面向多自治域環(huán)境的ICN緩存策略設計

王曉慧,張國強,2,高　茜

(1.南京師范大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 210046；2.加州大學河濱分校 計算機科學與工程系，美國加利福尼亞州 河濱 92507)

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面向多自治域環(huán)境的ICN緩存策略設計

王曉慧1,張國強1,2,高茜1

(1.南京師范大學 計算機科學與技術學院，江蘇 南京 210046；2.加州大學河濱分校 計算機科學與工程系，美國加利福尼亞州 河濱 92507)

摘要：信息中心網絡是下一代網絡研究的一個重要組成部分，而緩存作為信息中心網絡的核心組成部分在減少網絡負載方面得到廣泛應用，但現(xiàn)階段的研究集中于單個自治域內的性能優(yōu)化，多自治域間的管理與協(xié)作方面的研究還不成熟。提出基于域間商業(yè)關系的ICN(information centric networking)緩存策略的設計方案，描述了面向多自治域環(huán)境的基于內容提供商、商業(yè)關系和二者結合的域間緩存策略及相應的域內緩存決策與替換策略，并進行了形式化表示。

關鍵詞：信息中心網絡；域間緩存；域間商業(yè)關系

0引言

近幾年，以視頻為主的大規(guī)模內容獲取成為互聯(lián)網的主要應用模式，但現(xiàn)有的TCP/IP網絡仍以單播為主，導致網絡流量的爆炸性增長，出現(xiàn)了移動性、靈活性差等問題。研究界提出的信息中心網絡(information centric networking，ICN)[1-3]增加了網絡內置緩存的功能，將內容與其所存儲的物理位置解耦，適應了點對面內容獲取的網絡需求。

ICN中用戶不關心內容存儲的物理位置，只關心內容本身，使得網絡的核心從TCP/IP中的IP地址轉為內容本身，從而使得網絡可以感知、識別并緩存內容，網絡內置緩存的出現(xiàn)為快速內容響應提供了支持。

但是，泛在緩存的線速響應要求使得節(jié)點緩存容量受限[4]。現(xiàn)有的ICN緩存研究主要集中于通過顯式或隱式的方式增加緩存節(jié)點的協(xié)同性[5-7]，降低緩存內容的冗余度，從而提高單個域內緩存資源的效用，提升網絡傳輸性能，忽視了網絡的自治域間管理和協(xié)作，而這對于信息中心網絡的全局部署至關重要。對于多自治域間的ICN，研究界也進行了初步探索。Rajahalme等[8]第一次分析了不同角色的網絡部署緩存的動機，DiBenedetto等[9]進一步以命名數(shù)據網絡(named data networking, NDN)為例，分析了在現(xiàn)有邊界網關協(xié)議(border gateway protocol,BGP)商業(yè)關系下不同網絡部署緩存的動機和可能采用的策略，而卡內基梅隆大學的Agyapong博士[10]對上述動機問題進行了更為細致的探索。

本文提出了基于域間商業(yè)關系的ICN緩存策略的設計方案，研究了面向多自治域環(huán)境的域間緩存策略與域內緩存策略與實現(xiàn)緩存策略所需信息與機制，為后續(xù)域間緩存策略的實現(xiàn)提供理論支持。

1域間商業(yè)關系

現(xiàn)有互聯(lián)網是由不同管理機構管理的自治域(autonomous system，AS)間合作實現(xiàn)的，互聯(lián)網中的流量需要自治域系統(tǒng)通過商業(yè)合作關系來共同管理，研究者認為不論將來網絡體系結構怎么發(fā)展，由政治經濟因素形成的自治域或等同的網絡實體將繼續(xù)存在[8]。現(xiàn)有自治域的商業(yè)關系主要有2種[11]：P2C(客戶-提供商關系)和P2P(對等關系)。用P域表示提供商域，C域表示客戶域，PE域表示對等域。

1)P2C關系：P域向C域提供有償?shù)木W絡接入服務。域間鏈路的流量由C域繳費。

2)P2P關系：2個PE域互相提供網絡接入服務。域間鏈路的流量不需要繳費。

類似于現(xiàn)有互聯(lián)網，ICN的商業(yè)化過程勢必需要將全局網絡劃分為多個自主管理且彼此間具有復雜商業(yè)關系的網絡實體，我們將ICN網絡分為域內節(jié)點、邊界節(jié)點和管理引擎。其中，域內節(jié)點用于轉發(fā)與緩存數(shù)據；邊界節(jié)點實現(xiàn)域間連接，記錄商業(yè)關系；管理引擎根據收集的信息，進行緩存決策。內容提供商根據自身需求與網絡達成付費關系。

多自治域間關系如圖1所示。域間的商業(yè)關系：AS0與AS1的域間商業(yè)關系為P2C關系，其中，AS0為AS1的C域，AS1為AS0的P域；AS0與AS2，AS0和AS3的域間商業(yè)關系為P2P關系，二者互為彼此的PE域；AS0與AS4，AS0與AS5的域間商業(yè)關系為P2C關系。

圖1　多自治域間關系示意圖Fig.1　Schematic diagram of multi-domain relationship

2多自治域環(huán)境下ICN域間緩存策略

當不同的網絡自主管理各自的泛在緩存資源時，網絡內緩存將會作為商業(yè)關系談判的籌碼，因此，多自治域環(huán)境下ICN緩存的首要目標是提供網絡自主管理能力和策略設置能力，實現(xiàn)多自治域間的商業(yè)關系與協(xié)作，滿足不同網絡實體間的商業(yè)契約關系。

在單自治域環(huán)境下，緩存決策是指數(shù)據到達域內節(jié)點時，節(jié)點根據內容流行度和緩存狀態(tài)決定是否緩存該數(shù)據[12]。在多自治域環(huán)境下，緩存策略不再以節(jié)點而是以網絡作為決策主體，當數(shù)據到達網絡時，網絡不僅需要根據數(shù)據流行度與網絡的緩存狀態(tài)決定，還需要根據本網絡與其他自治網絡間關系、內容提供商緩存服務類型、數(shù)據流向、本域是否受益等因素決定是否將數(shù)據緩存在本網絡。

2.1基于域間商業(yè)關系的域間緩存策略

不同的自治域間關系和網絡間繳費關系有關，因此，多自治域環(huán)境下ICN緩存策略的設計與域間關系有直接關系。根據網絡間繳費關系的不同，基于商業(yè)利益考慮，網絡對于來自不同域的數(shù)據的處理方式不同。

1)若數(shù)據來源于P域，由于本域要向P域繳費來實現(xiàn)網絡接入，緩存該數(shù)據可以潛在地減少流向P域的請求，因此，可以潛在減少本域支出?；谏虡I(yè)利益考慮，本域應優(yōu)先緩存來源于P域的數(shù)據。

2)若數(shù)據來源為PE域，雖然本域與PE域間不需要繳費實現(xiàn)網絡互連，緩存與否和網絡的商業(yè)利益關系不大，但是PE域間的流量由二者共同承擔，緩存該數(shù)據可以潛在減少PE域與本域間流量，減輕網絡的通訊負擔?；跍p少流量的原則，本域在緩存空間充足的情況下緩存來源于PE域的數(shù)據。

3)若數(shù)據來源為C域，由于C域需要繳費給本域來實現(xiàn)網絡接入，緩存該數(shù)據會潛在地減少流向C域的請求，因此，會潛在地減少本域收入?；谏虡I(yè)利益考慮，本域不緩存來源于C域的數(shù)據。

當本域內緩存空間已滿，需要進行緩存替換時，根據網絡間繳費關系的不同，給予不同來源數(shù)據不同的優(yōu)先級。由于本域與P域間流量由本域繳費，因此，來源于P域的數(shù)據具有最高的優(yōu)先級。本域與C域間流量由C域繳費，因此，來源于C域的數(shù)據具有最低的優(yōu)先級。

2.2基于付費內容提供商的域間緩存策略

不同的內容提供商為了獲取緩存服務付出的費用不同，網絡根據付費多少為不同的內容提供商提供不同的緩存服務類型。

1)當數(shù)據塊d的內容提供商CPj為非付費提供商，且域內有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存數(shù)據；若域內剩余空間不足以容納d，除去所有付費內容，提供商所占用的不超過自己配額的空間，剩下的空間足以容納d，則進行緩存替換；否則，不緩存該數(shù)據。

2)若數(shù)據塊d的內容提供商CPj為付費提供商，且域內有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存d；若域內剩余空間不足以容納d，則需進行緩存替換。

表1　基于付費內容提供商的緩存策略

2.3基于域間商業(yè)關系和付費內容提供商的域間緩存策略

網絡間付費關系與內容提供商的付費是獨立的，對于單個域來說，可以將二者同時考慮，因此，提出結合考慮域間商業(yè)關系和付費內容提供商的域間緩存策略。假設有k個內容提供商，其所需空間及付費信息和上一策略相同。

1)若數(shù)據塊d的內容提供商CPj為付費提供商，且域內有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存數(shù)據；若域內剩余空間不足以容納d，則需進行緩存替換。

2)當數(shù)據d的內容提供商為非付費內容提供商時，根據其來源進行決策。

若數(shù)據d來源于PE域，且域內有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存d；若域內沒有足夠的空閑空間容納d，且除去付費內容提供商占用的不超過其配額部分的緩存之和，剩下的空間不足以容納d，則不緩存d；否則，需進行緩存替換。

當數(shù)據d來源于P域，且域內有足夠的空閑空間可以容納d，則緩存d；若域內沒有足夠的空閑空間容納d，且除去付費內容提供商占用的不超過其配額部分的緩存之和，剩下的空間不足以容納d，則不緩存d；否則，需進行緩存替換。該策略的形式化表示如表2所示。

表2　基于域間商業(yè)關系和付費內容提供商的緩存策略

3多自治域環(huán)境下ICN域內緩存策略

在多自治域環(huán)境下，域內緩存的分配既要滿足域間策略，還要優(yōu)化自身緩存資源的配置，提高緩存資源的效用，實現(xiàn)自身利益的最大化，這需要相應的域內緩存策略來實現(xiàn)。

域內緩存策略的實施是在域間緩存決策之后進行，域間緩存決策結果為緩存、替換、不緩存3種情況，域內緩存策略對于緩存、替換2種情況進行后續(xù)節(jié)點選擇。

3.1選取最大空閑空間的緩存策略

1)若節(jié)點空閑空間充足，可以緩存數(shù)據，則選取空閑空間最大的節(jié)點進行緩存。

2)若節(jié)點空閑空間不足，則選取節(jié)點進行緩存替換。表3給出了域內緩存策略的總結。

3.2選取本提供商占用最多空間的策略

假設域內緩存空間以及節(jié)點緩存空間分配同上一策略中假設。當域間策略決定緩存數(shù)據d，且該數(shù)據的提供商為CPj時，若節(jié)點空閑空間充足，則選取現(xiàn)在緩存CPj數(shù)據最多且緩存空間充足的節(jié)點進行緩存。

4總結與展望

本文提出了多域環(huán)境下的ICN緩存策略的設計方案，介紹了ICN域間和域內緩存決策策略與替換策略并進行了形式化表示，為后續(xù)多自治域環(huán)境下ICN緩存策略的實現(xiàn)提供理論支持。本文提出的緩存策略與實驗配置為初期想法，需在今后實驗過程中通過仿真實驗來驗證與修改本文提出的域間和域內緩存策略。

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DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.04.017

收稿日期：2016-02-14

修訂日期：2016-04-14通訊作者：王曉慧xiaohuiwangfly@163.com

基金項目：國家自然科學基金(61572256,61174152,61303243)；國家“863”計劃(2013AA013503)；江蘇省自然科學基金(BK20141454)；江蘇省未來網絡創(chuàng)新研究院‘未來網絡前瞻性研究項目’(BY2013095-2-11)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(2015JBM042)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China (61572256,61174152, 61303243); The National “863 plan”(2013AA013503);The Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20141454); The Jiangsu Future Network Innovation Institute ‘Prospective Future Network Research Project’(BY2013095-2-11); The Central Fundamental Research Funds for Colleges and Universities (2015JBM042)

中圖分類號：TP393

文獻標志碼：A

文章編號：1673-825X(2016)04-0555-05

作者簡介：

王曉慧(1993-)，女，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向為信息中心網絡、緩存策略研究、域間策略設計。E-mail：xiaohuiwangfly@163.com。

張國強(1980-)，男，江蘇常州人，副教授，博士，研究方向為信息中心網絡、網絡拓撲、P2P流量優(yōu)化。E-mail：guoqiang@ict.ac.cn。

(編輯：王敏琦)

Design of ICN caching strategies for multiple AS domains

WANG Xiaohui1,ZHANG Guoqiang1,2,GAO Qian1

(1.School of computer science and technology, Nanjing Normal University，Nanjing 210046，P.R.China；2.Department of computer science and engineering, University of California at Riverside the USA，Riverside California 92507，USA)

Abstract:Information centric networking is an important part of the next generation network research, and as the core of the information centric networking, cache has been widely used to reduce the network traffic. But the current researches mainly focus on the performance optimization in a single AS domain, the management and coordination among multiple AS domains is not well explored. In this paper, the ICN caching strategies based on business relationships between domains are proposed, and the intra-domain caching strategies based on content provider, business relationship, and combination of both are also introduced. In addition, the corresponding intra-domain caching decision and replacement strategies are put forward, and the formalized representations are carried out.

Keywords：information centric networks; inter domain caching; inter domain business relation