移動(dòng)通信環(huán)境下的緩存技術(shù)研究

作者/姚自陽(yáng)，南京市第二十九中學(xué)(高中部)

引言

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益完善，人們不斷在信息革命的路上探索和追尋。目前，我們已經(jīng)經(jīng)歷了四代移動(dòng)通信技術(shù)，從模擬化到數(shù)字化；從頻分多址到時(shí)分多址再到碼分多址，信道越來(lái)越穩(wěn)定，消耗越來(lái)越少。但仍然存在許多不足，社會(huì)的發(fā)展更是給移動(dòng)通信提出了更高的要求。

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展，移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的需求量空前巨大，對(duì)現(xiàn)存的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出巨大挑戰(zhàn)。據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟預(yù)測(cè)，到 2020 年，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)容量需求將達(dá)到 4G 商用網(wǎng)絡(luò)的 1000 倍。并且隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)個(gè)性化的要求提升，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)需要適應(yīng)高容量熱點(diǎn)、大規(guī)模多連接和低時(shí)延高可靠性三大主要應(yīng)用場(chǎng)景，這就對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提出了一個(gè)更高的要求。

為滿足上述需求，各個(gè)國(guó)家都在研究新一代的第五代移動(dòng)通信系統(tǒng) (5G)在國(guó)外歐盟和韓國(guó)都開展了相應(yīng)的5G項(xiàng)目，中國(guó)也啟動(dòng)了 IMT–2020 論壇旨在發(fā)展中國(guó)的5G技術(shù)。為了解決未來(lái)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)爆炸式增長(zhǎng)的適應(yīng)能力，科學(xué)家們主要想出了從物理層無(wú)線傳輸，頻譜資源擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架三個(gè)方面解決該問題的方法。在這三個(gè)提升網(wǎng)絡(luò)容量性能的因素中，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的增益更值得關(guān)注。

但由于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)自身的不穩(wěn)定性和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)不能直接使用有線網(wǎng)絡(luò)中已有的高效結(jié)構(gòu)來(lái)提高數(shù)據(jù)容量。所以，如何設(shè)計(jì)更加高效的基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)化思想的網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)將成為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸效率和降低能耗的有效方法。

網(wǎng)絡(luò)緩存核心思想是將頻繁訪問網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容資源（尤其是視頻資源）存放在離用戶較近、業(yè)務(wù)響應(yīng)速度更快的系統(tǒng)中。網(wǎng)絡(luò)中的文件都有著其被用戶請(qǐng)求的受歡迎程度，如何對(duì)文件受歡迎程度進(jìn)行合理的衡量是一個(gè)影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素。經(jīng)過科學(xué)家們的大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最終總結(jié)出來(lái)了齊夫定律來(lái)對(duì)文件的流行度進(jìn)行衡量。將網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)應(yīng)用到移動(dòng)通信可以滿足5G趨勢(shì)下對(duì)多數(shù)用戶體驗(yàn)的快速響應(yīng)。

因此本文是設(shè)計(jì)一種運(yùn)用于移動(dòng)通信中的網(wǎng)絡(luò)緩存方法，從實(shí)際的角度去解釋適用的范圍和具體的方案。

1.方案介紹

1.1 D2D與緩存技術(shù)相結(jié)合

針對(duì)5G高容量熱點(diǎn)場(chǎng)景，許多科學(xué)家提出用D2D（device to device）的方法來(lái)應(yīng)對(duì)這樣的新要求。D2D,即設(shè)備和設(shè)備之間直接傳輸數(shù)據(jù)的一種方式。它的數(shù)據(jù)平面由設(shè)備之間連接構(gòu)成，其控制平面仍然由基站側(cè)保持[1]。本方案中是移動(dòng)設(shè)備在基站允許下對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行的用戶之間的直接傳輸。

具體的操作方法如下：

我們首先假設(shè)一個(gè)移動(dòng)設(shè)備a處在一個(gè)基站的控制下，其最大D2D傳輸范圍為300m，處于基站X的輻射范圍內(nèi)?，F(xiàn)在用戶需要將一個(gè)視屏資料1下載到a設(shè)備上。

這里先說最簡(jiǎn)單的情況：①a設(shè)備向以a為圓心半徑為300m內(nèi)的所有設(shè)備發(fā)送資料1的請(qǐng)求，記為“Req1”，收到“Req1”的所有設(shè)備將反饋給a一個(gè)信息，如果存在資源1則送回為“1”的信號(hào)，不存在就送回為“0”的信號(hào)。②a收到反饋信號(hào)后，如果存在“1”信號(hào)則向基站發(fā)出D2D請(qǐng)求，基站收到請(qǐng)求反饋執(zhí)行信號(hào)“Exe”并開始進(jìn)行計(jì)錄，設(shè)備收到信號(hào)“Exe”后，開始通過下列公式Ps/（N＊B）來(lái)計(jì)算信噪比從而判斷信號(hào)強(qiáng)度，從而自動(dòng)選取合適的獲取目標(biāo)，如設(shè)備b、c、d等，并發(fā)出“Tran”的請(qǐng)求，目標(biāo)收到“Tran”后將資料1傳輸給a。③當(dāng)a收到資料1并下載完畢時(shí)，向基站發(fā)送“End”的信號(hào)，基站收到信號(hào)后完成這次記錄并收取相關(guān)的費(fèi)用。④當(dāng)基站范圍內(nèi)在一定時(shí)間內(nèi)多次接收到同樣的請(qǐng)求，則基站將保留這條資料在收到D2D請(qǐng)求或向核心網(wǎng)的請(qǐng)求時(shí)直接進(jìn)行傳輸。

然而，現(xiàn)實(shí)生活中由于移動(dòng)設(shè)備的高靈活性和公共場(chǎng)所較為復(fù)雜的情況，我們經(jīng)常會(huì)遇到如下問題：①在最大傳輸邊緣的傳輸方式選擇問題，②跨基站傳輸問題，③斷點(diǎn)重傳的問題。

對(duì)此筆者的個(gè)人分析：①對(duì)于直接訪問基站還是D2D我們需要通過對(duì)該小區(qū)的具體情況分析后建立適當(dāng)模型，由于本篇主要討論的是高容量熱點(diǎn)場(chǎng)景，不對(duì)此做過多研究。②在這種情況下可將“End”信號(hào)傳輸?shù)交綴，基站Y向相鄰基站發(fā)送相關(guān)信號(hào)，此時(shí)除X基站外，其余基站均為無(wú)效接收，X完成剩余的步驟。③當(dāng)目標(biāo)意外消失或出現(xiàn)更加適合的目標(biāo)，資源未完全下載，則采取在上次“Tran”請(qǐng)求中重選目標(biāo)，從當(dāng)前進(jìn)度開始加載，剩下的不變。

1.2 信息推送與緩存

在第五代移動(dòng)通信的背景下，人們對(duì)熱門信息的需求量不斷增大，這就要求我們?nèi)ネ晟片F(xiàn)有的信息推送技術(shù)，讓移動(dòng)用戶更加方便、快捷的接觸到最新的量身定做的信息。

信息推送技術(shù)，顧名思義，即將信息主動(dòng)推送給客戶的傳輸方式。在此我們選取熱門新聞作為例子。首先，我們先要對(duì)新聞進(jìn)行選擇，那么什么新聞值得我們?nèi)ネ扑湍?，我個(gè)人認(rèn)為有以下三點(diǎn)：①在一定時(shí)間段內(nèi)點(diǎn)擊量較高的新聞。眾所周知，點(diǎn)擊量意味著人氣，雖說每個(gè)人關(guān)注的焦點(diǎn)不同，但符合大眾焦點(diǎn)的新聞的即時(shí)推送，可以省去網(wǎng)絡(luò)端的種種步驟，為客戶端提供了極大便利。②在考慮新聞的點(diǎn)擊量的同時(shí)要關(guān)注用戶個(gè)人的興趣偏好，在此類信息中進(jìn)一步篩選，做到更精確的推送。③在對(duì)用戶進(jìn)行信息推送時(shí)，要充分考慮用戶已經(jīng)點(diǎn)擊的信息，避免重復(fù)推送造成資源的浪費(fèi)。

標(biāo)題含有某些關(guān)鍵詞的信息更容易受到用戶的的關(guān)注。根據(jù)科學(xué)家長(zhǎng)期的調(diào)查顯示，人們對(duì)一些關(guān)鍵性的語(yǔ)句如“最”、“99%”、“是這樣的”甚至是一些標(biāo)點(diǎn)符號(hào)都對(duì)信息的熱度產(chǎn)生影響。除此之外，人們普遍對(duì)與自媒體有關(guān)的新聞和一些身邊發(fā)生的重大信息較為感興趣，我們可以有針對(duì)性的推送滿足以上條件的信息。

然而，僅僅有合適的信息是不夠的。合適的時(shí)間和合適的更新頻率也是進(jìn)行高效推送的關(guān)鍵。

首先考慮更新頻率，經(jīng)科學(xué)研究表明不同類別的內(nèi)容有不同的更新頻率，它的更新頻率與其時(shí)效性緊密相關(guān)，若果是新聞?lì)惖男畔?，那么它的更新頻率就比較高，如果是一些影視視頻業(yè)務(wù)，其更新頻率就比較低[2]。再有是信息推送的時(shí)間，人們一般會(huì)在早中餐前后或晚餐到晚上11點(diǎn)的時(shí)候頻繁使用網(wǎng)絡(luò)處理信息，因此為提高推送效率，我們最好選在每天0:00到6:00和14:00到18:00的期間將信息推送給用戶，同時(shí)也保證了我們一天至少兩次的更新頻率，更好的節(jié)約了用戶的時(shí)間。這些推送的信息將會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流量，將其提前緩存可以大大提高網(wǎng)絡(luò)性能。

1.3 信息安全與緩存

在5G環(huán)境下，我們的用戶體驗(yàn)是得到了進(jìn)一步完善。但是，在5G大數(shù)據(jù)的背景下我們的信息也更加暴露。這時(shí)，將緩存網(wǎng)絡(luò)引入到移動(dòng)通信會(huì)帶來(lái)信息安全的問題：緩存網(wǎng)絡(luò)需要大量的共享信息以達(dá)到高效的網(wǎng)絡(luò)性能，然而這種共享性在一定程度上暴露了用戶的隱私，二者存在明顯的矛盾。

由于在理想的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)模型下信息的泛在化程度高，因此來(lái)自外部的攻擊者也更容易獲取我們的信息。而現(xiàn)在使用的應(yīng)對(duì)措施，如隨機(jī)時(shí)延這類，存在犧牲用戶訪問速度來(lái)確保安全的問題；另一類如多重隧道解密等，則因?yàn)榧用芎徒饷艿某杀締栴}，并不適合大規(guī)模的投入使用[3]。那么如何解決這個(gè)問題呢？

首先，我們先站在攻擊者的角度看一下這個(gè)問題。他們攻擊的目標(biāo)主要是我們具體的某些信息（如地理位置），如果我們的信息和他人混在一起，那么攻擊者所得到的信息的混亂度也隨之增加，能夠準(zhǔn)確得到我們的信息的概率也隨之減小，反之，攻擊者則很容易獲得我們的信息。我們把這種混亂程度稱為“數(shù)據(jù)熵”。當(dāng)然，攻擊者的攻擊范圍有限，我們將這個(gè)范圍叫做“攻擊信息空間”。有了這樣的概念后，我們針對(duì)兩種不同情況的網(wǎng)絡(luò)信息提出了如下的應(yīng)對(duì)措施；

針對(duì)之前提到過的流行度高的信息，我們將該內(nèi)容緩存到離用戶更近的基站中，讓內(nèi)容與用戶的距離更近，在保證用戶能夠更快的訪問信息的同時(shí)，也快速增加了訪問人數(shù)，使攻擊者在其“攻擊信息空間”范圍內(nèi)的“數(shù)據(jù)熵”較大，其破解信息的工作量增大，更加難以從“攻擊信息空間”內(nèi)找到目標(biāo)信息。從而既保證了網(wǎng)絡(luò)使用的高效性，也保證了用戶個(gè)人隱私的安全性。

考慮到流行度相對(duì)較低的信息，其“數(shù)據(jù)熵”較低，容易被人所攻擊。因此我們將該緩存節(jié)點(diǎn)的一跳相鄰節(jié)點(diǎn)人為加入到“攻擊信息空間”這樣就使得“攻擊信息空間”變大，攻擊者辨認(rèn)有效信息的難度也會(huì)進(jìn)一步上升，提高了原來(lái)“數(shù)據(jù)熵”的值，自然的提高了用戶個(gè)人隱私的安全性。

2.結(jié)論

本文從通信的發(fā)展講起，研究了移動(dòng)通信的發(fā)展歷程，結(jié)合移動(dòng)通信的發(fā)展趨勢(shì)將緩存技術(shù)和移動(dòng)通信相結(jié)合。本文重點(diǎn)研究了在D2D模式下的緩存方案、信息推送與緩存以及信息安全方面的具體方案。通過引入緩存技術(shù)，系統(tǒng)在業(yè)務(wù)響應(yīng)時(shí)間和業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量方面存在顯著，體現(xiàn)了二者結(jié)合的優(yōu)勢(shì)。

* [1]王磊等.D2D中基于社交關(guān)系的按需用戶發(fā)現(xiàn)策略[J].信號(hào)處理.2015.

* [2]方婧等.微信公眾號(hào)信息傳播熱度的影響因素實(shí)證研究.情報(bào)雜志[J].2016.

* [3]葛國(guó)棟等.內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中面向隱私保護(hù)的協(xié)作緩存策略[J].電子與信息學(xué)報(bào).2015