一種信息中心網(wǎng)絡內(nèi)置緩存空間大小的設計策略*

蔡 君,趙慧民,魏文國,劉外喜

(1. 廣東技術(shù)師范學院電子與信息學院，廣東 廣州 510665; 2. 廣州大學電子信息工程系, 廣東 廣州 510006)

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一種信息中心網(wǎng)絡內(nèi)置緩存空間大小的設計策略*

蔡 君1,趙慧民1,魏文國1,劉外喜2

(1. 廣東技術(shù)師范學院電子與信息學院，廣東 廣州 510665; 2. 廣州大學電子信息工程系, 廣東 廣州 510006)

節(jié)點緩存空間大小的設計是信息中心網(wǎng)絡(ICN)中緩存策略研究的核心問題之一，并且緩存空間大小設計策略的優(yōu)劣直接制約信息中心網(wǎng)絡緩存策略的有效實施?；贗nternet網(wǎng)絡的社團特性，應用節(jié)點社團重要度，提出了一種設計ICN節(jié)點緩存空間大小的策略(簡稱NIC策略)，并與先前基于度中心設計緩存空間大小的DC策略進行了比較。仿真實驗結(jié)果顯示，與DC策略相比，NIC策略能更好地提升網(wǎng)絡緩存空間的利用率和網(wǎng)絡的傳輸性能。

信息中心網(wǎng)絡；緩存；緩存空間；節(jié)點社團重要度

據(jù)思科(Cisco)公司統(tǒng)計，全球網(wǎng)絡流量在過去5年中增長了4倍。2012-2017年期間，全球網(wǎng)絡流量仍將以23%的年均復合增長率高速增長。并且隨著新型應用(如物聯(lián)網(wǎng)模式、云計算模式)的不斷涌現(xiàn)，流量產(chǎn)生和傳輸方式也將發(fā)生根本變，其中，大部分流量都將源自用戶驅(qū)動的內(nèi)容獲取類應用[2]。為了適應互聯(lián)網(wǎng)應用由發(fā)送者驅(qū)動的端對端通信模式向接收者驅(qū)動的海量內(nèi)容獲取模式的轉(zhuǎn)變，同時增強網(wǎng)絡對安全性、業(yè)務質(zhì)量、移動性和可擴展性等方面的支持。近年來，國內(nèi)外針對全新未來互聯(lián)網(wǎng)的設計啟動了各種研究項目，我國對此也啟動了2個973計劃項目，各種新架構(gòu)相繼被提出，其中，ICN (Information-Centric Networking，信息中心網(wǎng)絡)是各種以信息為中心的架構(gòu)的統(tǒng)稱，其具有以信息為中心的通信模式、基于全網(wǎng)緩存的信息分發(fā)模式、內(nèi)在地支持移動性和安全性等特點，因而正逐漸地被公認為是最有前景的架構(gòu)之一，典型的如：DONA[1], CCN/NDN[2], PURSUIT和COMET[3-4]。在這類ICN網(wǎng)絡中，為緩解當前網(wǎng)絡流量的快速增長對網(wǎng)絡帶寬造成的嚴峻壓力，加入了全網(wǎng)內(nèi)置緩存。雖然緩存機制也是目前互聯(lián)網(wǎng)中用于提高網(wǎng)絡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用[5]，但目前的緩存策略主要針對于某一具體應用，并需配置成一個覆蓋網(wǎng)絡。因此，這些緩存策略與中間節(jié)點共享數(shù)據(jù)時，效率較低。然而，ICN中的緩存是網(wǎng)絡架構(gòu)內(nèi)在的一部分(每個節(jié)點都具有該功能)，與應用無關(guān)，具有網(wǎng)絡自適應等特性，因而，傳統(tǒng)的面向Web、CDN和P2P緩存算法也就不能直接應用于ICN中。近年來，研究者們對ICN中的緩存優(yōu)化方法進行了探索，得出了許多的研究成果，張國強等人[6-7]對其進行了全面的綜述。其中研究者們重點關(guān)注的是緩存位置決策策略、緩存替換策略和節(jié)點緩存空間大小的設計三個方面。然而，在這其中，節(jié)點緩存空間大小的設計直接制約信息中心網(wǎng)絡緩存位置決策策略、緩存替換策略的實施效率。目前，在應用網(wǎng)絡拓撲信息構(gòu)建節(jié)點緩存空間大小的策略上，重點考慮了度中心(Degree Cenetrality，DC(n) )、壓力中心(Stress Centrality，SC(n))、介數(shù)中心性(Betweenness Centrality， BC(n))、接近中心性(Closeness Centrality, CC(n))和圖中心性(Graph Centrality, GS(n))等指標。文獻[8]利用這些指標進行了ICN架構(gòu)節(jié)點緩存空間大小的設計，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)最簡單的度中心指標的性能最優(yōu)。究其原因，如果我們從ICN架構(gòu)增添節(jié)點緩存的目的—把內(nèi)容緩存到盡量靠近用戶最容易訪問的地方—出發(fā)，就會發(fā)現(xiàn)度中心指標的性能最優(yōu)的根本原因是：在這些指標中，只有度中心指標描述的是網(wǎng)絡的局部屬性。由于一個節(jié)點所緩存的內(nèi)容一般為滿足局部用戶的內(nèi)容需求，如果一個節(jié)點在某一局部最重要，理應其緩存空間最大，但是網(wǎng)絡中反映節(jié)點的局部重要性不僅與自身的信息(度)有一定關(guān)系，而且與該節(jié)點鄰居或鄰居的鄰居存在一定的關(guān)聯(lián)性。因而，基于度中心指標設計緩存空間大小仍然具有一定的局限性。為此，本文基于Internet網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)具有明顯社團這一特性和節(jié)點緩存的目的為滿足局部用戶對內(nèi)容的需求[9]，應用節(jié)點在所屬社團的重要度的量化指標，提出了一種基于節(jié)點社團重要度設計ICN架構(gòu)中節(jié)點緩存空間大小的方法(簡稱NIC策略)。仿真結(jié)果顯示，與先前的DC策略相比，NIC策略能更好地提升網(wǎng)絡緩存空間的利用率和網(wǎng)絡傳輸性能。

1 NIC策略

(1)

(2)

(3)

2 性能評估

2.1 仿真環(huán)境

2.2 評估指標

ICN引入緩存的主要目的為：① 減輕服務器負載，因為一次緩存命中，意味著服務器減少一次用戶請求；② 降低用戶對內(nèi)容請求的延遲，借助緩存，用戶能快速從鄰近緩存位置獲取所請求內(nèi)容，而不是從服務器端；③ 減少網(wǎng)絡流量和網(wǎng)絡堵塞，當緩存命中后，內(nèi)容請求將經(jīng)過更少的跳數(shù)(Hops)到達用戶。在達到這些目的的同時，由于ICN緩存線速執(zhí)行的條件，對此提出了以下要求：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，我們引入緩存命中率(CacheHitRatio，CHR)對緩存目的①進行評估，其定義為：由緩存而不是由服務器端響應用戶請求的概率。定義跳數(shù)減少率(HopReductionRatio，HRR)對緩存目的②和③進行評估，其定義如公式(4)：

(4)

其中，Hr(t)和hr(t)分別表示在[t-1,t]時間段內(nèi)，用戶從服務器和緩存位置獲取內(nèi)容fr所需要的跳數(shù)。若網(wǎng)絡中沒有緩存，則Hr(t)=hr(t)，此時的HRR恒為1。定義內(nèi)容差異性(ContentDiversityRatio,CDR)對緩存要求①進行評估，其被定義為緩存中所有內(nèi)容的種類數(shù)量與網(wǎng)絡中由服務器所產(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(NumberofReplacement,NR) 對緩存要求②進行評估，其定義為一個Interest在一個節(jié)點上引起的替換次數(shù)，由于在ICN中緩存要求線速執(zhí)行，因此頻繁地緩存內(nèi)容替換并不合適。

2.3 實驗結(jié)果與分析

實驗網(wǎng)絡的拓撲由100個節(jié)點和386條鏈路組成[14]，其中描述網(wǎng)絡的社團特性的模塊度Q=0.794，Q>0.3表明網(wǎng)絡具有明顯的社團特性[15]。在實驗過程中，采用多個性能參數(shù)將NIC策略、全網(wǎng)節(jié)點緩存空間大小設置相同的HA策略和基于度中心指標的DC策略進行比較，其中包含總緩存空間對緩存命中率、跳數(shù)減少率、內(nèi)容差異性和替換數(shù)量的影響。其它參數(shù)的設計如下：用戶數(shù)量設置為50 000，內(nèi)容大小平均為1 MB，節(jié)點緩存也以2 MB為一個單元，Zipf參數(shù)(α)的參數(shù)設置為1.5。以下所有結(jié)果都是經(jīng)過10次試驗后得到的平均。

圖1為系統(tǒng)的緩存命中率對網(wǎng)絡總緩存空間大小的變化情況，其中網(wǎng)絡中總的緩存空間大小從200～6 400MB。從圖可以看出，四種機制的節(jié)點緩存空間大小設計策略的緩存命中率都隨網(wǎng)絡中的總緩存空間大小的增大而增大，但在這個過程中，NIC策略的性能一直優(yōu)于其它兩種策略。導致這一結(jié)果的主要原因是：DC策略僅考慮了節(jié)點的局部屬性，并且這個局部屬性只與它的鄰居相關(guān)，這樣不能很全面的反映整個網(wǎng)絡對該節(jié)點緩存大小需求。NIC策略(NIC-P表示嚴格按節(jié)點社團重要度進行節(jié)點緩存空間分配的策略，NIC-Q表示以節(jié)點社團重要度為依據(jù)，按實際緩存單元大小進行緩存空間分配的策略)以社團為單位，而在一個社團內(nèi)，節(jié)點之間的訪問比較頻繁，網(wǎng)絡對該節(jié)點緩存空間的需求主要來自于社團內(nèi)的節(jié)點。因此本文以節(jié)點社團重要度為基礎，就能更好的詮釋網(wǎng)絡對節(jié)點緩存空間大小的需求。

圖1 緩存空間對緩存命中率的影響Fig.1 Cache size vs cache hit ratio

圖2為系統(tǒng)的跳數(shù)減少率對網(wǎng)絡總緩存空間大小的變化情況，從圖可以看出，三種緩存空間大小設計策略的跳數(shù)減少率都隨網(wǎng)絡中的總緩存空間大小的增大而減少，這不能理解，由于節(jié)點緩存空間增大，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)減少率減少。但在這個過程中，NIC策略的性能一直優(yōu)于其它兩種策略。導致這一結(jié)果的主要原因與上述導致緩存命中率情況類似，也是由于在一個社團內(nèi)，最容易達到該社團內(nèi)其它節(jié)點的緩存空間大，緩存的內(nèi)容多，從而跳數(shù)減少率降低。

圖2 緩存空間對跳數(shù)減少率的影響Fig.2 Cache size vs hops reduction ratio

圖3為系統(tǒng)的內(nèi)容差異性對網(wǎng)絡總緩存空間大小的變化情況，從圖可以看出，三種機制的緩存空間大小的設計策略的內(nèi)容差異比率都隨網(wǎng)絡中的總緩存空間大小的增大而增大，由于節(jié)點緩存空間增大，不僅緩存的內(nèi)容增多，而且緩存內(nèi)容的種類也增多。在這個過程中，NIC策略的性能也一直優(yōu)于其它兩種策略。導致這一結(jié)果的主要原因是：一方面雖然網(wǎng)絡的總緩存空間大小一定，如果每個節(jié)點的緩存空間大小設置相同，在不同節(jié)點之間所緩存的內(nèi)容將出現(xiàn)重復的可能性增加，從而在一定的緩存空間內(nèi)所緩存的內(nèi)容的種類將減少；另一方面在一個社團內(nèi)容，所有節(jié)點的緩存空間按照節(jié)點在該社團的重要度進行設置，使易訪問的節(jié)點的緩存空間增大，緩存種類增多，其它節(jié)點緩存空間依次隨節(jié)點重要度減少而減少，使網(wǎng)絡空間分配實行實行差異化的分配機制，從而網(wǎng)絡的內(nèi)容差異性得到相應地提高。

圖3 緩存空間對內(nèi)容差異性的影響Fig.3 Cache size vs content diversity ratio

由于在整個實驗過程中，緩存位置的選擇機制相同，因而，當系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，三種機制的替換數(shù)量基本相當。

在仿真過程中，改變用戶訪問模式α的值和網(wǎng)絡中內(nèi)容的數(shù)量，所得結(jié)果與上述結(jié)論基本一致。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于Internet拓撲網(wǎng)絡的節(jié)點社團重要度設計ICN架構(gòu)內(nèi)節(jié)點緩存空間的大小的方法，以ICN的CCN架構(gòu)為基礎，在具有社團結(jié)構(gòu)的Internet網(wǎng)絡中，應用介數(shù)緩存決策策略和LRU緩存替換策略進行了仿真實驗。實驗結(jié)果顯示，本文的NIC策略在緩存命中率、跳數(shù)減少率和內(nèi)容差異率等性能指標都優(yōu)于目前相對性能較好的DC策略。

雖然本文的方法提高了網(wǎng)絡節(jié)點緩存空間利用率和緩存性能，但由于所依靠的仍然為網(wǎng)絡的靜態(tài)拓撲信息，因而不能完全的反映網(wǎng)絡流量的真實情況，為更合理的規(guī)劃好節(jié)點的緩存空間大小，節(jié)點緩存空間的設計也應根據(jù)網(wǎng)絡的狀態(tài)進行動態(tài)變化，因此，我們的下一步工作將基于軟件定義網(wǎng)絡(SDN)的設計理念，感知網(wǎng)絡的實時狀態(tài)信息，基于SDN的控制層的緩存空間大小決策策略來指導節(jié)點緩存空間大小的分配。

[1]MOHITC,BYUNG-GONC,ANDREYE,etal.Adata-oriented(andbeyond)networkarchitecture[C]∥Proceedingsofthe2007ConferenceonApplications,Technologies,Architectures,andProtocolsforComputerCommunications， 2007: 181-192.

[2]VANJ,DIANAK,JAMESD.Networkingnamedcontent[C]∥CoNEXT’09Proceedingsofthe5thInternationalConferenceonEmergingNetworkingExperimentsandTechnologies， 2009:1-12.

[3]ConceptualArchitecture:Principles,patternsandsub-componentsdescriptions[EB/OL].http:∥www.fp7-pursuit.eu/PursuitWeb/, 2011.

[4]WEIKC.Curling:Content-ubiquitousresolutionanddeliveryinfrastructurefornext-generationservices[J].IEEECommunicationsMagazine, 2011, 49(3): 112-120.

[5] 魏文國，趙慧民，莊林凱. 一種基于時鐘自適應的改進緩存替換算法[J]. 中山大學學報:自然科學版, 2012,51(6): 54-62.

[6]ZHANGGQ,LIY,LINT.Cachingininformationcentricnetworking:Asurvey[J].ComputerNetworks, 2013, 57(16)： 3128-3141.

[7] 張國強，李楊，林濤. 信息中心網(wǎng)絡的內(nèi)置緩存技術(shù)研究[J].軟件學報, 2014, 25(1): 154-175.

[8]DARIOR,GIUSEPPER.OnsizingCCNcontentstoresbyexploitingtopologicalinformation[C].INFOCOMWKSHPS,2012: 280-285.

[9]ERIKSENKA,SIMONSENI,MASLOVS,etal.ModularityandextremeedgesoftheInternet[J].PhysicalReviewLetters, 2003, 90(14):148701-148704.

[10]CHAUHANS,GIRVANM,OTTE.Spectralpropertiesofnetworkswithcommunitystructure[J].PhysicalReview, 2009, 80(5): 56114.

[11]WANGY,DIZR,FANY.Identifyingandcharacterizingnodesimportanttocommunitystructureusingthespectrumofthegraph[J].PlosONE, 2011, 6(11): 1-10.

[12] 蔡君, 余順爭. 一種有效提高無標度網(wǎng)絡負載容量的管理策略[J]. 物理學報, 2013, 62(5):058901-1-058901-8.

[13]WEIKC,DILIANGH,IOANNISP,etal.Cache“LessforMore”ininformation-centricnetworks(extendedversion)[J].ComputerCommunications, 2013, 36(7): 758-770.

[14]CALVERTKI,DOARMB,ZEGURAEW.Modelinginternettopology[J].CommunicationsMagazine,IEEE, 1997,35(6): 160-163.

[15]NEWMANMEJ,GIRVANM.Findingandevaluatingcommunitystructureinnetworks[J].PhysicalReviewE, 2004,69(2): 26113.

A Strategy of Designing In-Network Cache Size in Information-Centric Networking

CAIJun1,ZHAOHuimin1,WEIWenguo1,LIUWaixi2

(1.School of Electronic and Information , Guang Dong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China; 2. Department of Electronic and Information Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006, China)

The design of cache size is one of the core issues in the research of caching strategies in Information-centric Networking, and the effective implementation of cache strategies is directly controlled by the pros and cons of the cache size allocation scheme. A novel cache size allocation scheme is proposed based on the node importance to community (NIC), and compared with the previous DC scheme that based on the node degree centrality. The simulation results show that NIC strategy can improve the utilization of network cache space and the network transmission performance.

information-centric networking; cache; cache size; Node’s important to community

10.13471/j.cnki.acta.snus.2015.06.013

2015-05-11 基金項目：國家自然科學基金資助項目(61571141)；廣東省自然科學基金資助項目(S2013040014339，2014A030313637，2014A030310349,2015A030313672)；廣東省教育廳省級重大項目資助項目(2014KZDXM060)；廣東省教育廳特色創(chuàng)新項目資助項目(2014KTSCX149)；廣東省公益研究與能力建設專項基金資助項目(2014A010103032)

蔡君(1981年生)，男；研究方向：未來網(wǎng)絡、復雜網(wǎng)絡;E-mail:gzhcaijun@126.com

TP393

A

0529-6579(2015)06-0072-05