CDN網絡應用的ISP接入網中的流量緩存分析

姜妮

摘要：分析了接入網和回程網得到流量的各種屬性，并定義了流量監控的關鍵性能，以推斷出采用CDN網絡來減少流量的潛能。基于這些研究和、CCN技術的微型CDN網絡應用，以減少ISP基礎設施內的冗余網絡流量同時提高用戶的QoS。并提出設計CDN網絡的內存要求，定義了流量監控的關鍵性能，比如內容的流行度，請求的可緩存性，緩存消耗的性能指標等，并建立了較為準確的分析模型，可供今后設計CCN網絡作為參考，這在工程應用中具有很大的實用價值。

關鍵詞：流量;緩存;CDN網絡;

一、設計理由

信息產業經過多年的高速發展，經歷了計算機、互聯網與移動通信網兩次浪潮，物聯網被稱為世界信息產業第三次浪潮，代表了下一代信息發展技術，被世界各國當作應對國際金融危機、振興經濟的重點技術領域。物聯網是現代信息技術發展到一定階段后出現的一種聚合性應用與技術提升，將各種感知技術、現代網絡技術和人工智能與自動化技術聚合與集成應用，使人與物智慧對話，創造一個智慧的世界。

通常，緩存的命中率和跳數是以網絡為中心的重要性能參數。在我們的CDN網絡中，我們要清楚ISP實際網絡中流量的內容屬性以及數學模型和網絡流量分析的數學模型是與信息內容的緩存大小以及安裝位置對于接入網以及回程網的流量有關。基于興趣的訪問控制（IBAC）是一種替代技術，它是基于利益的名字模糊和授權的公開。 在竊聽者的監聽下模糊名稱，隱藏興趣目標。每一個路由器都維護著一個高速緩存，這以特性能使路由器滿足興趣的特點，就減少了端到端信息的延遲和請求，為整個網絡的內容請求節省了相應的帶寬。

在NDN（命名數據網絡）中，內容是從網絡緩存器中根據其名字檢索，這導致在內容完整性上出現了嚴重的安全隱患。尤其是如果有毒的內容處于網絡緩存器（CS）中，感興趣的內容將會送達到有毒內容而不是內容服務器。因此，用戶無法將利益通過已經被污染的內容存儲庫（CS）獲得有效內容。為了解決這個問題，每個內容都需要在插入到CS之前進行檢驗。然而，這種內置檢驗機制并不是一個實際的方法，因為其耗費了巨大的計算負荷。

二、設計原理

通過緩存穩定的VIP算法可以有效的降低緩存數據在網絡中的流轉量，在這個方案中緩存內容處于穩定的狀態，不會頻繁的循環于網絡中，雖然這種算法在虛擬平臺中不是最佳方案，但是在實際平臺中能夠產生顯著的增益。

CDN網絡由以前的IP結構的網絡改到以內容為中心的網絡結構框架，新的網絡結構可以支持IBAC的訪問控制策略。同時，網絡建立了一個互信機制，其中路由器具有驗證功能，可以驗證用戶是否有權利訪問各個節點上緩存的內容。

通過計算節點中的VIP的流速和緩存的比率，外加特定一定的算法，控制當前節點的緩存數據轉移到其它節點和緩存其它節點的數據來有效的實現因為網絡緩存冗余的問題以達到最佳的網絡性能。

VIP架構的NDN網絡利用虛擬平臺與實際平臺相結合，在虛擬平臺上采用針對VIP的算法來計算出VIP的活躍度和隊列長度，通過VIP的活躍度和隊列長度來分配控制實際平臺的數據的轉發和緩存。

VIP架構的NDN網絡具有極低的網絡延遲和優異的緩存命中率在新興的信息中心網絡的應用中能夠有效的提高網絡質量，減少網絡擁堵，提高網絡服務效率。使用CDN的獨特轉發層來提高終端用戶體驗質量和減少終端訪問成本和功耗。

三、設計思路

考慮向服務器請求的固定路由情況和現在的鏈路擁塞情況，提出一個感知緩存策略，提出了緩存的定義 ，Nr表示給定時間段內對象被請求的次數，No表示觀察到的不同對象數量（目錄的基數）。

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

核心緩存指數據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。對于路由器來說，這種緩存存儲負擔重，邊緣緩存將信息存儲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，得知，如果T >> χαg ，同時1/g =λcσαΓ（1-1/α）α ，則高速緩存對于一個流行度排名κ位的對象的命中率大小為{-λqκgχα}。以此再根據內容流行度的分布函數以及對象目錄，就可以估算出所有內容的可緩存率，以及緩存大小的需求。通過在ISP接入網中實際實驗測試，證明了CCN技術對于網絡流量的降低有明顯的作用。

四、結論與思考

論文中提出的流量分析方法貼近實際，建立的數據模型清晰簡單，對于緩存和流量的關系能夠通過數學模型進行分析估計，并且有較高的準確度，這對于將CCN技術推廣到其它接入網時非常有意義，比如緩存大小的設計，緩存投資與線路流量節約的估算分析等。論文中對于緩存的分析僅限于在傳統IP網絡中增加緩存，與后期的ICN或者DDN技術有很大的不同，這種技術本身只是一種過渡技術，另外雖然加入緩存確實降低了數據流量，但接入網的覆蓋范圍有限，用戶的請求和返回流量方向相對簡單，將此技術大范圍推廣還是存在很大異議。

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