概率緩存策略的網絡傳輸機制研究

常 珞，薛 念

（河南醫學高等專科學校 河南 鄭州451191）

概率緩存策略的網絡傳輸機制研究

常 珞，薛 念

（河南醫學高等專科學校 河南 鄭州451191）

針對網絡傳輸過程中數據資源以高流行度緩存在路由器內，以提高資源獲取的傳輸效率和資源利用率的問題。本研究考慮網絡拓撲對緩存的影響，利用網絡傳輸過程中固定時間段內資源流行度的差異性，結合資源本身的收益因素，提出一種基于概率緩存策略PCS（Probabilistic Caching strategy）的網絡傳輸機制。通過該資源數據請求路徑進行概率緩存，以提高網絡傳輸過程中的緩存性能。仿真表明該緩存策略有效地避免了非熱門內容的不必要緩存，當緩存容量5%時，平均命中率可達25%，平均跳數僅為3.42，有利于網絡傳輸整體性能的提升。

概率緩存；網絡傳輸；資源價值；流行度；緩存命中率；平均跳數

近年來，隨著網絡設備的普及，用戶對數據資源的使用需求日益增長[1]。與此同時，IP網絡規模指數式增長而帶來的對網絡管理和維護的迫切需求[2]，研究數據資源緩存是資源共享網絡傳輸研究中的一個關鍵技術[3]，也是面向未來網絡研究領域的熱點問題[4]。資源緩存是網絡傳輸中的重要特征，對于提升用戶訪問共享資源的性能具有重要影響[5]。共享資源下的網絡傳輸旨在利用內置緩存提高資源獲取的傳輸效率和網絡資源的利用率[6]，在網絡傳輸過程中，通過分布式的內容緩存機制[7]，允許節點路由器對傳輸的資源進行緩存，這樣Interest請求就不會再被轉發到遠處的數據資源[8]，從而不必每次都從源獲取資源，提高資源傳輸效率，使得網絡傳輸能夠有效地支持內容業務。

本研究考慮網絡拓撲對緩存的影響，利用網絡傳輸過程中固定時間段內資源流行度的差異性，結合資源本身的收益因素，提出一種基于概率緩存策略PCS（Probabilistic Caching strategy）的網絡傳輸機制。在用戶發送資源請求沿原路徑返回時，由資源收益因素得到符合的高流行度資源，再由資源數據包沿請求路徑返回時進行概率緩存，避免非流行資源的不必要緩存，因此，提高網絡傳輸過程中的緩存性能。

1 網絡傳輸的資源緩存與價值

1.1 資源緩存

在網絡傳輸過程中進行資源緩存設計，需要遵循兩個基本原則：1）為了減小海量用戶的下載平均時延，需要將流行度高的內容緩存到邊緣節點以提高網絡資源整體利用率[9]；2）為了盡量使得用戶請求由同一資源運營商提供的緩存節點，需要提高整個網絡緩存系統的緩存多樣性，從而大幅降低域間流量[10]。PCS在共享資源的基礎上，依據內容的流行度，在內容返回的路徑上，將滿足高流行度的共享資源價值約束條件下，概率地緩存在靠近邊緣的路由器上。通過有效地數據緩存，充分利用路由器的緩存空間，減小了網內緩存冗余，提高的網絡傳輸效率[11]。

假設在網絡傳輸過程中緩存時間t0為0時，且緩存過程中節點V1至V7的緩存空間均為空。在一段時間T中，用戶A至D分別對資源f1進行訪問請求操作，同時用戶B和C也對資源f2進行了請求操作。假設資源f1和f2滿足共享資源條件，則資源f1和f2返回的路徑上進行節點緩存。如何有效地將資源緩存到適當的路由器上，同時減少資源內容的緩存冗余，是研究的關鍵問題。在資源返回的路徑上，節點V2和V4的介數最大，同時資源f1和f2分別緩存在V2和V4也最為合適。PCS結合了節點的介數和共享資源的流行度，通過預判路由器節點的介數，將流行度高的資源緩存在靠近用戶的邊緣節點上[12]。這種方法使得滿足共享資源價值約束條件的不同熱度的內容以合理的概率緩存到不同的介數路由節點上，從而節省了路由器節點的緩存資源，高中介度節點的緩存次數減少，緩存副本在緩存中的存儲時間增大，命中率提高。拓撲結構如圖1所示的。

圖1 網絡緩存的傳輸拓撲模型

1.2 共享資源價值

PCS在網絡傳輸過程中，資源緩存與否的先決條件是該內容是否滿足資源共享價值因素[13]。資源的流行度越高，代表了對該資源請求的用戶越多，對此從該內容獲取的價值因素也就越大，同時路由器緩存該資源的概率也就越大。PCS聯合考慮了資源訪問請求價值和資源存儲成本進行了價值因素的設計。

假設資源k首次與第Tik次經過路由器vi的時間分別為Ti0（k）與Ti1（k）。資源k自Ti0（k）以來經過路由器vi的總次數為fik，即資源k被用戶訪問請求的總次數。當路由器效益等于緩存成本時，得到用戶資源請求總次數的閥值，然后路由器根據這個閥值來決定是否緩存該資源，在Ti0（k）到 Ti1（k）時間內，路由器vi緩存資源k的成本Cik如下[14]：

其中，Dk經過路由器的資源k的大小，路由器vi每秒緩存每比特資源的成本為pic，表示用戶每次下載緩存資源k時，路由器vi獲得的效益，則效益Sik為：

其中，當Sik=Cik時，路由器vi決定是否緩存該資源k：

當請求資源k的總次數fik滿足（3）式時k，路由器緩存資源，否則不緩存。

2 概率緩存策略（PCS）

2.1 概率緩存

在一段時間T內，PCS是用戶對資源訪問請求的統計，得到滿足共享資源訪問條件的高流行度資源，從而進行重要路由節點的概率緩存[15]。即多個用戶發送資源k的訪問請求，對資源i請求經過節點時，進行次數統計和資源價值評估，當資源i滿總價值提升標準時，記錄當前節點在請求路徑L上的位置vik，并添加到訪問請求記錄中，同時將訪問請求記錄中的變量cnt加1，初始值為0。當再次得到滿足價值條件的節點時，和上次操作一樣將該節點的位置添加到訪問請求記錄中，并使cnt加1。

訪問請求記錄命中緩存節點時，將訪問請求中所記錄的節點位置和變量cnt依次添加到數據包中。當數據包經過滿足收益需求的節點時，以概率P進行內容緩存，同時將該節點的位置信息從數據包剔除。

其中i為一個計數器，每當經過一個滿足收益標準的節點是，i值加1。因此，高流行度的內容以更高的概率緩存至用戶邊緣節點。

2.2 性能評價

文中的緩存目標是為了提高用戶請求資源的命中率和網絡的傳輸效率，為了更好的反映PCS的性能，需要測量緩存命中率和平均跳數作為性能評價指標。

平均跳數反映了內容緩存的節點與用戶節點之間接近程度，平均跳數值越小，反映資源緩存的節點越接近用戶節點，大量的用戶請求可以靠近邊緣獲取資源，減輕了資源服務器的負載，與之相應的的網絡傳輸開銷較小，帶寬消耗降低，有利于提高網絡傳輸資源的利用率。假設hi（t）表示時間t-1到時間t內用戶資源訪問請求到資源節點的路由跳數。則平均跳數為：

3 仿真和性能分析

3.1 仿真環境

為了驗證概率緩存在網絡傳輸過程中是否能夠達到預期的效果，利用ndnSIM仿真平臺進行了資源中心網絡仿真環境的搭建，對提出的策略進行了仿真驗證。同時參考現有網絡傳輸中的LCE緩存策略和Prob緩存策略，結合LRU緩存替換策略[16]，在ndnSIM仿真平臺中，對上述策略的緩存性能進行了比較評估。

由于真實環境中的網絡拓撲是不規則的，因此，文中采用ER隨機拓撲圖，網絡節點數量為100個，節點均具備緩存能力。節點分為3類：用戶節點、服務器節點和中間節點。為了便于仿真，網絡傳輸過程中假設所有的節點都使用相同介質SSD，即路由器緩存資源的成本為Pic=0.003。網絡傳輸過程中總的內容文件數M=1 000個，資源熱門度模型滿足參數α=0.8的Zipf分布。資源訪問請求由用戶節點發出，節點請求的頻率服從λ=10req/s的泊松分布。為了便于性能分析，文中采用單徑路由進行緩存策略仿真。

3.2 仿真結果

網絡傳輸仿真中，所有路由器的CS總容量是全部內容大小的1%，2%，3%，4%，5%，請求轉發方式選擇洪泛模式。每個CS都執行PC、LCE和Prob（0.8）存儲策略的比較。當緩存空間已滿時，使用平臺自帶的LRU替換策略，仿真時間為200 s。平均命中率如圖2所示。

圖2 平均命中率

在圖2中可以出，3種緩存策略的系統性能均隨著網絡節點緩存資源的增大而上升。在緩存資源較小時，節點緩存的內容較少，用戶請求必須到源服務器才內容發生命中，故節點 的命中率較低。隨著緩存資源美女的增大，路由器節點緩存的資源種類越多，因此服務器緩存節點的請求命中率增高。文中PCS呈現出比LCE與Prob（0.8）更加優越的性能，LCE策略處處緩存造成網絡的緩存冗余度過高，Prob（0.8）緩存沒有考慮到資源的流行度，造成不流行的資源被緩存了。PCS緩存策略提高了高流行度資源模塊的緩存命中率，當網內緩存資源占資源總數的3%時，3種方案的命中率最高，這是因為PCS避免了LCE策略中高流行度資源的頻繁替換，保證了高流行度的資源緩存至離用戶最近的路由節點，從而大量減少源服 務器的負載和平均訪問跳數，平均跳數如圖3所示。

可從圖3顯示出，與LCE和prob（p）方案相比，PCS機制減少了用戶獲取資源的距離，保證了用戶請求能夠較快的獲取獲取，減小了用戶獲取資源的平均時延，有利于提高用戶的滿意度。同時，也符合了網絡傳輸將流行度高的資源推送至用戶邊緣區域的準則，提高了網絡傳輸的緩存性能。

4 結束語

本研究提出一種基于概率緩存策略（PCS）的網絡傳輸機制，實現了路由節點的緩存資源優化配置，結合網絡拓撲的差異性，將高流行度的資源緩存至用戶接近的邊緣節點上，有效地減少資源在網絡傳輸過程中緩存冗余，提高了網絡傳輸過程中的緩存性能。仿真結果表明，該概率緩存策略可以有效的降低用戶訪問資源的平均時延，且避免非流行資源的不必要緩存，因此，提高網絡傳輸過程中的緩存性能。

圖3 平均跳數

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Research network transport mechanism based on probability caching strategy

CHANG Luo，XUE Nian
（Henan Medical College，Zhengzhou 451191，China）

For network transfer data cache resources to high popularity in the router，access to resources in order to improve the problem of transmission efficiency and resource utilization.In this study，to consider the impact of network topology cache，the use of network resources during transmission fixed period of popularity differences， combined with profit and the resource itself proposed network transmission scheme based on probability caching policy PCS（Probabilistic Caching strategy）of.By request of the resource data path probability cache to improve network transfer performance cache.The simulation shows that the cache policy effectively avoid unnecessary cache non-popular content，when the cache capacity is 5%，the average hit rate of 25%，the average number of hops is only 3.42，in favor of the overall performance of the transmission network upgrade.

probability cache；network transmission；resource value；popularity；cache hit ratio；the average number

TN393

：A

：1674-6236（2017）02-0159-04

2016-04-07稿件編號：201604073

國家自然科學基金（61372180）

常 珞（1975—），男，河南杞縣人，講師。研究方向：計算機科技。