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。     

信息中心网络中的内置缓存技术研究

互联网的应用方式正从以面向主机的点对点通信为主转向以海量内容获取为主.为适应这一转变,研究界提出了多种以信息/内容为中心的新型网络架构.这类网络架构中最重要的特征之一是利用网络内置缓存提高接收者驱动的内容获取的传输效率和网络资源的利用率.与传统的Web缓存、CDN缓存等相比,ICN缓存系统呈现了缓存透明化、泛在化和细粒度化等新特征,对缓存系统的建模、行为理解和优化方法都提出了新的挑战.在介绍了ICN缓存系统的新特征及带来的挑战后,首先从多方面着重阐述和比较了缓存网络的优化方法,之后对缓存网络系统的理论模型研究现状加以阐述,然后分析了仍待解决的关键问题和未来的研究方向.     

融合延时敏感和最近频率的ICN缓存替换方法

互联网巨大的流量增长促使信息由中心网络ICN架构的提出,以更好的满足用户的需求。ICN网络中无处不在的缓存是保障用户体验的关键技术。然而多数研究者关注的是ICN缓存放置问题,缓存替换策略仍然沿用Web网页缓存时代的经典算法,这些算法在ICN网络场景中和随机缓存替换策略的性能几乎没有区别。受到集成学习对于性能增强的启发,本文提出一种融合缓存替换模型的方法。缓存替换算法通过保留合适的内容,在减少延时方面发挥重要作用。因此,需要长时间获取的内容优先保存在缓存中。本文中,我们引入延时敏感和内容最近访问频率的2种替换模型进行筛选值得长时间驻留在缓存空间的内容,并通过线性组合的方式将其融合成一个模型。实验表明,我们的融合策略相比经典的替换策略,具有更高的缓存命中率,并且明显降低了用户使用延时。     

信息中心网络的研究现状和发展趋势

以IP为网络层的网络体系架构的互联网已经逐渐不能满足用户日益增加的需求,在这种情况下,信息中心网络(Information-Centric Networking,ICN)已成为未来网络的研究热点.本文论述了应用ICN体系结构解决当前网络体系问题的重要性,阐述了ICN的基本思想,分析了ICN的特点,并从命名、路由、分发、缓存四方面对ICN进行了分类,重点分析了ICN的关键技术,给出了ICN研究中仍然存在的问题,探讨了信息中心网络研究的发展方向.     

一种基于两级缓存的协同缓存机制

信息中心网络（information-centric networking,简称ICN）将网络通信模式从当前的以地址为中心转变为以信息为中心.泛在化缓存是ICN重要特性之一,它通过赋予网络任意节点缓存的能力来缓和服务器的压力,降低用户访问延迟.然而,由于缺少内容热度的分布感知,现有ICN缓存策略仍存在缓存利用率较低、缓存位置缺乏合理规划等问题.为了解决这些问题,提出一种基于两级缓存的协同缓存机制（a cache coordination scheme based on two-level cache,简称CSTC）.将每个节点的缓存空间分为热度感知和协作分配两部分,为不同热度的内容提供不同的缓存策略.同时,结合提出的热度筛选机制和路由策略,降低了缓存冗余,实现了缓存位置优化.最后,基于真实网络拓扑的仿真实验表明,CSTC在次热门内容缓存数量上提升了2倍,缓存命中率提升了将近50%,且平均往返跳数在多数情况下优于现有On-path缓存方式.     

多缓存容量场景下的D2D内容缓存布设优化方案

在终端直传（D2D）缓存网络中,用户有限且各异的缓存能力是制约缓存效率的一个关键参数,然而现有文献大多考虑不同用户具有相同的缓存能力,针对这一不足有必要进行用户具有不同缓存容量下的D2D内容缓存布设方案优化。首先,鉴于用户终端的移动性和随机分布特性,利用随机几何理论将网络中不同缓存容量的用户节点建模为相互独立的齐次泊松点过程;其次,考虑本地卸载和邻近D2D链路卸载两种内容卸载方式,推导得到网络缓存命中率;最后,将最大化缓存命中率作为优化目标函数,提出了基于坐标梯度的联合缓存布设（JCP）算法,从而得到多用户多缓存容量场景下的内容缓存布设方案。仿真结果表明,与现有的缓存布设方案相比,由JCP得到的缓存布设方案可以有效提高缓存命中率。     

ICN中基于节点权重的缓存大小分配方案研究

网内缓存功能是信息中心网络ICN（Information-Centric Networking）最重要的特性之一,大大减小了信息请求的响应时间和网内流量。合理地分配每个路由器的缓存空间大小,对网络性能有较大影响,也可以节约网络成本。为了使路由器的缓存大小配置合理,首先综合考虑路由器的度数权重、紧密度、网络的中心度、请求影响度等度量指标,定义了一个新的度量指标,称为节点权重;然后,提出一种基于节点权重的缓存大小分配方案,将网络所需的容量按比例分配给路由器。仿真结果表明,与均匀分配相比,路由器的缓存空间利用率至少提升了8%,命中率至少提高了6%;与基于请求影响度的分配方案相比,路由器的缓存空间利用率至少提升3%,命中率至少提高了3%。     

以信息为中心网络的隐私保护研究

为了解决现有IP网络的问题,例如移动性和多路径问题,最近学术界提出了很多以信息为中心网络(ICN)的设计.在这些设计中,安全和隐私作为ICN网络设计的核心要素.现有的ICN设计缺乏必要的隐私保护机制,存在比较严重的安全问题.例如,ICN网络中的互联网服务商(ISP)可以任意缓存内容服务商(CP)所产生的数据,导致严重的信息泄露问题.本文总结和分析了ICN网络的隐私问题,并且对比总结了现有ICN网络的隐私保护方案的特点和有效性,最后探讨了ICN网络隐私保护研究需要进一步考虑的问题.     

信息中心网络缓存路由器性能优化研究

网内缓存是信息中心网络(ICN)的核心部分,而缓存路由器的架构设计则是实现网内缓存的基础。在传统的ICN缓存路由器中,转发功能和缓存功能没有完全解耦,使得路由器在缓存内容的过程中影响转发性能。我们实现了分离式架构下的缓存路由器原型系统,并针对缓存服务流程在内存资源池化、采用SPDK技术加速读写等多个方面进行了优化。通过实验表明,实现的ICN缓存路由器原型处理不均衡数据流的能力得到了提升,并且在SSD上具有更快的IO能力,能够达到线速处理报文的要求。     

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。