面向5G视频分发的命名数据承载网优化技术研究

作     者：范玉佳 

作者单位：江苏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱轶

授予年度：2022年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 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：5G移动通信 命名数据网络 自适应视频流 边缘计算 缓存策略 数据校验 

摘      要：近年来,移动视频业务在移动互联网业务中所占的比重越来越高,视频流量的爆发式增长给5G移动网络造成了巨大的挑战。为了保证移动用户侧更好的服务质量体验,要求移动网络提供更高的数据传输速率和更低的网络延迟。而现有5G承载网基于TCP/IP架构设计,采取以主机为中心的端到端通信模式,不具备泛在缓存能力,安全性和移动性支持也较差,难以有效支撑5G视频分发业务。为了从根本上解决基于传统5G承载网面向视频分发业务暴露的一系列问题,命名数据网络(Named Data Networking,NDN)架构是一个具有极大潜力的解决方案。NDN中的语义命名特性、泛在网内缓存、内在组播支持等诸多特点对支持大规模重复视频流的传输具有天然优势,显然以NDN作为5G承载网架构,可以有效提高视频分发业务的性能。尽管以NDN作为5G视频分发业务的承载架构,具备诸多优势,但针对视频分发业务特点及现有技术特点,命名架构承载网还存在一些需要优化的方面:(1)网内缓存与边缘计算的联合设计。对于用户侧的请求,网内缓存视频内容和EC(Edge Computing)节点利用已有网内缓存视频转码都可以改善视频业务性能,但现有NDN缓存策略设计普遍不考虑边缘计算能力,因此,如何联合网内缓存和计算资源进一步提高视频分发效率成为一个重要研究内容。(2)视频业务的网内安全机制设计。在以内容为中心的NDN架构中,内容污染攻击由于会严重威胁NDN网络性能而尤为受到重视。内容的签名与校验是NDN中保障内容安全的主要手段,然而传统的签名校验算法由于其巨大的加解密计算开销无法保证其充分的实时。另外,由于EC节点不是完全值得信赖的,经过转码计算的数据仍有可能被篡改的风险,但是经过转码计算的数据已无法依靠原有的签名来判断计算结果的完整性和可靠性。因此,面对流量压力日趋凸显的视频业务,如何设计一种支持边缘计算的高效内容签名校验机制,确保视频数据内容的完整性以及来源可靠性,需求迫切。基于上述问题,本文主要工作如下:针对优化方向一,本文从“算存资源联合优化的角度,结合EC节点的计算能力以及用户侧信道质量的分布情况,提出了视频缓存副本价值的概念,进一步设计了一种支持边缘计算的自适应视频缓存机制(ECM-AS)。在ECM-AS机制中,路由器根据用户侧信道质量的分布情况以及边缘计算剩余资源角度,对所缓存的视频数据进行价值评估,当所缓存内容出现置换时,优先置换价值较低的视频数据块;为了降低承载网内的缓存冗余并提高缓存视频内容的利用率,ECM-AS机制进一步设计了只在边缘路由器存入缓存副本以及置换移出内容的逐级回退缓存机制。仿真实验结果表明,相比较传统LRU替换策略和LCE放置策略,ECM-AS缓存机制能够有效利用EC节点的转码计算能力实现最大化网内缓存能力,较大程度降低移动侧用户的视频获取时延。针对优化方向二,本文设计了一种基于预存内容拼接哈希的轻量级校验方法(LVMHCPS),该机制中,通过路由器预存多码率视频片段的拼接Hash值,当数据返回时仅需通过简单的哈希计算进行校验,即可判断数据的真实性与完整性,该方法避免了原有签名校验中复杂的解密计算开销又避免了视频边缘转码计算后带来的签名失效问题。仿真结果表明,相比较传统基于RSA-1024的签名校验方案,LVM-HCPS能够大大降低用户丢包率,有效抑制网内内容污染攻击风险,保证视频传输的安全性。