薛寒星 尤佳莉 王勁林

(中國科學(xué)院聲學(xué)研究所國家網(wǎng)絡(luò)新媒體工程技術(shù)研究中心 北京 100190) (中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190)

0 引 言

內(nèi)容的分發(fā)和獲取作為目前互聯(lián)網(wǎng)中的主要應(yīng)用，占據(jù)了網(wǎng)絡(luò)中的絕大部分流量。負(fù)責(zé)將內(nèi)容傳輸?shù)秸埱笥脩艋蚓W(wǎng)絡(luò)邊緣的內(nèi)容擴散系統(tǒng)對內(nèi)容服務(wù)的質(zhì)量有很大的影響。同時，大量靠近用戶的終端設(shè)備構(gòu)建的邊緣覆蓋網(wǎng)絡(luò)作為最靠近服務(wù)請求發(fā)起端的網(wǎng)絡(luò)，可以向用戶提供低時延的快速服務(wù)響應(yīng)，典型的場景包括智能路由器[1]。不同于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層的路由器，智能路由器是距離用戶最近的家用智能設(shè)備。它擁有更強的處理能力和存儲能力，可以向本地用戶和邊緣網(wǎng)絡(luò)中的鄰居智能路由器提供低時延的內(nèi)容服務(wù)。因此，在邊緣網(wǎng)絡(luò)中擴散部分熱門請求內(nèi)容的副本，使用戶可以直接從本地或鄰域邊緣設(shè)備處獲取內(nèi)容服務(wù)[2]。系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量得到保障的同時骨干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載壓力也得到了緩解。因此，邊緣網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容擴散有重要的研究意義。因為邊緣設(shè)備具有高度的自治性，邊緣網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容擴散需要一種去中心化的擴散方式。例如物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等一些終端設(shè)備組成的邊緣覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容擴散均采用了去中心化的方式。

基于已有的對用戶請求的分析可知，不同內(nèi)容的請求數(shù)量服從長尾分布，即大部分的請求集中在流行的內(nèi)容上[3]。因此，針對熱門的內(nèi)容，本文為邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一種去中心化的內(nèi)容擴散系統(tǒng)。通過模擬謠言傳播來實現(xiàn)去中心化的擴散，即邊緣設(shè)備向邊緣網(wǎng)絡(luò)中的鄰居節(jié)點擴散內(nèi)容的副本或消息。收到消息或副本的邊緣設(shè)備在自身的鄰域中進行進一步的擴散。直至內(nèi)容的副本和消息擴散至邊緣網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備。為了合理地控制內(nèi)容副本的冗余，系統(tǒng)根據(jù)內(nèi)容的流行度定義了相應(yīng)的鄰域覆蓋率要求。邊緣設(shè)備根據(jù)鄰居數(shù)量和內(nèi)容的覆蓋率要求在鄰居節(jié)點中自適應(yīng)地擴散一定數(shù)量的內(nèi)容副本。仿真實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的去中心化的擴散算法可以在邊緣網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)快速的內(nèi)容擴散。同時，擴散完成后的邊緣網(wǎng)絡(luò)可以極大地改善用戶的訪問效率。用戶可以以極高的概率在一跳鄰域內(nèi)直接獲取熱門內(nèi)容的服務(wù)。

1 相關(guān)工作

本文研究的去中心化的內(nèi)容擴散系統(tǒng)的實質(zhì)是將熱門內(nèi)容的副本自適應(yīng)地預(yù)擴散到邊緣設(shè)備構(gòu)成的邊緣網(wǎng)絡(luò)中。因此，相關(guān)的研究包括內(nèi)容的預(yù)取、復(fù)制和擴散策略。

現(xiàn)有的內(nèi)容預(yù)取策略針對不同的應(yīng)用場景進行了研究。在移動網(wǎng)絡(luò)中，Ma等[4]提出通過預(yù)測用戶的興趣、移動性和吞吐量來選擇合適的預(yù)取內(nèi)容和緩存節(jié)點。在社交網(wǎng)絡(luò)中，Li等[5]提出可以根據(jù)用戶的興趣來預(yù)取內(nèi)容的部分前綴數(shù)據(jù)塊，進而緩解用戶的啟動時延。在CDN和P2P混合的視頻服務(wù)系統(tǒng)中，Zhang等[6]提出預(yù)測內(nèi)容的稀缺程度和節(jié)點的能力，提前在能力充足的節(jié)點上部署未來稀缺的內(nèi)容副本。上述的預(yù)取策略的研究都是從個體用戶的興趣來選擇更合適的內(nèi)容進行預(yù)部署，并未考慮全局內(nèi)容的流行情況和大量內(nèi)容的擴散。不同于已有的內(nèi)容預(yù)取策略的研究，本文從全局網(wǎng)絡(luò)中的熱門內(nèi)容出發(fā)，通過去中心化的擴散實現(xiàn)熱門內(nèi)容的在整個邊緣覆蓋網(wǎng)中的預(yù)部署。

分布式服務(wù)系統(tǒng)經(jīng)常會在覆蓋網(wǎng)中部署部分內(nèi)容的副本來改善服務(wù)的質(zhì)量，例如部署熱門內(nèi)容的副本減少內(nèi)容檢索的路徑長度和流量，部署稀有內(nèi)容的副本來提高檢索的成功率[7]。無結(jié)構(gòu)覆蓋網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容的副本數(shù)量常見策略為全部相同或者正比于內(nèi)容的流行度[8]。DHT覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點可以通過哈希函數(shù)被劃分到不同的區(qū)域，進而內(nèi)容的副本被放置到不同的區(qū)域來提高檢索的成功率[9]?，F(xiàn)有的內(nèi)容復(fù)制策略的問題在于需要手動配置副本數(shù)量等參數(shù)，邊緣設(shè)備不能根據(jù)鄰域的網(wǎng)絡(luò)和興趣情況進行自適應(yīng)的調(diào)節(jié)。本文提出了覆蓋率的定義來反映內(nèi)容副本在節(jié)點鄰域的覆蓋情況。邊緣設(shè)備可以根據(jù)覆蓋率需求和鄰域情況自適應(yīng)調(diào)整副本的數(shù)量。

內(nèi)容擴散系統(tǒng)中的內(nèi)容傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方式包括“推”(Push)和“拉”(Pull)兩種方式。Push策略適用于熱門內(nèi)容的主動下發(fā)和推送，Pull策略適用于用戶被動拉取稀少的內(nèi)容副本。本文設(shè)計的擴散系統(tǒng)通過Push的方式實現(xiàn)副本消息的擴散和緩存節(jié)點的選擇，通過Pull策略實現(xiàn)進一步的內(nèi)容傳輸。在內(nèi)容傳輸過程的具體細(xì)節(jié)部分，現(xiàn)有擴散的研究是基于數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)流的傳輸模型[10]，研究如何在更短的時間內(nèi)將副本從單個種子節(jié)點擴散到指定的接受副本的節(jié)點集合[11-12]?？焖贁U散的策略包括在擴散過程中的內(nèi)容源節(jié)點優(yōu)先選擇帶寬更高的接收節(jié)點或最稀缺的內(nèi)容片段來傳輸，盡可能地減少完成擴散所需要的時間。在本文的分布式系統(tǒng)中，節(jié)點很難時刻獲取到全局的內(nèi)容稀缺程度或已緩存副本的節(jié)點信息。通過設(shè)計一種類似謠言傳播的機制使得節(jié)點盡可能獲取更多的局部信息來做出較好的傳輸決策。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個內(nèi)容服務(wù)系統(tǒng)主要由兩部分組成：管理系統(tǒng)和邊緣設(shè)備構(gòu)成的邊緣網(wǎng)絡(luò)。圖1所示為系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)節(jié)點管理和內(nèi)容管理。它的具體工作包括：通過推薦鄰居列表來輔助設(shè)備加入邊緣網(wǎng)絡(luò)，采集并分析用戶請求信息，根據(jù)分析結(jié)果選擇合適的擴散內(nèi)容并制定相應(yīng)的擴散目標(biāo)，隨機選擇一個邊緣設(shè)備作為種子節(jié)點來部署需要擴散的內(nèi)容。邊緣終端設(shè)備是整個內(nèi)容服務(wù)系統(tǒng)的關(guān)鍵。邊緣設(shè)備之間通過鄰居維護構(gòu)建了邊緣覆蓋網(wǎng)。在邊緣網(wǎng)絡(luò)中，邊緣設(shè)備通過信息交互實現(xiàn)鄰居間的內(nèi)容擴散和內(nèi)容服務(wù)。種子節(jié)點在收到內(nèi)容副本后會主動在鄰域內(nèi)進行內(nèi)容的自擴散。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.2 熱門內(nèi)容的覆蓋率設(shè)計

本文的內(nèi)容服務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是希望邊緣設(shè)備可以直接在邊緣網(wǎng)絡(luò)中的鄰域設(shè)備處獲取到熱門內(nèi)容的服務(wù)。因此，鄰域中內(nèi)容副本的數(shù)量對系統(tǒng)的服務(wù)表現(xiàn)有重要的影響。本文首先定義了內(nèi)容副本在鄰域的覆蓋率：

(1)

式中：Ci,j(t)表示節(jié)點i關(guān)于內(nèi)容j在時刻t的覆蓋率；Neii表示節(jié)點i的鄰居節(jié)點的集合；xi,j(t)表示節(jié)點i在時刻t是否緩存了內(nèi)容j的副本，若已緩存，xi,j(t)=1，否則xi,j(t)=0。

覆蓋率反映了在t時刻，內(nèi)容副本在邊緣設(shè)備的鄰域的覆蓋情況。覆蓋率越大表示鄰域中緩存該內(nèi)容副本的邊緣設(shè)備數(shù)量的比例越高。本文通過設(shè)定合理的覆蓋率需求來指導(dǎo)邊緣設(shè)備在鄰域中的內(nèi)容擴散。因為不同內(nèi)容有不同的流行度，并且流行度會隨著時間不斷變化，管理系統(tǒng)需要周期性的分析內(nèi)容的請求情況來為不同的內(nèi)容設(shè)計合理的分發(fā)目標(biāo)，即需求覆蓋率。假設(shè)局部的邊緣設(shè)備對不同內(nèi)容的請求分布和全局的請求分布相近。系統(tǒng)的管理服務(wù)器將根據(jù)系統(tǒng)中一段時間內(nèi)的內(nèi)容訪問數(shù)量來為每個內(nèi)容計算相應(yīng)的覆蓋率需求：

(2)

式中：Cd(j)表示內(nèi)容j的需求覆蓋率；NRj表示內(nèi)容j的請求數(shù)量；F表示系統(tǒng)中所有的內(nèi)容集合?？梢院侠淼丶僭O(shè)內(nèi)容在鄰域的覆蓋率大于需求覆蓋率時，鄰域中該內(nèi)容的副本數(shù)量足以向鄰域節(jié)點提供一跳的內(nèi)容服務(wù)。

3 去中心化的擴散算法設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

內(nèi)容擴散系統(tǒng)的擴散目標(biāo)是將熱門內(nèi)容的副本按照一定的覆蓋率要求擴散至每個邊緣設(shè)備的鄰域內(nèi)。因為邊緣覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的每個邊緣設(shè)備有很高的自治性，本文設(shè)計了一種類似于謠言傳播的去中心化的內(nèi)容擴散算法來實現(xiàn)擴散目標(biāo)。在擴散開始時，管理系統(tǒng)會隨機選擇一個邊緣設(shè)備作為種子節(jié)點來部署需要擴散的內(nèi)容。種子節(jié)點完成內(nèi)容副本的緩存后會根據(jù)擴散算法開始內(nèi)容的去中心化擴散。

擴散算法的具體思路是每個邊緣設(shè)備向維護的鄰域節(jié)點擴散內(nèi)容的消息或副本。副本數(shù)量由節(jié)點的鄰居數(shù)量和內(nèi)容的覆蓋率要求來決定。收到相應(yīng)消息和副本的節(jié)點再使用同樣的策略在自己的鄰域中進行擴散。通過這種類似謠言傳播的方式，熱門內(nèi)容的副本和消息會從種子節(jié)點逐步擴散至邊緣網(wǎng)絡(luò)中的所有邊緣設(shè)備。值得注意的是，為了避免形成廣播風(fēng)暴，如果內(nèi)容的覆蓋率要求等相關(guān)信息沒有改變，所有的邊緣設(shè)備只會處理和轉(zhuǎn)發(fā)一次該內(nèi)容的消息。同時，為了充分利用所有邊緣設(shè)備的資源，在擴散過程中邊緣設(shè)備會優(yōu)先選取空閑存儲空間較大的鄰居來緩存副本。如果所有鄰居都沒有空閑的存儲空間，邊緣設(shè)備會隨機選取鄰居來緩存副本。被選擇的鄰居執(zhí)行相應(yīng)的緩存替換策略來選擇已緩存的副本進行替換。因為本系統(tǒng)中的覆蓋率要求反映了內(nèi)容在當(dāng)前時刻的流行度，邊緣設(shè)備可以選擇擁有最小覆蓋率要求的已緩存的副本進行替換。

3.2 具體實現(xiàn)

為了實現(xiàn)邊緣設(shè)備間的去中心化內(nèi)容擴散，系統(tǒng)將所有的消息分為四種類型：擴散消息(Diffusion Message)、緩存消息(Store Message)、請求消息(Request Message)、內(nèi)容數(shù)據(jù)消息(Content Data Message)。邊緣設(shè)備會根據(jù)收到的具體消息類型自適應(yīng)地執(zhí)行對應(yīng)的擴散操作。以下為系統(tǒng)部分基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括邊緣節(jié)點、擴散內(nèi)容和不同類型消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中，緩存消息和擴散消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同。

簡化的去中心化的內(nèi)容擴散算法如算法1所示。其中，四種類型的消息具有不同的功能。擴散消息是整個擴散過程中的核心消息，包含了內(nèi)容的ID、大小、覆蓋率需求和已緩存該內(nèi)容副本的節(jié)點地址等基本信息。邊緣設(shè)備收到擴散消息后會執(zhí)行具體的擴散過程，包括選擇鄰居發(fā)送緩存消息直至鄰域中該內(nèi)容的覆蓋率滿足要求。如果沒有合適的鄰居可以緩存副本，邊緣設(shè)備也會停止緩存消息的發(fā)送。邊緣節(jié)點在鄰域中的擴散過程結(jié)束后，它會向其余鄰居繼續(xù)廣播該內(nèi)容的擴散消息。緩存消息負(fù)責(zé)通知節(jié)點緩存內(nèi)容的副本。收到緩存消息的邊緣設(shè)備會明確是否存在足夠的存儲空間來緩存內(nèi)容副本。若存在，設(shè)備會向已緩存的邊緣設(shè)備發(fā)送請求信息。若不存在，設(shè)備執(zhí)行緩存替換策略來確定是否可以緩存副本。邊緣設(shè)備發(fā)送的擴散消息和緩存消息都必須攜帶本地已知的多個確認(rèn)緩存該內(nèi)容副本的邊緣設(shè)備地址，使得需要緩存副本的設(shè)備可以獲取多個內(nèi)容源節(jié)點的地址進行內(nèi)容請求。

算法1去中心化的內(nèi)容擴散算法

Input: 節(jié)點i收到關(guān)于文件j的數(shù)據(jù)包

[主程序]:

Switch(數(shù)據(jù)包類型):

Case DiffusionMessage: DiffusionProcess(j)

Case StoreMessage: StoreProcess(j)

Case RequestMessage: SendContentData(j)

Case ContentDataMessage:

If completeCache(j): DiffusionProcess(j);

endSwitch

DiffusionProcess(fileid j):

ifAlreadyDiffuse(j)andCd(j)unchanged:return;

Ci,j(t)=ComputeCovRate(j);

whileCi,j(t)

x=SelectNei(CandidateNeiList,j); SendStoreMsg(x,j);

CandidateNeiList.RemoveNode(x);

ifAgreeCache(x,j):Ci,j(t)=ComputeCovRate(j);

endwhile

節(jié)點i向Candidate NeiList中的其余鄰居節(jié)點廣播DiffusionMessage消息;

endDiffusionProcess

StoreProcess(fileid j):

ifFreeStorage(i)

SendAgreeCache(j); SendRequest(j);

endStoreProcess

請求消息和內(nèi)容數(shù)據(jù)消息用來實現(xiàn)緩存副本的數(shù)據(jù)傳輸過程。確認(rèn)緩存內(nèi)容副本的設(shè)備會向已知的確認(rèn)緩存該內(nèi)容副本的多個邊緣設(shè)備發(fā)送請求消息。如果被請求的邊緣設(shè)備已經(jīng)完成了內(nèi)容數(shù)據(jù)的接收并且擁有足夠空閑的上傳帶寬，該邊緣設(shè)備會與請求的邊緣設(shè)備進行通信確認(rèn)內(nèi)容數(shù)據(jù)消息的發(fā)送。請求的邊緣設(shè)備會從最快回復(fù)的內(nèi)容源設(shè)備處接受內(nèi)容數(shù)據(jù)。同時，在邊緣設(shè)備完成某個內(nèi)容的副本緩存后也會自動執(zhí)行內(nèi)容擴散過程。需要注意的是，因為每個邊緣設(shè)備會緩存多個內(nèi)容的副本，可能會同時收到來自不同設(shè)備關(guān)于不同內(nèi)容的多個請求。此時邊緣設(shè)備會采用輪詢(Polling)策略選擇傳輸?shù)钠魏徒邮盏脑O(shè)備，即邊緣設(shè)備會確認(rèn)已經(jīng)完成緩存的副本，從請求隊列中針對每個內(nèi)容選取一個請求設(shè)備并依次處理，周期性地重復(fù)上述的處理流程直至所有的請求都處理完成。

3.3 去中心化的內(nèi)容擴散實例

圖2展示了一個去中心化的內(nèi)容擴散算法的簡單實例，8個邊緣設(shè)備構(gòu)建了一個邊緣網(wǎng)絡(luò)。假設(shè)文件1(F1)的覆蓋率需求為0.3，N1作為F1的種子節(jié)點開始進行相應(yīng)的內(nèi)容擴散。在第一個時刻，N1計算得到當(dāng)前F1的鄰域覆蓋率為0.25，并不滿足0.3的要求。N1選擇N2來緩存F1的副本，即發(fā)送緩存消息。通過請求消息和內(nèi)容數(shù)據(jù)的傳輸，N2完成了副本的緩存。在第二個時刻，N1對F1的鄰域覆蓋率已滿足要求，繼續(xù)向N3和N4發(fā)送擴散消息。因為N2對F1的覆蓋率(0.4)也滿足要求，所以N2向N5、N6和N7發(fā)送擴散消息。因為N6的覆蓋率不滿足要求，N8被選擇來緩存F1的副本。N8根據(jù)收到的緩存消息中攜帶的內(nèi)容源的地址(N2的地址)，向N2發(fā)送請求消息。N2發(fā)送內(nèi)容數(shù)據(jù)完成傳輸。至此，所有節(jié)點關(guān)于F1的鄰域覆蓋率均滿足了它的覆蓋率需求(0.3)。整個去中心化的內(nèi)容擴散過程結(jié)束。

圖2 去中心化內(nèi)容擴散的實例

4 仿真實驗

4.1 實驗設(shè)計

本文使用網(wǎng)絡(luò)仿真器Peersim實現(xiàn)了整個內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)下的仿真。假設(shè)每個邊緣設(shè)備是同構(gòu)的，即擁有相同的存儲空間和帶寬。采用兩種不同的覆蓋網(wǎng)絡(luò)作為邊緣網(wǎng)絡(luò)來驗證內(nèi)容擴散系統(tǒng)的性能，包括BA網(wǎng)絡(luò)和隨機網(wǎng)絡(luò)。因為邊緣設(shè)備的能力有限，實驗中將隨機網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點的鄰居數(shù)量都粗略地限定在一定范圍內(nèi)來減輕邊緣設(shè)備的負(fù)載。表1列出了具體的實驗參數(shù)和對應(yīng)的默認(rèn)值。BA網(wǎng)絡(luò)的K表示新邊緣設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)中后連接的鄰居數(shù)量。同時，根據(jù)上文中的文件的覆蓋率需求的計算方式，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有10 000個文件，可以根據(jù)已有的用戶對文件的請求分布計算相應(yīng)的覆蓋率需求。圖3為100個文件對應(yīng)的覆蓋率需求。

表1 擴散參數(shù)默認(rèn)取值

圖3 熱門文件的覆蓋率需求

4.2 仿真結(jié)果

因為本文設(shè)計的是一個全新的去中心化的內(nèi)容擴散系統(tǒng)，沒有較為相近的系統(tǒng)進行比較。故在實驗評估部分，本文從擴散速率、副本數(shù)量和用戶訪問效率等三個方面對系統(tǒng)在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎碌男阅苓M行了評估。

4.2.1內(nèi)容擴散速率分析

假設(shè)邊緣設(shè)備完成一次內(nèi)容副本傳輸所需的時間為一個時間單元。管理系統(tǒng)在每個時間單元向邊緣覆蓋網(wǎng)絡(luò)注入一個新的文件，文件的覆蓋率要求為圖4中的覆蓋率。圖4展示了1個文件和100個文件在擴散的過程中，網(wǎng)絡(luò)中的副本總量隨著時間單元增加的變化情況。

圖4 網(wǎng)絡(luò)中的副本總量在不同時間單元的變化趨勢

對圖4中幾條曲線重合度比較高的地方進行了局部放大。從放大的區(qū)域可知，在網(wǎng)絡(luò)中只有1個文件在擴散時，文件的副本數(shù)量變化趨勢與以2為底的冪指數(shù)曲線基本重合，實現(xiàn)了較為理想的快速擴散。在第11個時間單元，單個文件就完成了在網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容擴散，即所有邊緣設(shè)備的鄰域都滿足了該文件的覆蓋率要求。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有100個文件在擴散時，在第11個時間單元前，副本的總量都大于以2為底的冪指數(shù)，這是因為網(wǎng)絡(luò)中每個時刻都會有一個新的文件加入網(wǎng)絡(luò)中進行快速的擴散，即網(wǎng)絡(luò)中同時存在多個文件在擴散。在第12個時間單元后，網(wǎng)絡(luò)中的副本數(shù)量從指數(shù)增長趨勢變?yōu)榻凭€性的增長趨勢。這是因為第12個時間單元后每個時間單元都會有文件已經(jīng)完成擴散，即該文件的副本數(shù)量不會再增加。BA網(wǎng)絡(luò)和隨機網(wǎng)絡(luò)的增長速率不同是因為同一文件在兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲型瓿蓴U散的副本數(shù)量不同。

4.2.2擴散后的副本分析

在擴散完成后，不同內(nèi)容的副本數(shù)量反映了副本的冗余情況。圖5展示了擴散完成后不同文件在整個邊緣網(wǎng)絡(luò)中的副本數(shù)量?？梢钥闯?，最熱門的5個內(nèi)容在BA網(wǎng)絡(luò)中的副本數(shù)量要明顯小于它們在隨機網(wǎng)絡(luò)中的副本數(shù)量，這是因為BA網(wǎng)絡(luò)中的邊緣節(jié)點的鄰居數(shù)量服從冪律分布，存在部分鄰居數(shù)量很大的邊緣設(shè)備。將內(nèi)容的副本部署在這些邊緣設(shè)備上將會增加更多邊緣設(shè)備對該內(nèi)容的覆蓋率，相應(yīng)的滿足覆蓋率需求的副本數(shù)量也會減少。但是其余大部分文件在BA網(wǎng)絡(luò)中的副本數(shù)量卻大于隨機網(wǎng)絡(luò)。這是因為目前的系統(tǒng)為了盡可能利用邊緣設(shè)備資源采用了基于空閑存儲資源的緩存節(jié)點選擇策略，邊緣設(shè)備會優(yōu)先選擇擁有更多空閑存儲空間的鄰居來存儲內(nèi)容的副本。因此，在擴散了部分內(nèi)容后，BA網(wǎng)絡(luò)中的后續(xù)擴散可能會經(jīng)常選擇鄰居數(shù)量較少但存儲資源較多的節(jié)點來緩存副本。相應(yīng)內(nèi)容的副本數(shù)量則會增加很多。在本文的隨機網(wǎng)絡(luò)中，邊緣設(shè)備的鄰居數(shù)量被限制在一定范圍內(nèi)，邊緣設(shè)備的鄰居數(shù)量差異不大，所以不會存在與BA網(wǎng)絡(luò)中類似的大幅波動。在隨機網(wǎng)絡(luò)中，不同內(nèi)容的副本數(shù)量與內(nèi)容的覆蓋率要求的有相同的趨勢。

圖5 擴散完成后不同文件的副本總量

表2統(tǒng)計了分發(fā)完成后所有文件的副本總量和邊緣設(shè)備存儲副本數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)差。副本總量反映了分發(fā)的帶寬和存儲資源的消耗，副本數(shù)量越大，邊緣設(shè)備的帶寬和存儲資源的消耗越多。每個設(shè)備存儲副本數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)差反映了邊緣設(shè)備之間的存儲負(fù)載差異，數(shù)值越小表示設(shè)備間的存儲負(fù)載越均衡。根據(jù)表2中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可知，相對于BA網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容擴散系統(tǒng)在隨機網(wǎng)絡(luò)中有更好的表現(xiàn)，使用更少的資源就可以滿足所有設(shè)備對擴散內(nèi)容的覆蓋率要求。由于緩存節(jié)點的選擇策略，BA網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容擴散產(chǎn)生了較多的副本冗余。真實情況中，擁有較多鄰居的邊緣設(shè)備往往擁有更強的能力(存儲，帶寬資源)。因此，邊緣設(shè)備異構(gòu)的BA網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容擴散系統(tǒng)也會有很好的表現(xiàn)。根據(jù)存儲副本數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)差可知，擴散系統(tǒng)在兩種網(wǎng)絡(luò)下都可以很好地均衡邊緣設(shè)備的存儲負(fù)載。

表2 文件的副本數(shù)量分析

4.2.3用戶訪問效率分析

本文設(shè)計的內(nèi)容擴散系統(tǒng)將熱門內(nèi)容的副本擴散至每個邊緣設(shè)備的鄰域內(nèi)，希望用戶可以在一跳鄰居內(nèi)直接獲取熱門內(nèi)容的服務(wù)。在邊緣網(wǎng)絡(luò)中，用戶首先在本地設(shè)備和邊緣網(wǎng)絡(luò)中的鄰居設(shè)備檢索請求的內(nèi)容。在鄰域內(nèi)有請求內(nèi)容的副本且該緩存設(shè)備有空閑上傳帶寬時，用戶可以直接從邊緣網(wǎng)絡(luò)中獲取低時延的內(nèi)容服務(wù)。否則，用戶向CDN服務(wù)器請求內(nèi)容服務(wù)。假設(shè)每個邊緣設(shè)備的上傳帶寬可以同時向一個鄰居設(shè)備提供服務(wù)，邊緣設(shè)備在收到多個鄰居的請求時，將采用先到先服務(wù)(FCFS)的策略選擇請求來提供服務(wù)。本文將邊緣請求成功率定義為用戶在邊緣網(wǎng)絡(luò)中成功獲取服務(wù)的請求數(shù)量與總的用戶請求數(shù)量的比值。邊緣請求成功率的數(shù)值越高表示更多的用戶請求可以直接在鄰域內(nèi)獲取高效的服務(wù)，用戶訪問效率越高。

本節(jié)在擴散完成后模擬用戶高峰期的請求情況，即所有用戶同時發(fā)起內(nèi)容的請求。通過邊緣請求成功率來評估擴散完成后的用戶訪問效率。請求的內(nèi)容范圍為網(wǎng)絡(luò)中的10 000個內(nèi)容，不同內(nèi)容的請求數(shù)量服從Zipf分布。實驗在兩種拓?fù)湎路謩e模擬了10次高峰期的用戶請求。表3統(tǒng)計了10次實驗中的平均邊緣請求成功率。表中的“理論最優(yōu)”為邊緣請求成功率的上限，即所有的用戶請求中關(guān)于擴散完成的100個熱門內(nèi)容的請求數(shù)量所占的比例。

表3 擴散完成后的平均邊緣請求成功率

由表3中數(shù)據(jù)可知，兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓趦?nèi)容擴散完成后的邊緣請求成功率約為52.0%，非常接近理論最優(yōu)53.0%。結(jié)果證明基于覆蓋率需求的內(nèi)容擴散完成后，針對已經(jīng)擴散過的熱門內(nèi)容的請求，用戶在邊緣網(wǎng)絡(luò)中以約98.1%的概率直接在鄰域內(nèi)獲取內(nèi)容服務(wù)。用戶的訪問在邊緣網(wǎng)絡(luò)中得到了高效的服務(wù)。同時，約52%的內(nèi)容流量從骨干網(wǎng)絡(luò)卸載到邊緣網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載壓力也得到了極大的緩解。其中，邊緣請求成功率略低于理論最優(yōu)的數(shù)值。原因可能是極少部分局部區(qū)域?qū)Σ糠謨?nèi)容的請求頻率略高于全局請求頻率，導(dǎo)致依據(jù)全局請求情況設(shè)定的覆蓋率需求不能完全滿足局部的請求需求。

5 結(jié) 語

本文為邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一個去中心化的內(nèi)容擴散系統(tǒng)。首先定義了一種鄰域覆蓋率來反映內(nèi)容副本在鄰域的覆蓋情況。系統(tǒng)可以根據(jù)內(nèi)容的請求數(shù)量設(shè)定合適的覆蓋率需求，進而模擬謠言傳播的方式將內(nèi)容的副本在網(wǎng)絡(luò)中進行擴散。實驗證明，去中心化的系統(tǒng)可以實現(xiàn)快速的內(nèi)容擴散?；谠O(shè)備空閑存儲資源的選擇策略也均衡了邊緣設(shè)備的存儲負(fù)載?；诟采w率的內(nèi)容擴散完成后，用戶在邊緣網(wǎng)絡(luò)可以擁有接近理論最優(yōu)的邊緣請求成功率。對于已完成擴散的內(nèi)容的請求，用戶有約98.1%的概率直接在鄰域內(nèi)獲取高效的內(nèi)容服務(wù)。目前的內(nèi)容擴散系統(tǒng)中還存在管理系統(tǒng)來設(shè)定內(nèi)容的覆蓋率需求。在下一步，會進一步利用邊緣節(jié)點的自治特性，取消管理系統(tǒng)，設(shè)計一個完全去中心化的內(nèi)容擴散系統(tǒng)。邊緣節(jié)點可以根據(jù)獲取的局部信息自適應(yīng)地調(diào)整內(nèi)容的覆蓋率需求，每個內(nèi)容擴散完成后的副本數(shù)量也會盡可能正比于內(nèi)容的流行度。