面向物联网数据特征的信息中心网络缓存方案

将信息中心网络(ICN)应用到物联网(IoT)架构(ICN-IoT),可以有效地解决数据分发问题,提高数据的传输效率.但在ICN-IoT中,现有的缓存研究主要是在内容流行度或新鲜度等单一维度上实现缓存配置,无法适应海量和多态的物联网数据特征,导致缓存效率低.针对上述问题,该文首先分析了物联网数据特征,将数据分为周期性数据和事件触发性数据.然后,综合考虑物联网的这两种数据特征,提出一种具有不同缓存决策的ICN-IoT缓存方案(CS-DCI),路由器根据到达数据的特征类型执行相应的缓存决策.最后详细介绍两种数据类型的缓存策略,对于周期性数据,考虑内容流行度和时间请求概率缓存用户请求最多的数据;对于事件触发性数据,考虑内容流行度和事件触发频率缓存有意义的数据.仿真表明,该方案能够提高内容差异率,增加缓存内容的多样性,从而满足ICN-IoT不同应用的请求,获得较优的缓存命中率以及减少内容获取跳数.     

一种基于内容流行度的内容中心网络缓存概率置换策略

内容中心网络是下一代互联网架构的研究热点,该架构通过分布式内容缓存机制实现以内容为核心的数据传输,改变了传统基于主机的网络通信模式.缓存置换策略是内容中心网络的核心研究问题之一,缓存置换策略的设计优劣直接制约内容中心网络的数据传输性能.该文针对内容的流行度分布特征,提出一种基于流行度的缓存概率置换策略,并针对 L 层级联的内容中心网络(CCN),推导了该策略下的网络分层缓存请求失败概率近似计算公式.该文策略根据请求数据块的流行度而选择数据块在缓存队列中的置换位置,尽可能平衡不同流行度内容在网络中的分布.数值计算结果表明:该策略适用于内容请求集中的网络应用,相比较传统的最近最少使用(LRU)策略,该文策略可以明显改善流行度较低的网络访问性能.     

基于内容分块流行度分级的信息中心网络缓存策略

信息中心网络(ICN:Information-Centric Networking)域内缓存机制的研究大多假定单个内容的流行度相同,而忽视了同一内容的不同分块具有不同流行度的特性.本文提出了一种基于内容分块流行度以及缓存节点位置的分级缓存策略,通过兴趣包和数据包携带标签的方式实现隐式缓存协作.仿真实验证明相比于其他方案,该方案可以充分利用细粒度的内容分块流行度这一特性,提高缓存路由器缓存命中率,减小用户请求内容时延以及网络流量,进而提升用户对实时业务的服务体验.     

命名数据网络中基于内容请求相关性的协作缓存算法

针对命名数据网络(Named Data Networking, NDN)存储空间的有效利用和应答内容的高效缓存问题,该文采用差异化缓存的方式,提出一种依据内容请求序列相关性的协作缓存算法。在内容请求中,预先发送对于后续相关数据单元的并行预测请求,增大内容请求的就近响应概率;缓存决策时,提出联合空间存储位置与缓存驻留时间的2维差异化缓存策略。根据内容活跃度的变化趋势,空间维度上逐跳推进内容存储位置,时间维度上动态调整内容缓存时间,以渐进式的方式将真正流行的请求内容推送至网络边缘存储。该算法减小了内容请求时延和缓存冗余,提高了缓存命中率,仿真结果验证了其有效性。     

基于内容预期价值的内容中心网络缓存替换策略

缓存替换技术是内容中心网络的研究内容之一。相对于海量的内容数据,缓存空间总是有限的,良好的缓存替换策略可以提高缓存收益。考虑到内容在将来被请求的概率越大,预期访问时间距离当前时刻越近,其留存价值就越大,提出了一种基于内容预期价值的替换策略。该方案通过考虑内容流行度和预期访问时间到当前时刻的时间距离,构建内容预期价值函数,并据此将价值最小的内容替换出去。仿真实验证明,该策略相对于传统的缓存替换策略,可以有效提高缓存命中率、降低请求跳数,提高网络性能。     

基于内容流行度和节点中心度匹配的信息中心网络缓存策略

在信息中心网络(Information-Centric Network, ICN)中,利用网络内置缓存提高内容获取及传输效率是该网络构架最重要的特性。然而,网络内置的缓存存在应对大量的需要转发的内容时能力相对弱小,对内容放置缺乏均衡分布的问题。该文提出基于内容流行度和节点中心度匹配的缓存策略(Popularity and Centrality Based Caching Scheme, PCBCS),通过对经过的内容进行选择性缓存来提高内容分发沿路节点的缓存空间使用效率,减少缓存冗余。仿真结果表明,该文提出的算法和全局沿路缓存决策方案,LCD(Leave Copy Down)以及参数为0.7及0.3的Prob(copy with Probability)相比较,在服务器命中率上平均减少30%,在命中缓存内容所需的跳数上平均减少20%,最重要的是,和全局沿路缓存决策方案相比总体缓存替换数量平均减少了40%。     

一种基于SDN的CCN集中控制缓存决策方法

在软件定义网络(SDN)和内容中心网络(CCN)融合架构下,为了充分利用控制层对网络拓扑和缓存资源的全局感知,在全网中实现缓存资源的优化使用,提出了一种集中控制的缓存决策优化方案.在该方案中,应用粒子群优化算法(PSO)并且根据节点边缘度、节点重要度以及内容流行度对缓存资源和内容进行集中缓存决策,使得内容在不同的节点进行合理的缓存.仿真结果表明,通过评估缓存大小对缓存性能的影响,PSO缓存决策方法取得了比LCE、PROB缓存决策策略更优的缓存命中率和路径延展率,明显降低了缓存节点的缓存替换数,使得缓存达到了整体缓存优化.     

一种内容中心网络中的热区控制及内容调度缓存算法

针对内容中心网络中同质化缓存造成的节点负载不均和存储资源无法有效利用的问题,提出一种热区控制及内容调度缓存算法.在内容请求时,根据节点介数与节点访问度综合判断节点热度,筛选出负载过重节点;缓存决策时,以流行度为依据将内容调度至空闲邻居节点,并设置生命期控制机制,从而达到分散请求、消除热区的目的.仿真结果表明该算法减少了请求时延与路由跳数,在提高缓存命中率的同时,有效改善了负载在节点上分布的均衡性.     

基于随机几何理论的流行度匹配边缘缓存策略

异构网络边缘缓存机制是解决传统回程传输链路负载过大的可靠技术之一,但已有的缓存策略往往不能与被请求数据的流行度相匹配。为了解决这一问题,该文提出一种流行度匹配边缘缓存策略(PMCP),该策略能够根据流行度参数匹配对应的文件缓存概率以最大限度提升通信可靠性并降低回程带宽压力。基站的平面位置通过随机几何建模,文件的被请求概率则通过齐夫分布建模。蒙特卡罗仿真结果表明缓存机制能够有效降低回程带宽压力,且所提出缓存策略的可靠性优于对比策略。     

基于内容价值的缓存替换策略

缓存替换机制是内容中心网络的重要研究问题之一,考虑到缓存空间的有限性,合理地对缓存内容进行置换,成为影响网络整体性能的关键因素。因此,设计了一种基于内容价值的缓存替换方案。该方案综合考虑了内容的动态流行度、缓存代价以及最近被请求的时间,构建了更实际的内容价值函数,并依据该内容价值函数,设计了有效的内容存储与置换方案。具体地,当缓存空间不足时,对已有缓存内容按照价值从小到大进行置换。仿真结果表明,相比于传统替换算法 LRU、LFU 和 FIFO,本文提出的方案有效地提升了网络节点的内容缓存命中率,降低了用户获取内容的平均跳数。     

雾无线接入网中基于Q-learning的协作式内容缓存策略

为了提高雾无线接入网（Fog-Radio Access Networks,F-RAN）的边缘缓存效率,提出一种基于用户偏好预测和内容流行度预测的协作式内容缓存策略。首先,利用主题模型中隐含狄利克雷分布（Latent Dirichlet Allocation,LDA）模型动态的预测用户偏好;其次,利用网络中不同设备之间的拓扑关系和已预测的用户偏好以在线的方式预测内容流行度的变化,然后再结合基站之间的相关度,以减少缓存内容文件的重复率;最后,以最大化缓存命中率为目标,利用强化学习中的Q-learning算法获得了最优的内容缓存策略。仿真结果表明,与其他内容缓存策略相比,该内容缓存策略能有效的提高缓存命中率。      

Coordinated caching scheme based on popular content awareness and tracking

To overcome the problems of the on-path caching schemes in the content centric networking,a coordinated caching scheme based on the node with the max betweenness value and edge node was designed.According to the topol-ogy characteristics,the popular content was identified at the node with the max betweenness value and tracked at the edge node.The on-path caching location was given by the popularity and the cache size.Simulation results show that,com-pared with the classical schemes,this scheme promotes the cache hit ratio and decreases the average hop ratio,thus en-hancing the efficiency of the cache system.     

Fast convergence caching replacement algorithm based on dynamic classification for content-centric networks

One of the key research fields of content-centric networking （CCN） is to develop more efficient cache replacement policies to improve the hit ratio of CCN in-network caching. However, most of existing cache strategies designed mainly based on the time or frequency of content access, can not properly deal with the problem of the dynamicity of content popularity in the network. In this paper, we propose a fast convergence caching replacement algorithm based on dynamic classification method for CCN, named as FCDC. It develops a dynamic classification method to reduce the time complexity of cache inquiry, which achieves a higher caching hit rate in comparison to random classification method under dynamic change of content popularity. Meanwhile, in order to relieve the influence brought about by dynamic content popularity, it designs a weighting function to speed up cache hit rate convergence in the CCN router. Experimental results show that the proposed scheme outperforms the replacement policies related to least recently used （LRU） and recent usage frequency （RUF） in cache hit rate and resiliency when content popularity in the network varies.     

基于收益感知的信息中心网络缓存机制

针对信息中心网络（ICN）内置缓存系统中的海量内容块流行度获取和存储资源高效利用问题,以最大化节省内容访问总代价为目标,建立针对内容块流行度的缓存收益优化模型,提出了一种基于收益感知的缓存机制。该机制利用缓存对请求流的过滤效应,在最大化单点缓存收益的同时潜在地实现节点间协作和多样化缓存;使用基于布隆过滤器的滑动窗口策略,在检测请求到达间隔时间的同时兼顾从源服务器获取内容的代价,捕获缓存收益高的内容块。分析表明,该方法能够大幅压缩获取内容流行度的存储空间开销;仿真结果表明,该方法能够较为准确地实现基于流行度的缓存收益感知,且在内容流行度动态变化的情况下,在带宽节省和缓存命中率方面更具优势。     

An efficient in‐network caching decision algorithm for Internet of things

Recently, content‐centric networking (CCN) has become one of the important technologies for enabling the future networks. Along with its recognized potentialities as a content retrieval and dissemination solution, CCN has been also recently considered as a promising architecture for the Internet of things (IoT), because of 2 main features such as named‐based routing and in‐network caching. However, IoT is characterized by challenging features: small storage capacity of resource‐constrained devices due to cost and limitation of energy and especially transient data that impose stringent requirements on the information freshness. As a consequence, the intrinsic caching mechanisms existing in CCN approach do not well suit IoT domains; hence, providing a specific caching policy at intermediate nodes is a very challenging task. This paper proposes an effective multiattribute in‐network caching decision algorithm that performs a caching strategy in CCN‐IoT network by considering a set of crucial attributes including the content store size, hop count, particularly key temporal properties like data freshness, and the node energy level. Simulation results proved that our proposed approach outperforms 2 cache management schemes (probabilistic least recently used and AlwaysCache–first in first out in terms of improving total hit rate, reducing data retrieval delay, and enhancing content reusability in IoT environment).     

基于联盟链的运营商最佳缓存策略

基于区块链的边缘缓存技术可以实现更大范围的内容共享并提高缓存内容的使用效率。针对不同运营商各自建设边缘设备,缓存内容相互隔离,难以共享信息的问题,该文提出一种基于联盟链的边缘缓存系统框架并设计了内容共享和交易流程,实现了不同运营商之间的内容共享。此外,为了降低高维缓存节点的共识开销,设计了基于内容缓存的部分实用拜占庭容错(pPBFT)共识机制,仅选取缓存相关内容的联盟链节点作为验证智能合约的执行节点。最后,将运营商内容共享所带来的收益进行量化并构建为最大化收益的优化问题。通过所提出的内容缓存算法,得到了最优缓存决策的闭式表达式和与内容流行度相关的最优缓存策略。仿真结果表明,在该框架中所提出的共识机制和缓存策略能够有效增加运营商的缓存收益。     

内容流行分布动态性对基站端缓存性能的影响

为了满足移动数据的爆炸性增长,在无线边缘部署缓存已经成为下一代移动通信的研究热点之一。业务模型与实际相符的程度直接决定了无线缓存性能评估的准确性,然而目前几乎所有关于无线缓存的文献所采用的文件请求模型并未考虑内容流行分布的动态变化。最近已有文献考虑时变流行分布,但是均采用了被动缓存策略,而主动缓存策略对无线缓存十分重要。本文分别基于一个能够描述内容流行度动态变化的文件请求模型——散粒噪声模型、和现有文献中广泛采用的独立参考模型,分析了采用被动和基于预测的主动基站缓存策略时内容流行分布动态变化对命中率和无线网络吞吐量的影响。仿真结果表明,采用散粒噪声模型对评估无线缓存系统吞吐量的影响很大,特别是当网络中干扰较小时;另外,已有文献基于被动缓存策略得到的结论并不适于主动缓存策略。      

Transient content caching and updating with modified harmony search for Internet of Things

Internet of Things (IoT) has emerged as one of the new use cases in the 5th Generation wireless networks. However, the transient nature of the data generated in IoT networks brings great challenges for content caching. In this paper, we study a joint content caching and updating strategy in IoT networks, taking both the energy consumption of the sensors and the freshness loss of the contents into account. In particular, we decide whether or not to cache the transient data and, if so, how often the servers should update their contents. We formulate this content caching and updating problem as a mixed 0–1 integer non-convex optimization programming, and devise a Harmony Search based content Caching and Updating (HSCU) algorithm, which is self-learning and derivative-free and hence stipulates no requirement on the relationship between the objective and variables. Finally, extensive simulation results verify the effectiveness of our proposed algorithm in terms of the achieved satisfaction ratio for content delivery, normalized energy consumption, and overall network utility, by comparing it with some baseline algorithms.     

命名数据网络中基于局部请求相似性的协作缓存路由机制

该文针对命名数据网络(Named Data Networking, NDN)应答内容的高效缓存和利用问题,依据内容请求分布的局域相似特征,提出一种协作缓存路由机制。缓存决策时,将垂直请求路径上的冗余消除和水平局域范围内的内容放置进行有效结合。垂直方向上,提出基于最大内容活跃因子的路径缓存策略,确定沿途转发对应的最大热点请求区域;水平方向上,采用一致性Hash协同缓存思想,实现应答内容的局域定向存储。路由查找时,将局域节点缓存引入到路由转发决策中,依据内容活跃等级动态执行局域缓存查找,增大内容请求就近响应概率。该机制减小了内容请求时延和缓存冗余,提高了缓存命中率,以少量额外的代价换取了内容请求开销的大幅下降,仿真结果验证了其有效性。     

A zone co‐operation approach for efficient caching in mobile ad hoc networks

Mobile Ad hoc NETwork (MANET) presents a constrained communication environment due to fundamental limitations of client resources, insufficient wireless bandwidth and users' frequent mobility. Caching of frequently accessed data in such environment is a potential technique that can improve the data access performance and availability. Co‐operative caching, which allows the sharing and co‐ordination of cached data among clients, can further explore the potential of the caching techniques. In this paper, we propose a novel scheme, called zone co‐operative (ZC) for caching in MANETs. In ZC scheme, one‐hop neighbours of a mobile client form a co‐operative cache zone. For a data miss in the local cache, each client first searches the data in its zone before forwarding the request to the next client that lies along routing path towards server. As a part of cache management, cache admission control and value‐based replacement policy are developed to improve the data accessibility and reduce the local cache miss ratio. An analytical study of ZC based on data popularity, node density and transmission range is also performed. Simulation experiments show that the ZC caching mechanism achieves significant improvements in cache hit ratio and average query latency in comparison with other caching strategies. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.