孫 蓉,鄭慧慧,劉景偉
(1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710071;2.華僑大學(xué) 廈門市移動(dòng)多媒體通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 廈門 361021;3.中原銀行股份有限公司,河南 鄭州 450000;4.西安電子科技大學(xué) 陜西省區(qū)塊鏈與安全計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710071)
5G網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)部署大量的超密集邊緣設(shè)備,包括基站、無線接入點(diǎn)(AP)、平板電腦、智能手機(jī)等[1]。越來越多的設(shè)備產(chǎn)生了很大的數(shù)據(jù)流量,給網(wǎng)絡(luò)造成了很大的壓力,而用戶對(duì)未來5G通信網(wǎng)絡(luò)的要求也越來越高。因此,如何在無線網(wǎng)絡(luò)中快速處理和獲取數(shù)據(jù),提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量尤為重要,這成為部署5G網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵問題。一種有效的方法就是在邊緣設(shè)備附近放置和處理數(shù)據(jù),以避免不必要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延[2]。與云計(jì)算相比,霧計(jì)算更接近網(wǎng)絡(luò)的邊緣,將云服務(wù)的能力擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)的邊緣[3-4]。霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通過近距離地為終端用戶提供計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等服務(wù),有效地降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。編碼緩存作為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,在減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)、提高網(wǎng)絡(luò)性能和能量效率等方面得到了廣泛的關(guān)注[5]。將編碼緩存技術(shù)應(yīng)用于霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn),用戶可以更有效地獲取所需的數(shù)據(jù)。因此,研究霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中邊緣節(jié)點(diǎn)的緩存資源分配,以提高數(shù)據(jù)訪問的命中率,減少數(shù)據(jù)訪問的時(shí)延,具有十分重要的意義,一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
筆者研究了基于霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型的編碼緩存技術(shù)的相關(guān)問題。在霧網(wǎng)絡(luò)中,霧節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)都配備了有限容量的緩存。用戶請(qǐng)求的流行內(nèi)容可以由服務(wù)器和霧節(jié)點(diǎn)提供。霧網(wǎng)絡(luò)緩存架構(gòu)可以看成是一個(gè)兩跳網(wǎng)絡(luò),它解決了緩存資源分配和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴},緩存架構(gòu)中的霧節(jié)點(diǎn)被視為中繼節(jié)點(diǎn)。緩存方案的目的是通過聯(lián)合優(yōu)化放置和交付階段來滿足每個(gè)用戶的請(qǐng)求,從而最小化網(wǎng)絡(luò)上的最大流量負(fù)載。
MADDAH-ALI[6-7]等提出了兩種編碼緩存方案,即中心化編碼緩存方案和去中心化編碼緩存方案。相對(duì)于傳統(tǒng)緩存技術(shù),編碼緩存技術(shù)不僅具有本地緩存增益,還具有全局緩存增益。大量的工作進(jìn)一步研究了編碼緩存技術(shù),如緩存技術(shù)的傳輸性能優(yōu)化問題[8-9],非均勻請(qǐng)求下的緩存內(nèi)容分配問題[10-11],多服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)中文件的分布式存儲(chǔ)問題[12-13]。
以上這些工作都是基于離線場(chǎng)景下研究的。在離線緩存中,服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的文件不會(huì)改變,中繼和用戶的緩存內(nèi)容也不需要更新。因此在離線場(chǎng)景中,只需要關(guān)心放置階段和交付階段。然而在實(shí)際場(chǎng)景中,服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的文件是不斷變化的[14-15],所以在在線緩存中服務(wù)器文件以及中繼和用戶的緩存內(nèi)容都需要更新。
在霧網(wǎng)絡(luò)緩存系統(tǒng)中,用戶向云服務(wù)器中的文件發(fā)出請(qǐng)求。該請(qǐng)求信息先經(jīng)過霧層,由具有計(jì)算和緩存功能的霧節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行一定的處理。如果霧層不能滿足用戶的需求,則霧層會(huì)把請(qǐng)求信息提交給云層。云服務(wù)器收到請(qǐng)求信息后,將發(fā)送數(shù)據(jù)給霧層,霧節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)發(fā)送給需要的用戶?;诖嗽旗F協(xié)作的緩存系統(tǒng)架構(gòu),筆者研究了霧網(wǎng)絡(luò)中的編碼緩存技術(shù)。
圖1 在線緩存系統(tǒng)模型
使用離線場(chǎng)景下的去中心化編碼緩存方案來設(shè)計(jì)兩跳網(wǎng)絡(luò)的在線緩存方案。將此在線去中心化編碼緩存方案簡(jiǎn)稱為DOER(Decentralized Outdated file Eviction for Random access)方案,系統(tǒng)模型如圖1所示。DOER方案的系統(tǒng)模型由若干個(gè)周期t組成。服務(wù)器在周期t的文件表示為Wt={Wt,1,Wt,2,…,Wt,N}。在每個(gè)周期內(nèi),新文件Wt,new以概率β到達(dá)服務(wù)器,則概率1-β表示沒有新文件到達(dá)服務(wù)器。因此,服務(wù)器在周期t的文件Wt與Wt-1、概率β、新文件Wt,new有關(guān),即新文件到達(dá)時(shí),服務(wù)器需要更新數(shù)據(jù)庫中的文件。系統(tǒng)用戶數(shù)量為K。在每個(gè)周期內(nèi),用戶以概率ω請(qǐng)求服務(wù)器中的文件。用戶在周期t內(nèi)的請(qǐng)求矢量dt={dt,1,dt,2,…,dt,K}。dt,k表示用戶Uk請(qǐng)求文件的索引,即dt,k∈{0,1,…,N}。當(dāng)dt,k∈{1,2,…,N}時(shí),表示用戶Uk請(qǐng)求文件Wdt,k,稱用戶Uk是活動(dòng)的;當(dāng)dt,k=0時(shí),表示用戶Uk沒有請(qǐng)求文件,稱用戶Uk是不活動(dòng)的。在這里,僅考慮服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的文件總數(shù)不小于系統(tǒng)中總的用戶數(shù)量,即N≥K。
DOER方案主要包含4個(gè)過程:初始化緩存,文件更新,內(nèi)容交付和緩存更新。
定義Hh表示中繼Lh的緩存內(nèi)容。Zk表示用戶Uk的緩存內(nèi)容。RshB表示從服務(wù)器到中繼Lh的傳輸比特量。RhkB表示從中繼Lh到用戶Uk的傳輸比特量。
圖2 文件編碼過程
在t≥1周期內(nèi),新的文件Wt,new以概率β到達(dá)服務(wù)器,則Wt,new=φ的概率為1-β。若有新文件Wt,new到達(dá),則服務(wù)器從原有文件集中隨機(jī)均勻地選擇一個(gè)用新文件Wt,new替換。然后,服務(wù)器將新文件的標(biāo)識(shí)以及被替換文件的索引發(fā)送給中繼和用戶。若沒有新文件到達(dá),則t時(shí)刻的文件集Wt=Wt-1。該過程被稱為服務(wù)器中的文件更新。
總的來說,在交付階段活動(dòng)用戶的請(qǐng)求文件被自己局部緩存時(shí),服務(wù)器可以通過去中心化編碼緩存方案的編碼多播來滿足用戶的請(qǐng)求?;顒?dòng)用戶的請(qǐng)求文件沒有被自己局部緩存時(shí),服務(wù)器通過發(fā)送文件的編碼包來滿足用戶的請(qǐng)求。
在線緩存DOER方案中,新文件到達(dá)服務(wù)器時(shí),服務(wù)器從原文件集隨機(jī)選擇一個(gè)文件用新到達(dá)的文件進(jìn)行替換。替換完成后,服務(wù)器將新文件的標(biāo)識(shí)和替換文件的索引發(fā)送給中繼和用戶;當(dāng)用戶請(qǐng)求的文件被本地緩存時(shí),服務(wù)器根據(jù)去中心化編碼緩存方案的交付階段發(fā)送多播信息給中繼,中繼將接收到的編碼信號(hào)和本地局部緩存內(nèi)容發(fā)送給連接的用戶。當(dāng)用戶請(qǐng)求的文件沒有被本地緩存時(shí),服務(wù)器將發(fā)送請(qǐng)求文件的編碼包給中繼,中繼將接收到的編碼包發(fā)送給用戶。然后,中繼和用戶用接收到的新文件的編碼包替換從服務(wù)器剔除的文件的局部?jī)?nèi)容。這樣,保證了服務(wù)器中的文件與中繼和用戶的緩存的文件總是保持一致。
筆者分析在最壞情況下的在線緩存DOER方案的傳輸性能。首先看服務(wù)器中沒有新文件到達(dá),用戶請(qǐng)求的內(nèi)容在本地都有局部緩存時(shí)的傳輸速率。
(1)
(2)
若服務(wù)器中有新文件到達(dá),且用戶Uk請(qǐng)求該文件,則服務(wù)器將新到達(dá)的文件的編碼包發(fā)送給中繼Lh,h∈Hk。所以,服務(wù)器到中繼Lh的歸一化的傳輸速率Rsh滿足
(3)
則中繼Lh到該用戶Uk的歸一化的傳輸速率Rhk為
(4)
圖3 傳輸速率和用戶緩存的關(guān)系
圖3刻畫了DOER方案中傳輸速率和緩存內(nèi)存之間的關(guān)系。傳輸速率所表示的是鏈路上的負(fù)載量(被文件歸一化后)。因此,所需的傳輸速率越小,需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越小,獲取數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間越??;在相同帶寬的條件下,網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越小??梢悦黠@地觀察到,服務(wù)器到中繼的傳輸速率隨著中繼和用戶緩存內(nèi)存的增加逐漸減小。中繼到用戶的傳輸速率僅僅和用戶的緩存內(nèi)存有關(guān),且隨著用戶緩存內(nèi)容的增加而逐漸減小。
筆者將編碼緩存技術(shù)應(yīng)用于霧網(wǎng)絡(luò)中,以滿足用戶對(duì)5G通
信系統(tǒng)的需求。首先將霧網(wǎng)絡(luò)緩存系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩跳網(wǎng)絡(luò),根據(jù)兩跳網(wǎng)絡(luò)模型,為其設(shè)計(jì)了在線去中心化編碼緩存方案。該方案基于文件分割和MDS編碼,通過設(shè)計(jì)服務(wù)器文件更新策略以及中繼和用戶的緩存更新策略,保證了服務(wù)器文件與中繼和用戶的緩存文件一致,使得中繼和用戶的緩存內(nèi)容保持有效性。仿真結(jié)果表明,該方案可以明顯地減少網(wǎng)絡(luò)中的傳輸負(fù)載,有效地降低傳輸時(shí)延。
在后續(xù)工作中,將會(huì)考慮在緩存內(nèi)容方面加以信息年齡等權(quán)重指標(biāo),綜合提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。