多層衛星網絡數據緩存技術研究

徐 冀,嵩 天,楊雅婷,張 宇,安建平

(1.北京理工大學信息與電子學院,北京100081；2.北京理工大學計算機學院,北京100081)

1 引言

在過去20年中,衛星網絡[1-2]引起了學術界和工業界的廣泛關注,其在民用和軍用領域的應用越來越多。與地面通信網絡相比,衛星通信網絡具有覆蓋面廣、信息傳播距離遠、不受地理環境限制等特點,在寬帶接入、廣播接入、氣象預測、環境與災害監測、資源探測、導航定位、個人移動通信等方面被廣泛應用,在船只、飛行器乃至空間航天器通信方面也起到了至關重要的作用。航天器通信需要通過多層衛星網絡(Multilayered Satellite Networks,MSN)進行數據中繼傳輸,保證數據能夠大量及時回傳。但由于衛星通信距離大,圍繞地球進行周期性運動,網絡拓撲動態變化,導致出現信息傳輸中存在著傳播時延大、誤碼率高、往返鏈路不對稱,以及間歇性連接等問題[3]。此外,由于衛星能量、計算資源和存儲資源十分有限,與地面網絡相比,星上數據處理能力較低、信息傳輸帶寬有限[4]。

多層衛星網絡系統通常由LEO(Low Earth Orbit)、MEO(Medium Earth Orbit)、GEO(Geostationary Orbit)3層衛星組成。LEO衛星的優勢在于其軌道高度低,與地面通信時延短,但覆蓋面積相對較小。GEO衛星軌道高度則相對較高,覆蓋面積大,星地鏈路穩定,但與地面通信的時延較大。MEO衛星特性則介于二者之間。相比于單層衛星網絡,多層衛星網絡可充分利用不同衛星的特點高效組網,從而提高衛星網絡的總體性能,已經成為空間信息網絡中新的研究熱點[5]。

隨著衛星網絡和星上處理能力的快速發展,網絡內的緩存部署成為可能。緩存的部署將給網絡的內容分發帶來好處[6]。從用戶的角度出發,將內容緩存在離用戶近的節點上可以降低用戶的內容訪問時延,進而可以提升用戶體驗質量(Quality of Experience,QoE)。從內容提供者的角度出發,用戶的請求可以在網絡節點的緩存中得到響應,因此不必去內容提供者服務器獲取數據,可以減輕內容提供者服務器的負載,節約帶寬資源,減少網絡擁塞。當內容提供者離線時,網絡節點的緩存可以繼續為用戶提供內容,增加了網絡的穩健性。

緩存已經被證明是一個在吞吐量和時延方面有效提升內容分發網絡性能的方法,由于網絡層的IP協議無法有效使用緩存,地面網絡在應用層利用緩存來提升網絡性能。目前地面Internet上絕大多數流量都經由內容分發網絡(Content Delivery Network or Content Distribution Network,CDN)[7-8]來分發。CDN網絡把內容提供商源服務器的內容緩存在Internet上不同位置的內容緩存服務器,即CDN節點,使其成為源服務器的鏡像服務器。當用戶訪問一個內容時,通過DNS解析和HTTP的重定向,CDN網絡從離用戶最近的邊緣路由器最近的CDN節點將內容傳輸給用戶。避免了內容在Internet上的長距離傳輸,減少了用戶的內容訪問時延。但是,由于衛星計算資源和存儲資源十分有限,星上數據處理能力較低,無法在衛星節點上部署應用層的CDN緩存服務器。

為了在多層衛星網絡中部署緩存,同時,由于衛星的星上處理能力和資源有限,考慮在衛星節點上部署適配的網絡層協議,即在網絡層部署緩存。信息中心網絡(Information Centric Networking,ICN)受到了學術界的很大關注[9-10]。ICN是1種面向內容的新型網絡體系,包含多種網絡架構,而其中最具代表性的當屬命名數據網絡(Named Data Networking, NDN)架構[11]。 NDN網絡具有2個主要特征：名字路由和網絡內緩存。前者意味著可以在沒有主機標識的情況下通過名字從網絡中檢索特定的內容,后者表示每個網絡節點(例如路由器)部署有特定大小的存儲并能夠緩存數據。用戶可以直接從網絡節點的緩存中直接獲取請求的數據。與CDN在網絡中分布式部署特定的內容服務器不同,NDN將緩存直接部署于網絡路由器中。

在多層衛星網絡中緩存內容可以適應請求相同內容的用戶而無需重新傳輸。因此,在進行內容分發時,用戶的內容訪問時延(Content Access Delay,CAD)可以顯著減少。為了提高內容分發效率,降低內容訪問時延,研究將在多層衛星網絡的網絡層部署基于NDN的緩存,同時設計多層衛星網絡緩存架構,最后通過仿真驗證緩存對于內容訪問時延的影響。

2 多層衛星網絡緩存架構設計

由于在網絡層的IP協議無法部署和利用緩存用于內容分發,為了將緩存部署應用于多層衛星網絡,并且更好地發揮衛星節點緩存對于提升內容分發的作用,將在網絡層部署NDN架構。

2.1 基于NDN的多層衛星網絡框架

在多層衛星網絡結構中,GEO衛星成為路由算法決策中心,MEO衛星主要完成對地球表面的完全覆蓋,而LEO衛星主要實現對地面移動終端的接入。相鄰層相鄰衛星以及同層內相鄰衛星間均存在星間鏈路。

多層衛星網絡中的通信由數據消費者(Consumer),即用戶終端驅動,交換2種類型的分組：興趣包(Interest)和數據包(Data)。用戶終端發送帶有內容標識的興趣包請求相應的數據包。兩種類型的分組都帶有1個名字(Name),這個名字用來標識在數據包中的內容。當需要請求數據時,用戶終端將所需數據的名字放入興趣包中并將其發送到網絡。衛星節點使用此名字將興趣包轉發給數據生產者,即內容源服務器。一旦興趣包到達緩存有所請求數據的衛星節點,該節點將返回含有名字和內容的數據包,以及綁定二者的簽名,此時興趣包不必到達內容源服務器便可以取回數據包,此數據包會沿著興趣包到達的路徑反向傳輸到達用戶終端。興趣包和數據包結構如圖1所示[11]。

圖1 NDN框架中的包結構Fig.1 Packets in the NDN architecture

為了執行興趣包和數據包的轉發功能,每個衛星節點需要維護3種數據結構：未決興趣表(Pending Interest Table, PIT)、轉發表(Forwarding Information Base, FIB)和內容緩存(Content Store,CS)[11](圖2),以及轉發策略模塊,轉發策略模塊用于確定轉發每個興趣包的時間和位置。PIT表存儲了衛星節點已經轉發但尚未被滿足的所有興趣包,每個PIT表條目記錄了這些興趣包中攜帶的數據名字及興趣包傳入傳出該衛星節點的接口。

圖2 衛星節點中的轉發過程Fig.2 Forwarding process at a satellite node

當興趣包到達時,衛星節點首先檢查自身的緩存中是否有與之匹配的數據。如果存在,則衛星節點從興趣包到達的接口返回匹配的數據副本。否則,衛星節點將在PIT表中查找興趣包中攜帶的請求數據的名字,如果存在匹配的條目,它只在PIT表匹配條目中記錄此興趣包的傳入接口。在沒有匹配的PIT表條目的情況下,衛星節點將根據FIB表中的信息以及衛星節點的自適應轉發策略將興趣包轉發到內容源服務器,同時此興趣包攜帶的數據名字和傳入傳出接口信息將在PIT表中生成新的PIT表條目。當衛星節點從多個下游衛星節點或者用戶終端接收到相同名字的興趣包時,它僅向上游內容源服務器轉發第1個到達的興趣包。

當數據包到達時,衛星節點查找到匹配的PIT表條目,并將數據包轉發到該PIT表條目中記錄的所有下游接口。然后衛星節點將會刪除該PIT表條目,并將數據緩存在衛星節點的緩存中。數據包始終沿著興趣包的反向路徑,并且在沒有數據包丟失的情況下,1個興趣包可以在每個路徑上取回1個數據包,從而實現了流量平衡。與傳統IP網絡中數據包需要攜帶源IP地址和目的IP地址進行路由轉發的機制不同,興趣包和數據包都不攜帶任何主機或是接口地址,衛星節點根據興趣包攜帶的名字將興趣包轉發給內容源服務器,并根據每一跳的興趣包設置的PIT表狀態信息將數據包轉發給用戶終端。

由于每個數據包都帶有名字和簽名,用戶終端不必通過知道它在網絡中的具體位置,便可以根據名字來請求此數據包。因此,衛星節點可以在自身緩存中緩存接收到的數據包,并可以使用它來滿足未來的來自用戶終端對于相同數據的請求。

以多層衛星網絡某一時間段拓撲快照為例,如圖3所示,用戶終端UT1發出對于內容X的請求興趣包Q1(X)。這個內容已由圖中的文件服務器發布。因此興趣包Q1(X)遍歷衛星節點S1,S3,S5到達文件服務器,文件服務器接收到由用戶終端UT1發出的請求內容X的興趣包Q1(X)并返回內容X。內容X將根據興趣包Q1(X)到達路徑原路返回,遍歷過的衛星節點S5,S3,S1會將內容X副本儲存到自己的緩存中,用來滿足未來對內容X的請求。

圖3 衛星網絡緩存舉例Fig.3 An example of caching in satellite networks

隨后,假設用戶終端UT4發出了請求內容X的興趣包Q2(X),興趣包Q2(X)經過了衛星節點S2和S3。衛星節點S3發現自身的緩存中已經儲存有內容X的副本,因此,它不會把請求興趣包Q2(X)轉發到下一跳衛星節點S1,S4或者S5,而是將緩存的內容X的副本返回給用戶終端UT4。

很明顯,由于緩存的部署,用戶終端可以在附近的衛星節點的緩存中獲取到自己需要的內容,而不需要到達內容的文件服務器,在內容訪問時延方面,內容分發的網絡性能會得到顯著改善。

2.2 多層衛星網絡緩存模型

本研究考慮在多層衛星網絡中進行內容分發。如圖4所示,內容以文件的形式產生于網絡文件服務器,通過LEO衛星層、MEO衛星層、GEO衛星層3層衛星網絡傳輸到達請求文件的用戶終端。

圖4 多層衛星網絡緩存模型Fig.4 Caching model of multilayered satellite networks

多層衛星網絡由5個部分組成：連接網絡文件服務器的地面網關、GEO衛星層,MEO衛星層,以及LEO衛星層和與LEO衛星層連接的若干用戶終端。各層衛星之間通過衛星層級鏈路進行通信,層內衛星通過星間鏈路進行通信。因為該網絡中3層衛星均部署有緩存,所以這些衛星的緩存便形成了多層衛星網絡緩存架構。在提出的緩存模型中,每個衛星節點的緩存根據緩存決策策略和緩存替換策略自行決定是否存儲和替換每個文件副本。使用Cn代表第n個衛星的緩存的大小,衛星共有N+1顆,其中n=0,1,…N。 使用文件fm表示文件流行度排名為m的文件,使用Sm代表多層衛星網絡中的文件流行度排名為m的文件大小,文件總數為M,其中m=1,…M。

文件傳輸流程如下所述：當1個用戶終端請求1個文件,與之通信的LEO衛星會先在本地的緩存中查找是否儲存了相應的文件副本。如果該衛星緩存中已經儲存了此文件副本,那么它會直接響應這個請求返回此文件。如果該衛星節點緩存中沒有儲存副本,那么這個衛星會通過星間鏈路或層間鏈路將請求興趣包轉發給周圍衛星。如果整個多層衛星網絡中均沒有此文件,這個請求將被轉發到地面的網關。在這種情況下,文件會在網絡文件服務器中獲取并按照請求到達路徑原路返回。

考慮到星間鏈路通常使用高數據速率激光鏈路,地面網關通過寬帶通信技術連接服務提供商,所以用戶請求某個文件的內容訪問時延主要由無線鏈路的傳播時延造成。

2.3 多層衛星網絡緩存策略

為了進一步降低用戶的內容訪問時延,本研究提出基于衛星緩存大小和文件流行度的概率緩存策略：NDN-PCSC(Probabilistic Caching strategy based on Satellite cache size and Content popularity)。

在多層衛星網絡的內容分發中,內容的被請求概率與其流行度的排名有關,流行度排名越高,被請求概率越大。參考針對地面網絡的請求流行度研究,內容文件被請求概率一般服從齊夫分布(Zipf distribution)[12],如式(1)所示：

式中,M為文件的總個數；m為文件流行度排名,m=1,2,3…M；pm為文件流行度排名為m的文件的請求概率；q為參數,用于調節文件流行度排名的大小,本文q取0.7；zm為取值在[0.6,1.2]的參數,zm越大,表示文件集合中的非常流行文件的集合相對越小。

緩存決策策略是指決定將文件副本放置在網絡中哪個衛星節點緩存的緩存策略。本研究提出基于衛星緩存大小和文件流行度的概率緩存策略,當文件fm經過第n個衛星節點時,衛星節點將根據概率pcm(n)做出緩存是否存儲文件副本的決定,其中pcm(n)表示的是第n個衛星節點緩存文件fm的概率,該概率與節點的緩存容量和文件的流行度呈正相關關系。衛星節點根據自身緩存的大小100%緩存非常流行的前若干個文件,緩存的文件數量由緩存大小和流行度靠前的文件大小決定,同時按照流行度排名計算出緩存概率緩存流行度不靠前的文件,以提高衛星緩存利用率和減少用戶的平均內容訪問時延。概率計算如式(2)～(3)所示。

其中,式(2)計算第n顆衛星可以容納的流行度排名靠前的文件的最大數量i,式(3)表示當到達文件的流行度排名m≤i時,第n個衛星節點100%緩存此文件,當m＞i時,則衛星節點則按照其請求概率pm除以pi作為該文件的緩存概率決定是否緩存此文件。

緩存替換策略是指決定移除哪些文件副本以在緩存中放置新到達的文件副本的緩存策略。本研究采用緩存替換策略是LRU(Least Recently Used)[13]。主要思想是簡單地替換緩存中最近最少使用的內容,以降低內容訪問時延。

3 仿真分析

實驗仿真采用ns-3+ndnSIM進行仿真,ns-3是網絡仿真平臺,ndnSIM是NDN架構的仿真平臺。為了保證各層層內衛星的正常通信以及各層衛星通信范圍可以覆蓋整個地球表面,多層衛星網絡LEO層采用Iridium系統設計,MEO層采用Odyssey[14]系統設計,GEO層在赤道平面上部署3顆均勻分布的衛星。Iridium系統共有6個圓形軌道,軌道高度780 km,每個軌道內均勻分布11顆衛星。Odyssey系統共有3個圓形軌道,軌道高度為10354 km,每個軌道內均勻分布4顆衛星。實驗星座參數如表1所示。

地面網關和網絡文件服務器部署在中國北京(經度：116.46°E,緯度：39.92°N)。 仿真確定了各個節點的位置,ns-3進行星間和星地鏈路的建立。請求文件的用戶終端共12個,均勻分布在地球赤道平面,位于網絡文件服務器的文件總數為200。

本實驗的仿真時間為600 s,假設每個衛星的緩存容量大小相同,各個文件的大小相同。

表1 星座參數Table 1 Configuration of the satellite constellation

實驗仿真將部署緩存的方法與未部署緩存的方法進行比較,驗證對比在多層衛星網絡中用戶的平均內容訪問時延。實驗仿真對比的方法有4種：傳統IP協議、NDN-Nocache緩存策略、NDNLCE(Leave Copy Everywhere)[13]緩存策略和NDN-PCSC緩存策略。其中,在傳統IP協議中,所有的用戶終端通過目的IP地址訪問網絡文件服務器并獲取請求的文件。NDN-Nocache緩存策略是指當用戶的文件請求的興趣包到達衛星節點時,衛星節點將不再在緩存中查找是否存在匹配請求的文件副本,而是直接轉發請求興趣包到達網絡文件服務器獲取文件并返回文件。設置NDN-Nocache緩存策略的目的是用來對比NDN協議與IP協議這兩種協議本身對于用戶的平均內容訪問時延的影響。NDN-LCE是NDN基本的緩存決策策略,主要思想是衛星節點的緩存存儲所有通過的文件副本。

實驗仿真首先對比了不同的網絡緩存容量下不同方法的用戶平均內容訪問時延,其次對比了不同的zm下不同方法的用戶平均內容訪問時延。圖5為衛星的緩存大小對用戶平均訪問時延的影響,其中橫坐標Cache Size為每個衛星的緩存容量占文件總量的百分比,縱坐標Average Content Access Delay為用戶的平均內容訪問時延,單位毫秒(ms),zm取值為0.7。圖6為不同文件流行度對用戶平均訪問時延的影響,其中橫坐標zm是指用戶對不同流行度文件的請求概率參數,縱坐標與圖5相同,每個衛星緩存大小占文件總量的10%。

從圖5可以看出,首先,對比傳統IP協議,不使用緩存的NDN-Nocache緩存策略平均內容訪問時延下降15 ms。原因是NDN的PIT表具有對到來的文件請求興趣包的聚合能力,聚合一段時間內對于相同文件的請求興趣包,衛星網絡由于廣泛覆蓋和長時延特性可以聚合興趣包,第一個請求興趣包的文件返回時,衛星節點上所有聚合的請求都將被滿足,從而降低了用戶的平均內容訪問時延。

圖5 緩存容量對平均內容訪問時延的影響Fig.5 Impact of cache size on average content access delay

圖6 zm對平均內容訪問時延的影響Fig.6 Impact of zmon average content access delay

其次,當衛星的緩存容量增大時,NDN-PCSC緩存策略的用戶平均訪問時延也有明顯的降低。選取Cache Size占比為30%進行比較。當每個衛星節點緩存容量大小占內容總量大小30%時,與IP協議、未部署緩存的NDN協議以及NDN-LCE緩存策略相比,本研究提出的緩存策略下的用戶平均內容訪問時延分別下降 60%、53.4%和7.1%。原因是：首先,衛星部署了緩存以后,當有文件經過衛星節點時,衛星節點緩存可以存儲此文件的副本,當用戶終端請求相同的內容時,可以從附近衛星節點獲得文件,而不需要經過多跳傳輸從網絡文件服務器獲取返回文件,避免了多跳傳輸帶來的傳輸時延,而對于傳統IP協議和NDN-Nocache緩存策略而言,由于用戶的請求只能到達網絡文件服務器中才能獲取文件；其次,隨著衛星節點緩存容量的增加,每個衛星節點可以緩存更多的文件,內容訪問時延不斷降低；最后,相比于NDN-LCE緩存策略,通過概率緩存策略,流行的文件以高概率被緩存在用戶附近的衛星節點上,而非流行的文件以低概率被緩存,進一步降低了用戶的平均內容訪問時延。

參數zm用于表示用戶終端對于不同流行度文件請求概率的差別,zm越大,表示用戶終端請求的文件集合中非常流行文件的集合將越小,用戶終端對于最流行的那些文件請求的概率越大,對于不流行的文件請求概率越小,請求概率的差別變大。從圖6可以看到,首先對于傳統IP協議,由于用戶請求內容都是IP地址到達內容的源服務器,用戶終端對于不同文件的請求概率差異變化對用戶終端的內容訪問時延沒有影響。對于NDN-Nocache緩存策略,由于用戶終端對于最流行的文件的請求概率增大,加上NDN的PIT表對于相同興趣包的聚合能力,隨著zm的增大,用戶終端的平均內容訪問時延不斷降低。對于NDNPCSC緩存策略,相較于NDN-LCE緩存策略,流行的文件以大的概率衛星節點被緩存,同時不流行的文件被衛星節點緩存的概率較低,衛星節點均優先緩存了最流行的文件集合。由于用戶終端對于最流行的文件的請求概率增加,對于最流行文件的請求頻率增大,用戶的內容訪問時延降低。同時,隨著zm的增大,NDN-PCSC緩存策略和NDN-LCE緩存策略下用戶終端的平均內容訪問時延也不斷降低。可以看出,如果內容分發的最流行文件的集合越小,用戶大概率集中請求流行度靠前的文件,NDN-PCSC緩存策略的平均內容訪問時延也越小。

4 結論

1)本研究設計多層衛星網絡緩存模型,在3層衛星節點部署緩存,并提出基于衛星節點緩存容量大小和內容流行度的概率緩存策略。流行度高的內容可以被大概率地緩存在用戶附近的衛星節點上,解決了內容分發由于星間鏈路和星地鏈路傳播時延和多跳傳輸造成用戶內容訪問時延大的問題。

2)仿真驗證結果顯示,當每個衛星節點緩存容量大小僅占內容總量大小30%時,與IP協議、未部署緩存的NDN協議以及NDN-LCE緩存策略相比,采用提出的緩存策略,用戶平均內容訪問時延分別下降60%、53.4%和7.1%。多層衛星網絡緩存的部署實現了降低用戶終端內容訪問時延的目的。