了內(nèi)容的差異性，因而，Opportunistic策略性能優(yōu)于Betw+LRU策略。而對(duì)CSNIC策略，在同一社團(tuán)中，將不同流行度的內(nèi)容緩存到網(wǎng)絡(luò)不同的節(jié)點(diǎn)處，使在同一社團(tuán)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)容具有明顯的差異性，是內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間分布趨于合理，相當(dāng)于均勻分配了內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)社團(tuán)內(nèi)的分布，直接地提高了緩存內(nèi)容差異率。同時(shí)，在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，不同社團(tuán)具有不同的喜好，這樣相當(dāng)于在不同社團(tuán)之間內(nèi)容對(duì)象再進(jìn)行了一次合理分布。因而，在這4種緩存決策策略中，CSNIC策略的內(nèi)容差異率是最佳的。

圖4 內(nèi)容差異率對(duì)緩存空間的影響

表 1為替換數(shù)量隨緩存大小變化的結(jié)果：Betw+LRU在 4種機(jī)制中的替換數(shù)量最小；CEE+LRU中每一個(gè)興趣分組都會(huì)引起一次替換，所以為一常數(shù)；而 CSNIC策略的替換數(shù)量略微高于Betw+LRU，Opportunistic策略與CSNIC策略非常接近。但Betw+LRU策略的替換主要集中于高介數(shù)的節(jié)點(diǎn)處，在單一節(jié)點(diǎn)頻繁地替換并不滿足ICN架構(gòu)中緩存要求線速執(zhí)行的條件。

表1 替換數(shù)量VS緩存大小

2) 內(nèi)容數(shù)量的影響

在該實(shí)驗(yàn)過程中，節(jié)點(diǎn)緩存空間的大小設(shè)置為20 MB，用戶數(shù)量設(shè)置為50 000，Zipf參數(shù)(α)的參數(shù)設(shè)置為 1.2，替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)設(shè)置為0.7，其中內(nèi)容數(shù)量在200至6 400范圍內(nèi)變化。

圖5～圖7分別為緩存命中率、跳數(shù)減少率和內(nèi)容差異率隨網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容數(shù)量變化的關(guān)系，從圖5～圖7可以看出，4種緩存策略的緩存命中率、跳數(shù)減少率和內(nèi)容差異率的性能都隨網(wǎng)絡(luò)中緩存的內(nèi)容的數(shù)量增大而減弱，這是由于隨著網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容數(shù)量增大，需要緩存內(nèi)容增多，用戶在緩存內(nèi)容節(jié)點(diǎn)處獲取所需內(nèi)容的概率降低，從而導(dǎo)致緩存性能減弱。但在這個(gè)減弱的過程中，CSNIC策略的性能一直優(yōu)于其他3種策略。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因與上述節(jié)點(diǎn)緩存空間大小情況的討論類似，網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容數(shù)量的增加相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)緩存空間的減少。

圖5 緩存命中率對(duì)內(nèi)容數(shù)量的影響

圖6 跳數(shù)減少率對(duì)內(nèi)容數(shù)量的影響

圖7 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容差異率對(duì)內(nèi)容數(shù)量的影響

4種緩存策略的替換數(shù)量隨內(nèi)容數(shù)量變化的結(jié)果與緩存空間變化的情況類似：Betw+LRU在4種機(jī)制中的替換數(shù)量最??；CEE+LRU中每一個(gè)興趣分組都會(huì)引起一次替換，為一常數(shù)；而 CSNIC和Opportunistic的替換數(shù)量相當(dāng)，略高于Betw+LRU。

3)Zipf(α)參數(shù)的影響

在該實(shí)驗(yàn)過程中，用戶數(shù)量設(shè)置為50 000，節(jié)點(diǎn)緩存空間的大小設(shè)置為20 MB，替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)設(shè)置為 0.7，Zipf參數(shù)(α)的參數(shù)設(shè)置為 0.2至1變化。

現(xiàn)有實(shí)證研究顯示網(wǎng)絡(luò)用戶對(duì)內(nèi)容的偏好服從Zipf分布[24]，Zipf參數(shù)α越大，表示用戶的偏好越集中，并且用戶對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的α值也有差異。因此，下面通過變化α值測(cè)試CSNIC策略對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的表現(xiàn)。圖8～圖10分別為緩存命中率、跳數(shù)減少率和內(nèi)容差異率隨Zipf參數(shù)α變化的關(guān)系。從圖8可知，4種策略的緩存命中率都隨參數(shù)α增大而增大，但在這個(gè)過程中，CSNIC策略的性能一直優(yōu)于其他3種策略，導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是4種策略都利用了時(shí)間的局域性，但除此此外，CSNIC策略還充分利用空間的局域性。圖9和圖10顯示，跳數(shù)減少率和內(nèi)容差異率隨著參數(shù)α的增大都有減少，但CSNIC策略一直保持較明顯的性能優(yōu)勢(shì)。

圖8 緩存命中率對(duì)Zipf(α)的影響

圖9 跳數(shù)減少率對(duì)Zipf(α)的影響

圖10 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容差異率對(duì)Zipf(α)的影響

4) 網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)的影響

現(xiàn)有實(shí)證研究顯示 Internet網(wǎng)絡(luò)具有明顯的社團(tuán)特性[16]，網(wǎng)絡(luò)特性的量化指標(biāo)用模塊度Q值表示，Q值越高，表示網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)特性越明顯，現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)在0.3～0.7之間。因CSNIC策略的實(shí)現(xiàn)與節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度直接相關(guān)，而節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度與網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)結(jié)構(gòu)相聯(lián)系。為研究網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)特性對(duì)緩存策略的影響，本文采用了由Yan等提出的SFC模型[25]，該模型生成的網(wǎng)絡(luò)不僅全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的度和社團(tuán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的度都具有無標(biāo)度特征，而且網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)特性可調(diào)，與現(xiàn)實(shí)中 Internet網(wǎng)絡(luò)比較接近。選擇合適參數(shù)生成節(jié)點(diǎn)數(shù)為300、模塊度Q從0.3變化到0.7的網(wǎng)絡(luò)。圖11～圖13為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中橫軸為網(wǎng)絡(luò)模塊度的大小。從圖可知，隨著網(wǎng)絡(luò)模塊度的增加，CSNIC策略的緩存性能(緩存命中率、跳數(shù)減少率和內(nèi)容的差異率)的波動(dòng)不是很大，而CEE+LRU、Betw+LRU和Opportunistic策略隨著網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)模塊度的增加，緩存性能有所下降，這是由于 CSNIC策略把內(nèi)容緩存到社團(tuán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)容易獲取的位置，而其他3種策略隨著網(wǎng)絡(luò)社團(tuán)結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，若用戶想獲取的內(nèi)容不在所屬社團(tuán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)處緩存，將加大獲取的難度。

圖11 緩存命中率對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊度（Q）的影響

圖12 跳數(shù)減少率對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊度（Q）的影響

圖13 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容差異率對(duì)網(wǎng)絡(luò)模塊度（Q）的影響

5) 替換調(diào)節(jié)系數(shù)(β)的影響

在該實(shí)驗(yàn)過程中，用戶數(shù)量設(shè)置為50 000，Zipf參數(shù)(α)的參數(shù)設(shè)置為1.2，節(jié)點(diǎn)緩存空間的大小設(shè)置為10 MB至320 MB變化，替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)設(shè)置為0.3至1.5變化。

圖 14為內(nèi)容差異率隨替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)和節(jié)點(diǎn)緩存空間的大小變化的曲面圖，從圖可以看出，內(nèi)容差異率的性能隨著β系數(shù)的變化發(fā)生變化。在β=0.7時(shí)，內(nèi)容差異率達(dá)到最大值，即在同一社團(tuán)內(nèi)，根據(jù)其在社團(tuán)中的重要度，通過調(diào)節(jié)不同節(jié)點(diǎn)內(nèi)內(nèi)容的替換概率，以達(dá)到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存空間的充分利用。緩存命中率和跳數(shù)減少率的變化趨勢(shì)與內(nèi)容差異率的變化趨勢(shì)類似，限于篇幅，在文中沒有給出它們的變化曲線。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，為使內(nèi)容對(duì)象在時(shí)間的分布上獲取一個(gè)好的結(jié)果，替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)的取值還與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的緩存空間大小分布有關(guān)。但由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)緩存空間的大小在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)已經(jīng)固定，替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)對(duì)于具體的網(wǎng)絡(luò)是固定的，因而在網(wǎng)絡(luò)中易于布局。

圖14 替換概率調(diào)節(jié)系數(shù)(β)和緩存空間對(duì)內(nèi)容差異率的影響

6) 策略的開銷分析

下面從計(jì)算開銷和通信開銷 2個(gè)方面分析CSNIC策略。

計(jì)算開銷：CSNIC策略緩存決策策略和替換策略中的節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度的如式(3)所示，只需求出表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接關(guān)系的鄰接矩陣的所有特征值和特征向量。而現(xiàn)實(shí)中的大部分網(wǎng)絡(luò)為稀疏網(wǎng)絡(luò)，利用Lanczos算法和QL算法，求稀疏對(duì)稱矩陣的所有特征值和特征向量的時(shí)間復(fù)雜度為O(nm)[26]，其中n和m分別表示網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)，其計(jì)算復(fù)雜度較低，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)的社團(tuán)重要度都是通過離線方式計(jì)算存儲(chǔ)的。在替換過程中概率的計(jì)算也是僅為O(k)，其中k為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存空間大小，所以CSNIC策略滿足ICN對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)緩存處理線速的要求。

通信開銷：在興趣分組和 Data分組僅需保存所經(jīng)過的社團(tuán)內(nèi)節(jié)點(diǎn)社團(tuán)重要度最大節(jié)點(diǎn)的值， 而每次通信，找到用戶所需內(nèi)容所經(jīng)過的社團(tuán)數(shù)量一般在2個(gè)左右，顯然，CSNIC策略的通信開銷很低。

從上分析可知，CSNIC策略易于實(shí)現(xiàn)，以較小的開銷獲得很好的性能改善。

5 結(jié)束語

如何高效地利用ICN中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存功能，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，成為了ICN架構(gòu)應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境的關(guān)鍵問題之一。為此，本文提出了一種應(yīng)用Internet網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的社團(tuán)特性，基于每個(gè)節(jié)點(diǎn)在其所屬社團(tuán)的重要度確定內(nèi)容緩存位置和緩存替換的緩存策略。通過在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的有效性。

由于目前實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文僅考慮了網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)拓?fù)湫畔⒌纳鐖F(tuán)特性，為更合理地確定內(nèi)容的緩存位置，Internet網(wǎng)絡(luò)的社團(tuán)特性也應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化。因此，下一步工作將基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的設(shè)計(jì)理念，感知網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，從 ICN 架構(gòu)的實(shí)際流量出發(fā)，構(gòu)建加權(quán)有向復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。在 SDN的控制層，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的社團(tuán)特性來確定內(nèi)容的緩存位置。然后通過SDN的數(shù)據(jù)層執(zhí)行這一決策，進(jìn)一步提高ICN架構(gòu)的緩存性能。

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