論文：對未來(lái)網(wǎng)絡(luò )中CCN的緩存策略的研究
引言
隨著(zhù)傳統TCP /IP 網(wǎng)絡(luò )諸多弊端的暴露，以?xún)热轂橹行牡木W(wǎng)絡(luò )( Content-Centric Network，CCN)作為一種新型網(wǎng)絡(luò )架構，已經(jīng)成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò )的研究熱點(diǎn)。CCN 將內容置于首要地位，不再關(guān)心內容的存儲位置，而僅關(guān)心內容本身，內容的來(lái)源可以是網(wǎng)絡(luò )中的內容服務(wù)器，也可以是任意網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中的緩存。當用戶(hù)需要獲取內容時(shí)，首先作為內容請求者，向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送內容請求，然后根據CCN 的轉發(fā)策略，對內容請求進(jìn)行逐跳轉發(fā)，任何能夠響應內容請求的節點(diǎn)或內容服務(wù)器都可以沿著(zhù)內容請求的方向，直接將內容傳送給請求者，完成信息的傳輸。CCN 網(wǎng)絡(luò )采用了分布式的內容緩存機制，允許節點(diǎn)對傳輸的內容進(jìn)行緩存。盡管緩存技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于計算機網(wǎng)絡(luò )領(lǐng)域，但考慮到CCN 中緩存功能的普遍性和通用性，緩存技術(shù)的研究仍存在很多需要解決的問(wèn)題。
目前CCN 緩存技術(shù)的研究主要涉及緩存容量的分配策略、緩存替換策略、緩存利用策略和緩存放置策略，其中緩存放置策略是CCN 緩存研究的核心問(wèn)題。但是當前提出的緩存機制還是有一些問(wèn)題需要解決:首先是緩存無(wú)效，當很多節點(diǎn)上緩存相同的內容時(shí)，有一些節點(diǎn)，比如上游節點(diǎn)上的內容在一段時(shí)間內從未被請求過(guò)，而導致這些緩存一直未發(fā)揮作用，這就叫無(wú)效緩存。這會(huì )導致空間的浪費。其次是相同的緩存內容在某一時(shí)間段內存在于各個(gè)節點(diǎn)，尤其是在熱門(mén)時(shí)間內，各個(gè)節點(diǎn)上都緩存著(zhù)�；谏鲜鰩讉�(gè)基礎方案存在的問(wèn)題，文中提出一種基于內容流行度的動(dòng)態(tài)緩存決定策略�；驹砣缦�:
傳統的LCE 或者LCD 等對任何內容都會(huì )進(jìn)行緩存，而沒(méi)有考慮到內容的流行度，因為有的內容較為流行，需求量較大，而有的內容需求量較小。所以應該盡量多緩存流行度較高的內容，而流行度較低的內容，則盡量少緩存。這樣可以節省資源，并且提高了CCN 的整體表現能力。將這個(gè)策略叫做MPC( Most PopularContent) ，即只緩存流行內容，而不緩存不流行的內容，不緩存不流行的內容可以減少緩存替換時(shí)的負擔，因為緩存的不流行的內容越多，那么當流行的內容被請求時(shí)，不流行的內容就會(huì )被替換下來(lái)( 用LRU 等策略) ，這樣會(huì )增加緩存替換的工作量。
那么流行度怎么定義呢? 筆者定義了一個(gè)流行閾，當一個(gè)內容被請求了一定的次數，而達到了這個(gè)流行閾之后，這個(gè)內容就被稱(chēng)為流行的內容。但是一個(gè)內容可能在一定時(shí)間內請求的節點(diǎn)比較多，但是過(guò)了一段時(shí)間后，漸漸變少了。所以將流行度定義為一定時(shí)間內被請求的次數，這個(gè)時(shí)間定義為統計周期或者是重置時(shí)間。比如，如果統計周期為5 s，當內容o在5 s 內被訂閱了3 次之后，它的流行度就是3。當時(shí)間過(guò)了5 s 之后，它的流行度就需要被重新計數了。所以當內容o 剛剛被發(fā)布時(shí)，訂閱它的節點(diǎn)很多，所以在幾個(gè)統計周期內它的流行度都很高。但是在過(guò)了一段時(shí)間之后，訂閱者逐漸減少。而且每隔一段時(shí)間流行度都需要被清零，所以流行度也就逐漸下降。在每個(gè)節點(diǎn)上，都會(huì )維護著(zhù)一個(gè)流行度表，并且記錄著(zhù)它收到的請求特定內容的興趣包。當一個(gè)內容或者說(shuō)數據包變得流行以后，緩存該內容的節點(diǎn)，會(huì )通知它的相鄰節點(diǎn)，讓它的相鄰節點(diǎn)也緩存這個(gè)內容。但是收到建議后，相鄰節點(diǎn)可以做出選擇，可以緩存這個(gè)內容，也可以不緩存。需要注意的是，內容的流行度不是一直不變的，當一個(gè)內容變成流行內容之后，它可以在一段時(shí)間后變得不流行了，因為用戶(hù)的需求隨時(shí)在變化。
下面根據具體的實(shí)例來(lái)分析基于內容流行度的緩存決策方案所示，在一個(gè)統計周期內，最開(kāi)始在節點(diǎn)D 緩存著(zhù)一個(gè)流行內容d1而節點(diǎn)E 緩存著(zhù)一個(gè)不流行的內容e1，假設為0。當節點(diǎn)A 發(fā)出請求內容e1的.興趣包之后，包括節點(diǎn)A，C，D，E 在內的沿路節點(diǎn)中，e1在流行度表中的流行度都上升了。
也就是說(shuō)，e1在節點(diǎn)A，C，D，E 中的流行度現在已經(jīng)由0 變?yōu)?了。同時(shí)，當節點(diǎn)A 發(fā)出請求內容d1的興趣包之后，包括沿路節點(diǎn)A，C，D 在內的節點(diǎn)，d1在流行度表中的流行度也變?yōu)? 了。接下來(lái)，節點(diǎn)B 請求內容d1，則在節點(diǎn)C 和D 中，d1的流行度變成了2。最后C 請求內容d1，那么在節點(diǎn)C 和D 中，內容d1的流行度也就變成了3。在這里把閾值設置為3，即流行度大于等于3 的內容會(huì )被緩存。此時(shí)，節點(diǎn)D 是唯一緩存內容d1的節點(diǎn)，D 向它的相鄰節點(diǎn)E 和C 發(fā)送消息，告訴它們，可以緩存內容d1。至于是否緩存，還要看節點(diǎn)C和E 的緩存能力。因為每個(gè)節點(diǎn)中，另外維護了兩個(gè)參數，最大緩存數和應當緩存數目，當緩存能力足夠時(shí)，就會(huì )緩存內容d1。所以當E 和C 緩存了d1之后，比如當節點(diǎn)A 請求內容d1時(shí)，就會(huì )直接從節點(diǎn)C 處獲取，而不是節點(diǎn)D
結束語(yǔ)
為了分析研究CCN 網(wǎng)絡(luò )的緩存決定策略，文中分析研究了幾種基本的緩存決定策略，如LCE、LCD 等，得出了它們存在的缺點(diǎn)和不足，比如無(wú)效緩存、冗余度高等等。在此基礎上提出了一種基于內容流行度的緩存決定策略，將內容流行度引入了緩存決策分析。經(jīng)過(guò)仿真分析，基于內容流行度的緩存決策在緩存效率上遠遠優(yōu)于簡(jiǎn)單的LCE 緩存決策。展望未來(lái)，還有很多地方值得研究，比如將MPC 推動(dòng)到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中去，還可以利用節點(diǎn)之間的帶寬來(lái)?yè)Q取緩存效率的思想。
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