内容中心网络中传输开销最小的协作缓存策略

———————————————收稿日期：2016-06-08；修回日期： 基金项目：国家自然科学基金资助项目（61303251） 作者简介：霍跃华（1981-），男（汉）,山西晋中人, 工程师，硕士, 主要研究方向为网络通信、图像识别等(27517175@)；刘银龙(1981-), 男,通信作者，博士，副研究员，主要研究方向为网络通信、大数据等.内容中心网络中传输开销最小的协作缓存策略*霍跃华1，刘银龙2+(1.中国矿业大学（北京） 现代教育技术中心 北京 100083；2. 中国科学院 信息工程研究所,北京 100093)摘 要: 内容中心网络是下一代互联网架构的研究热点，缓存策略是内容中心网络的核心问题之一，缓存策略的优劣直接制约内容中心网络的数据传输性能。

现有缓存策略主要从用户角度对网络性能（命中率、时延等）进行优化，而没有考虑网络为用户服务时的传输开销优化问题。

针对该问题，提出了一种传输开销最小的协作缓存机制。

首先，给出了CCN 中内容缓存价值的计算方法，并利用内容缓存价值来衡量缓存为网络传输开销带来的影响。

然后，基于内容缓存价值给出了最小化传网络输开销的缓存决策策略与缓存替换策略。

最后，利用ndnSIM 对所提缓存策略进行仿真，仿真结果表明，与现有缓存机制相比，所提策略能够大幅减少网络传输开销。

关键词: 内容中心网络；协同缓存；传输开销；缓存价值中图分类号: TP393.2 文献标志码: A 文章编号：Collaborative caching strategy based on minimizing transmission costin content-centric networkingHuo Yuehua 1, Liu Yinlong 2(1. Center of Modern Education Technology, China University of Mining & Technology(Beijing), Beijing 100083, China ；2. Institute of Information Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100093, China )Abstract: Content-Centric Networking （CCN ） is the next generation Internet research hotspot, and caching strategy is one of the core issues in CCN which will directly restrict the data dissemination performance of the network. The current caching strategies mainly concern about the performance CCN from the user perspective, without considering the problem of transmission cost when the network provides service for users. To overcome this problem, a caching strategy is proposed for minimization of the transmission cost of CCN. First, a method is presented to calculate the cache value of content, and use the cache value to measure the effect of cache on the network transmission cost. Then, the cache decision and cache replacement strategies minimize the transmission cost are represented based on the cache value of content. Finally, simulation experiment based on ndnSIM demonstrates that compared with the existing strategies, the proposed strategy can significantly decrease the network transmission cost. Key words: content-centric networking; collaborative caching; transmission cost; cache value0 引言为解决传统TCP/IP 网络“主机-主机”通信模式存在的移动性差、灵活性差、不安全等问题，国内外学术界提出了多种新的互联网架构，主要有：UC Berkeley 提出的“面向数据的网络架构”（Data-Oriented Network Architecture, DONA ）[1]、欧盟FP7提出的4WARD [2]以及“发布/订阅式互联网路由范例”（The Publish-Subscribe Internet RoutingParadigm, PSIRP ）[3]和Palo Alto Research Center 提出的“内容中心网络”（Content-Centric Networking ，CCN ）[4]等。

这些架构都采用了以内容为中心的核心思想，其中CCN 的网络设计更具有代表性，已成为下一代互联网架构的研究热点。

网内缓存（In-networking Caching ），即每个路由器节点都具有缓存功能，是CCN 的关键技术之一，在CCN 中起着重要的作用，逐渐成为领域内的研究热点。

近年来，研究者们对CCN 中的缓存策略进行了探索，得出了许多研究成果。

主要集中在两个方面：一是判定内容是否被缓存路由器（Caching Router ，CR 。

也称为缓存节点或简称节点）缓存的缓存决策策略[5-10]，二是CR 缓存内容的缓存替换策略[11-12]。

在缓存决策策略方面：全缓存（Leave Cache Everywhere ，LCE ）策略是CCN 中的默认策略，即网络中所有CR 对收到的任何内容均进行缓存。

这种机制复杂度低，易于部署，但带来了较大冗余，网络中的缓存资源没有得到充分的利用[5]。

文献[6]提出一种基于节点介数选择缓存节点的策略，将内容存储到介数最大的CR ，但会导致缓存分布的不均衡，使介数较低的CR 中缓存资源未得到充分利用。

文献[7]提出WA VE 策略，将热度较高的内容存储到距离用户较近的CR ，能够有效提高缓存命中率，但实现的复杂度较高。

在缓存替换策略方面：常用的替换策略有先入先出（First In First Out ，FIFO ）、独立最近最少使用（Independent Least Recently Used, ILRU ）替换、协作最近最少使用（Cooperative Least Recently Used, CLRU ）替换等。

FIFO 和ILRU 都属于单点缓存替换策略，FIFO 根据内容的到达顺序进行替换，ILRU 根据内容在单个CR 的流行度进行替换，两种策略均实现简单，但是都没有考虑网络拓扑、内容流行度等因素的影响。

CLRU 是指各CR 相互协作并根据文件在全网中的流行度替换，如果某一个CR 已经存储了某个内容，其他CR 就不会再缓存该内容。

但是，CLRU 只适用于流行度低的内容，对于流行度高的内容，频繁地从其他CR 获取会需要较大的传输开销。

此外，已有缓存策略主要对网络延时、命中率等进行优化，而很少考虑网络传输开销，也没有考虑用户从不同服务节点（提供服务的缓存路由器或内容服务器）获取内容的开销差异。

为降低CCN中的传输开销，本文提出了一种最小化网络传输开销的协作缓存策略(Collaborative Caching Strategy based on Minimizing Transmission Cost, CCSMTC)，该策略采用内容的缓存价值来衡量缓存为网络传输开销带来的影响，并基于内容缓存价值给出了缓存决策与缓存替换策略。

仿真结果表明，与现有缓存机制相比，所提策略能够有效减少网络传输开销。

1 CCN中的传输开销分析本节主要介绍CCN中内容传输过程，分析网络为用户服务所需的传输开销，并在此基础上提出内容缓存价值的计算方法。

1.1 CCN中的内容传输流程在CCN的内容传输过程中，存在两种包类型：兴趣包(interest packet) 和数据包(data packet)。

请求者发送带名字标识的兴趣包，该包将通过CR转发给能够提供该请求内容的服务节点，包含名字和内容的数据包将沿着兴趣包的反向路径传送给请求者，完成内容数据的传输。

典型的CR主要包含内容存储器(Content Store, CS)、待决请求表(Pending Interest Table, PIT)和前向转发库(Forwarding Information Base, FIB)。

其中，CS保存CR中的缓存内容，FIB 保存CR到达内容服务器的下一跳接口，PIT记录未响应兴趣包的内容名及其到达接口。

当有兴趣包到达CR时，CR将根据该兴趣包所包含内容名依次在CS, PIT, FIB进行最大匹配查询。

若CS包含兴趣包所对应的内容，CR直接将该内容发送到请求端口；若CS中未查询到请求内容，将在PIT 中继续查询，PIT如包含与内容名相关的条目，就将请求端口添加到PIT请求端口列表，否则将在FIB中继续查询；FIB若包含与内容名相关的条目，则按照FIB 的指示将该兴趣包转发到邻居CR节点，同时将该请求信息加入PIT条目中。

如果以上3 种情况都不符合，说明不存在相关的匹配路由，则丢弃该兴趣包。

在以上数据查询获取过程中，CR会根据缓存决策策略判定是否需要缓存内容，如果CS已满，还需要根据缓存替换策略置换重要性较低的内容。

1.2 CCN中的传输开销分析为便于描述，本文将每个CR及其所连接的用户称为一个管理域（简称为域）。

对于用户来说，其所连接的CR 为本域CR。

在CCN中，用户可能从3类数据源获取所请求的内容：本域CR、其他域CR或内容服务器。

本文采用单位链路开销来衡量用户从不同数据源获取单位内容所需的传输开销，单位链路开销是指在网络中的某条链路上传输1 byte的数据所耗费的开销。