CDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的ISP接入網(wǎng)中的流量緩存分析

姜妮

摘要：分析了接入網(wǎng)和回程網(wǎng)得到流量的各種屬性，并定義了流量監(jiān)控的關(guān)鍵性能，以推斷出采用CDN網(wǎng)絡(luò)來(lái)減少流量的潛能?；谶@些研究和、CCN技術(shù)的微型CDN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，以減少ISP基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)的冗余網(wǎng)絡(luò)流量同時(shí)提高用戶的QoS。并提出設(shè)計(jì)CDN網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)存要求，定義了流量監(jiān)控的關(guān)鍵性能，比如內(nèi)容的流行度，請(qǐng)求的可緩存性，緩存消耗的性能指標(biāo)等，并建立了較為準(zhǔn)確的分析模型，可供今后設(shè)計(jì)CCN網(wǎng)絡(luò)作為參考，這在工程應(yīng)用中具有很大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：流量;緩存;CDN網(wǎng)絡(luò);

一、設(shè)計(jì)理由

信息產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)多年的高速發(fā)展，經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)兩次浪潮，物聯(lián)網(wǎng)被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)，被世界各國(guó)當(dāng)作應(yīng)對(duì)國(guó)際金融危機(jī)、振興經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合性應(yīng)用與技術(shù)提升，將各種感知技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和人工智能與自動(dòng)化技術(shù)聚合與集成應(yīng)用，使人與物智慧對(duì)話，創(chuàng)造一個(gè)智慧的世界。

通常，緩存的命中率和跳數(shù)是以網(wǎng)絡(luò)為中心的重要性能參數(shù)。在我們的CDN網(wǎng)絡(luò)中，我們要清楚ISP實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中流量的內(nèi)容屬性以及數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)絡(luò)流量分析的數(shù)學(xué)模型是與信息內(nèi)容的緩存大小以及安裝位置對(duì)于接入網(wǎng)以及回程網(wǎng)的流量有關(guān)?；谂d趣的訪問(wèn)控制（IBAC）是一種替代技術(shù)，它是基于利益的名字模糊和授權(quán)的公開。 在竊聽(tīng)者的監(jiān)聽(tīng)下模糊名稱，隱藏興趣目標(biāo)。每一個(gè)路由器都維護(hù)著一個(gè)高速緩存，這以特性能使路由器滿足興趣的特點(diǎn)，就減少了端到端信息的延遲和請(qǐng)求，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容請(qǐng)求節(jié)省了相應(yīng)的帶寬。

在NDN（命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）中，內(nèi)容是從網(wǎng)絡(luò)緩存器中根據(jù)其名字檢索，這導(dǎo)致在內(nèi)容完整性上出現(xiàn)了嚴(yán)重的安全隱患。尤其是如果有毒的內(nèi)容處于網(wǎng)絡(luò)緩存器（CS）中，感興趣的內(nèi)容將會(huì)送達(dá)到有毒內(nèi)容而不是內(nèi)容服務(wù)器。因此，用戶無(wú)法將利益通過(guò)已經(jīng)被污染的內(nèi)容存儲(chǔ)庫(kù)（CS）獲得有效內(nèi)容。為了解決這個(gè)問(wèn)題，每個(gè)內(nèi)容都需要在插入到CS之前進(jìn)行檢驗(yàn)。然而，這種內(nèi)置檢驗(yàn)機(jī)制并不是一個(gè)實(shí)際的方法，因?yàn)槠浜馁M(fèi)了巨大的計(jì)算負(fù)荷。

二、設(shè)計(jì)原理

通過(guò)緩存穩(wěn)定的VIP算法可以有效的降低緩存數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的流轉(zhuǎn)量，在這個(gè)方案中緩存內(nèi)容處于穩(wěn)定的狀態(tài)，不會(huì)頻繁的循環(huán)于網(wǎng)絡(luò)中，雖然這種算法在虛擬平臺(tái)中不是最佳方案，但是在實(shí)際平臺(tái)中能夠產(chǎn)生顯著的增益。

CDN網(wǎng)絡(luò)由以前的IP結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)改到以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架，新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以支持IBAC的訪問(wèn)控制策略。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)建立了一個(gè)互信機(jī)制，其中路由器具有驗(yàn)證功能，可以驗(yàn)證用戶是否有權(quán)利訪問(wèn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)上緩存的內(nèi)容。

通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)中的VIP的流速和緩存的比率，外加特定一定的算法，控制當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的緩存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到其它節(jié)點(diǎn)和緩存其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)有效的實(shí)現(xiàn)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)緩存冗余的問(wèn)題以達(dá)到最佳的網(wǎng)絡(luò)性能。

VIP架構(gòu)的NDN網(wǎng)絡(luò)利用虛擬平臺(tái)與實(shí)際平臺(tái)相結(jié)合，在虛擬平臺(tái)上采用針對(duì)VIP的算法來(lái)計(jì)算出VIP的活躍度和隊(duì)列長(zhǎng)度，通過(guò)VIP的活躍度和隊(duì)列長(zhǎng)度來(lái)分配控制實(shí)際平臺(tái)的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和緩存。

VIP架構(gòu)的NDN網(wǎng)絡(luò)具有極低的網(wǎng)絡(luò)延遲和優(yōu)異的緩存命中率在新興的信息中心網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中能夠有效的提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，減少網(wǎng)絡(luò)擁堵，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效率。使用CDN的獨(dú)特轉(zhuǎn)發(fā)層來(lái)提高終端用戶體驗(yàn)質(zhì)量和減少終端訪問(wèn)成本和功耗。

三、設(shè)計(jì)思路

考慮向服務(wù)器請(qǐng)求的固定路由情況和現(xiàn)在的鏈路擁塞情況，提出一個(gè)感知緩存策略，提出了緩存的定義 ，Nr表示給定時(shí)間段內(nèi)對(duì)象被請(qǐng)求的次數(shù)，No表示觀察到的不同對(duì)象數(shù)量（目錄的基數(shù)）。

將時(shí)間軸分解為以下尺寸的窗口T > 0，然后假設(shè)任意時(shí)間窗口Wi， Wi = （iT; iT + T）， 對(duì)內(nèi)容目錄中的對(duì)象Ai的請(qǐng)求符合泊松分布，頻率為λ，對(duì)于所有i有Ai∩Aj = ?，j ： i ≠ j。對(duì)象的平均大小為σ字節(jié)，Ai符合Zipf定律，參數(shù)為α，N。比如一個(gè)內(nèi)容項(xiàng)目被請(qǐng)求率排名κ，則它的被請(qǐng)求概率為qκ= cκ-α， κ∈{1，…，N}，∣Ai∣ = N.

核心緩存指數(shù)據(jù)信息緩存位置以核心路由為主，邊緣路由盡可能減少緩存信息。對(duì)于路由器來(lái)說(shuō)，這種緩存存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)重，邊緣緩存將信息存儲(chǔ)在用戶接入的邊緣路由器中，用戶可以直接獲取保存了的信息

使用LRU（最近最少使用算法），若高速緩存大小為χ字節(jié)，得知，如果T >> χαg ，同時(shí)1/g =λcσαΓ（1-1/α）α ，則高速緩存對(duì)于一個(gè)流行度排名κ位的對(duì)象的命中率大小為{-λqκgχα}。以此再根據(jù)內(nèi)容流行度的分布函數(shù)以及對(duì)象目錄，就可以估算出所有內(nèi)容的可緩存率，以及緩存大小的需求。通過(guò)在ISP接入網(wǎng)中實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明了CCN技術(shù)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)流量的降低有明顯的作用。

四、結(jié)論與思考

論文中提出的流量分析方法貼近實(shí)際，建立的數(shù)據(jù)模型清晰簡(jiǎn)單，對(duì)于緩存和流量的關(guān)系能夠通過(guò)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析估計(jì)，并且有較高的準(zhǔn)確度，這對(duì)于將CCN技術(shù)推廣到其它接入網(wǎng)時(shí)非常有意義，比如緩存大小的設(shè)計(jì)，緩存投資與線路流量節(jié)約的估算分析等。論文中對(duì)于緩存的分析僅限于在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中增加緩存，與后期的ICN或者DDN技術(shù)有很大的不同，這種技術(shù)本身只是一種過(guò)渡技術(shù)，另外雖然加入緩存確實(shí)降低了數(shù)據(jù)流量，但接入網(wǎng)的覆蓋范圍有限，用戶的請(qǐng)求和返回流量方向相對(duì)簡(jiǎn)單，將此技術(shù)大范圍推廣還是存在很大異議。

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