【摘要】：隨著面向應(yīng)用的內(nèi)容的出現(xiàn)和發(fā)展,要求Internet的主要功能能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模高效的數(shù)據(jù)分發(fā)。然而當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)主機通信模式限制了數(shù)據(jù)分發(fā)的效率。因此,未來網(wǎng)絡(luò)或下一代網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一些研究人員提出了各種新的革命性的以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其中最具代表性的包括命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(NDN)。NDN具有接收者或請求者驅(qū)動主機到網(wǎng)絡(luò)通信模式,并實現(xiàn)基于Pull的分組級數(shù)據(jù)分發(fā)。但是,對于實時流媒體數(shù)據(jù)應(yīng)用(如實時視頻和網(wǎng)絡(luò)直播),它會使需要該內(nèi)容的用戶連續(xù)發(fā)送興趣包,并且必須正確發(fā)送這些包以確保實時。隨著數(shù)據(jù)包生成速率的增加,用戶控制這些興趣包的發(fā)送時間將變得更加困難,并且還會導(dǎo)致巨大的運行開銷和路由器資源的浪費。新的NDN架構(gòu)的成功需要廣泛的社區(qū)參與和承諾。NDN已經(jīng)獲得了勢頭,有學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的參與。增量部署的意圖要求證明NDN可以解決TCP/IP解決方案存在問題或不存在的現(xiàn)實世界問題。NDN團隊還維護NDN協(xié)議堆棧,模擬器和測試平臺的開源實現(xiàn),以促進測試和更廣泛的社區(qū)參與。NDN可以運行任何可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(以太網(wǎng),Wi-Fi,藍牙,蜂窩,IP,TCP等)的東西,任何可以在NDN上運行的東西,包括IP。NDN可以簡單地運行它,而不是試圖替換或更改已部署的IP基礎(chǔ)架構(gòu)。NDN還可以利用互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展的經(jīng)過充分測試的工程解決方案,如約定,策略和命名和路由管理實踐。數(shù)據(jù)包具有唯一的名稱,并根據(jù)數(shù)據(jù)包名稱查找結(jié)果進行路由。在NDN網(wǎng)絡(luò)中有兩種類型的分組,興趣分組和數(shù)據(jù)分組。如果用戶想要一些內(nèi)容,用戶將發(fā)送興趣包來表達請求。數(shù)據(jù)包已用于回復(fù)具有適當(dāng)內(nèi)容的興趣包。NDN路由器能夠緩存一定數(shù)量的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。當(dāng)?shù)竭_路由器的傳入興趣包并且路由器具有請求的內(nèi)容時;它可以立即將內(nèi)容發(fā)送回客戶端,而不是將請求一直轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器。此功能可能會節(jié)省網(wǎng)絡(luò)中的大量帶寬。NDN體系結(jié)構(gòu)應(yīng)支持全球唯一,人類可讀,安全且與位置無關(guān)的名稱。因此,主要的問題是開發(fā)一種能夠滿足所有這些要求的命名機制。目前現(xiàn)有的命名方法,如平面,層次和屬性值支持一些要求。平面名稱提供了唯一性,并且不會產(chǎn)生找到最長前綴匹配的開銷。平面名稱自我認證,易于使用高度可擴展的結(jié)構(gòu)進行處理,如DHT。但是,平面名稱不支持名稱聚合。因此,使用平面名稱會增加路由表大小并降低網(wǎng)絡(luò)可伸縮性。但是,沒有具體的研究是否可以提供所需的性能。分層名稱是人性化的,并支持名稱聚合。因此,它將路由表大小和更新時間降至最低,并使網(wǎng)絡(luò)具有可擴展性。但是,由于名稱聚合,分層名稱不完全支持持久性。與在NDN中一樣,內(nèi)容名稱(CN)顯式顯示內(nèi)容屬性。命名數(shù)據(jù)的優(yōu)點是沒有地址的網(wǎng)絡(luò),利用多個接口。安全的數(shù)據(jù)包可以緩存到任何地方,并支持ad hoc移動和DTN網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)空間中,所有東西都可以視為有名的安全袋。內(nèi)容緩存在命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(NDN)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。緩存節(jié)點的內(nèi)容存儲(CS)中的內(nèi)容與IP路由器中的緩沖存儲器類似;但是,IP路由器在轉(zhuǎn)發(fā)后不能重用數(shù)據(jù)包。命名數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)路由(NLSR)是NDN的路由協(xié)議。由于NDN使用名稱來標識和檢索數(shù)據(jù),因此NLSR將名稱前綴而不是IP前綴的可達性傳播。NLSR使用興趣/數(shù)據(jù)包傳播路由更新,直接受益于NDN的數(shù)據(jù)有效性。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也受益于以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),即內(nèi)容交付網(wǎng)絡(luò),旨在高效快速地分發(fā)內(nèi)容。在NDN緩存有以下幾個好處。緩存其他節(jié)點產(chǎn)生的內(nèi)容有助于將內(nèi)容與其制作者分離。此外,它還減少了制作方的開銷,并通過在網(wǎng)絡(luò)中提供相同內(nèi)容的多個副本從而避免單點故障。在由于數(shù)據(jù)包丟失而導(dǎo)致多播或重傳的情況下,有助于實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)容的提供。在NDN中,根據(jù)底層緩存策略將內(nèi)容從其內(nèi)容存儲庫(CS)中取代。NDN網(wǎng)絡(luò)中的每個路由器都可以緩存單個數(shù)據(jù)包。每個節(jié)點都附帶一個內(nèi)容存儲庫,該存儲庫具有一個附加策略,用于確定如何替換內(nèi)容存儲庫中的項常見策略包括LRU(最近最少使用),FIFO(先入先出)和隨機(RND)。在目前的NDN研究中,LRU是最常采用的緩存策略,因為觀察到大約一半的數(shù)據(jù)包級別的緩存益處發(fā)生在前10秒。緩存替換策略ndnSIM的開發(fā)使用NFD的CS實現(xiàn),因此可以創(chuàng)建新的緩存替換策略。用戶需要擴展NFD的策略類來實現(xiàn)當(dāng)新數(shù)據(jù)包被插入到CS中時調(diào)用的新的回調(diào),從CS中刪除現(xiàn)有的數(shù)據(jù)包,并且在查找匹配后將要返回數(shù)據(jù)包。在NDN中,緩存替換策略用于為新的最受歡迎的內(nèi)容創(chuàng)造機會,并從緩存中移除不太受歡迎的內(nèi)容。在路由器的處理能力和高速緩存替換策略的復(fù)雜性之間有一個折衷。由于路由器的處理限制,這些策略必須較為復(fù)雜。緩存策略如LRU,FIFO和RND的有效性2估旨在提高基于不同參數(shù)的緩存性能。現(xiàn)有研究致力于設(shè)計緩存分配機制,而沒有研究緩存替換機制的有效性。在高度動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中,內(nèi)容優(yōu)先級在應(yīng)用程序性能中起著重要作用。與低優(yōu)先級內(nèi)容相比,高優(yōu)先級內(nèi)容將在網(wǎng)絡(luò)中更多地可用。低優(yōu)先級內(nèi)容也會遭受高訪問延遲。最大的問題是如何確定內(nèi)容的優(yōu)先級。兩個主要的優(yōu)先級決定因素可以是內(nèi)容需求和節(jié)點間生成/交換的公共信息。針對緩存替換提出的網(wǎng)內(nèi)內(nèi)容優(yōu)先化策略,并指出了命名數(shù)據(jù)以實現(xiàn)信息最大化的特定網(wǎng)絡(luò)中緩存內(nèi)容傳遞的好處。每個項目都存儲在標記為熱點或冷點的緩存中。每遇到相遇,在冷內(nèi)容之前首先交換標記為熱的內(nèi)容。為了找到緩存數(shù)據(jù)中的熱點內(nèi)容,作者制定了背包問題,其中背包中的項目必須在所有用戶查詢答復(fù)中最大化效用。這些效用最大化的項目被標記為熱門。本文旨在通過仿真評估三種緩存替換機制,即LRU,FIFO和RND在NDN緩存命中率方面的有效性。仿真是由一個開源的離散事件網(wǎng)絡(luò)模擬器NS3軟件包ndnSIM完成的。ndnSIM特定應(yīng)用程序為各種網(wǎng)絡(luò)級評估生成基本興趣/數(shù)據(jù)包流,包括轉(zhuǎn)發(fā)策略的行為,緩存策略等提供了一種便捷的方法。這些應(yīng)用程序是基于NS3的應(yīng)用程序抽象實現(xiàn)的,包括多個內(nèi)置跟蹤功能,包括檢索數(shù)據(jù)的時間。ndnSIM中的數(shù)據(jù)包流包含多個元素,包括NS3的數(shù)據(jù)包,設(shè)備和通道抽象,ndnSIM內(nèi)核以及借助ndn-cxx庫進行集成NFD處理。在這項研究工作中,模擬網(wǎng)絡(luò)包括12個路由器和80個節(jié)點。每個路由器隨機與其他路由器連接,每個節(jié)點隨機連接一臺路由器。此外,所有路由器和節(jié)點都包含F(xiàn)IB,PIT和CS組件。在CS中使用的高速緩存大小可以是64Kbits,128Kbits和1024Kbits。發(fā)送速率設(shè)置為每秒16,64和128個數(shù)據(jù)包,由請求者發(fā)送。模擬分別在實驗持續(xù)時間50,100和150秒完成。仿真在各種系統(tǒng)參數(shù)下進行,包括緩存大小,興趣包發(fā)送速率和實驗持續(xù)時間。仿真結(jié)果表明,LRU和FIFO適用于NDN緩存,并且在相同的興趣分組發(fā)送速率和相同的實驗持續(xù)時間下,兩者的緩存命中率都是匹配的。在某些特殊情況下,RND比LRU和FIFO具有更好的緩存命中率。無論更換策略是LRU,FIFO還是RND,在相同的實驗持續(xù)時間內(nèi),當(dāng)興趣數(shù)據(jù)包發(fā)送速率增加時,緩存命中率都會降低。無論替換策略是LRU,FIFO還是RND,在相同的實驗持續(xù)時間內(nèi)緩存大小都會增加,緩存命中率會增加。當(dāng)興趣數(shù)據(jù)包發(fā)送速率是10kbps時,RND具有比LRU和FIFO更好的高速緩存命中率。當(dāng)緩存大小為1024時,興趣報文發(fā)送速率為128,實驗時長為100,LRU中的緩存命中率為7.53%,FIFO為7.95%,RND為3.94%。當(dāng)實驗持續(xù)時間增加時,LRU,FIFO和RND中的高速緩存命中率下降。在高速緩存大小為1024并且興趣包發(fā)送速率為128的情況下,隨著實驗持續(xù)時間從50增加到150,LRU中的高速緩存命中率下降了 7.63%,FIFO從13.76%下降到了 5.72%,并且RND下降了 6.12%。在實驗期間興趣包發(fā)送速率從16增加到128時,RND的比率減少18.47%。當(dāng)實驗持續(xù)時間從50增加到150時,在興趣包發(fā)送下,RND中的緩存命中率從16.69%降低到7.2%費率是128。NDN高速緩存的整體有效性使得區(qū)分緩存策略的每個對象基于緩存命中率的值。隨著興趣數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的增加,LRU,FIFO和RND中的高速緩存命中率下降。但是,在高速緩存命中率中,RND減少的多于LRU和FIFO。例如,在實驗持續(xù)時間為50的情況下,當(dāng)興趣包發(fā)送速率從16增加到128時,RND中的緩存命中率從82.4%下降到8.1%,但LRU和FIFO僅從82.4%下降到13.3%。此外,當(dāng)緩存大小為1024時,LRU和FIFO在緩存命中率方面的性能優(yōu)于RND,并且在實驗持續(xù)時間為50到150時,興趣包發(fā)送速率為64到128.作為結(jié)論,當(dāng)興趣包發(fā)送時緩存命中率降低無論替換策略是LRU,FIFO還是RND,在相同的實驗持續(xù)時間內(nèi)都會提高速率。未來的工作將在更多系統(tǒng)參數(shù)和復(fù)雜情況下比較它們的性能。另外,還有很多復(fù)雜的內(nèi)容替換策略存在。這些策略的性能評估是未來的一個方向。此外,制定更有效的內(nèi)容替換策略是下一步可能的工作。NDN沒有任何傳輸層,IP傳輸層的主要職責(zé)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到NDN轉(zhuǎn)發(fā)平面。為不同的環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計有效和高效的轉(zhuǎn)發(fā)策略仍面臨著開放的挑戰(zhàn)。
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP393.0

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本文編號：2796932