信息中心網絡的存儲機制研究

任美翠，楊龍祥

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

信息中心網絡的存儲機制研究

任美翠，楊龍祥

(南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003)

信息中心網絡(Information-Centric Networking，ICN)是未來網絡架構中較為重要的一種。它采用信息緩存技術，提供了一種更加適用于今天的網絡使用現狀(尤其是內容分發與移動)的網絡基礎設施的服務，要求每個節點都能緩存流經的內容，使得覆蓋全網絡的緩存成為網絡體系結構的一部分。近年來,存儲機制成為ICN研究的一項熱點，它減輕了服務器、核心路由器、網絡鏈路的負載，降低了傳輸延時，提高了網絡性能。文中主要研究ICN的存儲機制(caching)，介紹了其特征、分類，探索了其主要研究內容，重點分析比較了幾種緩存放置策略和緩存替換算法，最后指出了未來研究方向與面臨的挑戰。

信息中心網絡；緩存放置策略；緩存替換算法；內容對象流行度；緩存網絡拓撲

0 引 言

ICN[1]是較為重要的未來網絡架構之一。它采用了信息緩存技術，不僅在邊緣網絡放置緩存服務器，而且要求網絡中的每個節點都設有緩存功能以便暫時保存經過其的熱點內容，使得覆蓋全網絡的緩存成為網絡體系結構固有的一部分。當用戶請求某一內容時，任何緩存有該內容的中間節點(運營商網絡中的節點、用戶個人網絡中的節點、移動終端等)都可以做出響應。例如，用戶想要獲得內容對象B，依照傳統的路由轉發思想，用戶需要到存儲內容對象B的服務器中獲取內容。然而ICN中則不同，如圖1所示，用戶可以直接從離它最近的緩存有內容對象B副本的路由器中獲得內容對象B。用戶并不關心內容的來源，而是僅僅對內容本身感興趣。這一理論使得內容成為網絡的基礎，取代了傳統網絡以IP為中心的理念，將內容與地址信息分離開來。這種覆蓋全網絡的緩存使得信息可以快速地擴散到網絡中，對于每一個請求，網絡可以提供多個數據源，從而減緩服務器的負載并提高網絡的性能。

圖1 ICN通信模型

國外已有多個國家設立研究項目對ICN進行研究，提出了一些解決方案，主要有DONA[2]、CCN/NDN[3]、PSIRP/PURSUIT[4]、NetInf/SAIL[5]等等。NDN采用基于內容標識的路由轉發，有2種包格式：數據請求包(interest)和數據返回包(data)。用戶請求數據時，只需在數據請求包中注明內容標識，該數據請求包不斷地在網絡中被轉發，直到有中間節點的緩存或服務器對其響應，沿數據請求包的路徑逆向返回給用戶。DONA(Data-Oriented Network Architecture)重新設計了網絡的命名機制和名字解析機制，采用基于內容標識的路由機制，并通過RH(Resolution Handlers，解析處理器)來緩存內容。用戶請求被轉發到擁有該內容的RH，數據沿著其逆向路徑返回或者被直接轉發給用戶。PSIRP/PURSUIT中，內容生產者將內容發布到網絡(scope)中，用戶向其發起內容訂閱，Rendezvous 將其進行匹配，將SI(Scope Identifier)和RI(Rendezvous Identifier)轉化為FI(Forwarding Identifier)，使得內容生產者可以根據FI將內容轉發給用戶。NetInf/SAIL提供了兩個模型，基于名字解析和基于內容標識的路由。前者由內容生產者發布內容并向NRS(Name Resolution Service)注冊內容標識和地址的綁定，同時擁有內容副本的網絡節點也可以選擇向NRS注冊。NRS將用戶請求解析到多個地址，用戶可以從最近的內容源獲得內容。后者與NDN基于內容標識的路由類似。兩個模型相結合，可以適應不同的網絡環境。

以上這些方案都有兩個共同點：

(1)由接收者即內容需求者發起通信;

(2)網絡中的節點都設有緩存功能。

總之，ICN利用覆蓋全網絡的緩存提供了性能更好、健壯性更強的傳輸服務。

1 ICN存儲機制的特征與分類

1.1 ICN存儲機制的特征

(1)透明性。

傳統的存儲機制專用、封閉且獨立于應用程序，如Web 緩存[6]、P2P緩存。雖然Web緩存基于開放的HTTP協議，但是Web內容仍然采用基于域名命名的慣例。同一內容對象的副本在不同域中有不同的名稱。所以緩存系統的內容對象在邏輯上是分離的。而P2P緩存則使用專有協議，使得每個P2P應用成為一個封閉的系統。為了克服這一點，研究人員試圖使緩存相對應用程序而言是透明的。ICN架構的提出使得協議封閉性和命名不一致性的問題得以解決。ICN以統一的、連續性的方式命名內容對象，并且這些全局內容標識可以實現自我認證，簡化了對內容的安全性的檢查。同時，ICN依據全局的內容標識進行內容路由和存儲決策，使得內容標識具有網絡感知性。這些特征都使得緩存成為獨立于應用程序的通用的、開放的、透明的服務[7]。

(2)無處不在性。

在傳統緩存系統中，緩存節點是事前確定好的，緩存的拓撲結構通常是線性級聯結構或分層樹型結構。內容放置和緩存間的協調可以通過求解由先驗的流量需求和緩存結構建立的分析模型來確定。在ICN中，緩存是無處不在的，緩存節點不再是固定的。緩存網絡的的拓撲結構圖也由分層樹型結構發展為任意圖網絡，上下游節點之間的關系變得不確定。這些因素增加了緩存系統數學建模和分析的難度，并且使得緩存間的協調較難實現。

(3)緩存內容的細粒度。

與傳統的緩存機制不同，大多數ICN方案將大的文件分割成較小且擁有全局內容標識的內容塊(chunk)，并以內容塊為單位進行緩存和替換操作，這使得同屬一個文件的不同內容塊可存儲在不同的網絡節點，提高了內容檢索的效率和緩存空間利用率。

1.2 分 類

(1)集中式。

集中式存儲是指單一網絡節點存儲完整的信息，也就是說凡是經過網絡節點未被存儲的信息都將被完整備份。由于路徑上所有網絡節點之間對信息的存儲沒有協作關系，每一個中間網絡節點都將存儲所有經過的信息。在整個路徑上，多個網絡節點存儲了相同的信息。一般情況下，只有最近的緩存源的信息才能被使用，因此大量的存儲空間不被利用，造成了緩存的利用率不高。雖然集中式存儲方式實現簡單，需求端獲取信息時快速，但這種方式信息存儲量小，一般仍采用分布式緩存方式。

(2)分布式。

分布式緩存方式即信息分塊存儲，指多個中間網絡節點互相合作、共同協商以存儲完整的信息。根據優選存儲位置不同，其又可分為邊緣分布式緩存方式和核心分布式緩存方式。邊緣分布式緩存方式將信息盡量存儲在離需求端近的網絡節點上，即邊緣網絡節點上。用戶請求信息時，若緩存中有相應信息，直接從最近的網絡節點獲得，其傳輸效率必然高于從遠處網絡節點獲取方式。核心分布式緩存方式指緩存信息以核心網絡節點為主，邊緣處盡量不存儲信息。核心分布式方式不僅增加了核心節點處的存儲負擔，且可能會造成核心網絡節點的傳輸性能降低。核心網絡節點作為全網的樞紐，幾乎承擔了所有數據的路由轉發任務。顯然，應盡量減小核心網絡節點的其他負載，保證其能高效地傳輸數據。同時，邊緣網絡節點比核心網絡節點離用戶更近，用戶從邊緣網絡節點獲取數據更快、更高效。很明顯邊緣分布式緩存方式具有更多的優勢，因此采用核心分布式的緩存方案很少。目前未來網絡中基本采用邊緣分布式緩存方式[8]。

2 ICN存儲機制的主要研究內容

在ICN存儲機制中，如何決定內容對象放置在哪個緩存節點、新的內容對象到達時如何對緩存內容進行替換和緩存網絡的模型，是研究中最重要的三個問題。前兩個是對緩存系統性能優化的方法，后一個則關系到緩存系統的建模與分析。下面將對緩存放置策略和緩存替換算法進行詳細闡述，對緩存大小規劃、緩存空間共享機制、對象可用性、緩存網絡模型進行簡要介紹。

2.1 緩存大小規劃

ICN中緩存相當于是網絡的基礎服務，要求網絡中的節點設有緩存功能，那么網絡節點中緩存大小的規劃是一個問題。若設置的太小，則可能滿足不了線速轉發的要求，使節點緩存沒有意義。若設置的過大，則會造成緩存空間的浪費和過高的網絡成本。另外，網絡節點的緩存大小不一定要完全相同，在資源和經濟投入給定的情況下，合理地為一小部分節點分配更多的緩存大小，可能會提高緩存系統的整體性能，如分布式緩存方式中的核心分布式緩存。

2.2 緩存空間共享機制

網絡節點的緩存空間是有限的，合理規劃網絡節點的緩存大小可以使同一類型的內容塊合理利用節點緩存資源。然而，ICN儲存機制的透明性特征允許不同應用類型(如文本文檔、視頻等)的內容塊共享節點緩存空間。不同應用類型的內容塊有著不同的流量特征，其緩存目標也可能不同，這將導致其對網絡節點緩存資源的競爭。在不同的應用類型的內容塊間合理共享緩存資源，并針對其流量特征提供不同的服務，是ICN緩存空間共享機制需要研究的重點。

2.3 緩存放置策略

目前，緩存放置策略[9-10]是ICN緩存研究領域中的一個熱點內容，它決定了內容對象被放置在網絡中的位置，也就是說它決定了哪些節點用作域內緩存。在傳統的緩存機制中，有時可以根據先驗的拓撲結構和流量需求找出內容對象的最佳緩存節點。在ICN中，緩存節點不再固定，拓撲結構發展為任意圖網絡，增加了緩存決定的難度。顯然， ICN需要簡化而有效的緩存放置策略。

大多數ICN方案中默認采用LEC(Leave Copy Everywhere)[11-12]緩存放置策略，它在下載路徑的每個節點中都緩存該內容對象的副本。這一方法雖然簡潔卻引入了較高的緩存冗余，減少了整個系統緩存內容的多樣性。如，同樣的內容被緩存在多個不必要的節點中，造成了整個系統的緩存冗余。

為了提高緩存系統的實用性，ICN提出了以下3點要求：

(1)將流行度(popularity)[13]高的內容快速分發到網絡的邊緣，這樣可以減少用戶的下載延遲，提高網絡的資源利用率。

(2)提高整個網絡緩存的多樣性，尤其是在同一個ISP中，以便用戶請求可以在同一個ISP中獲得，可以極大地減小跨域的流量。

(3)請求內容對象的緩存決定可以取決于同一文件中另一個內容對象是否已被緩存，這稱為關聯性的緩存決定。ICN以內容塊為單位進行緩存，同屬一個文件的內容塊之間可以進行關聯性的緩存決定，這將提高流行度高的內容分發的速度。

為了減少系統的緩存冗余，在LEC的基礎上，研究人員提出了一些新的緩存放置策略。

LCD(Leave Copy Down)[14-15]，只在命中節點的直接下游節點緩存內容對象，避免了對相同內容對象的大量緩存。但是這意味著需要一定的訪問頻率才能將一個內容對象從服務器推到網絡邊緣。MCD (Move Copy Down)[14-15]，只在命中節點的直接下游節點緩存內容對象，同時從命中節點將該內容刪除。與LCD相比，此方案更進一步減少了對象內容的冗余。Prob(Copy with Probability)[14]，在下載路徑的每個節點中以概率P緩存該內容對象。其可以看作是一般化的LCE，當P=1時，即為LCE。PCOne(RandomlyCopyOne)[16]，在下載路徑的每個節點中以隨機的概率緩存該內容對象。ProbCache(ProbablisticCache)[17]，在下載路徑的每個節點中以一定的概率緩存該內容對象。對每一個節點而言，概率是不同的，與其到訪問端的距離成反比，越靠近訪問端的節點，緩存該內容對象的概率越大。這一方案可以快速地將內容對象推到網絡邊緣，同時減少副本的數量。

以上這些方案只滿足了ICN緩存系統實用性的前兩點要求，KideokCho等提出的WAVE[11]算法則考慮到了關聯性的緩存決定。WAVE根據內容的流行度來調節緩存內容塊的數量，如果該文件的訪問量增加，則對其內容塊的緩存數量以指數的形式增加。WAVE在數據報中設置了緩存建議標記位來保存由上游節點對下游節點緩存的建議。如果下游節點已經沒有存儲空間或者它有自己的緩存策略，那么它可以忽略上游節點的建議，并將該內容塊留給別的節點緩存。如果下游節點將該內容塊緩存，則修改緩存建議標記位數值，避免緩存冗余。與LCD方案類似，隨著訪問量的增加，內容對象一步一步從服務器推到網絡邊緣。不同的是，WAVE中訪問每增加一次，對其內容塊的緩存數量以指數的形式增加，也就是說，對流行度高的內容來說，將越快傳播到網絡邊緣。

2.4 緩存替換算法

若節點的緩存空間已滿，當一個新的內容對象到達時，由緩存替換算法決定該內容是否被緩存，若被緩存，還要決定哪個內容對象的副本被替換掉。近來緩存替換算法也逐漸成為緩存研究中的一個熱點。在ICN中，用的最多的是簡單隨機的置換算法，如LRU(Least Recently Used)、LFU(Least Frequently Used)。兩者都是直接把最新到達的內容對象緩存到內存中，不同的是，LRU是把最近最少使用的內容對象副本移除，LFU則是把使用頻率最低的內容對象副本移除。這些方案雖然可以把流行度高的內容存儲在網絡中，但是每次有新的內容到達時，需要追蹤最近最少使用的內容或者使用頻率最低的內容，這大大降低了節點的效率并且需要復雜的硬件條件來支持。

文獻[18]提出了一種基于生命周期(age)的緩存方案，當有新的內容到達時，節點將其副本緩存，并根據其到服務器的距離、內容的流行度等因素在數據報中為該內容添加一個age值。當age到期后，則將其移出緩存。此方案可以將內容存儲到網絡邊緣，減少中間節點不必要的存儲，同時減少網絡時延，減輕服務器的負載。在仿真過程中，發現在一個合理的范圍內改變參數的值(如緩存大小、BASE_AGE、MAX_AGE)不會對ABC(Age-Based Cooperation)算法的優勢造成影響。但是，參數的改變確實會影響到ABC算法的性能。所以，未來應該深入研究如何優化參數，來提高ABC算法的性能。對于實時的應用，如VoIP，可以通過設置一個較小的,甚至為零的age來避免內容的不一致性。網絡節點可以周期性地詢問服務器，來及時更新內容。這一方面也是未來的研究方向。

對于基于生命周期的緩存方案，只要經過網絡節點的未被存儲的信息都將被完整備份，也就是說在整個路徑上有多個網絡節點都存儲了相同的信息。然而，一般情況下，只有離用戶最近的網絡節點緩存的內容才能被使用，因此，該方案的緩存利用率不高。文獻[19]提出了一種協同緩存方案，即多個中間CR(Content Router)互相協作、共同協商來存儲完整的信息，將信息分塊存儲。多個CR合作存儲，增加了網絡節點的存儲空間，大大增加了緩存內容的多樣性。同時，減少了用戶訪問服務器的次數，平衡了各個服務器的工作量。

2.5 對象可用性

幾種ICN方案中的對象可用性見表1。

表1 幾種ICN方案中的對象可用性

在傳統的Web緩存和CDN緩存中，請求的緩存內容是否可用是明確的。在CDN中，基于先驗的訪問需求和網絡結構，內容被快速地推動和復制到邊緣服務器。該緩存系統是基于重定向和DNS解析機制來確保這些內容副本的全球可用性。在分層的Web緩存中，只有位于從請求點指向根節點的路徑上的內容可用于給定的請求，在該路徑以外的緩存內容不可用于響應請求。ICN中則不同，由于其任意圖網絡的緩存網絡拓撲，無處不在的網絡內緩存和緩存內容的易變性，使其緩存系統有著高動態性，這必然會對內容對象的可用性造成一定的影響。

2.6 緩存網絡模型

緩存網絡模型是對緩存系統進行適度的簡化和抽象而建立的相應理論模型，可以為緩存系統的行為操作提供理論支持。ICN緩存系統完整的網絡模型應當包括對象流行度分布模型、請求到達模型、緩存網絡拓撲模型等。

3 未來研究方向與挑戰

ICN存儲機制的研究是一個復雜而艱巨的系統性工程。目前，國內外對ICN存儲機制的研究還處于起步階段，這一課題仍然面臨著許多問題與挑戰，可以深入研究的方面還有很多，文中總結了以下幾點：

(1)內容塊對象的流行度分布的研究。

在以文件對象為單位緩存的緩存機制中，大量的研究人員從事對象流行度的網絡理論模型的研究。Web緩存的流行度遵循Zipf分布[20]、P2P緩存的流行度遵循Mandelbrot-zipf分布[21-22]已經得到公認。ICN是以內容塊為單位進行緩存操作的，仍然采用原先以文件為單位進行緩存的流行度模型顯然是不適合的。同屬一個文件的不同內容塊有著不同的訪問頻率。例如，一段視頻的前面部分是否吸引人決定著用戶是否會訪問后面的部分。目前為止，還沒有對內容塊對象流行度的建模與分析和實驗的研究，現有的網絡理論模型仍然沿用原先網絡模型中的諸多假設。因此，這可以是未來研究的一個方向。

(2)緩存決定策略與緩存替換算法的優化。

受傳統存儲機制的影響，大多數ICN緩存決定策略仍然把請求內容對象當作是獨立的個體，如LCD、MCD 、Prob、PCOne、ProbCache等。然而，ICN是基于內容塊來緩存與操作的，這決定了其請求內容對象之間有一定的關聯性，如請求順序的關聯性等。WAVE算法考慮到了這一點，為深入研究請求內容對象的關聯性指明了方向。另外，在緩存替換算法中，以新的內容對象副本替換舊的內容對象副本時，直接將舊的內容對象副本從該節點內存中刪除可能不是最好的選擇。相反，可以將被替換的內容對象副本緩存到該節點的上游節點或鄰居節點，以增加緩存內容的多樣性。

(3)低復雜度的存儲機制的研究。

目前，緩存放置策略和緩存替換策略是ICN緩存研究領域中的熱點內容。ICN中緩存是無處不在的，緩存節點不再固定，緩存網絡的拓撲結構圖也由分層樹型結構發展為網狀圖，上下游節點之間的關系變得不確定。這些因素增加了緩存系統數學建模和分析的難度，并且使緩存間的協調較難實現。顯然， ICN需要簡化而有效的緩存協同機制[23-27]。

4 結束語

隨著網絡規模的增長，新興業務的不斷出現，以及用戶對服務的需求越來越多樣化，傳統的“核心簡單，終端智能”的網絡基礎架構已經不堪重負，成為了網絡進一步發展的瓶頸。為解決這一瓶頸，近年來研究人員提出了不少新的網絡架構，通信范式逐漸從以主機為中心的端到端通信向以接收端為驅動的以內容為中心的模式轉變。ICN 是目前較為重要的未來網絡架構之一，它要求覆蓋全網絡的緩存應該成為和信息傳輸一樣的網絡基礎服務，同時緩存應具有透明性和無處不在性以保障高效的內容檢索。因此，近年來存儲機制成為ICN研究的一項熱點。

文中首先研究了ICN存儲機制的特征及分類。然后，探索了ICN存儲機制的主要研究內容，包括緩存大小規劃、緩存空間共享機制、緩存放置策略、緩存替換算法、對象可用性、緩存網絡拓撲優化，其中重點分析比較了幾種緩存放置策略和緩存替換算法。最后，指出了值得進一步探討的幾個研究方向。

目前，ICN存儲機制的研究仍然處于起步階段，緩存系統的建模尚未成型，現有的網絡理論模型依然沿用原先緩存系統網絡模型，如，對象流行度分布、請求到達模型等。總之，ICN存儲機制仍然有許多理論和技術問題尚未解決，值得深入研究。

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Research on Caching Mechanism in Information Centric Networking

REN Mei-cui,YANG Long-xiang

(College of Communication and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

The Information-Centric Networking (ICN) is one of the important approaches of several future network architectures.This approach provides a network infrastructure service that is better suited to today’s network (especially in content distribution and mobility) by making use of caching technique.In ICN,each node could cache the content object,which makes the caching become an inherent part of the network architecture.The caching technique in recent years becomes a hot spot in study of ICN,because it declines the load on server,routers and network links,and reduces the transport latency,in the meanwhile improves the network performance.Focus on the caching mechanism in ICN in this paper,and summarize the new features and taxonomies.Then explore its research spot,in particular analyzing and evaluating the existing cache decision policies and cache replacement algorithms.Finally,several key issues and challenges in ICN caching are discussed and future directions are pointed out.

information-centric networking;cache decision policy;cache replacement algorithm;object popularity;topology of cache network

2015-05-07

2015-08-11

時間：2016-01-26

國家自然科學基金資助項目(61372124)；國家“863”高技術發展計劃項目(2013CB329104)作者簡介：任美翠(1991-)，女，碩士，研究方向為移動通信與無線技術；楊龍祥，教授，博士生導師，研究方向為移動無線通信系統和物聯網。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1517.018.html

TP31

A

1673-629X(2016)02-0189-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.042