霧網(wǎng)絡(luò)中在線緩存方案設(shè)計(jì)

孫 蓉，鄭慧慧，劉景偉

(1.西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071；2.華僑大學(xué) 廈門市移動(dòng)多媒體通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021；3.中原銀行股份有限公司，河南 鄭州 450000；4.西安電子科技大學(xué) 陜西省區(qū)塊鏈與安全計(jì)算重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

5G網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)部署大量的超密集邊緣設(shè)備，包括基站、無(wú)線接入點(diǎn)(AP)、平板電腦、智能手機(jī)等[1]。越來(lái)越多的設(shè)備產(chǎn)生了很大的數(shù)據(jù)流量，給網(wǎng)絡(luò)造成了很大的壓力，而用戶對(duì)未來(lái)5G通信網(wǎng)絡(luò)的要求也越來(lái)越高。因此，如何在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中快速處理和獲取數(shù)據(jù)，提高用戶體驗(yàn)質(zhì)量尤為重要，這成為部署5G網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。一種有效的方法就是在邊緣設(shè)備附近放置和處理數(shù)據(jù)，以避免不必要的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，減少網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延[2]。與云計(jì)算相比，霧計(jì)算更接近網(wǎng)絡(luò)的邊緣，將云服務(wù)的能力擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)的邊緣[3-4]。霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通過(guò)近距離地為終端用戶提供計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等服務(wù)，有效地降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。編碼緩存作為5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)、提高網(wǎng)絡(luò)性能和能量效率等方面得到了廣泛的關(guān)注[5]。將編碼緩存技術(shù)應(yīng)用于霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)，用戶可以更有效地獲取所需的數(shù)據(jù)。因此，研究霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中邊緣節(jié)點(diǎn)的緩存資源分配，以提高數(shù)據(jù)訪問(wèn)的命中率，減少數(shù)據(jù)訪問(wèn)的時(shí)延，具有十分重要的意義，一直是學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

筆者研究了基于霧計(jì)算網(wǎng)絡(luò)模型的編碼緩存技術(shù)的相關(guān)問(wèn)題。在霧網(wǎng)絡(luò)中，霧節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)都配備了有限容量的緩存。用戶請(qǐng)求的流行內(nèi)容可以由服務(wù)器和霧節(jié)點(diǎn)提供。霧網(wǎng)絡(luò)緩存架構(gòu)可以看成是一個(gè)兩跳網(wǎng)絡(luò)，它解決了緩存資源分配和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，緩存架構(gòu)中的霧節(jié)點(diǎn)被視為中繼節(jié)點(diǎn)。緩存方案的目的是通過(guò)聯(lián)合優(yōu)化放置和交付階段來(lái)滿足每個(gè)用戶的請(qǐng)求，從而最小化網(wǎng)絡(luò)上的最大流量負(fù)載。

MADDAH-ALI[6-7]等提出了兩種編碼緩存方案，即中心化編碼緩存方案和去中心化編碼緩存方案。相對(duì)于傳統(tǒng)緩存技術(shù)，編碼緩存技術(shù)不僅具有本地緩存增益，還具有全局緩存增益。大量的工作進(jìn)一步研究了編碼緩存技術(shù)，如緩存技術(shù)的傳輸性能優(yōu)化問(wèn)題[8-9]，非均勻請(qǐng)求下的緩存內(nèi)容分配問(wèn)題[10-11]，多服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)中文件的分布式存儲(chǔ)問(wèn)題[12-13]。

以上這些工作都是基于離線場(chǎng)景下研究的。在離線緩存中，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的文件不會(huì)改變，中繼和用戶的緩存內(nèi)容也不需要更新。因此在離線場(chǎng)景中，只需要關(guān)心放置階段和交付階段。然而在實(shí)際場(chǎng)景中，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的文件是不斷變化的[14-15]，所以在在線緩存中服務(wù)器文件以及中繼和用戶的緩存內(nèi)容都需要更新。

1 DOER系統(tǒng)模型

在霧網(wǎng)絡(luò)緩存系統(tǒng)中，用戶向云服務(wù)器中的文件發(fā)出請(qǐng)求。該請(qǐng)求信息先經(jīng)過(guò)霧層，由具有計(jì)算和緩存功能的霧節(jié)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行一定的處理。如果霧層不能滿足用戶的需求，則霧層會(huì)把請(qǐng)求信息提交給云層。云服務(wù)器收到請(qǐng)求信息后，將發(fā)送數(shù)據(jù)給霧層，霧節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)發(fā)送給需要的用戶。基于此云霧協(xié)作的緩存系統(tǒng)架構(gòu)，筆者研究了霧網(wǎng)絡(luò)中的編碼緩存技術(shù)。

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

圖1 在線緩存系統(tǒng)模型

1.2 網(wǎng)絡(luò)模型

使用離線場(chǎng)景下的去中心化編碼緩存方案來(lái)設(shè)計(jì)兩跳網(wǎng)絡(luò)的在線緩存方案。將此在線去中心化編碼緩存方案簡(jiǎn)稱為DOER(Decentralized Outdated file Eviction for Random access)方案，系統(tǒng)模型如圖1所示。DOER方案的系統(tǒng)模型由若干個(gè)周期t組成。服務(wù)器在周期t的文件表示為Wt={Wt，1，Wt，2，…，Wt，N}。在每個(gè)周期內(nèi)，新文件Wt，new以概率β到達(dá)服務(wù)器，則概率1-β表示沒(méi)有新文件到達(dá)服務(wù)器。因此，服務(wù)器在周期t的文件Wt與Wt-1、概率β、新文件Wt，new有關(guān)，即新文件到達(dá)時(shí)，服務(wù)器需要更新數(shù)據(jù)庫(kù)中的文件。系統(tǒng)用戶數(shù)量為K。在每個(gè)周期內(nèi)，用戶以概率ω請(qǐng)求服務(wù)器中的文件。用戶在周期t內(nèi)的請(qǐng)求矢量dt={dt，1，dt，2，…，dt，K}。dt，k表示用戶Uk請(qǐng)求文件的索引，即dt，k∈{0，1，…，N}。當(dāng)dt，k∈{1，2，…，N}時(shí)，表示用戶Uk請(qǐng)求文件Wdt，k，稱用戶Uk是活動(dòng)的；當(dāng)dt，k=0時(shí)，表示用戶Uk沒(méi)有請(qǐng)求文件，稱用戶Uk是不活動(dòng)的。在這里，僅考慮服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的文件總數(shù)不小于系統(tǒng)中總的用戶數(shù)量，即N≥K。

2 DOER方案描述

DOER方案主要包含4個(gè)過(guò)程：初始化緩存，文件更新，內(nèi)容交付和緩存更新。

定義Hh表示中繼Lh的緩存內(nèi)容。Zk表示用戶Uk的緩存內(nèi)容。RshB表示從服務(wù)器到中繼Lh的傳輸比特量。RhkB表示從中繼Lh到用戶Uk的傳輸比特量。

2.1 初始化緩存

圖2 文件編碼過(guò)程

2.2 文件更新

在t≥1周期內(nèi)，新的文件Wt，new以概率β到達(dá)服務(wù)器，則Wt，new=φ的概率為1-β。若有新文件Wt，new到達(dá)，則服務(wù)器從原有文件集中隨機(jī)均勻地選擇一個(gè)用新文件Wt，new替換。然后，服務(wù)器將新文件的標(biāo)識(shí)以及被替換文件的索引發(fā)送給中繼和用戶。若沒(méi)有新文件到達(dá)，則t時(shí)刻的文件集Wt=Wt-1。該過(guò)程被稱為服務(wù)器中的文件更新。

2.3 內(nèi)容交付

總的來(lái)說(shuō)，在交付階段活動(dòng)用戶的請(qǐng)求文件被自己局部緩存時(shí)，服務(wù)器可以通過(guò)去中心化編碼緩存方案的編碼多播來(lái)滿足用戶的請(qǐng)求。活動(dòng)用戶的請(qǐng)求文件沒(méi)有被自己局部緩存時(shí)，服務(wù)器通過(guò)發(fā)送文件的編碼包來(lái)滿足用戶的請(qǐng)求。

2.4 緩存更新

在線緩存DOER方案中，新文件到達(dá)服務(wù)器時(shí)，服務(wù)器從原文件集隨機(jī)選擇一個(gè)文件用新到達(dá)的文件進(jìn)行替換。替換完成后，服務(wù)器將新文件的標(biāo)識(shí)和替換文件的索引發(fā)送給中繼和用戶；當(dāng)用戶請(qǐng)求的文件被本地緩存時(shí)，服務(wù)器根據(jù)去中心化編碼緩存方案的交付階段發(fā)送多播信息給中繼，中繼將接收到的編碼信號(hào)和本地局部緩存內(nèi)容發(fā)送給連接的用戶。當(dāng)用戶請(qǐng)求的文件沒(méi)有被本地緩存時(shí)，服務(wù)器將發(fā)送請(qǐng)求文件的編碼包給中繼，中繼將接收到的編碼包發(fā)送給用戶。然后，中繼和用戶用接收到的新文件的編碼包替換從服務(wù)器剔除的文件的局部?jī)?nèi)容。這樣，保證了服務(wù)器中的文件與中繼和用戶的緩存的文件總是保持一致。

3 性能分析

筆者分析在最壞情況下的在線緩存DOER方案的傳輸性能。首先看服務(wù)器中沒(méi)有新文件到達(dá)，用戶請(qǐng)求的內(nèi)容在本地都有局部緩存時(shí)的傳輸速率。

(1)

(2)

若服務(wù)器中有新文件到達(dá)，且用戶Uk請(qǐng)求該文件，則服務(wù)器將新到達(dá)的文件的編碼包發(fā)送給中繼Lh，h∈Hk。所以，服務(wù)器到中繼Lh的歸一化的傳輸速率Rsh滿足

(3)

則中繼Lh到該用戶Uk的歸一化的傳輸速率Rhk為

(4)

圖3 傳輸速率和用戶緩存的關(guān)系

圖3刻畫了DOER方案中傳輸速率和緩存內(nèi)存之間的關(guān)系。傳輸速率所表示的是鏈路上的負(fù)載量(被文件歸一化后)。因此，所需的傳輸速率越小，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量越小，獲取數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間越小；在相同帶寬的條件下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載越小。可以明顯地觀察到，服務(wù)器到中繼的傳輸速率隨著中繼和用戶緩存內(nèi)存的增加逐漸減小。中繼到用戶的傳輸速率僅僅和用戶的緩存內(nèi)存有關(guān)，且隨著用戶緩存內(nèi)容的增加而逐漸減小。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者將編碼緩存技術(shù)應(yīng)用于霧網(wǎng)絡(luò)中，以滿足用戶對(duì)5G通

信系統(tǒng)的需求。首先將霧網(wǎng)絡(luò)緩存系統(tǒng)簡(jiǎn)化為兩跳網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)兩跳網(wǎng)絡(luò)模型，為其設(shè)計(jì)了在線去中心化編碼緩存方案。該方案基于文件分割和MDS編碼，通過(guò)設(shè)計(jì)服務(wù)器文件更新策略以及中繼和用戶的緩存更新策略，保證了服務(wù)器文件與中繼和用戶的緩存文件一致，使得中繼和用戶的緩存內(nèi)容保持有效性。仿真結(jié)果表明，該方案可以明顯地減少網(wǎng)絡(luò)中的傳輸負(fù)載，有效地降低傳輸時(shí)延。

在后續(xù)工作中，將會(huì)考慮在緩存內(nèi)容方面加以信息年齡等權(quán)重指標(biāo)，綜合提高網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。