Page 340 - 《软件学报》2021年第9期

2964 Journal of Software 软件学报 Vol.32, No.9, September 2021

with the popularity filtering and routing mechanism, this scheme reduces cache redundancy and optimizes cache location. Finally,
simulation experiments based on real network topology show that CSTC has doubled the number of cached secondary popular content.
The cache hit ratio has increased by nearly 50%, and the average round-trip hop count is superior to the existing on-path caching method
in most cases.
Key words: information-centric networking; content-centric network; in-network caching; caching; collaborative caching

现行的以 TCP/IP 为基础的互联网体系结构设计之初是为了解决计算机间点对点的通信需求,然而随着互
联网规模和业务类型的爆炸式增长,互联网出现了许多新的问题,内容的高效传输、移动性和安全性等问题亟
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待解决 .互联网的主流应用模式逐渐转变为以视频分发、文件下载为代表的信息获取服务 .为了有效解决以
IP 为中心的网络体系架构在新时代下所存在的各种问题,近年来,一些以信息为中心的互联网体系架构被提出,
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这种架构即为信息中心网络(information-centric networking,简称 ICN) .
ICN 的本质是要将网络通信模式从当前的以位置为中心转变为以信息为中心,即实现位置(服务器/主机的
IP 地址)到内容(用户/应用关心的信息)的转变.这就要求 ICN 中的节点拥有一定的缓存能力,使得用户需要获取
信息时,不再向信息源所在的主机地址进行请求,而是直接基于内容标识向网络发起请求.在 ICN 中,缓存呈现泛
在化的新特性,网络内任意节点具有缓存能力,以此来缓和服务器的压力,减少网络中的流量,降低用户的访问
延迟.
缓存策略是实现 ICN 网络潜在优势的关键技术,得到了学术界的广泛关注.然而,针对如何有效利用缓存资
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源、提升网络性能的问题,目前并未达成广泛共识 .Psaras 和 Dabirmoghaddam 等人认为:应尽量将内容缓存
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在网络边缘位置,以靠近用户降低访问延迟.Rossi 等人 则认为:只有将内容缓存在网络中心,才能保证单位缓
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存的复用效率,提高网络缓存的利用率.Wang ,Li 等人主张通过显示协作方式增加缓存多样性,提升缓存整体
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效用.而 Zhang ,Gill 等人则认为:显示协作方式需要频繁地交换信息与计算开销,这将给以线性速度为要求的
高速信息中心网络带来了新的性能瓶颈.当前,对 ICN 网络化缓存的研究还处于起步阶段,现有各种方案大都
只侧重某单一方面的性能提升.各缓存策略在缓存内容的多样性和可用性等方面仍有很大的提升空间.
许多研究表明:网络中内容的热度服从 Zipf 分布 [10] ,多数请求往往只集中在少数热门内容上,请求最多的内
容称为最热门内容,其次是次热门内容,剩余长尾热度的内容为非热门内容.通过前期大量的仿真实验,我们发
现:现有各种方案在达到稳态时,缓存空间仍被大量非热门内容占据,已缓存的内容往往是最热门内容,次热门
内容难以稳定缓存,缓存的利用率仍比较低.为提高缓存的利用率,我们希望能够尽可能合理利用缓存空间,稳
定缓存更多次热门内容;同时,为了降低延迟,最热门内容也应适度冗余.通过对仿真实验结果的比对与分析,我
们发现:理想状态下,最热门内容应适度冗余在网络边缘节点,次热门内容稳定缓存并呈现多样性.
针对现有 ICN 网络化缓存利用率较低和缓存位置缺乏合理规划的问题,本文提出了一种基于两级缓存的
协同缓存机制(a cache coordination scheme based on two-level cache,简称 CSTC).主要贡献包括:
1) 提出一种分级缓存框架,将每个节点的缓存空间分为 RawCache 和 HashCache 两部分:针对 RawCache,
各节点基于本地热度感知进行独立缓存决策;针对 HashCache,通过哈希机制构成域内多节点间协作,
实现了域内热度的分布感知及决策,为不同层次的热度内容提供不同的缓存策略;
2) 在此框架下,提出了热度筛选机制与路由策略,以实现缓存协作.基于内容热度优化了缓存位置,降低
了缓存的冗余,增大了域内稳定缓存内容的数量,从而提高缓存命中率,降低用户请求响应时间;
3) 通过仿真实验与现有 5 种主要的 ICN 缓存策略进行了性能比较,并进一步分析了内容热度分布、缓
存大小等因素对各缓存策略性能的影响.实验结果表明:CSTC 将次热门内容缓存数量提升了 2 倍;缓
存内容数量的增加及缓存位置的优化使得命中率大幅提升,在缓存空间有限的情况下,即使与以高命
中率为优势的哈希缓存策略相比,CSTC 最高可将命中率提升 45.4%;同时,CSTC 有效降低了用户请求
的响应时间,多数情况下,平均请求响应往返跳数优于现有主要的 5 种缓存策略.
本文第 1 节对相关研究工作进行介绍,并分析了现有 ICN 缓存策略的问题所在.第 2 节详细介绍基于两级
缓存的协同缓存机制的运行过程.第 3 节通过仿真实验,从缓存分布、请求命中率等方面对方案进行定量评价.