CoLoRCache：智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中一種協(xié)作緩存機(jī)制

張萌　周華春　羅洪斌

摘要：介紹一種有效支持緩存協(xié)作的未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)：智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，然后提出了一種高效的協(xié)作緩存機(jī)制，稱為CoLoRCache。CoLoRCache的主要目標(biāo)是減小緩存冗余和建立緩存共享機(jī)制。我們通過仿真結(jié)果來驗(yàn)證CoLoRCache。仿真數(shù)據(jù)表明，相比較于其他緩存機(jī)制，CoLoRCache能夠產(chǎn)生更高的緩存命中率和有著最小的請(qǐng)求命中距離。

關(guān)鍵詞： 智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)緩存；協(xié)作緩存

Abstract： In this paper， we propose a possible future network architecture that supports cache cooperation. We also propose intra-domain cache cooperation， called CoLoRCache， to increase cache efficiency. Our main goals in CoLoRCache are to reduce the caching redundancy significantly and construct a novel cache-sharing mechanism. We use trace-driven simulations to analyze the quantitative benefits. The simulation results show that， compared with other caching mechanisms， CoLoRCache provides a higher cache hit ratio and achieves the minimum hit distance.

Key words： smart and cooperative networks； in-network caching； cache cooperation

對(duì)服務(wù)內(nèi)容命名成為了未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究者們的共識(shí)。目前，研究者們提出了諸多未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，例如面向數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（DONA）[1]、內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)（CCN）[2]（后來被命名為命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)[3]（NDN））、4WARD [4] （后來被命名為可擴(kuò)展和可適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)方案（SAIL）[5]）、基于發(fā)布-訂閱的互聯(lián)網(wǎng)路由模式（PSIRP） [6]（后來被命名為基于發(fā)布-訂閱的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（PURSUIT）[7]），以及智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)[8]。不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址，這些未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)依靠與位置分離的內(nèi)容名字完成服務(wù)內(nèi)容的獲取。

盡管這些未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)有著不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)和細(xì)節(jié)，他們均提出利用網(wǎng)絡(luò)緩存來提高未來網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

緩存機(jī)制要求有限的緩存資源能夠響應(yīng)更多的服務(wù)請(qǐng)求，同時(shí)產(chǎn)生更小的服務(wù)請(qǐng)求命中距離。而傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)緩存機(jī)制[9]面臨著兩個(gè)需要解決的問題：緩存冗余和緩存內(nèi)容可用性限制。

這兩個(gè)問題降低了緩存機(jī)制的效率。為了實(shí)現(xiàn)高效的緩存機(jī)制，研究者們提出了諸多緩存優(yōu)化機(jī)制。這些緩存優(yōu)化機(jī)制都試圖減小緩存冗余，或者提高緩存可用性，或者兩者兼有。例如，Probcache[10]要求內(nèi)容路由器概率性地緩存轉(zhuǎn)發(fā)的內(nèi)容數(shù)據(jù)包，以減小緩存冗余。在Breadcrumbs[11]中，內(nèi)容路由器建立路由軌跡，以提高緩存內(nèi)容可用性。而最近研究界提出的緩存優(yōu)化機(jī)制[12-13]均采用了緩存信息通告來實(shí)現(xiàn)緩存協(xié)作。

需要注意的是，已提出的緩存協(xié)作機(jī)制都是基于NDN體系架構(gòu)?？紤]一個(gè)由V個(gè)內(nèi)容路由器組成的NDN網(wǎng)絡(luò)，我們假設(shè)一段時(shí)間內(nèi)該NDN網(wǎng)絡(luò)中所有內(nèi)容路由器的平均緩存命中率為R，每一個(gè)內(nèi)容路由器收到的服務(wù)請(qǐng)求數(shù)量為N。如果每一個(gè)內(nèi)容路由器在緩存服務(wù)數(shù)據(jù)包的時(shí)候，向網(wǎng)絡(luò)中其他的內(nèi)容路由器通告緩存信息。那么該NDN網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)內(nèi)容路由器都需要處理（V-1）×（1-R） ×N個(gè)緩存通告消息。由此可見，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大時(shí)，協(xié)作緩存機(jī)制產(chǎn)生的通告開銷也相應(yīng)地增加。所以，NDN網(wǎng)絡(luò)體系無法兼顧協(xié)作緩存機(jī)制的效率和可擴(kuò)展性。

為了解決這個(gè)問題，我們?cè)谖闹惺紫冉榻B一種有效支持緩存協(xié)作的未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)：智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，基于智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，我們提出了一種高效的緩存協(xié)作機(jī)制，稱為CoLoRCache。

1智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)

作為研究基礎(chǔ)，我們?cè)谶@一節(jié)中簡單介紹智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，更多的細(xì)節(jié)請(qǐng)參考文獻(xiàn)[8]， [14-15]。智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)是一種全新的未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，其核心思想是通過動(dòng)態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并智能匹配服務(wù)需求，進(jìn)而選擇合理的網(wǎng)絡(luò)族群及其內(nèi)部組件來提供智慧化的服務(wù)，并通過引入行為匹配、行為聚類、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜行為博弈決策等機(jī)制來實(shí)現(xiàn)資源的動(dòng)態(tài)適配以及協(xié)同調(diào)度。

智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的“三層”、“兩域”總體系架構(gòu)模型，如圖1所示。三層即智慧服務(wù)層、資源適配層和網(wǎng)絡(luò)組件層；兩域即實(shí)體域和行為域。在三層、兩域新體系結(jié)構(gòu)模型中，智慧服務(wù)層主要負(fù)責(zé)服務(wù)的標(biāo)識(shí)與描述，以及服務(wù)的智慧查找與動(dòng)態(tài)匹配等；資源適配層通過感知服務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)地適配網(wǎng)絡(luò)資源并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)族群，以充分滿足服務(wù)需求進(jìn)而提升用戶體驗(yàn)，并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率；網(wǎng)絡(luò)組件層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與傳輸，以及網(wǎng)絡(luò)組件的行為感知與聚類等。使用服務(wù)標(biāo)識(shí)（SID）來標(biāo)記一次智慧服務(wù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)的資源和位置分離；使用族群標(biāo)識(shí)（FID）來標(biāo)記一個(gè)族群功能模塊；使用組件標(biāo)識(shí)（NID）來標(biāo)記一個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制和數(shù)據(jù)分離及身份與位置分離。

在智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)自治域維護(hù)一個(gè)資源管理器（RM），并用來管理網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)資源。如圖2中實(shí)線所示，當(dāng)某個(gè)網(wǎng)絡(luò)組件（例如位于自治域Dc的用戶A）需要獲取某個(gè)服務(wù)內(nèi)容時(shí)（例如SIDA，由網(wǎng)絡(luò)組件Server發(fā)布），用戶A向其本地RM（例如RMA）發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求消息。該服務(wù)請(qǐng)求消息包含該網(wǎng)絡(luò)組件的組件身份標(biāo)識(shí)、所需服務(wù)的服務(wù)標(biāo)識(shí)等信息，如圖2中（1）所示。RMA收到該服務(wù)請(qǐng)求后，如果本地有其他網(wǎng)絡(luò)組件（例如某個(gè)內(nèi)容路由器）能夠提供所需服務(wù)，則直接將該請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給該內(nèi)容路由器。否則，將該請(qǐng)求發(fā)送給其某個(gè)鄰域（如provider）的RM（即RMF）。此時(shí)，自治域DA和DF之間的域間路徑P2為一個(gè)域間路由族群。RMA在請(qǐng)求包頭中添加對(duì)應(yīng)的路徑信息，并將服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給RMF，如圖2中（2）所示。類似地，RMF將服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給RMG，如圖2中（3）所示。此時(shí)，RMG可以在其服務(wù)注冊(cè)表中查到該服務(wù)標(biāo)識(shí)的條目，因此向RME轉(zhuǎn)發(fā)該服務(wù)請(qǐng)求，如圖2中（4）所示。RME收到該服務(wù)請(qǐng)求后，根據(jù)其本地策略決定將該服務(wù)請(qǐng)求并轉(zhuǎn)發(fā)給RMC，如圖2中（5）所示。此時(shí)，RMC知道網(wǎng)絡(luò)組件Server提供所需服務(wù)，于是將服務(wù)請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給Server，如圖2中（6）所示。當(dāng)每個(gè)RM向其鄰域轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)請(qǐng)求的時(shí)候，該RM根據(jù)其本地策略，選擇一條該域與其鄰域的域間路由族群，并附加在服務(wù)請(qǐng)求后面，發(fā)送給其鄰域的RM，從而完成服務(wù)標(biāo)識(shí)到族群標(biāo)識(shí)的映射。

數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)流程示意如圖3[8]所示。網(wǎng)絡(luò)組件Server收到服務(wù)請(qǐng)求后，知道去往服務(wù)請(qǐng)求者A的域間路由族群。此時(shí)，它將收到的域間路由族群、所需服務(wù)的服務(wù)標(biāo)識(shí)、服務(wù)請(qǐng)求者的組件身份標(biāo)識(shí)等放在分組頭部。然后，它將服務(wù)數(shù)據(jù)包發(fā)送至本地RM。RM收到數(shù)據(jù)包后，查找其本地域間路由表，發(fā)現(xiàn)路由族群P4在該域的端點(diǎn)為R1。假定域DC利用IP做域內(nèi)路由，則RM為數(shù)據(jù)包封裝一個(gè)IP報(bào)頭，報(bào)頭的目的地址為R1的IP地址（IP1）。然后RM將數(shù)據(jù)包發(fā)送給R1。R1收到數(shù)據(jù)包后，剝?nèi)P報(bào)頭，知道數(shù)據(jù)包應(yīng)該沿著路由族群P4轉(zhuǎn)發(fā)出去，于是將數(shù)據(jù)包向路由族群P4轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)路由族群P4的另一個(gè)端點(diǎn)R2時(shí)，R2剝?nèi)?shù)據(jù)包頭部的路由族群P4，并將數(shù)據(jù)包發(fā)送至RME。RME收到數(shù)據(jù)包后，知道數(shù)據(jù)包應(yīng)該沿著路由族群P3轉(zhuǎn)發(fā)。于是，RME查找其域間路由表，了解到路由族群P3在該域的端點(diǎn)為R5，并采用該域的路由機(jī)制（圖3中假設(shè)該域采用多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS）將分組轉(zhuǎn)發(fā)給R5。同理，R5將該分組向路徑P3轉(zhuǎn)發(fā)。如此繼續(xù)，服務(wù)數(shù)據(jù)包將被發(fā)送給服務(wù)請(qǐng)求者A。

由此可見，智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)能夠解決現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)中存在的服務(wù)的“資源和位置綁定”、網(wǎng)絡(luò)的“控制和數(shù)據(jù)綁定”及“ 身份與位置綁定”等問題。這種全新的網(wǎng)絡(luò)體系與機(jī)制的設(shè)計(jì)，能夠在有效解決網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性、移動(dòng)性、安全性等問題的基礎(chǔ)上，大幅度提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，降低網(wǎng)絡(luò)能耗，顯著提升用戶體驗(yàn)。同時(shí)，智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)能夠有效支持協(xié)作緩存機(jī)制，提高緩存效率。

2 CoLoRCache

2.1 CoLoRCache緩存協(xié)作機(jī)制設(shè)計(jì)

在智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中，由RM負(fù)責(zé)管理本域的緩存資源。每個(gè)RM均建立緩存摘要表，表中每一條條目記錄了域內(nèi)的某個(gè)內(nèi)容路由器的信息，包括：該內(nèi)容路由器的組件標(biāo)識(shí)、緩存命中次數(shù)、偏心度（Ec）、被該內(nèi)容路由器緩存的數(shù)據(jù)包的服務(wù)標(biāo)識(shí)。其中，內(nèi)容路由器（例如Rn）的偏心度由公式（1）計(jì)算得到：

[EcRn= max?Ri＼Rnc（Rn，Ri）] （1）

其中，Ri是域內(nèi)的某個(gè)內(nèi)容路由器，而c（Rn， Ri）是Rn到Ri之間最短路徑的代價(jià)。

以圖4中的RMA為例，說明服務(wù)內(nèi)容的檢索過程。在RMA的緩存摘要表中一條條目包含了域內(nèi)的一個(gè)內(nèi)容路由器的組件標(biāo)識(shí)（標(biāo)記為Rn）、命中次數(shù)、偏心度和已緩存數(shù)據(jù)包的服務(wù)標(biāo)識(shí)。圖4為一個(gè)資源管理器RMA在收到來自客戶端的服務(wù)請(qǐng)求包完整的處理流程，主要可以分為4個(gè)步驟。

步驟1：服務(wù)請(qǐng)求者Client發(fā)送針對(duì)一個(gè)服務(wù)內(nèi)容的服務(wù)請(qǐng)求，如圖4中（1）所示；

步驟2：RMA收到該服務(wù)請(qǐng)求時(shí)，首先查詢緩存摘要表，如圖4中（2）所示。如果緩存摘要表中有該服務(wù)標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的條目，則進(jìn)入步驟3；如果沒有，則進(jìn)入步驟4；

步驟3：根據(jù)緩存摘要表中對(duì)應(yīng)條目記錄的組件標(biāo)識(shí)，RMA將服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送至該組件標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容路由器處，同時(shí)將對(duì)應(yīng)條目的緩存命中次數(shù)加1，如圖4中（3）所示；

步驟4：RMA查詢注冊(cè)表，并根據(jù)注冊(cè)表將服務(wù)請(qǐng)求發(fā)送至下一跳RM，如圖4中（4）所示。

當(dāng)收到服務(wù)數(shù)據(jù)包時(shí)，RM將決定是否在域內(nèi)緩存該數(shù)據(jù)包的副本。如果需要緩存，CoLoRCache在域內(nèi)對(duì)相同的服務(wù)數(shù)據(jù)包只保留一份副本。RM則使用內(nèi)容放置算法在域內(nèi)選擇內(nèi)容路由器作為該副本的緩存位置，并向該內(nèi)容路由器發(fā)送數(shù)據(jù)包的副本。資源管理器在緩存摘要表中記錄該緩存信息。內(nèi)容路由器將發(fā)送至本地的數(shù)據(jù)包副本緩存在本地。

2.2 CoLoRCache內(nèi)容放置算法

我們用Go= （Vo， Eo）代表某個(gè)自治域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中包含了|Vo|個(gè)內(nèi)容路由器，|Eo|條鏈路。V是網(wǎng)絡(luò)中命中次數(shù)最低的內(nèi)容路由器的集合，當(dāng)資源管理器收到數(shù)據(jù)包時(shí)，調(diào)用下述的內(nèi)容放置算法在域內(nèi)選擇某個(gè)特定的內(nèi)容路由器來緩存該數(shù)據(jù)包的副本，如算法1所示。

算法1包含4個(gè)步驟。

步驟1：根據(jù)緩存摘要表，選出集合Vo中當(dāng)前命中數(shù)量最小的內(nèi)容路由器放入集合V中；

步驟2：根據(jù)|V|值，進(jìn)行判定，如果|V|>1，進(jìn)入步驟3；如果|V|=1，進(jìn)入步驟4；

步驟3：選擇集合V中的元素，結(jié)束算法；

步驟4：選擇集合V中的偏心度最小的元素，結(jié)束算法。

CoLoRCache內(nèi)容放置算法的增益效果是將數(shù)據(jù)包優(yōu)先緩存在緩存命中次數(shù)最低的內(nèi)容路由器，以提高緩存效率。當(dāng)多個(gè)內(nèi)容路由器緩存命中次數(shù)相同時(shí)，該算法能夠?qū)?shù)據(jù)包優(yōu)先緩存在更加位于拓?fù)渲行牡膬?nèi)容路由器處，以降低獲取該數(shù)據(jù)包的成本。

3仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證緩存性能，我們?cè)贠MNeT++上對(duì)CoLoRCache進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，基于一個(gè)實(shí)際的拓?fù)浜鸵粋€(gè)生成的拓?fù)?。?shí)際的拓?fù)錇锳S-3967，其拓?fù)湫畔碜訰ocketfuel [16]。同時(shí)，我們利用Tier [17]生成一個(gè)分層的拓?fù)洌?個(gè)骨干網(wǎng)和3個(gè)接入網(wǎng)組成。我們?cè)诒?中列出了詳細(xì)的拓?fù)鋮?shù)。

我們?cè)贠MNeT++中部署了目前已提出的其他緩存優(yōu)化機(jī)制：

·All-Cache。All-Cache是傳統(tǒng)的緩存機(jī)制，它要求每一個(gè)內(nèi)容路由器在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的同時(shí)，都在本地緩存保留一份數(shù)據(jù)包的副本。

·Prob-Cache。Prob-Cache是概率性緩存機(jī)制，主要分為Prob（p）[18]和Probcache。在Prob（p）中，內(nèi)容路由器以某個(gè)固定的概率緩存轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包。在仿真中Prob（p）要求內(nèi)容路由器緩存一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包的概率為0.75，只轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包的概率為0.25。而在Probcache，內(nèi)容路由器根據(jù)其在下載路徑上的位置計(jì)算緩存概率。同樣的，在Prob-Cache中，每一個(gè)內(nèi)容路由器都只知道本地的緩存狀態(tài)。

·Ran-Cache。Ran-Cache的原型是CATT。兩者不同的地方在于，我們將Ran-Cache部署在了智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中，目的在于驗(yàn)證內(nèi)容放置算法。除了不同的內(nèi)容檢索和轉(zhuǎn)發(fā)方法，與CATT相比，Ran-Cache中每一個(gè)域的資源管理器能感知本域的緩存狀態(tài)。

·Cop-Cache。Cop-Cache的原型是CPHR[19]。兩者不同的地方在于Cop-Cache被部署在了智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，因此每一個(gè)域的資源管理器能夠感知本域的緩存狀態(tài)。

在仿真中我們驗(yàn)證了多個(gè)緩存性能參數(shù)，包括緩存命中率和平均命中距離。同時(shí)，在仿真中服務(wù)內(nèi)容的訪問頻率模型符合Zipf分布，并將Zipf參數(shù)設(shè)定為0.73。

3.1緩存命中率優(yōu)化

一次緩存命中意味著服務(wù)請(qǐng)求包被緩存所直接響應(yīng)，而不需要被路由到內(nèi)容源。緩存命中率是緩存命中的服務(wù)請(qǐng)求數(shù)占所有服務(wù)請(qǐng)求數(shù)量的比重。緩存命中率能夠直觀地體現(xiàn)緩存效率。命中率越高，則意味著緩存機(jī)制越高效。

圖5（a）展示了在AS-3967拓?fù)湎?，不同的緩存機(jī)制對(duì)于緩存命中率的優(yōu)化。如圖所示，我們將緩存空間大小表示為網(wǎng)絡(luò)中緩存容量與仿真中所有服務(wù)內(nèi)容大小的比值。在仿真中，我們逐步提高緩存容量并統(tǒng)計(jì)緩存命中率。隨著緩存空間大小增加，緩存命中率也相應(yīng)增加。其中，CoLoRCache的緩存命中率最高。舉例來說，當(dāng)緩存空間大小為5%時(shí)，All-Cache、Prob（p）、Probcache、Ran-Cache、Cop-Cache和CoLoRCache的緩存命中率分別為20.56%、32.25%、51.83%、60.56%、66.75%和70.06%。由此可見，跟其他的緩存優(yōu)化機(jī)制相比，CoLoRCache對(duì)緩存命中率的優(yōu)化效果更加顯著。

圖5（b）展示了利用Tier生成的拓?fù)湎?，不同緩存機(jī)制的緩存命中率。在相同的仿真環(huán)境下，CoLoRCache的緩存命中率更高。

3.2命中距離優(yōu)化

命中距離是測(cè)量服務(wù)時(shí)延的一個(gè)參數(shù)，它被定義為請(qǐng)求找到所需內(nèi)容的平均距離。圖6展示了在不同仿真拓?fù)湎碌恼?qǐng)求命中距離減少程度。根據(jù)圖6，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)緩存空間大小增加時(shí)，命中距離會(huì)相應(yīng)地減小，這意味著更短的服務(wù)獲取時(shí)延。同時(shí)，與現(xiàn)有的優(yōu)化機(jī)制相比，CoLoRCache能夠更有效地減少請(qǐng)求命中距離。

4結(jié)束語

文章介紹了一種能夠有效支持協(xié)作緩存的未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)——智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，并提出了一種基于智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作緩存機(jī)制——CoLoRCache。CoLoRCache的基本思想是利用緩存共享來減小緩存冗余并提高緩存內(nèi)容可用性。仿真建立在一個(gè)實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銩S-3967和一個(gè)生成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。大量仿真?shí)驗(yàn)結(jié)果證明CoLoRCache在緩存命中率和平均命中距離上擁有更優(yōu)的緩存性能。

參考文獻(xiàn)

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