信息中心网络中优先服务与协作缓存机制研究

作     者：陈昱彤 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛开平

授予年度：2020年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：信息中心网络 优先服务 协作缓存 细粒度 高鲁棒性 

摘      要：随着视频等多媒体业务在总流量中的占比逐渐提升,用户对于网络的需求也逐步发生变化从端到端资源的共享到内容分发和获取。而当前基于端到端通信模式的TCP/IP架构显然难以应对当前用户需求的转变,加上路由器缓存和计算能力的提升,信息中心网络（Information Centric Networking,ICN）架构被提出。在ICN中,通过在网络层命名数据实现了名址分离,网内基于内容名路由,并且支持在核心网节点部署缓存,内容分发效率得到显著提升。因此,ICN被广泛地关注。ICN尽管已被提出多年,然而许多问题依然没有得到有效解决,例如缓存资源的有效利用。网内缓存资源能否有效利用取决于缓存策略的设计,因此缓存策略的制定也就成了 ICN相关研究工作中的重点和难点问题之一。当前的缓存策略尚未解决以下两个方面的问题:一、现有缓存策略无法提供差异化服务。当前缓存策略主要还是从最大化互联网服务提供商（Internet Service Provider,ISP）利益的角度制定。相关工作的目的在于最大化网络系统整体的性能,对不同的内容提供商（Content Provider,CP）并没有区分对待,均提供相同的无差别的缓存服务。而某些CP希望向ISP付费来获取更好服务的需求没有相应的机制来保证;二、现有协作缓存机制依然不够高效,存在进一步提升的空间。由于从访问内容上来看,用户的内容偏好具有相似性,流行的内容会被重复缓存,这会导致缓存冗余过大,缓存资源未能得到充分利用。当前已提出多种协作方案来解决此问题,然而提出的方案比较粗粒度,只进行了缓存内容共享并没有实现缓存空间的协同利用。此外,提出的方案没有考虑系统的鲁棒性。因此,本文针对上述两个问题进行了较为深入的研究并分别提出为CP提供差异化优先服务的缓存策略和更高效的协同缓存策略。本文的主要工作和贡献如下:（1）针对现有缓存策略无法提供差异化优先服务的问题,本文提出一种基于专属缓存租用的差异化优先服务方案。提出的方案与传统网络中对不同类型的内容提供区分服务的目的和方式不同。方案的核心思想是综合考虑节点覆盖范围和请求时延两个因素来量化节点的重要程度,并根据量化值完成专属缓存的选取。通过引入专属缓存,我们进一步设计了两级流行度阈值缓存策略,使CP全局次流行内容被缓存在专属缓存中而不被其它CP高流行度的内容替换。实验结果表明,用户请求付费CP内容的平均时延得到降低,从而方案为付费CP提供了差异化优先服务。（2）针对当前协同缓存方案仅实现缓存内容共享而未实现缓存空间的协同利用以及没有考虑鲁棒性的问题,本文设计了一种细粒度高鲁棒性的邻居协作缓存策略,充分利用了缓存资源。在该方案中,为了考虑邻居节点协同替换出的内容以及邻居节点中缓存的相同内容副本对本地节点的影响,设计了改进后的本地替换策略（引入协同缓存价值和重复价值）。此外,为了协同利用邻居节点的缓存空间,设计了邻居协同替换策略。这两个策略共同构成了本文提出的邻域协作缓存方案。实验结果表明,相比传统协作方案,用户的平均时延得到有效降低,缓存命中率得到提高。在节点失效的场景下,所提出的方案可以保证系统的鲁棒性。