CDN网络应用的ISP接入网中的流量缓存分析

姜妮

摘要：分析了接入网和回程网得到流量的各种属性，并定义了流量监控的关键性能，以推断出采用CDN网络来减少流量的潜能。基于这些研究和、CCN技术的微型CDN网络应用，以减少ISP基础设施内的冗余网络流量同时提高用户的QoS。并提出设计CDN网络的内存要求，定义了流量监控的关键性能，比如内容的流行度，请求的可缓存性，缓存消耗的性能指标等，并建立了较为准确的分析模型，可供今后设计CCN网络作为参考，这在工程应用中具有很大的实用价值。

关键词：流量;缓存;CDN网络;

一、设计理由

信息产业经过多年的高速发展，经历了计算机、互联网与移动通信网两次浪潮，物联网被称为世界信息产业第三次浪潮，代表了下一代信息发展技术，被世界各国当作应对国际金融危机、振兴经济的重点技术领域。物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。

通常，缓存的命中率和跳数是以网络为中心的重要性能参数。在我们的CDN网络中，我们要清楚ISP实际网络中流量的内容属性以及数学模型和网络流量分析的数学模型是与信息内容的缓存大小以及安装位置对于接入网以及回程网的流量有关。基于兴趣的访问控制（IBAC）是一种替代技术，它是基于利益的名字模糊和授权的公开。 在窃听者的监听下模糊名称，隐藏兴趣目标。每一个路由器都维护着一个高速缓存，这以特性能使路由器满足兴趣的特点，就减少了端到端信息的延迟和请求，为整个网络的内容请求节省了相应的带宽。

在NDN（命名数据网络）中，内容是从网络缓存器中根据其名字检索，这导致在内容完整性上出现了严重的安全隐患。尤其是如果有毒的内容处于网络缓存器（CS）中，感兴趣的内容将会送达到有毒内容而不是内容服务器。因此，用户无法将利益通过已经被污染的内容存储库（CS）获得有效内容。为了解决这个问题，每个内容都需要在插入到CS之前进行检验。然而，这种内置检验机制并不是一个实际的方法，因为其耗费了巨大的计算负荷。

二、设计原理

通过缓存稳定的VIP算法可以有效的降低缓存数据在网络中的流转量，在这个方案中缓存内容处于稳定的状态，不会频繁的循环于网络中，虽然这种算法在虚拟平台中不是最佳方案，但是在实际平台中能够产生显著的增益。

CDN网络由以前的IP结构的网络改到以内容为中心的网络结构框架，新的网络结构可以支持IBAC的访问控制策略。同时，网络建立了一个互信机制，其中路由器具有验证功能，可以验证用户是否有权利访问各个节点上缓存的内容。

通过计算节点中的VIP的流速和缓存的比率，外加特定一定的算法，控制当前节点的缓存数据转移到其它节点和缓存其它节点的数据来有效的实现因为网络缓存冗余的问题以达到最佳的网络性能。

VIP架构的NDN网络利用虚拟平台与实际平台相结合，在虚拟平台上采用针对VIP的算法来计算出VIP的活跃度和队列长度，通过VIP的活跃度和队列长度来分配控制实际平台的数据的转发和缓存。

VIP架构的NDN网络具有极低的网络延迟和优异的缓存命中率在新兴的信息中心网络的应用中能够有效的提高网络质量，减少网络拥堵，提高网络服务效率。使用CDN的独特转发层来提高终端用户体验质量和减少终端访问成本和功耗。

三、设计思路

考虑向服务器请求的固定路由情况和现在的链路拥塞情况，提出一个感知缓存策略，提出了緩存的定义 ，Nr表示给定时间段内对象被请求的次数，No表示观察到的不同对象数量（目录的基数）。

将时间轴分解为以下尺寸的窗口T > 0，然后假设任意时间窗口Wi， Wi = （iT; iT + T）， 对内容目录中的对象Ai的请求符合泊松分布，频率为λ，对于所有i有Ai∩Aj = Ø，j ： i ≠ j。对象的平均大小为σ字节，Ai符合Zipf定律，参数为α，N。比如一个内容项目被请求率排名κ，则它的被请求概率为qκ= cκ-α， κ∈{1，…，N}，∣Ai∣ = N.

核心缓存指数据信息缓存位置以核心路由为主，边缘路由尽可能减少缓存信息。对于路由器来说，这种缓存存储负担重，边缘缓存将信息存储在用户接入的边缘路由器中，用户可以直接获取保存了的信息

使用LRU（最近最少使用算法），若高速缓存大小为χ字节，得知，如果T >> χαg ，同时1/g =λcσαΓ（1-1/α）α ，则高速缓存对于一个流行度排名κ位的对象的命中率大小为{-λqκgχα}。以此再根据内容流行度的分布函数以及对象目录，就可以估算出所有内容的可缓存率，以及缓存大小的需求。通过在ISP接入网中实际实验测试，证明了CCN技术对于网络流量的降低有明显的作用。

四、结论与思考

论文中提出的流量分析方法贴近实际，建立的数据模型清晰简单，对于缓存和流量的关系能够通过数学模型进行分析估计，并且有较高的准确度，这对于将CCN技术推广到其它接入网时非常有意义，比如缓存大小的设计，缓存投资与线路流量节约的估算分析等。论文中对于缓存的分析仅限于在传统IP网络中增加缓存，与后期的ICN或者DDN技术有很大的不同，这种技术本身只是一种过渡技术，另外虽然加入缓存确实降低了数据流量，但接入网的覆盖范围有限，用户的请求和返回流量方向相对简单，将此技术大范围推广还是存在很大异议。

参考文献：

[1]郭佳;网络缓存技术的应用研究[J];产业与科技论坛;2012年12期

[2]张喆.基于WSP协同的视频副本缓存算法研究[D].北京交通大学.2014.

[3]Stratis loannidis，Laurent Massoulié，Augustin Chaintreau： Distributed caching over heterogeneous mobile networks. Queueing Syst.72（3-4）： 279-309（2012）.

[4]Hei X， Liang C， Liang J， et al.A measurement study of a large scale P2P IPTV system.Journal of IEEE Transactions on Multimedia.2007.9（8）：1672-1687.