內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)勢(shì)能增強(qiáng)路由機(jī)制

蔡岳平,樊欣唯,邱 婭,譚 兵,晏 堯

1(重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院,重慶 400030)2(國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學(xué)研究院,重慶 410014)

1 引 言

根據(jù)Cisco VNI的預(yù)測(cè)報(bào)告,2021年視頻類應(yīng)用產(chǎn)生的流量將約占網(wǎng)絡(luò)總流量的82%[1].視頻內(nèi)容大量復(fù)制傳播的需求,帶來(lái)了內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(content delivery networking,CDN)[2]和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(peer-to-peer,P2P)[3]的流行和商用.二者均提高了用戶訪問(wèn)內(nèi)容的速度,但CDN通過(guò)DNS重定向的方式將用戶請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)邊緣的服務(wù)器,其內(nèi)容存放地點(diǎn)受限;P2P為每個(gè)內(nèi)容生成一個(gè)跟蹤器,交付有效性低.由于二者均無(wú)法擺脫基于IP地址的端到端轉(zhuǎn)發(fā)模式,造成諸如DDoS攻擊等安全事故頻繁發(fā)生.因此,研究者們提出了一種全新的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——信息中心網(wǎng)絡(luò)(information centric networking,ICN),從根本上解決當(dāng)前面向連接的互聯(lián)網(wǎng)模式無(wú)法滿足用戶的流量需求的問(wèn)題.ICN通過(guò)內(nèi)容的名字而不是分配的IP地址進(jìn)行標(biāo)識(shí),因此用戶發(fā)出的請(qǐng)求只需關(guān)注內(nèi)容本身,而不必關(guān)注內(nèi)容存儲(chǔ)的位置.典型的ICN架構(gòu)有DONA[4]、PURSUIT[5]、CCN[6]、COMET[7]、PSIRP[8]等,其中CCN(content centric networking)被認(rèn)為是最有前途的方案之一.

CCN架構(gòu)采用了類似URL的命名的方式,提供端到內(nèi)容的服務(wù),并且支持?jǐn)U展路由節(jié)點(diǎn)的功能,使得路由器不僅具有傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)功能,還具有一定存儲(chǔ)的能力.該功能通過(guò)“存儲(chǔ)換帶寬”的方式降低數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時(shí)間,實(shí)現(xiàn)比CDN更加靈活的分布式緩存網(wǎng).然而,在傳統(tǒng)的CCN路由機(jī)制中,這種“分布式緩存”的優(yōu)勢(shì)并未得到很好的發(fā)揮,這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的路由機(jī)制只能實(shí)現(xiàn)興趣包向發(fā)布者進(jìn)行路由,而路徑外的大量就近緩存無(wú)法感知利用,導(dǎo)致大量帶寬資源的浪費(fèi).因此,需要設(shè)計(jì)出一種高效可靠的緩存感知的路由機(jī)制來(lái)充分發(fā)揮CCN的緩存優(yōu)勢(shì).

對(duì)于CCN的緩存感知的機(jī)制,主要解決的問(wèn)題可以歸為兩點(diǎn):(1)如何發(fā)現(xiàn)緩存內(nèi)容;(2)如何朝著最近的一個(gè)內(nèi)容源轉(zhuǎn)發(fā)興趣包.

現(xiàn)有緩存感知路由機(jī)制可分為兩類,一類是請(qǐng)求者主動(dòng)發(fā)布報(bào)文探測(cè)緩存內(nèi)容的位置:文獻(xiàn)[9]提出一種鄰居緩存探測(cè)的路由機(jī)制(neighbor cache explore routing,NCE),該方案利用分布式蟻群算法計(jì)算最短路徑,可實(shí)現(xiàn)局部緩存的感知.但該方案并未明確指出探測(cè)的深度,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)范圍增大時(shí)可能造成探測(cè)的成本較大,對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬造壓力.另一類是由緩存節(jié)點(diǎn)向周圍發(fā)布已經(jīng)緩存的內(nèi)容信息,請(qǐng)求者被動(dòng)接收后進(jìn)行綜合判斷再選出最優(yōu)路徑:文獻(xiàn)[10-12]提出了一種基于勢(shì)能的路由機(jī)制(cache aware target identification,CATT),該方案對(duì)于穩(wěn)定的發(fā)布者節(jié)點(diǎn)構(gòu)建永久勢(shì)場(chǎng)(permanent potential field,PPF),采用類似于傳統(tǒng)CCN的洪泛通知方式實(shí)現(xiàn);對(duì)易變的緩存節(jié)點(diǎn)構(gòu)建易變勢(shì)場(chǎng)(volatile potential field,VPF),采用固定跳數(shù)的通告鄰居節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的勢(shì)能,興趣包依據(jù)收到的最小勢(shì)能確定下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)端口從而獲取最近的內(nèi)容.但該方案并未區(qū)分緩存節(jié)點(diǎn)和發(fā)布者節(jié)點(diǎn)的服務(wù)器性能,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)內(nèi)容節(jié)點(diǎn)勢(shì)能疊加后,造成興趣包并未受到最近的內(nèi)容源的吸引,請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延大;同時(shí)CATT沒(méi)有對(duì)緩存的內(nèi)容進(jìn)行區(qū)分,將節(jié)點(diǎn)內(nèi)緩存的所有內(nèi)容以相同跳數(shù)向周圍節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通告,造成巨大的帶寬開(kāi)銷.

由于CCN路由器的主要功能仍然是快速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,因此我們需要考慮路由器緩存功能的有限性.另外,在多數(shù)真實(shí)場(chǎng)景下,位于網(wǎng)絡(luò)核心及中間的路由器不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)容請(qǐng)求,興趣包均來(lái)自靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣的用戶,因此我們也需要考慮充分利用網(wǎng)絡(luò)邊緣的緩存,將興趣包盡可能的吸引到就近的緩存節(jié)點(diǎn),提高內(nèi)容的響應(yīng)速度.

本文提出了一種基于勢(shì)能的邊緣節(jié)點(diǎn)勢(shì)能增強(qiáng)路由機(jī)制(edge node potential-enhanced routing,ENPER).該方案定義了網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能,通過(guò)增強(qiáng)邊緣緩存節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能,將興趣包盡可能地吸引到邊緣節(jié)點(diǎn)上命中;并配合使用邊緣節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的興趣包數(shù)量對(duì)不同流行度的內(nèi)容進(jìn)行區(qū)分通告,以滿足用戶的低請(qǐng)求時(shí)延需求和網(wǎng)絡(luò)的低帶寬開(kāi)銷.本文的貢獻(xiàn)如下:

1)在文獻(xiàn)[10-12]提出的勢(shì)能概念基礎(chǔ)上,針對(duì)CCN興趣包來(lái)自網(wǎng)絡(luò)邊緣卻無(wú)法在邊緣節(jié)點(diǎn)快速響應(yīng)的問(wèn)題設(shè)計(jì)了模型,提出了一種邊緣節(jié)點(diǎn)勢(shì)能增強(qiáng)的路由機(jī)制.

2)提出了一種在邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)內(nèi)容的流行度進(jìn)行預(yù)測(cè)并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞秶拇笮?對(duì)緩存內(nèi)容的勢(shì)能值進(jìn)行區(qū)分通告的機(jī)制.

2 邊緣節(jié)點(diǎn)勢(shì)能增強(qiáng)路由機(jī)制

在傳統(tǒng)的CCN路由機(jī)制中,發(fā)布者產(chǎn)生一個(gè)新內(nèi)容,將通過(guò)洪泛的方式向全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通告,興趣包基于轉(zhuǎn)發(fā)信息表(Forwarding information base,FIB)查找一條到達(dá)發(fā)布者的最佳路徑.因此對(duì)于每個(gè)路由器,FIB中只包含到達(dá)內(nèi)容發(fā)布者節(jié)點(diǎn)的下一跳端口,卻沒(méi)有包含到達(dá)就近緩存節(jié)點(diǎn)的下一跳端口.由于無(wú)法感知網(wǎng)絡(luò)中存在的大量緩存資源,傳統(tǒng)的CCN路由機(jī)制的平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延較大.本文在Suyong Eum等學(xué)者提出的勢(shì)能概念基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種緩存可感知的邊緣節(jié)點(diǎn)勢(shì)能增強(qiáng)路由機(jī)制.在該模型下,發(fā)布者或緩存節(jié)點(diǎn)被當(dāng)作負(fù)點(diǎn)電荷,興趣包即帶正電的試探電荷,將沿著梯度下降最快、勢(shì)能最小的方向轉(zhuǎn)發(fā).本節(jié)將對(duì)ENPER的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹.

圖1 ENPER的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

2.1 ENPER勢(shì)能模型的建立

圖1展示了興趣包經(jīng)過(guò)緩存節(jié)點(diǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程.當(dāng)興趣包到達(dá)某個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),將首先根據(jù)CCN的路由特點(diǎn)查詢內(nèi)容存儲(chǔ)表(content store,CS),如果匹配到相關(guān)條目則(1)直接返回?cái)?shù)據(jù)包;如果沒(méi)有匹配內(nèi)容則查詢待定興趣表(pending interest table,PIT);(2)如果在PIT中查詢到之前已有其他興趣包請(qǐng)求過(guò)該內(nèi)容,則將當(dāng)前請(qǐng)求端口添加到PIT條目中,等待數(shù)據(jù)包返回;如果PIT中也沒(méi)相應(yīng)匹配項(xiàng),則先在PIT中添加請(qǐng)求條目,然后;(3)興趣包將會(huì)查找FIB中具有最小的勢(shì)能值的端口,如果匹配則向勢(shì)能值最小的端口轉(zhuǎn)發(fā);(4)如果此時(shí)具有最小勢(shì)能值的內(nèi)容被替換或者刪除,則選擇具有次小值的端口轉(zhuǎn)發(fā);(5)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有該請(qǐng)求的內(nèi)容或該內(nèi)容正被發(fā)布者洪泛通知,導(dǎo)致FIB中沒(méi)有條目,興趣包將被丟棄.發(fā)布者服務(wù)器收到興趣包后,發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)包并沿原路返回.數(shù)據(jù)包每經(jīng)過(guò)一跳;(6)先檢查PIT,如果PIT中存在多個(gè)端口則復(fù)制數(shù)據(jù)包發(fā)送給多個(gè)請(qǐng)求者;(7)然后將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在CS中,并重新建立自治域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)勢(shì)場(chǎng).

2.1.1 發(fā)布者節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能

由于發(fā)布者服務(wù)器為內(nèi)容產(chǎn)生的源頭,具有較大的輸出速率、較高的處理性能和長(zhǎng)時(shí)間的存儲(chǔ)能力,因此設(shè)置為長(zhǎng)期穩(wěn)定的負(fù)點(diǎn)電荷,形成自治域內(nèi)的全網(wǎng)勢(shì)場(chǎng).除非內(nèi)容發(fā)生變化,該全網(wǎng)勢(shì)場(chǎng)一旦建立將一直保持穩(wěn)定狀態(tài).興趣包處于網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)ni受到發(fā)布者np產(chǎn)生的吸引力為:

(1)

其中,Qnp為發(fā)布者生產(chǎn)內(nèi)容的質(zhì)量,大小與服務(wù)器處理速度、吞吐量等因素有關(guān).公式(1)中的負(fù)號(hào)保證興趣包朝著勢(shì)能最低點(diǎn)進(jìn)行路由.距離d可以為跳數(shù)、時(shí)延、鏈路帶寬等.d(ni,np)定義為網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)ni到發(fā)布者服務(wù)器np之間的最小跳數(shù).隨著跳數(shù)的增加,興趣包位于發(fā)布者節(jié)點(diǎn)越遠(yuǎn),受到的勢(shì)能吸引力越小,即|φn|越小.

2.1.2 緩存節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能

雖然CCN網(wǎng)絡(luò)中的路由轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)具有緩存能力,但與發(fā)布者進(jìn)行比較,路由器的主要功能為線速轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,其緩存容量和處理性能遠(yuǎn)不及專為本域提供內(nèi)容的發(fā)布者服務(wù)器.尤其是當(dāng)緩存用盡時(shí)會(huì)根據(jù)CCN的替換算法刪除一部份已經(jīng)存儲(chǔ)的內(nèi)容,造成后續(xù)的興趣包在無(wú)法命中.根據(jù)該特性,設(shè)置α為緩存節(jié)點(diǎn)nc的內(nèi)容質(zhì)量比例系數(shù):

(2)

由于當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容的請(qǐng)求符合冪律分布特征(Zipf或Mandelbrot-Zipf分布)[4],即80%的請(qǐng)求只與20%的內(nèi)容有關(guān).例如,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容的總數(shù)為N=1000,Zipf=1.0時(shí),前129項(xiàng)內(nèi)容的請(qǐng)求累計(jì)概率已達(dá)到80%,其他Zipf分布指數(shù)與累計(jì)概率到達(dá)80%時(shí)的內(nèi)容個(gè)數(shù)關(guān)系如表1所示.根據(jù)以上分析,為了讓緩存節(jié)點(diǎn)能盡可能的存儲(chǔ)請(qǐng)求量大的內(nèi)容,同時(shí)又考慮到路由節(jié)點(diǎn)的性能和成本,我們?cè)O(shè)置α為0.1到0.3之間的常數(shù).

表1 Zipf分布指數(shù)與請(qǐng)求累計(jì)達(dá)80%時(shí)內(nèi)容個(gè)數(shù)的關(guān)系

2.1.3 混合疊加的勢(shì)能

由于數(shù)據(jù)包在返回中會(huì)存儲(chǔ)在途經(jīng)節(jié)點(diǎn),因此當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在多個(gè)緩存內(nèi)容和多個(gè)發(fā)布者產(chǎn)生的內(nèi)容時(shí),總勢(shì)場(chǎng)會(huì)以線性疊加的方式呈現(xiàn),如公式(3)所示.

通過(guò)公式(3)可以推斷出當(dāng)存在多個(gè)緩存內(nèi)容時(shí),如圖2(a)所示,靠近發(fā)布者的勢(shì)能通過(guò)相互疊加的方式會(huì)比靠近邊緣的副本節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能更大.然而在多數(shù)實(shí)際場(chǎng)景中,興趣包來(lái)自靠近邊緣網(wǎng)絡(luò)的用戶,位于網(wǎng)絡(luò)核心及中間的路由器不會(huì)產(chǎn)生請(qǐng)求.如果從邊緣出發(fā)的興趣包受到了網(wǎng)絡(luò)核心的吸引并向發(fā)布者服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā),將錯(cuò)過(guò)更靠近邊緣的緩存內(nèi)容,造成用戶請(qǐng)求時(shí)延的增加.所以如圖2(b)右所示,我們考慮加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)邊緣緩存的勢(shì)能值.原因有兩點(diǎn):

(3)

圖2 緩存節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能疊加

1)將來(lái)自邊緣的興趣包可直接在邊緣節(jié)點(diǎn)上命中,可減少請(qǐng)求時(shí)延;

2)邊緣緩存節(jié)點(diǎn)集中收集相同興趣包的請(qǐng)求,將增加請(qǐng)求概率較大的內(nèi)容的駐留時(shí)間,提升目標(biāo)緩存內(nèi)容的可用性,進(jìn)而增加緩存命中率.

圖3 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜途彺婀?jié)點(diǎn)的勢(shì)場(chǎng)圖

根據(jù)以上分析,為了保證興趣包可以受到邊緣緩存勢(shì)能的吸引朝著最近的緩存進(jìn)行路由,我們提出了緩存節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能參數(shù)Wni,在考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)載的情況下,提高邊緣緩存的勢(shì)能值:

(4)

2.2 緩存節(jié)點(diǎn)內(nèi)容通告機(jī)制

當(dāng)勢(shì)場(chǎng)模型建立之后,如果缺少通告機(jī)制將勢(shì)能的值通告到其它節(jié)點(diǎn),那么基于勢(shì)能路由機(jī)制與傳統(tǒng)的CCN路由機(jī)制無(wú)異,即興趣包將在轉(zhuǎn)發(fā)路徑上隨機(jī)命中,錯(cuò)過(guò)臨近的緩存節(jié)點(diǎn).因此我們需要添加通告機(jī)制實(shí)現(xiàn)勢(shì)能的吸引.但如果將所有緩存內(nèi)容向全網(wǎng)進(jìn)行通告,不僅僅會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)的大量開(kāi)銷,當(dāng)緩存內(nèi)容根據(jù)不同算法被替換時(shí),也需要向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)布NACK通告,刪除相應(yīng)的FIB條目,這也將占用大量的帶寬資源.因此我們需要一種簡(jiǎn)單高效的流行度判斷機(jī)制和一種適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞耐ǜ娣秶鷻C(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)基于勢(shì)能的路由.

在文獻(xiàn)[14]中,作者根據(jù)內(nèi)容請(qǐng)求呈冪律分布特點(diǎn)將內(nèi)容劃分成三類:流行、普通、冷門(mén),據(jù)此對(duì)緩存內(nèi)容進(jìn)行區(qū)分通告,但是該方案成立的前提是已知所有內(nèi)容的請(qǐng)求的次數(shù)和整體流行度,在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)情況下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的.另外,興趣包的請(qǐng)求個(gè)數(shù)還具有“收斂性”,當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到大量相同的興趣包時(shí),會(huì)記錄下游請(qǐng)求端口并添加在PIT中,然后僅向上游發(fā)出一個(gè)興趣包,因此類似于文獻(xiàn)[15]提出的統(tǒng)計(jì)上游節(jié)點(diǎn),或統(tǒng)計(jì)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)收到興趣包的個(gè)數(shù)的方式也是不可取的.根據(jù)以上分析,內(nèi)容的流行度值只能在邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算.本文提出的邊緣加強(qiáng)的勢(shì)能方案,在考慮節(jié)點(diǎn)負(fù)載的情況下,可將具有相同請(qǐng)求的興趣包盡可能地吸引到一個(gè)邊緣緩存節(jié)點(diǎn),得到更加精確的內(nèi)容流行度.

CCN網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容流行度根據(jù)內(nèi)容的請(qǐng)求次數(shù)進(jìn)行計(jì)算,假設(shè)一個(gè)k內(nèi)容在請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)ni上某個(gè)時(shí)間段T內(nèi)收到的興趣包請(qǐng)求次數(shù)為fni,k,那么該內(nèi)容的流行度定義為:

(5)

PT+1(k)=σPT(k)+(1-σ)PT-1(k)

(6)

當(dāng)?shù)谝淮握?qǐng)求k內(nèi)容時(shí),邊緣節(jié)點(diǎn)收集下游的請(qǐng)求總次數(shù),并在向上游發(fā)送一個(gè)興趣包的同時(shí)通知上游節(jié)點(diǎn)k內(nèi)容的流行度.當(dāng)內(nèi)容返回并建立勢(shì)場(chǎng)后,邊緣節(jié)點(diǎn)將在周期T的時(shí)間段繼續(xù)統(tǒng)計(jì),并向上游緩存節(jié)點(diǎn)通知內(nèi)容流行度的變化,保持上游流行度的實(shí)時(shí)性,保證對(duì)同一內(nèi)容通知范圍的統(tǒng)一.

由上小節(jié)可知,當(dāng)預(yù)測(cè)的流行度越大,代表請(qǐng)求的次數(shù)越多,緩存內(nèi)容的穩(wěn)定性越高,對(duì)其進(jìn)行大范圍的通告可提高內(nèi)容的可用性.通告節(jié)點(diǎn)的最大范圍n跳的設(shè)置需要依賴特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和大小,且需要滿足如下要求[14]:(1)通告范圍限制在域內(nèi);(2)通告產(chǎn)生的控制流量應(yīng)限定在一定程度內(nèi);(3)n的選擇小于緩存節(jié)點(diǎn)到發(fā)布者之間的跳數(shù).

表2 緩存通告范圍

如表2,本文根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的大小設(shè)置跳躍閾值實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同流行度內(nèi)容的緩存通告,其閾值為H1,H2,…,Hn(H1Hn時(shí),向周圍n跳范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通告;當(dāng)Hm

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本文采用了開(kāi)源仿真平臺(tái)ndnSim對(duì)上述路由機(jī)制進(jìn)行實(shí)現(xiàn),并與CATT[9]和仿真平臺(tái)上主流的路由機(jī)制Best-Routing[15]進(jìn)行對(duì)比.ndnSim是基于NS-3的仿真工具,在該平臺(tái)上加入了NDN協(xié)議棧,可實(shí)現(xiàn)CCN網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制.實(shí)驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為30個(gè),請(qǐng)求到達(dá)服從泊松分布.此外用戶的請(qǐng)求分布根據(jù)Zipf的指數(shù)分布進(jìn)行調(diào)整.Zipf指數(shù)代表請(qǐng)求內(nèi)容的集中度,指數(shù)越大表示用戶請(qǐng)求內(nèi)容越相似,越小表示請(qǐng)求內(nèi)容越分散.仿真時(shí)間為180s,其他參數(shù)如表3所示.

3.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了客觀反映不同路由機(jī)制的實(shí)際效果及不同參數(shù)對(duì)路由機(jī)制的影響,本文定義了以下的性能評(píng)價(jià)指標(biāo).

3.2.1 平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延

對(duì)單個(gè)內(nèi)容的請(qǐng)求時(shí)延是指用戶從開(kāi)始發(fā)送興趣包到接收數(shù)據(jù)包整個(gè)過(guò)程的時(shí)間,平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延是指在周期為T(mén)(此處設(shè)置為20s)的范圍內(nèi),計(jì)算所有時(shí)延的平均值.平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延反應(yīng)用戶發(fā)從出請(qǐng)求到響應(yīng)的平均時(shí)間,該值越小代表等待時(shí)間更短,用戶體驗(yàn)更佳.

(7)

3.2.2 發(fā)布者服務(wù)器的負(fù)載減少率

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置

其中,S_counts表示發(fā)布者服務(wù)器的響應(yīng)次數(shù),R_counts表示用戶的請(qǐng)求的總次數(shù).服務(wù)器負(fù)載的減小率表示由于網(wǎng)絡(luò)中分布的緩存的響應(yīng)使得發(fā)布者的負(fù)載減小,該指標(biāo)越高,說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)中的緩存起到的效果越明顯.

(8)

3.2.3 緩存通告報(bào)文開(kāi)銷

(9)

緩存通告開(kāi)銷定義單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)緩存通告的報(bào)文長(zhǎng)度與傳輸距離的乘積,并對(duì)通知內(nèi)容個(gè)數(shù)求和.開(kāi)銷的大小主要取決于報(bào)文的長(zhǎng)度、報(bào)文的通告數(shù)量和跳數(shù).該值越大,表示緩存通告的開(kāi)銷越大,占用的帶寬越多.

3.3 仿真結(jié)果及分析

圖4 平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延隨仿真時(shí)間的變化

圖4對(duì)各個(gè)路由機(jī)制的平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延進(jìn)行對(duì)比.設(shè)置仿真條件為CATT的緩存通告為2跳,ENPER的最大通告范圍為3跳,Zipf=1.從圖4中可以看出,在仿真的初期,由于網(wǎng)絡(luò)中所有路由節(jié)點(diǎn)均無(wú)存儲(chǔ),不同路由機(jī)制的興趣包都必須到達(dá)發(fā)布者服務(wù)器以獲取內(nèi)容,初期的平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延相等且較大,隨著網(wǎng)絡(luò)中緩存的內(nèi)容逐漸增加,獲取內(nèi)容的跳數(shù)減少,平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延逐漸降低,最后趨于平穩(wěn).對(duì)比分析,三種路由機(jī)制的平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延從大到小依次為Best-routing、CATT、ENPER.具體原因如下:Best-routing的FIB中只存在到發(fā)布者的最短路徑,無(wú)法感知路徑外的緩存節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容,因此大部分興趣包需要穿過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)發(fā)布者服務(wù)器,占用的鏈路資源最多,平均請(qǐng)求時(shí)間最長(zhǎng);CATT由于采用了基于勢(shì)能的緩存感知路由機(jī)制,與Best-routing相比可以讓興趣包朝著緩存節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由,平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延下降;ENPER通過(guò)增加邊緣節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能將興趣包吸引到最近的緩存節(jié)點(diǎn)命中,跳數(shù)最少,占用的資源最少.

圖5 平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延隨Zipf的變化趨勢(shì)

根據(jù)圖4的仿真結(jié)果可以得到在仿真初期數(shù)據(jù)波動(dòng)較大,為仿真預(yù)熱時(shí)間.因此后續(xù)的對(duì)比將取100秒～180秒之間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析.由于在實(shí)際場(chǎng)景中,不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的Zipf的指數(shù)分布具有差異性,本文通過(guò)改變Zipf的分布參數(shù)(0.5～1.1)比較三種路由機(jī)制在平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延、發(fā)布者服務(wù)器負(fù)載減小率和緩存通告開(kāi)銷的差異.如圖5,隨著Zipf流行度分布指數(shù)的增加,三種請(qǐng)求時(shí)延不斷減小,其原因是Zipf指數(shù)越小表示請(qǐng)求內(nèi)容越離散,多樣化的內(nèi)容請(qǐng)求將導(dǎo)致有限的存儲(chǔ)空間被高頻率地替換,緩存利用率低;隨著Zipf指數(shù)的增加,請(qǐng)求內(nèi)容的局域性和集中性不斷加強(qiáng),CS儲(chǔ)存的內(nèi)容穩(wěn)定,興趣包得以在緩存節(jié)點(diǎn)中頻繁命中,平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延不斷減小.對(duì)比分析可以得出當(dāng)Zipf=1時(shí),ENPER的平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延相比Best-routing減少了約43%,與CATT相比減少了17%.

圖6 發(fā)布者服務(wù)器負(fù)載減小率隨Zipf的變化趨勢(shì)

圖6分析了Zipf流行度分布指數(shù)對(duì)發(fā)布者服務(wù)器負(fù)載的影響.發(fā)布者負(fù)載減小率越大表示興趣包可以更多的在網(wǎng)絡(luò)中的緩存節(jié)點(diǎn)上獲得請(qǐng)求的內(nèi)容.三者比較性能最優(yōu)的是ENPER.在Zipf=1時(shí),ENPER路由機(jī)制可以減少83%的發(fā)布者服務(wù)器的負(fù)載,其原因是通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能,興趣包可以在邊緣節(jié)點(diǎn)上獲得請(qǐng)求內(nèi)容,而無(wú)需到達(dá)發(fā)布者服務(wù)器.當(dāng)Zipf指數(shù)增加,縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的數(shù)值的增長(zhǎng)速率放緩,其原因是我們采用的緩存機(jī)制為L(zhǎng)RU,即當(dāng)路由器緩存裝滿時(shí),會(huì)將最近一段時(shí)間最少請(qǐng)求的內(nèi)容淘汰.當(dāng)請(qǐng)求逐漸集中,緩存容量大小又保持一定時(shí),增長(zhǎng)趨勢(shì)放緩.

圖7 緩存通告開(kāi)銷隨Zipf的變化趨勢(shì)

由于Best-routing不具備緩存通告能力,因此圖7僅對(duì)ENPER和CATT的緩存通告開(kāi)銷隨Zipf指數(shù)的變化進(jìn)行分析.從圖中可知ENPER的通告開(kāi)銷相比CATT更低,原因是CATT在周期時(shí)間內(nèi)會(huì)將所有緩存節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容向周圍節(jié)點(diǎn)以固定跳數(shù)的方式進(jìn)行擴(kuò)散,并且不區(qū)分請(qǐng)求次數(shù)很少、非流行的內(nèi)容,這種盲目通告的方式會(huì)浪費(fèi)帶寬資源;而ENPER由于增加了邊緣緩存節(jié)點(diǎn)的勢(shì)能,興趣包不僅僅可以受到緩存節(jié)點(diǎn)勢(shì)能的吸引在邊緣上快速命中,還由于邊緣節(jié)點(diǎn)集中地收集興趣包的個(gè)數(shù),減少了上游節(jié)點(diǎn)存在的PIT過(guò)濾情況,能更好地統(tǒng)計(jì)出用戶的請(qǐng)求分布.以外,ENPER按照流行度的預(yù)測(cè)值對(duì)緩存節(jié)點(diǎn)的通告范圍進(jìn)行區(qū)分設(shè)置,大量非流行的內(nèi)容不會(huì)向周圍節(jié)點(diǎn)發(fā)出通告報(bào)文,因此提升了緩存的內(nèi)容的可用性,降低了通告的開(kāi)銷.

4 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求內(nèi)容的就近應(yīng)答,提高緩存資源的利用率,我們對(duì)內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的緩存節(jié)點(diǎn)和發(fā)布者節(jié)點(diǎn)構(gòu)造了勢(shì)能模型,并在此基礎(chǔ)上提出了一種邊緣節(jié)點(diǎn)勢(shì)能增強(qiáng)的路由機(jī)制ENPER.通過(guò)改變靠近邊緣的節(jié)點(diǎn)勢(shì)能值,增加邊緣緩存內(nèi)容的吸引力,將興趣包吸引到就近的節(jié)點(diǎn)上命中響應(yīng),減少了平均請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)延和發(fā)布者服務(wù)器的負(fù)載;同時(shí),還通過(guò)在邊緣節(jié)點(diǎn)計(jì)算內(nèi)容的預(yù)測(cè)流行度,對(duì)數(shù)量較少但流行度高的內(nèi)容擴(kuò)大范圍通告,對(duì)數(shù)量較多但流行度低的內(nèi)容減少或不發(fā)送通告,降低了通告報(bào)文對(duì)帶寬的消耗.