蟻群分工啟發(fā)的ICN負(fù)載均衡機(jī)制*

任珂欣，王興偉，馬連博，黃 敏

1.東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110169

2.東北大學(xué) 軟件學(xué)院，沈陽 110169

3.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110819

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展，大量終端加入網(wǎng)絡(luò)[1]，用戶請求的數(shù)量與過去相比增長幅度巨大，這使得大量數(shù)據(jù)涌入網(wǎng)絡(luò)，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量激增[2]。信息中心網(wǎng)絡(luò)（information centric networking，ICN）能夠提供網(wǎng)內(nèi)緩存機(jī)制，這一定程度上減少了網(wǎng)絡(luò)流量[3]，但信息中心網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容數(shù)量龐大，而且網(wǎng)絡(luò)中的路由器節(jié)點(diǎn)緩存能力有限[4]，因此大量內(nèi)容仍然需要從網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容服務(wù)器中獲取。缺乏有效的負(fù)載均衡機(jī)制會(huì)導(dǎo)致單一內(nèi)容服務(wù)器負(fù)載過重，網(wǎng)絡(luò)局部陷入擁塞，路由時(shí)延增加等一系列問題。由于以上原因，急需提供一種有效的面向ICN的負(fù)載均衡機(jī)制。

目前已經(jīng)有一些對(duì)ICN擁塞控制機(jī)制的研究，但是這些研究沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的整體負(fù)載。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于滑動(dòng)窗口的ICN擁塞控制機(jī)制，當(dāng)路由器檢測到擁塞時(shí)沿興趣包路徑的反方向發(fā)送NAK（negative acknowledgement），并縮小滑動(dòng)窗口，收到NAK的節(jié)點(diǎn)接口權(quán)重減小。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種緩存策略和一種路由策略控制網(wǎng)絡(luò)流量，一方面通過提高緩存命中率緩解擁塞，另一方面當(dāng)檢測到某條鏈路擁塞時(shí)，興趣包不選擇擁塞鏈路對(duì)應(yīng)的接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，而是重新選擇轉(zhuǎn)發(fā)接口。與文獻(xiàn)[6]中的單路徑路由策略不同，文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于多路徑的擁塞避免機(jī)制，在為請求節(jié)點(diǎn)設(shè)置工作路徑的同時(shí)，為其分配一條備用路徑，當(dāng)工作路徑發(fā)生擁塞時(shí)，請求節(jié)點(diǎn)選擇備用路徑轉(zhuǎn)發(fā)。文獻(xiàn)[8]采用慢開始和滑動(dòng)窗口結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)擁塞控制機(jī)制。以上機(jī)制可以提供興趣包路由過程中某段鏈路的擁塞控制，但沒有考慮全局的負(fù)載是否均衡。此外，上述設(shè)計(jì)是在路由器檢測到擁塞后觸發(fā)負(fù)載均衡機(jī)制，但擁塞的發(fā)生可能會(huì)造成丟包等問題，這不僅會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能耗增加，同時(shí)會(huì)提高時(shí)延，使得用戶的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量降低。除了因?yàn)殒溌穫鬏斔俾薀o法滿足網(wǎng)絡(luò)的輸入負(fù)載外，路由器的處理速度無法滿足網(wǎng)絡(luò)請求速度也是網(wǎng)絡(luò)瓶頸之一?；谝陨显?，本文設(shè)計(jì)的負(fù)載均衡機(jī)制定期對(duì)路由器和鏈路在一段時(shí)間后的負(fù)載進(jìn)行預(yù)測，并通過預(yù)測負(fù)載來判斷是否需要執(zhí)行負(fù)載均衡機(jī)制。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載與路由過程息息相關(guān)[1]，因此本文設(shè)計(jì)路由機(jī)制用于解決網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡的問題。由于基于仿生的網(wǎng)絡(luò)具有很好的自組織性[9]，與預(yù)計(jì)算策略相比[10]，基于仿生的負(fù)載均衡更加靈活[11]。在眾多仿生算法中選擇基于蟻群算法設(shè)計(jì)路由策略，是因?yàn)镮CN路由的思想與蟻群行為具有相似性[12]。首先，ICN關(guān)注內(nèi)容本身而非內(nèi)容位置[13]，螞蟻關(guān)注食物本身而非食物位置；其次，在路由過程中，螞蟻相當(dāng)于興趣包，興趣請求節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于螞蟻巢穴，內(nèi)容相當(dāng)于食物，蟻群尋找到食物源的最短路徑即尋找到內(nèi)容提供者的最短路徑。本文設(shè)計(jì)的路由機(jī)制需要綜合考慮路由路徑長度和路由器及鏈路負(fù)載，返回由請求節(jié)點(diǎn)到內(nèi)容源節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑。

自然界中的螞蟻包括蟻后、雄蟻和工蟻。蟻后是具有生殖能力的雌性，負(fù)責(zé)繁育工蟻，但無法直接參與覓食行為；雄蟻的主要職責(zé)是與蟻后交配產(chǎn)生工蟻；在蟻群中，工蟻的數(shù)量最多，它們的主要職責(zé)包括采集食物，建造巢穴，哺育幼蟲等。與天然螞蟻對(duì)應(yīng)，本文將螞蟻分為3類。蟻后是一個(gè)表結(jié)構(gòu)，其中包含局部范圍節(jié)點(diǎn)的預(yù)測負(fù)載信息，根據(jù)蟻后表可以判斷是否需要生成工蟻，并觸發(fā)蟻群分工啟發(fā)的路由器負(fù)載均衡機(jī)制或鏈路負(fù)載均衡機(jī)制；雄蟻是一種請求應(yīng)答報(bào)文，通過雄蟻與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)通信，以獲得生成本地蟻后表需要的內(nèi)容并判斷是否觸發(fā)負(fù)載均衡機(jī)制，即通過雄蟻與蟻后的結(jié)合，判斷是否需要生成工蟻；與自然工蟻采集食物的行為對(duì)應(yīng)，負(fù)載均衡機(jī)制中的工蟻根據(jù)鏈路信息素濃度在負(fù)載均衡機(jī)制中迭代出到達(dá)內(nèi)容服務(wù)器的最優(yōu)路徑。由于ICN具有網(wǎng)內(nèi)緩存的能力，網(wǎng)絡(luò)中的路由器節(jié)點(diǎn)既相當(dāng)于食物源又相當(dāng)于螞蟻的巢穴。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)蟻后、若干雄蟻和若干工蟻，且工蟻的數(shù)量遠(yuǎn)多于雄蟻。這種設(shè)計(jì)與自然界中螞蟻數(shù)量的分布也是一致的。

本文的主要貢獻(xiàn)是提出了蟻群分工啟發(fā)的ICN負(fù)載均衡機(jī)制（ant swarm cooperation inspired ICN load balance scheme，ASCLB）。首先設(shè)計(jì)了負(fù)載的衡量方法和預(yù)測方式，使用預(yù)測負(fù)載判斷網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況，可以避免擁塞發(fā)生；其次設(shè)計(jì)了不同種類的螞蟻，并對(duì)它們在機(jī)制中的作用進(jìn)行了說明，通過不同種類螞蟻間的協(xié)作，可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)負(fù)載均衡，而非以往設(shè)計(jì)中的單一接口擁塞控制；最后闡述了負(fù)載均衡機(jī)制的觸發(fā)條件和執(zhí)行過程，本文不僅考慮信道對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀疫€考慮了路由器的數(shù)據(jù)處理能力。

2 系統(tǒng)框架

本文設(shè)計(jì)的蟻群分工啟發(fā)的ICN負(fù)載均衡機(jī)制系統(tǒng)框架如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)的蟻群分工啟發(fā)的負(fù)載均衡機(jī)制定期預(yù)測節(jié)點(diǎn)的局部負(fù)載。負(fù)載均衡機(jī)制分為以下幾個(gè)過程：

（1）預(yù)測當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在t+Δt時(shí)刻的負(fù)載，并將數(shù)值記錄在蟻后表中。

Fig.1 System framework圖1 系統(tǒng)框架

（2）節(jié)點(diǎn)向其相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送雄蟻請求報(bào)文，以獲取局部預(yù)測負(fù)載情況，并根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)返回的雄蟻應(yīng)答報(bào)文填寫蟻后表。

（3）節(jié)點(diǎn)向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含當(dāng)前節(jié)點(diǎn)負(fù)載預(yù)測值和預(yù)測負(fù)載平均值的雄蟻應(yīng)答報(bào)文。通過蟻后表和雄蟻應(yīng)答報(bào)文判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否需要執(zhí)行蟻群分工啟發(fā)的負(fù)載均衡機(jī)制。

每個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)都包含兩種隊(duì)列：存放未處理數(shù)據(jù)的消息隊(duì)列和接口的緩沖區(qū)隊(duì)列，由消息隊(duì)列的長度可以判斷路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)載情況，由接口緩沖區(qū)隊(duì)列長度可以判斷鏈路負(fù)載情況。為簡便起見，僅考慮消息隊(duì)列中未處理的興趣請求數(shù)目。負(fù)載均衡機(jī)制周期性地對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的路由器和鏈路的負(fù)載情況進(jìn)行預(yù)測，防止網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)嚴(yán)重的擁塞甚至癱瘓。如果路由器的消息隊(duì)列過長，則觸發(fā)路由器負(fù)載均衡機(jī)制，如果轉(zhuǎn)發(fā)接口的緩沖區(qū)隊(duì)列過長，則觸發(fā)鏈路負(fù)載均衡機(jī)制。

路由器負(fù)載均衡機(jī)制是將該路由器消息隊(duì)列中部分亟待解決的包遷移至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)負(fù)載較輕的路由器，在保留原有的路由器到內(nèi)容服務(wù)器虛鏈路的前提下，為該路由器分配一條到內(nèi)容服務(wù)器的最優(yōu)路徑，在這條路徑上選擇負(fù)載最輕的下游節(jié)點(diǎn)作為輔助節(jié)點(diǎn)，并將負(fù)載過重節(jié)點(diǎn)的部分待處理內(nèi)容遷移至輔助路由器。鏈路負(fù)載均衡機(jī)制是通過執(zhí)行蟻群算法，在保留原有的路由器到內(nèi)容服務(wù)器虛鏈路的前提下為該路由器分配一條到內(nèi)容服務(wù)器的最優(yōu)路徑，并將隊(duì)列中的一部分包轉(zhuǎn)移到新的轉(zhuǎn)發(fā)接口的緩沖區(qū)隊(duì)列。

本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)模型包括可以處理并轉(zhuǎn)發(fā)請求的路由器節(jié)點(diǎn)以及包含永久內(nèi)容副本的內(nèi)容服務(wù)器。在邏輯上路由器節(jié)點(diǎn)知道與其直接相連的內(nèi)容服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，但它們之間實(shí)際上是一條由多段物理鏈路連接起來的虛鏈路。路由器節(jié)點(diǎn)除包含CS（content store）表、PIT（pending interest table）表和FIB（forwarding information base）表之外，還包括本文設(shè)計(jì)的蟻后表。蟻后表的作用是記錄節(jié)點(diǎn)局部的負(fù)載情況，包含當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)中重載節(jié)點(diǎn)和輕載節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，通過這些記錄可以計(jì)算出局部的平均負(fù)載。蟻后表的結(jié)構(gòu)如表1所示。

網(wǎng)絡(luò)路由器節(jié)點(diǎn)集由R表示，鏈路集由E表示。局部重載節(jié)點(diǎn)和局部輕載節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)取決于路由器節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。蟻后表中最多包含兩個(gè)局部重載節(jié)點(diǎn)和兩個(gè)局部輕載節(jié)點(diǎn)，最少包含一個(gè)局部重載節(jié)點(diǎn)和一個(gè)局部輕載節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)屬于集合R。t代表當(dāng)前時(shí)刻；Δt代表一段時(shí)間間隔；表示路由器節(jié)點(diǎn)Ri在t+Δt時(shí)刻預(yù)測的負(fù)載值；同理；表示t+Δt時(shí)刻節(jié)點(diǎn)Ri局部負(fù)載的平均值。

3 蟻群分工啟發(fā)的負(fù)載均衡機(jī)制

3.1 負(fù)載預(yù)測

為了防止擁塞發(fā)生，ASCLB定期對(duì)路由器和鏈路的負(fù)載進(jìn)行預(yù)測。由于局部回歸估計(jì)具有較高的漸近效率和較強(qiáng)的適應(yīng)設(shè)計(jì)能力，且能有效地解決邊界效應(yīng)問題[14]，本文引入LR（local regression）算法對(duì)負(fù)載進(jìn)行預(yù)測。以對(duì)路由器節(jié)點(diǎn)的負(fù)載預(yù)測為例，路由器節(jié)點(diǎn)在t+Δt時(shí)刻的負(fù)載情況可以根據(jù)以下公式計(jì)算。為了更精確地估計(jì)負(fù)載值，引入時(shí)間權(quán)重函數(shù)w(u)。其中u的定義如式（2）所示：

其中，Δ(q)t是時(shí)間閾值，Δt越接近Δ(q)t，則估計(jì)值的參考價(jià)值越小，當(dāng)Δt超過Δ(q)t時(shí)，則預(yù)測的結(jié)果不具有參考價(jià)值。

平方損失函數(shù)Q用來估計(jì)預(yù)測負(fù)載值與實(shí)際負(fù)載值之間的誤差，因此平方損失函數(shù)Q值越小，估計(jì)值越準(zhǔn)確。是路由器節(jié)點(diǎn)Ri在t時(shí)刻的負(fù)載值。

顯然，當(dāng)Q達(dá)到最小值時(shí)，有式（4）和式（5）：

由式（4）、式（5）解得α和β如式（6）、式（7）所示：

路由器節(jié)點(diǎn)Ri在t+Δt時(shí)刻的預(yù)測負(fù)載值如式（8）所示：

Table 1 Queen table structure表1 蟻后表結(jié)構(gòu)

t+Δt時(shí)刻鏈路eij上的負(fù)載值計(jì)算方法與t+Δt時(shí)刻路由器節(jié)點(diǎn)的負(fù)載值計(jì)算方法相同，只需將替換成loadtij即可。

3.2 負(fù)載均衡策略觸發(fā)條件

在使用局部回歸算法計(jì)算出路由器節(jié)點(diǎn)Ri在t+Δt時(shí)刻的預(yù)測負(fù)載值后，節(jié)點(diǎn)以洪泛的方式向鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送雄蟻的請求報(bào)文，鄰居節(jié)點(diǎn)在收到請求后，向節(jié)點(diǎn)Ri發(fā)送雄蟻應(yīng)答報(bào)文。雄蟻的應(yīng)答報(bào)文包括兩個(gè)字段：節(jié)點(diǎn)編號(hào)和預(yù)測負(fù)載值。這個(gè)過程中，預(yù)測負(fù)載值字段是路由器節(jié)點(diǎn)Ri的鄰居節(jié)點(diǎn)在t+Δt時(shí)刻的預(yù)測負(fù)載值。節(jié)點(diǎn)Ri收到應(yīng)答報(bào)文后，根據(jù)報(bào)文內(nèi)容選擇局部負(fù)載最重的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)和負(fù)載最輕的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，并以降序的方式填寫在蟻后表里。結(jié)合蟻后表，根據(jù)式（9）可以計(jì)算出t+Δt時(shí)刻節(jié)點(diǎn)Ri的局部平均負(fù)載。

其中，N的數(shù)值取決于局部重載節(jié)點(diǎn)和輕載節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，N∈[3,5]。

節(jié)點(diǎn)Ri向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播雄蟻請求報(bào)文，在這個(gè)過程中收到的雄蟻應(yīng)答報(bào)文中的預(yù)測負(fù)載值字段是路由器節(jié)點(diǎn)Ri的鄰居節(jié)點(diǎn)在t+Δt時(shí)刻的局部平均負(fù)載。在收到其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送的應(yīng)答報(bào)文后，節(jié)點(diǎn)Ri可以判斷自己是否為t+Δt時(shí)刻局部重載節(jié)點(diǎn)。

某節(jié)點(diǎn)觸發(fā)負(fù)載均衡機(jī)制當(dāng)且僅當(dāng)其滿足以下兩個(gè)條件：

（1）該節(jié)點(diǎn)t+Δt時(shí)刻局部負(fù)載值最大的節(jié)點(diǎn)。

（2）該節(jié)點(diǎn)的局部預(yù)測負(fù)載平均值大于其鄰居節(jié)點(diǎn)的局部預(yù)測負(fù)載平均值。

信道利用率并非越高越好，當(dāng)信道利用率高于50%時(shí)，時(shí)延就要加倍。由于現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)底層的信道復(fù)用技術(shù)多種多樣，本文選擇用鏈路對(duì)應(yīng)的出口接口的緩沖區(qū)隊(duì)列長度刻畫信道負(fù)載。為了簡單起見，假設(shè)所有接口的緩沖區(qū)隊(duì)列長度相等。設(shè)置閾值a作為緩沖區(qū)的門檻值，閾值b為緩沖隊(duì)列上限，則鏈路負(fù)載均衡機(jī)制的觸發(fā)條件是接口的緩沖隊(duì)列長度大于a×b。

3.3 負(fù)載均衡機(jī)制的路由策略

觸發(fā)負(fù)載均衡機(jī)制后，路由器發(fā)送工蟻依據(jù)鏈路上的信息素濃度為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)增加一條到內(nèi)容服務(wù)器的最優(yōu)路徑。由于路由路徑上的路由器負(fù)載和鏈路負(fù)載都會(huì)影響路徑性能，本文引入鏈路負(fù)載權(quán)重φ和節(jié)點(diǎn)負(fù)載權(quán)重ω，定義如式（10）和式（11）所示：

啟發(fā)函數(shù)ηij(t)是節(jié)點(diǎn)Ri選擇節(jié)點(diǎn)Rj作為下一跳節(jié)點(diǎn)的期望程度，對(duì)鏈路的選擇不僅需要考慮鏈路長度，還需要考慮所選鏈路和路由器節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，才能保證路徑的效率和性能，其定義如式（12）所示：

其中，dij表示鏈路eij的長度。

鏈路上的信息量τij(t+Δt)的定義如式（13）所示：

其中，常量 ρ為揮發(fā)因子；Δτij(t)為信息量增量，其定義如式（14）所示：

其中，Q表示信息素強(qiáng)度。

通過鏈路信息量和啟發(fā)函數(shù)可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)Ri選擇節(jié)點(diǎn)Rj作為下一跳節(jié)點(diǎn)的概率，其定義如式（16）所示：

其中，allowedk是工蟻k允許選擇的下一跳路由器節(jié)點(diǎn)的集合。

在為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選擇一條最優(yōu)路徑后，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)以先入先出原則，將消息隊(duì)列中的一部分待處理包遷移至新的路徑上負(fù)載最輕的節(jié)點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文基于美國NSFNet拓?fù)溥M(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)，并選取文獻(xiàn)[15]所提機(jī)制AIRM（ACO-inspired ICN routing mechanismwithmobilitysupport）作為對(duì)比機(jī)制，NSFNet拓?fù)淙鐖D2所示。在Intel?CoreTMi5-4590 CPU@3.30 GHz，配置Windows7操作系統(tǒng)的個(gè)人電腦上，采用C++語言進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。本文將不包含負(fù)載均衡機(jī)制的AIRM機(jī)制與加入ASCLB機(jī)制的AIRM路由機(jī)制進(jìn)行對(duì)比。選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：預(yù)測負(fù)載與實(shí)際負(fù)載的擬合程度、路由器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差、鏈路負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差和內(nèi)容服務(wù)器負(fù)載比例。在仿真實(shí)驗(yàn)中，0號(hào)節(jié)點(diǎn)和12號(hào)節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為內(nèi)容服務(wù)器，其余節(jié)點(diǎn)為路由器節(jié)點(diǎn)。參數(shù)設(shè)置為a=1 000，b=0.8，Δ(q)t=600 s。

Fig.2 NSFNet topology圖2 NSFNet拓?fù)?/p>

4.1 預(yù)測負(fù)載與實(shí)際負(fù)載的擬合程度

對(duì)路由器負(fù)載和鏈路負(fù)載都需要使用改進(jìn)的LR算法進(jìn)行預(yù)測。由于對(duì)路由器負(fù)載和鏈路負(fù)載預(yù)測值與實(shí)際值的擬合程度基本相同，本文以路由器預(yù)測負(fù)載與實(shí)際路由器負(fù)載數(shù)據(jù)擬合程度為例進(jìn)行分析。路由器預(yù)測負(fù)載與實(shí)際路由器負(fù)載數(shù)據(jù)擬合程度如圖3所示。因?yàn)長R算法采用歷史信息進(jìn)行預(yù)測，所以隨預(yù)測次數(shù)的增加，預(yù)測值會(huì)逐漸貼近實(shí)際值。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載平均值是網(wǎng)絡(luò)中除內(nèi)容服務(wù)器外，路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)載的平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在第46次預(yù)測后，預(yù)測負(fù)載平均值收斂到實(shí)際負(fù)載平均值。仿真實(shí)驗(yàn)中，在預(yù)測負(fù)載平均值收斂到實(shí)際負(fù)載平均值后，執(zhí)行蟻群分工啟發(fā)的負(fù)載均衡機(jī)制。

Fig.3 Fitting degree of predict load and actual load圖3 預(yù)測負(fù)載與實(shí)際負(fù)載的擬合程度

4.2 路由器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差

路由器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差可以反映網(wǎng)絡(luò)中路由器的負(fù)載是否均衡。在第一次采集路由器負(fù)載數(shù)據(jù)時(shí)，沒有運(yùn)行ASCLB。由圖4可以看出，執(zhí)行ASCLB機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)中路由器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定在30左右。因?yàn)锳SCLB中節(jié)點(diǎn)無法獲取全網(wǎng)路由器的負(fù)載情況，所以無法將路由器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差降低至0，但僅獲取局部負(fù)載信息相對(duì)獲取全局信息的開銷和時(shí)延更小。在節(jié)點(diǎn)觸發(fā)路由器負(fù)載均衡機(jī)制后，遷移的請求數(shù)量為預(yù)測負(fù)載和局部平均預(yù)測負(fù)載的差。在路由器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差基本穩(wěn)定后，仍存在輕微波動(dòng)，主要是因?yàn)槁酚善鹘邮盏降呐d趣請求數(shù)量不是定值。AIRM的路由器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差逐漸升高是由部分重載路由器造成的，曲線形狀的變化與路由器接收到的請求數(shù)量有關(guān)。

Fig.4 Standard deviation of routers'load圖4 路由器負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差

4.3 鏈路負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差

圖5的橫坐標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)中鏈路負(fù)載實(shí)際值的采集次數(shù)，在第一次采集時(shí)未運(yùn)行負(fù)載均衡機(jī)制。由圖5中可以看出，運(yùn)行ASCLB后，鏈路負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差明顯降低。這種現(xiàn)象的原因是通過運(yùn)行負(fù)載均衡機(jī)制，路由方式由單路徑路由轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗦窂铰酚?，同時(shí)，一些距離較長的路徑作為遷移路徑，承擔(dān)了一部分負(fù)載。遷移的請求數(shù)量為在第七次數(shù)據(jù)采集中，AIRM機(jī)制的鏈路負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差增加幅度明顯，主要是因?yàn)?號(hào)路由器負(fù)載增加幅度大，從而使局部鏈路負(fù)載加重引起的。

Fig.5 Standard deviation of links'load圖5 鏈路負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)差

4.4 內(nèi)容服務(wù)器負(fù)載

內(nèi)容服務(wù)器負(fù)載的定義是：單個(gè)內(nèi)容服務(wù)器響應(yīng)的興趣請求數(shù)量與全網(wǎng)向內(nèi)容服務(wù)器發(fā)送的興趣請求數(shù)量比值。由圖6可見，AIRM機(jī)制中0號(hào)服務(wù)器負(fù)載較重。運(yùn)行ASCLB后，一部分向0號(hào)服務(wù)器發(fā)送請求的路由器將部分請求遷移至連接12號(hào)服務(wù)器的鏈路上。一方面均衡了鏈路負(fù)載，另一方面也使內(nèi)容服務(wù)器負(fù)載更加均衡。內(nèi)容服務(wù)器的負(fù)載比率與興趣請求分布有關(guān)，但可以看出包含ASCLB的AIRM機(jī)制中內(nèi)容服務(wù)器負(fù)載更加均衡。

5 結(jié)束語

Fig.6 Repositories'load percentage圖6 內(nèi)容服務(wù)器負(fù)載比例

盡管ICN的設(shè)計(jì)思想在一定程度上可以緩解負(fù)載問題，但由于網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容數(shù)量龐大，用戶請求次數(shù)激增，高清視頻等應(yīng)用的興起，針對(duì)ICN負(fù)載均衡機(jī)制的研究迫在眉睫。本文受蟻群分工協(xié)作行為的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了包含路由器負(fù)載均衡和鏈路負(fù)載均衡的ICN負(fù)載均衡機(jī)制。首先，采用改進(jìn)的局部回歸算法對(duì)路由器負(fù)載和鏈路負(fù)載進(jìn)行估計(jì)。然后，節(jié)點(diǎn)間通過發(fā)送和接收雄蟻報(bào)文獲取局部范圍內(nèi)的負(fù)載情況，并根據(jù)雄蟻報(bào)文返回的信息完善蟻后表。根據(jù)路由器負(fù)載均衡機(jī)制和鏈路負(fù)載均衡機(jī)制的觸發(fā)條件判斷某個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)或某條鏈路的接口是否需要調(diào)用ASCLB機(jī)制均衡負(fù)載。觸發(fā)負(fù)載均衡機(jī)制的節(jié)點(diǎn)或接口發(fā)送工蟻迭代一條區(qū)別于當(dāng)前路由路徑的最優(yōu)路徑，并將一部分負(fù)載遷移至輕載的下游節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，包含ASCLB的ICN路由機(jī)制能夠有效地實(shí)現(xiàn)路由器和鏈路負(fù)載均衡，同時(shí)平衡多內(nèi)容服務(wù)器負(fù)載。在此基礎(chǔ)上，考慮如何將負(fù)載均衡機(jī)制與節(jié)能機(jī)制相結(jié)合，在網(wǎng)絡(luò)重載時(shí)考慮負(fù)載均衡，在網(wǎng)絡(luò)輕載時(shí)考慮節(jié)能是今后的研究方向。