王曉慧,張國(guó)強(qiáng),2,高　茜

(1.南京師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.加州大學(xué)河濱分校 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系，美國(guó)加利福尼亞州 河濱 92507)

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面向多自治域環(huán)境的ICN緩存策略設(shè)計(jì)

王曉慧1,張國(guó)強(qiáng)1,2,高茜1

(1.南京師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.加州大學(xué)河濱分校 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系，美國(guó)加利福尼亞州 河濱 92507)

摘要：信息中心網(wǎng)絡(luò)是下一代網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要組成部分，而緩存作為信息中心網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分在減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)載方面得到廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)階段的研究集中于單個(gè)自治域內(nèi)的性能優(yōu)化，多自治域間的管理與協(xié)作方面的研究還不成熟。提出基于域間商業(yè)關(guān)系的ICN(information centric networking)緩存策略的設(shè)計(jì)方案，描述了面向多自治域環(huán)境的基于內(nèi)容提供商、商業(yè)關(guān)系和二者結(jié)合的域間緩存策略及相應(yīng)的域內(nèi)緩存決策與替換策略，并進(jìn)行了形式化表示。

關(guān)鍵詞：信息中心網(wǎng)絡(luò)；域間緩存；域間商業(yè)關(guān)系

0引言

近幾年，以視頻為主的大規(guī)模內(nèi)容獲取成為互聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用模式，但現(xiàn)有的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)仍以單播為主，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸性增長(zhǎng)，出現(xiàn)了移動(dòng)性、靈活性差等問(wèn)題。研究界提出的信息中心網(wǎng)絡(luò)(information centric networking，ICN)[1-3]增加了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置緩存的功能，將內(nèi)容與其所存儲(chǔ)的物理位置解耦，適應(yīng)了點(diǎn)對(duì)面內(nèi)容獲取的網(wǎng)絡(luò)需求。

ICN中用戶(hù)不關(guān)心內(nèi)容存儲(chǔ)的物理位置，只關(guān)心內(nèi)容本身，使得網(wǎng)絡(luò)的核心從TCP/IP中的IP地址轉(zhuǎn)為內(nèi)容本身，從而使得網(wǎng)絡(luò)可以感知、識(shí)別并緩存內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置緩存的出現(xiàn)為快速內(nèi)容響應(yīng)提供了支持。

但是，泛在緩存的線速響應(yīng)要求使得節(jié)點(diǎn)緩存容量受限[4]。現(xiàn)有的ICN緩存研究主要集中于通過(guò)顯式或隱式的方式增加緩存節(jié)點(diǎn)的協(xié)同性[5-7]，降低緩存內(nèi)容的冗余度，從而提高單個(gè)域內(nèi)緩存資源的效用，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，忽視了網(wǎng)絡(luò)的自治域間管理和協(xié)作，而這對(duì)于信息中心網(wǎng)絡(luò)的全局部署至關(guān)重要。對(duì)于多自治域間的ICN，研究界也進(jìn)行了初步探索。Rajahalme等[8]第一次分析了不同角色的網(wǎng)絡(luò)部署緩存的動(dòng)機(jī)，DiBenedetto等[9]進(jìn)一步以命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(named data networking, NDN)為例，分析了在現(xiàn)有邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(border gateway protocol,BGP)商業(yè)關(guān)系下不同網(wǎng)絡(luò)部署緩存的動(dòng)機(jī)和可能采用的策略，而卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Agyapong博士[10]對(duì)上述動(dòng)機(jī)問(wèn)題進(jìn)行了更為細(xì)致的探索。

本文提出了基于域間商業(yè)關(guān)系的ICN緩存策略的設(shè)計(jì)方案，研究了面向多自治域環(huán)境的域間緩存策略與域內(nèi)緩存策略與實(shí)現(xiàn)緩存策略所需信息與機(jī)制，為后續(xù)域間緩存策略的實(shí)現(xiàn)提供理論支持。

1域間商業(yè)關(guān)系

現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)是由不同管理機(jī)構(gòu)管理的自治域(autonomous system，AS)間合作實(shí)現(xiàn)的，互聯(lián)網(wǎng)中的流量需要自治域系統(tǒng)通過(guò)商業(yè)合作關(guān)系來(lái)共同管理，研究者認(rèn)為不論將來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)怎么發(fā)展，由政治經(jīng)濟(jì)因素形成的自治域或等同的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體將繼續(xù)存在[8]?，F(xiàn)有自治域的商業(yè)關(guān)系主要有2種[11]：P2C(客戶(hù)-提供商關(guān)系)和P2P(對(duì)等關(guān)系)。用P域表示提供商域，C域表示客戶(hù)域，PE域表示對(duì)等域。

1)P2C關(guān)系：P域向C域提供有償?shù)木W(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。域間鏈路的流量由C域繳費(fèi)。

2)P2P關(guān)系：2個(gè)PE域互相提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。域間鏈路的流量不需要繳費(fèi)。

類(lèi)似于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)，ICN的商業(yè)化過(guò)程勢(shì)必需要將全局網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)自主管理且彼此間具有復(fù)雜商業(yè)關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體，我們將ICN網(wǎng)絡(luò)分為域內(nèi)節(jié)點(diǎn)、邊界節(jié)點(diǎn)和管理引擎。其中，域內(nèi)節(jié)點(diǎn)用于轉(zhuǎn)發(fā)與緩存數(shù)據(jù)；邊界節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)域間連接，記錄商業(yè)關(guān)系；管理引擎根據(jù)收集的信息，進(jìn)行緩存決策。內(nèi)容提供商根據(jù)自身需求與網(wǎng)絡(luò)達(dá)成付費(fèi)關(guān)系。

多自治域間關(guān)系如圖1所示。域間的商業(yè)關(guān)系：AS0與AS1的域間商業(yè)關(guān)系為P2C關(guān)系，其中，AS0為AS1的C域，AS1為AS0的P域；AS0與AS2，AS0和AS3的域間商業(yè)關(guān)系為P2P關(guān)系，二者互為彼此的PE域；AS0與AS4，AS0與AS5的域間商業(yè)關(guān)系為P2C關(guān)系。

圖1　多自治域間關(guān)系示意圖Fig.1　Schematic diagram of multi-domain relationship

2多自治域環(huán)境下ICN域間緩存策略

當(dāng)不同的網(wǎng)絡(luò)自主管理各自的泛在緩存資源時(shí)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)緩存將會(huì)作為商業(yè)關(guān)系談判的籌碼，因此，多自治域環(huán)境下ICN緩存的首要目標(biāo)是提供網(wǎng)絡(luò)自主管理能力和策略設(shè)置能力，實(shí)現(xiàn)多自治域間的商業(yè)關(guān)系與協(xié)作，滿(mǎn)足不同網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間的商業(yè)契約關(guān)系。

在單自治域環(huán)境下，緩存決策是指數(shù)據(jù)到達(dá)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)內(nèi)容流行度和緩存狀態(tài)決定是否緩存該數(shù)據(jù)[12]。在多自治域環(huán)境下，緩存策略不再以節(jié)點(diǎn)而是以網(wǎng)絡(luò)作為決策主體，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)不僅需要根據(jù)數(shù)據(jù)流行度與網(wǎng)絡(luò)的緩存狀態(tài)決定，還需要根據(jù)本網(wǎng)絡(luò)與其他自治網(wǎng)絡(luò)間關(guān)系、內(nèi)容提供商緩存服務(wù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)流向、本域是否受益等因素決定是否將數(shù)據(jù)緩存在本網(wǎng)絡(luò)。

2.1基于域間商業(yè)關(guān)系的域間緩存策略

不同的自治域間關(guān)系和網(wǎng)絡(luò)間繳費(fèi)關(guān)系有關(guān)，因此，多自治域環(huán)境下ICN緩存策略的設(shè)計(jì)與域間關(guān)系有直接關(guān)系。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)間繳費(fèi)關(guān)系的不同，基于商業(yè)利益考慮，網(wǎng)絡(luò)對(duì)于來(lái)自不同域的數(shù)據(jù)的處理方式不同。

1)若數(shù)據(jù)來(lái)源于P域，由于本域要向P域繳費(fèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，緩存該數(shù)據(jù)可以潛在地減少流向P域的請(qǐng)求，因此，可以潛在減少本域支出?；谏虡I(yè)利益考慮，本域應(yīng)優(yōu)先緩存來(lái)源于P域的數(shù)據(jù)。

2)若數(shù)據(jù)來(lái)源為PE域，雖然本域與PE域間不需要繳費(fèi)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，緩存與否和網(wǎng)絡(luò)的商業(yè)利益關(guān)系不大，但是PE域間的流量由二者共同承擔(dān)，緩存該數(shù)據(jù)可以潛在減少PE域與本域間流量，減輕網(wǎng)絡(luò)的通訊負(fù)擔(dān)。基于減少流量的原則，本域在緩存空間充足的情況下緩存來(lái)源于PE域的數(shù)據(jù)。

3)若數(shù)據(jù)來(lái)源為C域，由于C域需要繳費(fèi)給本域來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，緩存該數(shù)據(jù)會(huì)潛在地減少流向C域的請(qǐng)求，因此，會(huì)潛在地減少本域收入。基于商業(yè)利益考慮，本域不緩存來(lái)源于C域的數(shù)據(jù)。

當(dāng)本域內(nèi)緩存空間已滿(mǎn)，需要進(jìn)行緩存替換時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)間繳費(fèi)關(guān)系的不同，給予不同來(lái)源數(shù)據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)。由于本域與P域間流量由本域繳費(fèi)，因此，來(lái)源于P域的數(shù)據(jù)具有最高的優(yōu)先級(jí)。本域與C域間流量由C域繳費(fèi)，因此，來(lái)源于C域的數(shù)據(jù)具有最低的優(yōu)先級(jí)。

2.2基于付費(fèi)內(nèi)容提供商的域間緩存策略

不同的內(nèi)容提供商為了獲取緩存服務(wù)付出的費(fèi)用不同，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)付費(fèi)多少為不同的內(nèi)容提供商提供不同的緩存服務(wù)類(lèi)型。

1)當(dāng)數(shù)據(jù)塊d的內(nèi)容提供商CPj為非付費(fèi)提供商，且域內(nèi)有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存數(shù)據(jù)；若域內(nèi)剩余空間不足以容納d，除去所有付費(fèi)內(nèi)容，提供商所占用的不超過(guò)自己配額的空間，剩下的空間足以容納d，則進(jìn)行緩存替換；否則，不緩存該數(shù)據(jù)。

2)若數(shù)據(jù)塊d的內(nèi)容提供商CPj為付費(fèi)提供商，且域內(nèi)有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存d；若域內(nèi)剩余空間不足以容納d，則需進(jìn)行緩存替換。

表1　基于付費(fèi)內(nèi)容提供商的緩存策略

2.3基于域間商業(yè)關(guān)系和付費(fèi)內(nèi)容提供商的域間緩存策略

網(wǎng)絡(luò)間付費(fèi)關(guān)系與內(nèi)容提供商的付費(fèi)是獨(dú)立的，對(duì)于單個(gè)域來(lái)說(shuō)，可以將二者同時(shí)考慮，因此，提出結(jié)合考慮域間商業(yè)關(guān)系和付費(fèi)內(nèi)容提供商的域間緩存策略。假設(shè)有k個(gè)內(nèi)容提供商，其所需空間及付費(fèi)信息和上一策略相同。

1)若數(shù)據(jù)塊d的內(nèi)容提供商CPj為付費(fèi)提供商，且域內(nèi)有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存數(shù)據(jù)；若域內(nèi)剩余空間不足以容納d，則需進(jìn)行緩存替換。

2)當(dāng)數(shù)據(jù)d的內(nèi)容提供商為非付費(fèi)內(nèi)容提供商時(shí)，根據(jù)其來(lái)源進(jìn)行決策。

若數(shù)據(jù)d來(lái)源于PE域，且域內(nèi)有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存d；若域內(nèi)沒(méi)有足夠的空閑空間容納d，且除去付費(fèi)內(nèi)容提供商占用的不超過(guò)其配額部分的緩存之和，剩下的空間不足以容納d，則不緩存d；否則，需進(jìn)行緩存替換。

當(dāng)數(shù)據(jù)d來(lái)源于P域，且域內(nèi)有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存d；若域內(nèi)沒(méi)有足夠的空閑空間容納d，且除去付費(fèi)內(nèi)容提供商占用的不超過(guò)其配額部分的緩存之和，剩下的空間不足以容納d，則不緩存d；否則，需進(jìn)行緩存替換。該策略的形式化表示如表2所示。

表2　基于域間商業(yè)關(guān)系和付費(fèi)內(nèi)容提供商的緩存策略

3多自治域環(huán)境下ICN域內(nèi)緩存策略

在多自治域環(huán)境下，域內(nèi)緩存的分配既要滿(mǎn)足域間策略，還要優(yōu)化自身緩存資源的配置，提高緩存資源的效用，實(shí)現(xiàn)自身利益的最大化，這需要相應(yīng)的域內(nèi)緩存策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。

域內(nèi)緩存策略的實(shí)施是在域間緩存決策之后進(jìn)行，域間緩存決策結(jié)果為緩存、替換、不緩存3種情況，域內(nèi)緩存策略對(duì)于緩存、替換2種情況進(jìn)行后續(xù)節(jié)點(diǎn)選擇。

3.1選取最大空閑空間的緩存策略

1)若節(jié)點(diǎn)空閑空間充足，可以緩存數(shù)據(jù)，則選取空閑空間最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存。

2)若節(jié)點(diǎn)空閑空間不足，則選取節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存替換。表3給出了域內(nèi)緩存策略的總結(jié)。

3.2選取本提供商占用最多空間的策略

假設(shè)域內(nèi)緩存空間以及節(jié)點(diǎn)緩存空間分配同上一策略中假設(shè)。當(dāng)域間策略決定緩存數(shù)據(jù)d，且該數(shù)據(jù)的提供商為CPj時(shí)，若節(jié)點(diǎn)空閑空間充足，則選取現(xiàn)在緩存CPj數(shù)據(jù)最多且緩存空間充足的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行緩存。

4總結(jié)與展望

本文提出了多域環(huán)境下的ICN緩存策略的設(shè)計(jì)方案，介紹了ICN域間和域內(nèi)緩存決策策略與替換策略并進(jìn)行了形式化表示，為后續(xù)多自治域環(huán)境下ICN緩存策略的實(shí)現(xiàn)提供理論支持。本文提出的緩存策略與實(shí)驗(yàn)配置為初期想法，需在今后實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證與修改本文提出的域間和域內(nèi)緩存策略。

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DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.04.017

收稿日期：2016-02-14

修訂日期：2016-04-14通訊作者：王曉慧xiaohuiwangfly@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61572256,61174152,61303243)；國(guó)家“863”計(jì)劃(2013AA013503)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20141454)；江蘇省未來(lái)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院‘未來(lái)網(wǎng)絡(luò)前瞻性研究項(xiàng)目’(BY2013095-2-11)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2015JBM042)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China (61572256,61174152, 61303243); The National “863 plan”(2013AA013503);The Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20141454); The Jiangsu Future Network Innovation Institute ‘Prospective Future Network Research Project’(BY2013095-2-11); The Central Fundamental Research Funds for Colleges and Universities (2015JBM042)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-825X(2016)04-0555-05

作者簡(jiǎn)介：

王曉慧(1993-)，女，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔⒅行木W(wǎng)絡(luò)、緩存策略研究、域間策略設(shè)計(jì)。E-mail：xiaohuiwangfly@163.com。

張國(guó)強(qiáng)(1980-)，男，江蘇常州人，副教授，博士，研究方向?yàn)樾畔⒅行木W(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹2P流量?jī)?yōu)化。E-mail：guoqiang@ict.ac.cn。

(編輯：王敏琦)

Design of ICN caching strategies for multiple AS domains

WANG Xiaohui1,ZHANG Guoqiang1,2,GAO Qian1

(1.School of computer science and technology, Nanjing Normal University，Nanjing 210046，P.R.China；2.Department of computer science and engineering, University of California at Riverside the USA，Riverside California 92507，USA)

Abstract:Information centric networking is an important part of the next generation network research, and as the core of the information centric networking, cache has been widely used to reduce the network traffic. But the current researches mainly focus on the performance optimization in a single AS domain, the management and coordination among multiple AS domains is not well explored. In this paper, the ICN caching strategies based on business relationships between domains are proposed, and the intra-domain caching strategies based on content provider, business relationship, and combination of both are also introduced. In addition, the corresponding intra-domain caching decision and replacement strategies are put forward, and the formalized representations are carried out.

Keywords：information centric networks; inter domain caching; inter domain business relation