霧網絡中在線緩存方案設計

孫 蓉，鄭慧慧，劉景偉

(1.西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071；2.華僑大學 廈門市移動多媒體通信重點實驗室，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 陜西省區塊鏈與安全計算重點實驗室，陜西 西安 710071)

5G網絡中將會部署大量的超密集邊緣設備，包括基站、無線接入點(AP)、平板電腦、智能手機等[1]。越來越多的設備產生了很大的數據流量，給網絡造成了很大的壓力，而用戶對未來5G通信網絡的要求也越來越高。因此，如何在無線網絡中快速處理和獲取數據，提高用戶體驗質量尤為重要，這成為部署5G網絡需要解決的關鍵問題。一種有效的方法就是在邊緣設備附近放置和處理數據，以避免不必要的網絡數據傳輸，減少網絡傳輸時延[2]。與云計算相比，霧計算更接近網絡的邊緣，將云服務的能力擴展到網絡的邊緣[3-4]。霧計算網絡通過近距離地為終端用戶提供計算、存儲和通信等服務，有效地降低了數據傳輸時延。編碼緩存作為5G移動通信系統的關鍵技術之一，在減輕網絡負擔、提高網絡性能和能量效率等方面得到了廣泛的關注[5]。將編碼緩存技術應用于霧計算網絡的邊緣節點，用戶可以更有效地獲取所需的數據。因此，研究霧計算網絡中邊緣節點的緩存資源分配，以提高數據訪問的命中率，減少數據訪問的時延，具有十分重要的意義，一直是學術界和工業界關注的焦點。

筆者研究了基于霧計算網絡模型的編碼緩存技術的相關問題。在霧網絡中，霧節點和用戶節點都配備了有限容量的緩存。用戶請求的流行內容可以由服務器和霧節點提供。霧網絡緩存架構可以看成是一個兩跳網絡，它解決了緩存資源分配和數據傳輸的問題，緩存架構中的霧節點被視為中繼節點。緩存方案的目的是通過聯合優化放置和交付階段來滿足每個用戶的請求，從而最小化網絡上的最大流量負載。

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。相對于傳統緩存技術，編碼緩存技術不僅具有本地緩存增益，還具有全局緩存增益。大量的工作進一步研究了編碼緩存技術，如緩存技術的傳輸性能優化問題[8-9]，非均勻請求下的緩存內容分配問題[10-11]，多服務器網絡中文件的分布式存儲問題[12-13]。

以上這些工作都是基于離線場景下研究的。在離線緩存中，服務器數據庫中的文件不會改變，中繼和用戶的緩存內容也不需要更新。因此在離線場景中，只需要關心放置階段和交付階段。然而在實際場景中，服務器數據庫中的文件是不斷變化的[14-15]，所以在在線緩存中服務器文件以及中繼和用戶的緩存內容都需要更新。

1 DOER系統模型

在霧網絡緩存系統中，用戶向云服務器中的文件發出請求。該請求信息先經過霧層，由具有計算和緩存功能的霧節點來進行一定的處理。如果霧層不能滿足用戶的需求，則霧層會把請求信息提交給云層。云服務器收到請求信息后，將發送數據給霧層，霧節點再將數據發送給需要的用戶。基于此云霧協作的緩存系統架構，筆者研究了霧網絡中的編碼緩存技術。

1.1 網絡模型

圖1 在線緩存系統模型

1.2 網絡模型

使用離線場景下的去中心化編碼緩存方案來設計兩跳網絡的在線緩存方案。將此在線去中心化編碼緩存方案簡稱為DOER(Decentralized Outdated file Eviction for Random access)方案，系統模型如圖1所示。DOER方案的系統模型由若干個周期t組成。服務器在周期t的文件表示為Wt={Wt，1，Wt，2，…，Wt，N}。在每個周期內，新文件Wt，new以概率β到達服務器，則概率1-β表示沒有新文件到達服務器。因此，服務器在周期t的文件Wt與Wt-1、概率β、新文件Wt，new有關，即新文件到達時，服務器需要更新數據庫中的文件。系統用戶數量為K。在每個周期內，用戶以概率ω請求服務器中的文件。用戶在周期t內的請求矢量dt={dt，1，dt，2，…，dt，K}。dt，k表示用戶Uk請求文件的索引，即dt，k∈{0，1，…，N}。當dt，k∈{1，2，…，N}時，表示用戶Uk請求文件Wdt，k，稱用戶Uk是活動的；當dt，k=0時，表示用戶Uk沒有請求文件，稱用戶Uk是不活動的。在這里，僅考慮服務器數據庫中的文件總數不小于系統中總的用戶數量，即N≥K。

2 DOER方案描述

DOER方案主要包含4個過程：初始化緩存，文件更新，內容交付和緩存更新。

定義Hh表示中繼Lh的緩存內容。Zk表示用戶Uk的緩存內容。RshB表示從服務器到中繼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 文件編碼過程

2.2 文件更新

在t≥1周期內，新的文件Wt，new以概率β到達服務器，則Wt，new=φ的概率為1-β。若有新文件Wt，new到達，則服務器從原有文件集中隨機均勻地選擇一個用新文件Wt，new替換。然后，服務器將新文件的標識以及被替換文件的索引發送給中繼和用戶。若沒有新文件到達，則t時刻的文件集Wt=Wt-1。該過程被稱為服務器中的文件更新。

2.3 內容交付

總的來說，在交付階段活動用戶的請求文件被自己局部緩存時，服務器可以通過去中心化編碼緩存方案的編碼多播來滿足用戶的請求。活動用戶的請求文件沒有被自己局部緩存時，服務器通過發送文件的編碼包來滿足用戶的請求。

2.4 緩存更新

在線緩存DOER方案中，新文件到達服務器時，服務器從原文件集隨機選擇一個文件用新到達的文件進行替換。替換完成后，服務器將新文件的標識和替換文件的索引發送給中繼和用戶；當用戶請求的文件被本地緩存時，服務器根據去中心化編碼緩存方案的交付階段發送多播信息給中繼，中繼將接收到的編碼信號和本地局部緩存內容發送給連接的用戶。當用戶請求的文件沒有被本地緩存時，服務器將發送請求文件的編碼包給中繼，中繼將接收到的編碼包發送給用戶。然后，中繼和用戶用接收到的新文件的編碼包替換從服務器剔除的文件的局部內容。這樣，保證了服務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。首先看服務器中沒有新文件到達，用戶請求的內容在本地都有局部緩存時的傳輸速率。

(1)

(2)

若服務器中有新文件到達，且用戶Uk請求該文件，則服務器將新到達的文件的編碼包發送給中繼Lh，h∈Hk。所以，服務器到中繼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系

圖3刻畫了DOER方案中傳輸速率和緩存內存之間的關系。傳輸速率所表示的是鏈路上的負載量(被文件歸一化后)。因此，所需的傳輸速率越小，需要傳輸的數據量越小，獲取數據的傳輸時間越小；在相同帶寬的條件下，網絡負載越小。可以明顯地觀察到，服務器到中繼的傳輸速率隨著中繼和用戶緩存內存的增加逐漸減小。中繼到用戶的傳輸速率僅僅和用戶的緩存內存有關，且隨著用戶緩存內容的增加而逐漸減小。

4 結束語

筆者將編碼緩存技術應用于霧網絡中，以滿足用戶對5G通

信系統的需求。首先將霧網絡緩存系統簡化為兩跳網絡，根據兩跳網絡模型，為其設計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，通過設計服務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容保持有效性。仿真結果表明，該方案可以明顯地減少網絡中的傳輸負載，有效地降低傳輸時延。

在后續工作中，將會考慮在緩存內容方面加以信息年齡等權重指標，綜合提高網絡傳輸質量。