基于流量預(yù)測的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)設(shè)計

任立勝，陳紅紅，郭艷光

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 計算機(jī)技術(shù)與信息管理系，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018）

0 引言

網(wǎng)絡(luò)緩存是存在于網(wǎng)絡(luò)用戶與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)緩沖機(jī)制，其基本應(yīng)用思想是將長期訪問的信息文檔放置在用戶主機(jī)附近，以便于后續(xù)的訪問請求能夠從本地服務(wù)器或客戶主機(jī)中直接獲得數(shù)據(jù)信息，從而避免不必要的遠(yuǎn)距離訪問連接。網(wǎng)絡(luò)緩存處理通過信息本地化分配實現(xiàn)對數(shù)據(jù)參量的快速瀏覽。一方面，可在提供本地用戶服務(wù)的同時，縮小由廣域網(wǎng)與服務(wù)器連接行為造成的物理延遲效果，加快本地響應(yīng)的實際速度水平；另一方面，緩存處理能夠屏蔽廣域網(wǎng)節(jié)點的非暫時不可用性，使得網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境逐漸趨于穩(wěn)定[1-2]。

在互聯(lián)網(wǎng)處理平臺中，由于已接入Internet用戶數(shù)量的持續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的固有延遲時間會隨之延長。為解決此問題，Redis型信息緩存系統(tǒng)通過上層處理接口與下層分布式數(shù)據(jù)庫直接相連的形式，抑制服務(wù)器集群的應(yīng)用擴(kuò)展性，再借助Redis請求指令，實現(xiàn)對節(jié)點緩存組織的統(tǒng)一化調(diào)度。但與此系統(tǒng)匹配的固有延遲水平始終難以達(dá)到理想化數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，易造成單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)存流量數(shù)據(jù)信息總量的持續(xù)下降。為避免上述情況的發(fā)生，設(shè)計基于流量預(yù)測的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)，在通信協(xié)作器、文檔替換器等多個硬件設(shè)備元件的支持下，建立一致性哈希算法，再聯(lián)合多級服務(wù)器緩存行為，實現(xiàn)對系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的完善與維護(hù)。

1 低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)硬件設(shè)計

低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由網(wǎng)絡(luò)緩存拓?fù)淇蚣?、通信協(xié)作器、文檔替換器三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 網(wǎng)絡(luò)緩存拓?fù)淇蚣?/h3>

網(wǎng)絡(luò)緩存拓?fù)淇蚣苁堑凸挠袚p網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)設(shè)計的硬件執(zhí)行基礎(chǔ)，由局域網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、地區(qū)級節(jié)點、緩存自治節(jié)點以及核心緩存主機(jī)等多個應(yīng)用設(shè)備元件共同組成。其中：局域網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的實際接入數(shù)量相對較多，能夠根據(jù)待預(yù)測流量信息的實際輸入水平，更改與節(jié)點相關(guān)的應(yīng)用連接行為；地區(qū)級節(jié)點始終與緩存自治節(jié)點相連，可在適應(yīng)系統(tǒng)主機(jī)緩存行為的同時，確定流量信息預(yù)測的指令作用范圍[3-4]；核心緩存主機(jī)能夠感知普通網(wǎng)絡(luò)用戶的實際信息消耗需求，并在不違背信道傳輸需求的前提下，實現(xiàn)對待緩存數(shù)據(jù)參量的統(tǒng)一規(guī)劃與調(diào)度。圖1為網(wǎng)絡(luò)緩存拓?fù)淇蚣芙Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)緩存拓?fù)淇蚣芙Y(jié)構(gòu)圖

1.2 通信協(xié)作器

通信協(xié)作器采取RCD型連接標(biāo)準(zhǔn)，處理低功耗有損網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點緩存需求，從而解決因客戶機(jī)訪問遲緩現(xiàn)象造成的流量預(yù)測準(zhǔn)確性下降問題。這種模塊連接形式充分利用了低功耗有損網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點緩存主動性，由于流量預(yù)測行為具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，可直接針對散亂的應(yīng)用信息參量進(jìn)行整合與調(diào)試，因此，模塊主體可在精準(zhǔn)訪問緩存主機(jī)的同時，為下級文檔替換器提供大量的可接入節(jié)點[5-6]。隨著流量預(yù)測數(shù)據(jù)被訪問次數(shù)的增加，通信協(xié)作器中會生成多項連貫的信息緩存表單結(jié)構(gòu)，在低功耗有損網(wǎng)絡(luò)對象發(fā)生改變的情況下，模塊的通信頻率會出現(xiàn)適度的振蕩變化，當(dāng)完全消除網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的發(fā)布限制作用后，協(xié)作器主機(jī)的執(zhí)行能力才會逐漸趨于穩(wěn)定。圖2為通信協(xié)作器連接原理示意圖。

圖2 通信協(xié)作器連接原理

1.3 文檔替換器

文檔替換器的基本應(yīng)用思想為：從網(wǎng)絡(luò)客戶端獲取發(fā)送請求的數(shù)據(jù)對象，判斷被請求的對象在待緩存節(jié)點中是否留有原對象副本：如果有，主機(jī)根據(jù)緩存信息的低功耗有損參量值判斷其是否具有應(yīng)用價值，若有價值，表示緩存指令中流量預(yù)測信息能夠直接反饋給客戶端，若沒有價值，表示緩存指令中沒有流量預(yù)測信息能夠直接反饋給客戶端[7-8]；如果待緩存節(jié)點中未留有原對象副本，表明主機(jī)處理結(jié)果缺失，低功耗有損網(wǎng)絡(luò)需要從服務(wù)器中取回原始的網(wǎng)頁信息，并根據(jù)緩存剩余空間的實際數(shù)值水平，確定現(xiàn)有信息替換標(biāo)準(zhǔn)是否能夠滿足流量預(yù)測數(shù)據(jù)的實際緩存需求。表1為文檔替換器連接原理。

表1 文檔替換器連接原理

2 低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)軟件設(shè)計

在硬件執(zhí)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，按照一致性哈希算法建立多級服務(wù)器緩存、緩存置換策略設(shè)置的處理流程，實現(xiàn)系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建，將硬件設(shè)計與軟件設(shè)計相結(jié)合，完成基于流量預(yù)測的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)設(shè)計。

2.1 一致性哈希算法

在低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)中，一致性哈希算法由流量信息輸入節(jié)點、數(shù)據(jù)查詢節(jié)點以及空節(jié)點三部分共同組成。在流量預(yù)測原理的作用下，網(wǎng)絡(luò)輸入端主機(jī)可與流量信息輸入節(jié)點（Key）直接相連，一般情況下，一個完整的哈希組織中最少包含三個完全獨立的輸入節(jié)點成分，且必須分屬于不同的數(shù)據(jù)傳輸模塊之中。數(shù)據(jù)查詢節(jié)點（Node）附屬于流量信息輸入節(jié)點下部，后者可根據(jù)待緩存信息的輸入形式，將數(shù)據(jù)參量轉(zhuǎn)存至既定應(yīng)用模塊中，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)固有延遲時間的有效控制[9-10]。緩存系統(tǒng)并不會對空節(jié)點數(shù)量級水平進(jìn)行嚴(yán)格限制，基本可在1～3個之間保持變動接入狀態(tài)。圖3為一致性哈希處理原理示意圖。

圖3 一致性哈希處理原理

2.2 多級服務(wù)器緩存

多級服務(wù)器緩存是處理低功耗有損網(wǎng)絡(luò)中流量預(yù)測信息間調(diào)度關(guān)系的必要處理流程，分為網(wǎng)絡(luò)緩存、應(yīng)用端緩存以及客戶端緩存三個環(huán)節(jié)[11-12]。其中：網(wǎng)絡(luò)緩存可根據(jù)流量預(yù)測主機(jī)的實際執(zhí)行能力，確定待緩存數(shù)據(jù)可至的實際傳輸范圍；應(yīng)用端緩存具備較強(qiáng)的信息讀取能力，可有效解決流量預(yù)測指令實施過程中的數(shù)據(jù)處理瓶頸，從而緩解因信息過度累積而造成的網(wǎng)絡(luò)擁堵情況[13]；客戶端緩存的執(zhí)行能力最強(qiáng)，可直接以系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫作為應(yīng)用操作對象，在調(diào)整已存儲信息參量的同時，將待緩存的信息結(jié)構(gòu)體整合成數(shù)據(jù)包應(yīng)用形式，進(jìn)而解決因節(jié)點過量占據(jù)而造成的功耗利用率過大的問題。圖4為多級服務(wù)器緩存處理流程圖。

圖4 多級服務(wù)器緩存處理流程圖

2.3 緩存置換策略

緩存置換策略是基于流量預(yù)測低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)設(shè)計的末尾處理環(huán)節(jié)，可在已知多級服務(wù)器緩存目標(biāo)的同時，確定系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的實際存儲能力，從而縮短流量預(yù)測信息在系統(tǒng)中的傳輸消耗時長[14-15]。假設(shè)λ代表與流量預(yù)測信息相關(guān)的數(shù)據(jù)緩存系數(shù)，在既定的數(shù)據(jù)緩存周期內(nèi)，該項物理指標(biāo)的數(shù)量級水平可直接影響最終的置換策略行為。pˉ代表階段性時間內(nèi)低功耗有損網(wǎng)絡(luò)所承擔(dān)的緩存數(shù)據(jù)信息均值，一般情況下，該項物理指標(biāo)的表現(xiàn)數(shù)值越大，最終計算所得的緩存置換策略應(yīng)用級水平也就越高[16-17]。聯(lián)立上述物理量，可將系統(tǒng)緩存置換策略表示為：

式中：f代表與流量預(yù)測信息相關(guān)的數(shù)據(jù)信號存儲權(quán)限；β代表網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息的低功耗執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)；y代表信息傳輸周期。在流量預(yù)測理論的支持下，實現(xiàn)低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 系統(tǒng)應(yīng)用能力檢測

為驗證基于流量預(yù)測低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值，設(shè)計如下對比實驗。在客戶端主機(jī)周圍設(shè)置多臺網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)設(shè)備，利用數(shù)據(jù)對抗性原理，將其設(shè)計成星型連接形式。實驗組主機(jī)搭載基于流量預(yù)測的低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)，對照組主機(jī)搭載Redis型信息緩存系統(tǒng)，將實驗組控制主機(jī)、對照組控制主機(jī)同時接入星型應(yīng)用體系中，在既定實驗時間內(nèi)，分析各項實驗指標(biāo)的具體變化情況。

網(wǎng)絡(luò)固有延遲、流量數(shù)據(jù)信息總量均能反映緩存處理主機(jī)所具有的數(shù)據(jù)調(diào)配能力，一般情況下，延遲時間越短、數(shù)據(jù)信息總量越大，緩存處理主機(jī)的數(shù)據(jù)調(diào)配能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。實驗結(jié)果詳情如表2，表3所示。

表3 流量數(shù)據(jù)信息總量對比 ×1011 TB

分析表2可知，隨著緩存信息總量的增大，實驗組網(wǎng)絡(luò)固有延遲時間呈現(xiàn)先上升再穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值達(dá)到4.99 ms，且在緩存信息總量處于7.0×109～9.0×109TB之間時，該數(shù)值結(jié)果始終保持不變。對照組網(wǎng)絡(luò)固有延遲時間則保持兩端上升中間穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值達(dá)到7.41 ms，網(wǎng)絡(luò)固有延遲時間始終高于實驗組水平。綜上可知，隨著基于流量預(yù)測節(jié)點緩存系統(tǒng)的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)固有延遲時間得到了有效控制，可大幅增強(qiáng)緩存處理主機(jī)所具有的數(shù)據(jù)調(diào)配能力。

表2 網(wǎng)絡(luò)固有延遲對比 ms

分析表3可知，若以15 min作為一個單位時長，隨著實驗次數(shù)的增加，實驗組流量數(shù)據(jù)信息總量始終保持持續(xù)性上升的變化趨勢，全局最大值達(dá)到8.20×1011TB。對照組流量數(shù)據(jù)信息總量則在小幅下降趨勢后，開始逐漸趨于穩(wěn)定，全局最大值僅能達(dá)到5.33×1011TB，遠(yuǎn)低于實驗組極值水平。綜上可知，隨著基于流量預(yù)測節(jié)點緩存系統(tǒng)的應(yīng)用，單位時間內(nèi)的流量數(shù)據(jù)信息總量不斷提升，可對緩存處理主機(jī)所具有的數(shù)據(jù)調(diào)配能力起到適當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)作用。

4 結(jié)語

在流量預(yù)測原理的作用下，低功耗有損網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緩存系統(tǒng)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)緩存拓?fù)淇蚣?、通信協(xié)作器與文檔替換器，在建立一致性哈希算法的同時，維持多級服務(wù)器的緩存應(yīng)用關(guān)系，再借助緩存置換策略，實現(xiàn)對基本網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的維護(hù)。對比實驗結(jié)果顯示，與Redis型信息緩存系統(tǒng)相比，新型緩存系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)固有延遲時間更短，而單位時間內(nèi)可存儲的流量數(shù)據(jù)信息總量卻更大，可有效解決因Internet用戶數(shù)量遞增而造成的網(wǎng)絡(luò)固有延遲增加的問題，實現(xiàn)對流量數(shù)據(jù)信息的及時緩存處理。