命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中緩存優(yōu)化策略的研究*

李慶敏 高全力 王西漢 胡發(fā)麗

（1.西安工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 西安 710048）（2.新型網(wǎng)絡(luò)智能信息服務(wù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心 西安 710048）

1 引言

根據(jù)思科（Cisco）公布的思科視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（VNI）［1］預(yù)測(cè)，2022年將會(huì)創(chuàng)造出比互聯(lián)網(wǎng)誕生至2016年的總流量更多的網(wǎng)絡(luò)流量，世界范圍內(nèi)的網(wǎng)民數(shù)量將會(huì)達(dá)到48億，比2017年整整多了14億。海量的數(shù)據(jù)流量不僅催生出大量的新型應(yīng)用，還造成傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)IP地址耗竭等問(wèn)題。在此背景下，研究人員提出了信息中心網(wǎng)絡(luò)［2～3］（Information-Centric Networking，ICN）。

ICN以內(nèi)容為核心不同于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)以IP地址為核心，這項(xiàng)特性使得ICN的實(shí)施部署成為了如今的主流。其中，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)［4］（Named Data Networking，NDN）是信息中心網(wǎng)絡(luò)的一種新的演化。NDN網(wǎng)絡(luò)使用的是名稱尋址和路由節(jié)點(diǎn)緩存功能。與基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)相比，NDN對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的信息命名使用的是名稱前綴而不是IP前綴，每條內(nèi)容都有一個(gè)唯一的名稱。用戶通過(guò)向NDN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送內(nèi)容名稱唯一標(biāo)識(shí)的興趣包來(lái)獲取內(nèi)容，每個(gè)中間路由節(jié)點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)緩存功能，可以獨(dú)立地執(zhí)行緩存策略。因此，從源服務(wù)器端返回的攜帶請(qǐng)求內(nèi)容的數(shù)據(jù)包可以緩存在途徑的路由節(jié)點(diǎn)上。如果下一次有用戶發(fā)送相同的內(nèi)容請(qǐng)求，則該路由節(jié)點(diǎn)就可以立即做出響應(yīng)回傳數(shù)據(jù)包，而無(wú)需再將請(qǐng)求向源服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)。因此，合理的緩存策略是影響NDN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效率的關(guān)鍵因素，也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

緩存策略包括路由節(jié)點(diǎn)判斷是否將到達(dá)的數(shù)據(jù)包緩存的緩存放置策略和在路由節(jié)點(diǎn)中的緩存內(nèi)容的更新與清除的緩存替換策略。NDN網(wǎng)絡(luò)常見(jiàn)的放置策略有LCE［5］、LCD［6］、Prob［7］等。其中，LCE（Leave Copy Everywhere）策略對(duì)所有數(shù)據(jù)包全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)緩存。LCD（Leave Copy Down）策略只將數(shù)據(jù)包緩存到發(fā)生緩存命中的中間路由節(jié)點(diǎn)的下游節(jié)點(diǎn)。Prob（Copy with Probability）策略中所有的路由節(jié)點(diǎn)都使用概率P緩存數(shù)據(jù)包。這些策略計(jì)算復(fù)雜度低，易于執(zhí)行，但存在兩個(gè)問(wèn)題使得NDN網(wǎng)絡(luò)性能受限：1）數(shù)據(jù)冗余，大量具有相同內(nèi)容的數(shù)據(jù)包在回溯路徑上多次重復(fù)緩存，浪費(fèi)了節(jié)點(diǎn)的有限緩存容量；2）內(nèi)容無(wú)差別處理，所有的內(nèi)容都緩存在路徑上所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)，缺乏針對(duì)不同類別的內(nèi)容提供差異化的緩存服務(wù)。而且以上策略主要從單一因素考慮緩存，無(wú)法做到客觀的、正確的緩存決策。為了解決此類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們提出了考慮多因素的緩存放置策略。

ProbCache策略［8］認(rèn)為緩存取決于節(jié)點(diǎn)與用戶的距離和節(jié)點(diǎn)的剩余緩存容量。因此越靠近用戶或剩余容量越多的節(jié)點(diǎn)越容易緩存。但是邊緣路由節(jié)點(diǎn)之間會(huì)出現(xiàn)緩存競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致高替換率。文獻(xiàn)［9～10］提出在具有最高中心性的路由節(jié)點(diǎn)上緩存內(nèi)容，但是這將增加路由器的負(fù)載并導(dǎo)致緩存替換的頻率增大。文獻(xiàn)［11～12］同時(shí)考慮了內(nèi)容受歡迎程度和路由節(jié)點(diǎn)級(jí)別。Betw策略［13］提出將介數(shù)概念用于一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，將數(shù)據(jù)包緩存在回溯路徑上具有最大介數(shù)的路由節(jié)點(diǎn)中，減少了網(wǎng)絡(luò)中的緩存冗余，但也會(huì)導(dǎo)致路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)高替換率的問(wèn)題。以上綜合考慮多因素的緩存放置策略各有優(yōu)缺點(diǎn)，雖然減少了緩存冗余但還存在高替換率和對(duì)所有內(nèi)容提供無(wú)差別服務(wù)的問(wèn)題。

考慮到上述問(wèn)題，受IP網(wǎng)絡(luò)中的IntServ模型啟發(fā)，對(duì)NDN網(wǎng)絡(luò)中的請(qǐng)求內(nèi)容正確合理分類，同時(shí)考慮路由節(jié)點(diǎn)的重要度，不同重要度的節(jié)點(diǎn)緩存不同類別的內(nèi)容，更符合NDN網(wǎng)絡(luò)提出的初衷和未來(lái)的發(fā)展場(chǎng)景。因此本文提出一種基于節(jié)點(diǎn)重要度和內(nèi)容類別的緩存放置策略（Cache Placement Strategy Based on Node Importance and Content Category，NICC）。該策略根據(jù)不同服務(wù)的QoS需求，將命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容劃分為不同的類別，且提供不同的緩存判決條件。同時(shí)考慮NDN網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)的重要度，節(jié)點(diǎn)重要度的度量為介數(shù)，介數(shù)越大則有更多的內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)路徑要經(jīng)過(guò)此路由節(jié)點(diǎn)，然后在節(jié)點(diǎn)重要度高的路由節(jié)點(diǎn)優(yōu)先考慮處理高優(yōu)先級(jí)和高QoS需求的緩存。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相較于NDN網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有的緩存放置策略，NICC策略在平均緩存命中率、平均請(qǐng)求時(shí)延、服務(wù)器命中率方面有較大的改善。

2 NICC緩存放置策略

NICC策略整體工作流程如圖1所示，其設(shè)計(jì)思想是在請(qǐng)求的路徑上，節(jié)點(diǎn)重要度是做緩存決策的重要判決條件之一。當(dāng)源服務(wù)器返回?cái)?shù)據(jù)包時(shí)，在數(shù)據(jù)包相應(yīng)字段做類別標(biāo)記，該類別標(biāo)記也是緩存決策的重要判決條件之一。數(shù)據(jù)包還需統(tǒng)計(jì)沿途經(jīng)過(guò)的路由節(jié)點(diǎn)跳數(shù)總和視為請(qǐng)求代價(jià)。路由節(jié)點(diǎn)對(duì)請(qǐng)求緩存的數(shù)據(jù)包，先依據(jù)數(shù)據(jù)包攜帶的類別標(biāo)識(shí)，判斷是否有必要緩存，如果不需要緩存，則依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略直接轉(zhuǎn)發(fā)；否則將進(jìn)一步查看類別標(biāo)識(shí)，當(dāng)該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)重要度匹配內(nèi)容類別時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)數(shù)據(jù)包的內(nèi)容類別標(biāo)記、節(jié)點(diǎn)重要度和請(qǐng)求代價(jià)三個(gè)指標(biāo)數(shù)值計(jì)算緩存概率，最后依據(jù)此緩存概率進(jìn)行數(shù)據(jù)包緩存的判定。

圖1 NICC策略整體工作流程

2.1 節(jié)點(diǎn)重要度

文獻(xiàn)［14］中提出，可以使用介數(shù)來(lái)表達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要性。因此，本文選取了介數(shù)中心性［15］來(lái)度量節(jié)點(diǎn)的重要性，介數(shù)B(νi)由式（1）確定：

本文模擬的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ褪怯蔁o(wú)向圖G=（V，E）來(lái)描述的，其中集合V=｛v1，v2，v3，…，vn｝代表n個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，集合E=｛e1，e2，e3，…，em｝代表m組網(wǎng)絡(luò)路徑，節(jié)點(diǎn)x和y是不同于節(jié)點(diǎn)vi的另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，ηx，y為從節(jié)點(diǎn)x至y的最短路徑的總和，ηx，y（vi）為從節(jié)點(diǎn)x至節(jié)點(diǎn)y的最短路徑上經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)vi的路徑數(shù)目。本文統(tǒng)計(jì)最短路徑使用Dijkstra算法［16］。為了消除實(shí)驗(yàn)外不相關(guān)因素的影響，本文采用的介數(shù)均為離線計(jì)算，介數(shù)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前已計(jì)算完畢并存入各自對(duì)應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)中。

2.2 內(nèi)容類別定義

根據(jù)內(nèi)容的共享程度、時(shí)延需求、帶寬消耗等特點(diǎn)，將NDN網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容分為4個(gè)類別：無(wú)需緩存類（No Cache，NC）、盡力而為類（Do Best，DB）、質(zhì)量保證類（Quality Assurance，QA）、可控負(fù)載類（Controllable Load，CL），如圖2所示。對(duì)于NC類，例如即時(shí)通信、在線游戲、郵件等，該類內(nèi)容時(shí)效性強(qiáng)，過(guò)期快，與其他用戶的共享程度低，中間路由節(jié)點(diǎn)無(wú)需浪費(fèi)有限的緩存資源對(duì)其緩存；對(duì)于QA類，例如游戲直播、賽事直播、網(wǎng)絡(luò)電視等，該類內(nèi)容后續(xù)可能會(huì)被其他用戶重復(fù)請(qǐng)求，且請(qǐng)求時(shí)延要求較高，將其優(yōu)先考慮緩存在節(jié)點(diǎn)重要度最高，即介數(shù)最大的核心路由節(jié)點(diǎn)上能更好地提供低延時(shí)服務(wù)，且不會(huì)頻繁的使用帶寬資源；對(duì)于CL類，例如離線下載資源，包括音頻、視頻、圖片等，該類內(nèi)容占用空間較大，對(duì)時(shí)延的要求低于QA類，且對(duì)帶寬資源要求大，遂將此類內(nèi)容優(yōu)先考慮緩存在節(jié)點(diǎn)重要度小于QA類的的路由節(jié)點(diǎn)上，既能避免占用解決時(shí)延要求高的核心路由節(jié)點(diǎn)，也能避免網(wǎng)絡(luò)帶寬的無(wú)端占用；對(duì)于DB類，例如網(wǎng)頁(yè)、共享文件、低優(yōu)先級(jí)內(nèi)容等，該類內(nèi)容占用空間小，帶寬要求較低，可容忍延遲時(shí)間較長(zhǎng)，將其優(yōu)先考慮緩存在節(jié)點(diǎn)重要度均小于QA類和CL類的路由節(jié)點(diǎn)上。

圖2 NICC策略中NDN網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容類別

2.3 包格式拓展

為了支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸過(guò)程中路由節(jié)點(diǎn)能根據(jù)內(nèi)容的類別提供不同的緩存放置服務(wù)，在保持了NDN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的前提下，拓展了其格式。如圖3所示，數(shù)據(jù)包增加ContentCategory和RequestCost字段，其中ContentCategory用于標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包攜帶的內(nèi)容類別，包括NC、DB、QA、CL4種內(nèi)容；RequestCost記錄的是數(shù)據(jù)包沿著回溯路徑傳輸?shù)侥骋宦酚晒?jié)點(diǎn)距離源服務(wù)器端的經(jīng)過(guò)其他路由節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，即請(qǐng)求代價(jià)。

圖3 NICC策略拓展的數(shù)據(jù)包格式

2.4 放置描述

為了方便內(nèi)容類別和路由節(jié)點(diǎn)的匹配，先將上文提到的介數(shù)B(νi)進(jìn)行歸一化處理：

在NICC策略中，當(dāng)數(shù)據(jù)包沿請(qǐng)求路徑傳輸時(shí)，沿途路由節(jié)點(diǎn)先判斷數(shù)據(jù)包的內(nèi)容類別，即ContentCategory字段的標(biāo)識(shí)，按照以下4種方法計(jì)算數(shù)據(jù)包的緩存概率：

1）若ContentCategory=NC，則路由節(jié)點(diǎn)不進(jìn)行緩存決策，并對(duì)數(shù)據(jù)包按照規(guī)定的轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行處理。

2）若ContentCategory=QA，且節(jié)點(diǎn)的介數(shù)nb（vi）大于0.6，則在該節(jié)點(diǎn)計(jì)算緩存概率P，并依據(jù)概率P進(jìn)行緩存決策。

3）若ContentCategory=CL，且節(jié)點(diǎn)的介數(shù)nb（vi）大于0.3且小于或等于0.6，則在該節(jié)點(diǎn)計(jì)算緩存概率P，并依據(jù)概率P進(jìn)行緩存決策。

4）若ContentCategory=DB，且節(jié)點(diǎn)的介數(shù)nb（vi）小于或等于0.3且大于0，則在該節(jié)點(diǎn)計(jì)算緩存概率P，并依據(jù)概率P進(jìn)行緩存決策。

在NICC策略中，每個(gè)內(nèi)容i在路由節(jié)點(diǎn)j上的緩存概率Pi，j計(jì)算公式為

式中，各參數(shù)含義與取值如下：

1）nb（j）表示NDN網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)重要度，用介數(shù)值表示。文中所用的介數(shù)都是離線運(yùn)算，在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前已計(jì)算完畢并存入各自對(duì)應(yīng)的路由節(jié)點(diǎn)中。

2）cci是內(nèi)容i對(duì)應(yīng)的內(nèi)容權(quán)值，不同內(nèi)容類別對(duì)應(yīng)不同的權(quán)值，路由節(jié)點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)包的Content-Category字段獲得。權(quán)值的設(shè)置參考Cisco的VNI報(bào)告中對(duì)于未來(lái)幾年的IP網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測(cè)，視頻流量占IP總流量的82%［1］。

3）rci，j表示內(nèi)容i在路由節(jié)點(diǎn)j的請(qǐng)求代價(jià)，即數(shù)據(jù)包回溯路徑上經(jīng)過(guò)的其他路由節(jié)點(diǎn)的總跳數(shù)。為了便于計(jì)算比較，對(duì)請(qǐng)求代價(jià)進(jìn)行歸一化處理后通過(guò)式（1）～（4）確定rci，j：

式中：Hj為數(shù)據(jù)包攜帶的RequestCost字段的值；Tcount n為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲新酚晒?jié)點(diǎn)的總數(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)給定，仿真開(kāi)始前存入中間路由節(jié)點(diǎn)中。

4）α、β、γ是各項(xiàng)的權(quán)重因子，三者之和為1。

緩存內(nèi)容類別權(quán)值如圖4所示。

圖4 NICC策略內(nèi)容類別權(quán)值表

NICC策略偽代碼如下：

Algorithm NICC

Init Data package：Tagging ContentCategory，Request-Cost=0

1：Node vi receive Data package j

2：if ContentCategory=NC then

3：Forword this data package to next node

4：RequestCost++

5：else

6：if nb（vi）＞0.6&&ContentCategory=QA then

7： Calcalate Pj，i=α×nb（vi）+β×ccj+γ×rcj，i

8： Cache this data package according to Pj，i

9：end if

10：if 0.3＜nb（vi）＜=0.6&&ContentCategory=CL then

11： Calcalate Pj，i=α×nb（vi）+β×ccj+γ×rcj，i

12： Cache this data package according to Pj，i

13：end if

14：if 0.0＜nb（vi）＜=0.3&&ContentCategory=DB then

15： Calcalate Pj，i=α×nb（vi）+β×ccj+γ×rcj，i

16： Cache this data package according to Pj，i

17：end if

18：end if

2.5 數(shù)據(jù)包緩存放置流程

如圖5所示，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行4個(gè)步驟。

圖5 包轉(zhuǎn)發(fā)和緩存放置流程

步驟1：路由節(jié)點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)包中的ContentCategory字段的內(nèi)容類別信息，如果是ContentCategory=NC，則依據(jù)既定的轉(zhuǎn)發(fā)策略來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，且數(shù)據(jù)包中的RequestCost字段的值加1；如果是除了NC之外的其他內(nèi)容類別信息，則執(zhí)行步驟2；

步驟2：根據(jù)該路由節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)重要度，查詢數(shù)據(jù)包中的ContentCategory字段的內(nèi)容類別信息，判斷節(jié)點(diǎn)重要度是否與數(shù)據(jù)包的內(nèi)容類別相對(duì)應(yīng)，如果不對(duì)應(yīng)，則依據(jù)既定的轉(zhuǎn)發(fā)策略轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，且數(shù)據(jù)包中的RequestCost字段的值加1；如果相對(duì)應(yīng)，則執(zhí)行步驟3；

步驟3：結(jié)合該節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)重要度、數(shù)據(jù)包的內(nèi)容類別的權(quán)值和數(shù)據(jù)包的請(qǐng)求代價(jià)三方面的信息根據(jù)算式計(jì)算緩存概率P，執(zhí)行步驟4；

步驟4：根據(jù)緩存概緩存數(shù)據(jù)包。

3 實(shí)驗(yàn)仿真和結(jié)果分析

為了驗(yàn)證NICC緩存放置策略在NDN網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際部署效果和效率，在基于NS-3［17］的網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)ndnSIM［18～19］上對(duì)NICC機(jī)制進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，選取NDN網(wǎng)絡(luò)中的LCE、LCD、Betw、Probability緩存放置策略作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比，設(shè)置Probability策略的緩存概率為0.7。

3.1 仿真環(huán)境與參數(shù)配置

所有仿真作業(yè)均在本地計(jì)算機(jī)上進(jìn)行，操作系統(tǒng) 及 版 本 為Ubuntu18.04.64-bit；CPU為Intel（R）Core（TM）i7-9700K CPU@3.60GHz；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為ndnSIM，版本控制在2.7；實(shí)驗(yàn)分配內(nèi)存為10 GB，硬盤100GB，處理器數(shù)量為8個(gè)。

實(shí)驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎梦墨I(xiàn)［20］提出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停撃Ｐ湍芊从吵鼍W(wǎng)絡(luò)的真正特性，包含30個(gè)節(jié)點(diǎn)，37條鏈路，該模型如圖6所示。

圖6 NICC策略仿真拓?fù)鋱D

假設(shè)該拓?fù)渲邪?3個(gè)用戶，13個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，4個(gè)源服務(wù)器，分別處理4種不同類別的數(shù)據(jù)包。為了模擬不同的內(nèi)容類別的業(yè)務(wù)請(qǐng)求，分別設(shè)置NC類、DB類、CL類、QA類對(duì)應(yīng)的內(nèi)容前綴名為“qqmail.com”“youku.com”“dance.com”“huyatv.com”，后綴為隨機(jī)數(shù)。在用戶端，興趣包請(qǐng)求產(chǎn)生的平均速率遵循10個(gè)/s的泊松分布。在源服務(wù)器端，設(shè)置類別為NC的內(nèi)容產(chǎn)生服從均勻分布，均勻分布的特點(diǎn)使得NC類別的內(nèi)容很少出現(xiàn)重復(fù)的情況；類別為QA、CL、DB的內(nèi)容產(chǎn)生服從Zipf分布，Zipf參數(shù)取值為0.8。每個(gè)類別數(shù)據(jù)包的大小為1024B，總數(shù)為1000個(gè)，內(nèi)容序號(hào)以1～1000排序。路由節(jié)點(diǎn)的緩存空間容量相同，可容納數(shù)據(jù)包數(shù)量取值范圍為10個(gè)～100個(gè)，緩存伊始不包含任何內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)預(yù)設(shè)的緩存替換策略為L(zhǎng)RU。在轉(zhuǎn)發(fā)策略選擇上，采用NDN默認(rèn)的轉(zhuǎn)發(fā)策略，即最佳路由策略BestRoute。在NICC策略緩存概率P的計(jì)算公式中，α值為0.5，β值為0.3，γ值為0.2。其他設(shè)置：鏈路帶寬為100 Mbis/s，鏈路時(shí)延為10ms，仿真時(shí)長(zhǎng)為120s。

3.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1）平均緩存命中率Hr：平均緩存命中率是指在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)中間路由節(jié)點(diǎn)命中的興趣包數(shù)與各用戶發(fā)出的請(qǐng)求興趣包的總數(shù)的比值，其能反映路由節(jié)點(diǎn)減少源服務(wù)器的工作量［21］。如：

式中：N表示用戶發(fā)送的請(qǐng)求興趣包的總數(shù)，hi表示用戶請(qǐng)求興趣包在路由節(jié)點(diǎn)vi得到響應(yīng)的次數(shù)［20］。

2）平均請(qǐng)求時(shí)延：平均請(qǐng)求時(shí)延是指用戶發(fā)出請(qǐng)求興趣包到接收響應(yīng)數(shù)據(jù)包的時(shí)間，單位為ms，該值越大，用戶得到反饋越慢，平均請(qǐng)求時(shí)延可以用來(lái)衡量用戶體驗(yàn)好壞［21］。

3）服務(wù)器命中率：服務(wù)器命中率定義為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的請(qǐng)求數(shù)量在源服務(wù)器端命中的數(shù)量占請(qǐng)求總數(shù)量的比值，該值越大，說(shuō)明大量請(qǐng)求在興趣包傳輸路徑的路由節(jié)點(diǎn)中沒(méi)能被滿足，需要到源服務(wù)器請(qǐng)求，增大了源服務(wù)器的工作量。當(dāng)該值過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)延遲。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

如圖7是NICC、Probability、LCE、LCD和Betw五種緩存放置策略，用戶的平均緩存命中率與緩存容量相關(guān)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖。可以看出，五種不同的緩存放置策略，其平均緩存命中率會(huì)隨路由節(jié)點(diǎn)的緩存容量的增加而增加，且NICC策略遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于NDN網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)的緩存放置策略LCE。當(dāng)緩存容量為10時(shí)，LCE策略具有最低的平均緩存命中率，NICC策略較之提高了3.2%的命中率。當(dāng)緩存容量為100時(shí)，NICC策略較Probability、LCE、LCD、Betw四種策略分別提高了2.9%、4.1%、15.1%、2.7%。NICC策略的平均緩存命中率增幅達(dá)2.5倍。NICC策略在不同節(jié)點(diǎn)重要度的路由節(jié)點(diǎn)考慮處理不同優(yōu)先級(jí)和不同QoS需求的內(nèi)容，避免了個(gè)別節(jié)點(diǎn)的高替換率，因此可以有效地增加緩存資源的利用率，并能有效地提高緩存的平均命中。

圖7 平均緩存命中率與緩存容量相關(guān)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8是NICC、Probability、LCE、LCD和Betw五種緩存放置策略，用戶平均請(qǐng)求時(shí)延與路由節(jié)點(diǎn)的緩存容量相關(guān)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)的緩存容量增加時(shí)，五種緩存放置策略的平均請(qǐng)求時(shí)延都在減小。LCE策略在節(jié)點(diǎn)緩存容量最小時(shí)擁有最大的平均請(qǐng)求時(shí)延。當(dāng)緩存容量小于40時(shí)，LCD策略略優(yōu)，但是隨著緩存容量的增大，NICC策略表現(xiàn)逐漸優(yōu)于LCD策略和其他三種緩存放置策略。整體來(lái)看NICC策略有更好的性能。

圖8 平均請(qǐng)求時(shí)延與緩存容量相關(guān)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9是NICC、Probability、LCE、LCD和Betw五種緩存放置策略，服務(wù)器命中率與路由節(jié)點(diǎn)的緩存容量相關(guān)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖。

從圖9可以看出，隨著路由節(jié)點(diǎn)的緩存容量增加，五種策略下服務(wù)器命中率逐漸降低，因?yàn)橛懈嗟恼?qǐng)求被中間路由節(jié)點(diǎn)滿足，所以源服務(wù)器收到的請(qǐng)求逐漸減少，即服務(wù)器命中率逐漸降低。在緩存容量最大時(shí)，對(duì)比NICC、Probability、LCE、LCD、Betw，前者相比于后四者，服務(wù)器命中率分別降低了近3.5%、4.3%、15.5%、3.4%，其中NICC策略較LCE策略的降幅最大。整體來(lái)看NICC策略在降低服務(wù)器命中率方面具有更好的表現(xiàn)。

圖9 服務(wù)器命中率與緩存容量相關(guān)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

為了提高NDN網(wǎng)絡(luò)中緩存的命中率，降低平均請(qǐng)求時(shí)延和服務(wù)器命中率，本文提出了基于節(jié)點(diǎn)重要度和內(nèi)容類別的緩存放置策略NICC。該策略將優(yōu)先級(jí)高、QoS高的內(nèi)容和優(yōu)先級(jí)低、QoS低的內(nèi)容區(qū)分對(duì)待，結(jié)合節(jié)點(diǎn)重要度的概念，提供節(jié)點(diǎn)不同的緩存判決條件。NICC策略充分利用了緩存資源，以滿足不同內(nèi)容緩存的需要。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)NICC策略在平均緩存命中率、平均請(qǐng)求時(shí)延等方面都比NDN網(wǎng)絡(luò)中常見(jiàn)的Probability、LCE、LCD、Betw四種放置策略更好。

下一步的研究將考慮更加細(xì)化的內(nèi)容分類方法，使之能夠更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容多樣化的趨勢(shì)。另外將考慮在不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以符合網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多樣的發(fā)展趨勢(shì)。