信息中心网络中缓存技术研究综述

因特网中日益增长的内容获取需求促使学术界提出了多种以信息为中心的未来网络架构。这类架构将以主机为中心的通信模式转变为以内容为中心。信息中心网络（ICN）最重要的特征之一是利用内置缓存减少用户获取内容的时延、节省网络带宽和缓解网络拥塞。与传统的内容分发网络（CDN）、对等网络（P2P）和Web缓存系统相比,ICN缓存系统呈现出一系列的新特征。分析了缓存新特征对ICN研究带来的挑战;从多方面重点阐述了ICN缓存的优化方法,详细分析对比了不同缓存策略;指出了未来研究方向并总结全文。     

一种基于SDN的ICN高效缓存机制

内置缓存是信息中心网络(ICN)架构最核心的思想之一。为了充分、高效地利用全网缓存资源,提出了一种基于SDN的ICN高效缓存机制(SIC)。该方法利用SDN控制面感知全网状态,在SDN控制面中根据ICN缓存节点的网络社团重要度特性以及社团节点重要度特性来生成缓存策略,使不同流行度的内容对象在各社团之间和同一社团内节点上的分布更合理。在多种实验条件下对SIC策略进行了仿真验证,结果表明与Hash+LRU、Betw+LRU相比,该策略能更好地提升缓存命中率、跳数减少率、平均社团经过个数,同时SDN的资源开销保持在较低的水平。     

基于内容热度与节点介数的NDN网络缓存策略

缓存技术是数据命名网络（Named data networking,NDN）的关键技术之一. NDN传统的LCE缓存策略会造成较大的冗余. 改进的RCOne策略采用随机放置的方法,没有利用任何内容、节点信息,对网络缓存性能的提升有限. Betw策略只考虑到节点介数,导致高介数节点缓存更替频繁,当节点缓存容量远小于内容总量时,缓存性能下降. 为了解决这些问题,本文提出一种结合内容热度与节点介数的新型缓存策略HotBetw（Hot content placed on node with high Betweenness）,充分利用内容与节点信息选择最佳的位置放置缓存. 仿真实验表明相对于典型NDN缓存策略,HotBetw缓存策略在提高缓存命中率、降低平均跳数方面具有很好的效果.     

内容中心移动边缘网络用户移动感知缓存机制

为了提高内容中心移动边缘网络的缓存性能,提出了一种基于用户移动性感知和节点中心性度量的内容中心移动边缘网络缓存机制（user mobility-aware and node centrality based caching,简称UMANCC）.UMANCC机制利用边缘节点计算节点中心性、缓存空闲率以及小区内用户逗留时间.移动边缘网络控制器综合各边缘节点的信息,计算各边缘节点的重要性并进行排序,最后根据排序结果选择内容缓存节点.仿真实验结果表明：与传统缓存机制LCE及Prob相比,UMANCC有效减少用户获取内容的平均跳数高达15.9%,提高边缘节点缓存命中率至少13.7%,减少进入核心网流量高达32.1%,有效地提高了内容中心移动边缘网络的内容分发性能.     

基于节点热度与缓存替换率的ICN协作缓存

信息中心网络默认的LCE缓存策略在数据包返回路径上的每个节点缓存内容,会产生大量冗余副本,无法充分利用缓存资源。针对该问题,提出基于节点热度与缓存替换率的缓存策略。在数据包返回路径上选择特殊节点缓存内容,考虑网络流量在不同区域和不同时间段内的差异性,周期性地计算节点热度和缓存替换率,并将其作为内容是否被缓存在节点上的度量指标。实验结果表明,相对于LCE和CLFM策略,该策略能有效降低平均请求跳数和源端命中率,获得较高的缓存收益。     

FPTC:一种信息中心物联网缓存策略

信息中心网络（information-centric networking,ICN）作为一种新型未来互联网体系结构应运而生,并广泛应用于物联网领域,其中,缓存技术作为ICN的显著特征,对信息中心物联网的内容传输性能具有重要影响.由于信息中心物联网具有数据频繁更新、用户对数据新鲜度有严格要求等特性,致使传统信息中心网络缓存技术面临挑战.提出一种基于内容流行度和网络拓扑的分布式缓存策略,同时考虑内容新鲜度,各缓存节点通过优先缓存流行度较高且较靠近用户的内容,以最大化缓存效率.为适应物联网内容的频繁更新,提出一种基于灰色预测的内容缓存收益预测方法,便于快速获取新内容的缓存收益值.同时,该策略具有较低的时间和空间开销.仿真实验结果表明：所提方案相比于传统缓存策略,能有效提高缓存效率和命中率,并降低访问延迟,改善用户体验.     

基于概念漂移学习的ICN自适应缓存策略

针对如何提高信息中心网络的网内缓存性能,提出了一种基于概念漂移学习（concept drift learning,简称CDL）的自适应缓存策略.考虑到节点数据和内容数据的相互感知对缓存性能的影响,将节点和内容的状态数据流作为网络资源,对提取的多维状态属性数据和缓存匹配数据进行分析挖掘,利用学习到的状态属性与缓存匹配之间的函数映射关系,即概念,对未来时期内的节点与内容间的匹配关系进行预测.为提高匹配算法的准确度,在学习过程中,提出了一种基于信息熵的概念漂移识别算法,当根据状态属性的信息熵变识别出漂移后,利用提出的基于概念重现的缓存算法,重新定义函数映射关系.仿真实验结果表明,该策略与CEE,LCD,prob和OPP策略相比,降低了网络运行成本,提高了用户体验质量.     

一种基于内容流行度和社团重要度的ICN缓存与替换策略

现有以信息为中心的网络(Information-Centric Network,ICN)缓存的内容的时空分布不够合理,存在无效缓存及同质化缓存等问题。对此,文中提出一种基于内容流行度和社团重要度的ICN缓存与替换策略,其结合内容流行度与节点的社团重要度来选择缓存节点,把具有不同流行度的内容分散缓存在社团重要度不同的节点上,使缓存内容的空间分布趋于合理,从而增加了缓存内容的多样性。同时,基于社团局部流行度来替换缓存内容的策略更有利于优化缓存内容的时间分布,实现缓存内容空间分布的动态调整。实验结果表明,所提策略能有效地减少用户请求的平均响应时间,提高缓存对象的命中率和全网的缓存差异度。     

一种基于节点中心性近似算法的ICN协作缓存策略

为了降低信息中心网络(Information Centric Networking, ICN)缓存冗余度和平均接入代价,提出一种基于节点中心性度量近似算法的协作缓存策略Centrality Metric Approximation Algorithm (CMAA)。考虑到精确计算最短路径的工作量对缓存性能的影响,CMAA策略利用最短路径近似估计值以提高节点中心性的计算效率,将节点中心性近似度量加权融合值、节点热度和缓存利用率三者作为缓存影响因子,计算得出兴趣包转发路径各节点的缓存优先级。在多种实验条件下对CMAA进行仿真实验,结果表明与LCE (Leave Copy Everywhere)和CLFM (Cache “Less for More”)相比,CMAA在平均缓存请求时延变化不大的情况下,可有效地提高缓存命中率,降低平均接入代价,从而改善缓存系统性能。     

一种空间信息网络缓存决策策略

针对空间信息网络（space information network,SIN）中卫星节点缓存容量有限,且卫星高速移动使得星间链路时变,导致地面用户内容访问延迟增大的问题,提出一种基于人工蜂群算法的空间信息网络缓存决策策略（satellite improved artificial bee colony,SIABC）。首先根据低轨卫星节点链路切换的周期性和可预知性,建立网络分区模型,对空间信息网络的卫星节点进行分区,在此基础上,建立区域节点协作缓存模型,使得整个网络区域内的卫星节点有选择性地缓存不同流行度的内容,同时兼顾区域内节点的协作缓存,从而流行度高的内容缓存在网络边缘。仿真结果表明,与现有缓存机制相比,该缓存策略能够明显提高内容的平均缓存命中率,并显著降低用户的内容访问时延。     

天地一体化智能网络节点静态处理与缓存策略

天地一体化智能网络中的卫星节点具有计算、存储和传输能力,将内容副本缓存至传输路径上的卫星节点可提高网络缓存收益。针对卫星节点移动导致的路径改变问题,设计基于虚拟位置的卫星节点静态处理机制,先设定卫星的虚拟位置节点,再将内容副本提前向虚拟位置节点同一轨道的后方卫星节点进行缓存。在此基础上,提出基于ProbCache的轻量级分组缓存策略PBP,对路径节点进行分组并划分组内缓存区域,同时按照内容副本流行度阈值实现缓存位置迁移,使得流行度高的内容副本缓存至离请求节点近的区域。实验结果表明,与ProbCache、LCE和LCD等策略相比,PBP策略能有效降低缓存开销及提高内容副本的缓存命中率,具有更好的卫星网络传输性能。     

一种新的基于代理缓存的流媒体分送策略

提出了一种新的带缓存的补丁调度策略,有效地将代理缓存与服务器调度技术结合起来,采用基于缓存窗口自适应伸缩的缓存分配方案,实现了流媒体对象在代理服务器中缓存的数据段数与其流行度成正比的原则。理论分析及实验结果表明,该策略有效地降低了服务器及骨干网络带宽资源的消耗,对于客户请求到达速率的变化具有非常好的适应性。     

基于联盟链的边缘缓存系统收益最大化的缓存策略

边缘缓存技术能够将热点内容提前放置在距离用户较近的网络边缘,可以显著降低传输时延、提高网络效率。然而,不同的运营商各自部署边缘设备,投入巨大且缓存内容相互隔离,无法共享。针对此问题,改进了一种基于联盟链的边缘缓存系统架构,运营商部署的边缘设备间能够打破内容隔离,实现更大范围的内容共享。此外,设计了基于智能合约的内容交易流程,使得不同运营商之间的合作变得可信、公平和可追踪。最后,考虑到热门内容的流行程度、文件大小以及传输时延等,对热点内容进行定价,并以收益最大化为目标,通过贪婪算法确定缓存内容放置的位置。仿真实验表明,基于该架构下的收益最大化缓存策略能够有效增加边缘缓存的收益。     

内容中心网络中基于用户偏好的协作缓存策略

针对内容中心网络（CCN）中节点默认缓存所有经过的内容,未能实现对内容选择性缓存与最佳放置的问题,提出一种基于用户偏好的协作缓存策略（CCUP）。首先,考虑用户对内容类型的喜好和内容流行度作为用户本地偏好度指标,实现缓存内容的选择;然后,对需要缓存内容执行差异化缓存策略,全局活跃的内容则缓存在重要的中心节点,非活跃内容则按本地偏好度与节点同用户距离层级匹配缓存;最后,实现用户对本地偏好内容的就近获取和全局活跃内容的快速分发。仿真结果表明,相比典型缓存策略（LCE、Prob（0.6）、Betw）,CCUP在平均缓存命中率和平均请求时延方面有明显优势。     

ICN中的一种协作缓存机制

为了克服现有 Internet 架构存在的众所周知的缺点,未来网络的研究成为热点.ICN(information-centric networking)在众多新架构中正逐渐被公认为最有前途的方案.它把传输的内容缓存到沿途的节点.高效的缓存机制是它的一个重要研究方面.为此,提出了一种在分布式缓存机制中嵌入中心式缓存决策的机制(content-aware placement,discovery and replacement,简称APDR),它把内容的放置、发现、替换统一起来考虑,实现内容的有序缓存,提高网络的性能.APDR的主要思想是：Interest报文除了携带对内容的请求以外,还收集沿途各节点对该内容的潜在需求、空闲缓存等信息,使得Interest的汇聚点和目的地节点可以据此计算出一个缓存方案,并把该方案附加在Data报文上,通知返程途中的某些节点缓存该内容并设置指定的缓存时间.在多种实验条件下对APDR进行了仿真验证,结果表明,APDR 可以改善网络性能,包括缓存命中率、接入代价、替换数量、转发效率以及缓存鲁棒性等;而且APDR的额外开销也不大.     

基于SDN的无线网状网络缓存位置决策和操作分配方案

针对信息中心网络缓存管理效率较低的问题,提出一种旨在提高缓存管理效率的方法,且充分利用了无线网状网络(WMN)环境中软件定义网络(SDN)的概念。主要工作体现在SDN内容管理上,缓存位置决策考虑了网络拓扑位置、内容尺寸和缓存节点资源的位置。缓存操作考虑了请求客户端和缓存节点位置,且操作分为通过分支点的off-path缓存和通过缓存节点内容流的on-path缓存。控制器通过缓存内容表来确定工作的分配。实验在两种环境下进行:含有局部聚合客户端的小型网络和局部分布式客户端的大型网络。结果显示,所提方案仅利用每秒5.13kb的控制流量负荷即可将随机缓存位置方案的平均响应延迟减少23.95%。相比于其他网络缓存方案,所提方案最大化了WMN的节点缓存效率,明显提升了内容缓存分配性能,且系统没有较大的额外开销。     

Frame Selection for Dynamic Caching Adjustment in Video Proxy Servers

By caching video data, a video proxy server close to the clients can be used to assist video delivery and alleviate the load of video servers. We assume a video can be partially cached and a certain number of video frames are stored in the proxy server. In our setting, the proxy server is allowed to cache the passing data from the video server. A video provides several options (levels) in terms of bandwidth requirement over the server-proxy path. For each video, the proxy server decides to cache a smaller amount of data at a lower level or to accumulate more data to reach a higher level. The proxy server can dynamically adjust the cached video data by choosing an appropriate level based on the network condition or the popularity of the video. We propose a frame selection scheme, Dynamic Chunk Algorithm, to determine which frames are to be cached in the proxy server for the dynamic caching adjustment scenario. The algorithm guarantees the rate constraint over the server-proxy path to be satisfied for each level. This approach also maintains the set of cached frames at a higher level as a superset of the cached frames at a lower level. Hence, it enforces the proxy server to simply cache more data without dropping frames when it intends to reduce network bandwidth consumption for a video and vice versa.