面向多自治域环境的ICN缓存策略设计

王晓慧,张国强,2,高　茜

(1.南京师范大学 计算机科学与技术学院，江苏 南京 210046；2.加州大学河滨分校 计算机科学与工程系，美国加利福尼亚州 河滨 92507)



面向多自治域环境的ICN缓存策略设计

王晓慧1,张国强1,2,高茜1

(1.南京师范大学 计算机科学与技术学院，江苏 南京 210046；2.加州大学河滨分校 计算机科学与工程系，美国加利福尼亚州 河滨 92507)

摘要：信息中心网络是下一代网络研究的一个重要组成部分，而缓存作为信息中心网络的核心组成部分在减少网络负载方面得到广泛应用，但现阶段的研究集中于单个自治域内的性能优化，多自治域间的管理与协作方面的研究还不成熟。提出基于域间商业关系的ICN(information centric networking)缓存策略的设计方案，描述了面向多自治域环境的基于内容提供商、商业关系和二者结合的域间缓存策略及相应的域内缓存决策与替换策略，并进行了形式化表示。

关键词：信息中心网络；域间缓存；域间商业关系

0引言

近几年，以视频为主的大规模内容获取成为互联网的主要应用模式，但现有的TCP/IP网络仍以单播为主，导致网络流量的爆炸性增长，出现了移动性、灵活性差等问题。研究界提出的信息中心网络(information centric networking，ICN)[1-3]增加了网络内置缓存的功能，将内容与其所存储的物理位置解耦，适应了点对面内容获取的网络需求。

ICN中用户不关心内容存储的物理位置，只关心内容本身，使得网络的核心从TCP/IP中的IP地址转为内容本身，从而使得网络可以感知、识别并缓存内容，网络内置缓存的出现为快速内容响应提供了支持。

但是，泛在缓存的线速响应要求使得节点缓存容量受限[4]。现有的ICN缓存研究主要集中于通过显式或隐式的方式增加缓存节点的协同性[5-7]，降低缓存内容的冗余度，从而提高单个域内缓存资源的效用，提升网络传输性能，忽视了网络的自治域间管理和协作，而这对于信息中心网络的全局部署至关重要。对于多自治域间的ICN，研究界也进行了初步探索。Rajahalme等[8]第一次分析了不同角色的网络部署缓存的动机，DiBenedetto等[9]进一步以命名数据网络(named data networking, NDN)为例，分析了在现有边界网关协议(border gateway protocol,BGP)商业关系下不同网络部署缓存的动机和可能采用的策略，而卡内基梅隆大学的Agyapong博士[10]对上述动机问题进行了更为细致的探索。

本文提出了基于域间商业关系的ICN缓存策略的设计方案，研究了面向多自治域环境的域间缓存策略与域内缓存策略与实现缓存策略所需信息与机制，为后续域间缓存策略的实现提供理论支持。

1域间商业关系

现有互联网是由不同管理机构管理的自治域(autonomous system，AS)间合作实现的，互联网中的流量需要自治域系统通过商业合作关系来共同管理，研究者认为不论将来网络体系结构怎么发展，由政治经济因素形成的自治域或等同的网络实体将继续存在[8]。现有自治域的商业关系主要有2种[11]：P2C(客户-提供商关系)和P2P(对等关系)。用P域表示提供商域，C域表示客户域，PE域表示对等域。

1)P2C关系：P域向C域提供有偿的网络接入服务。域间链路的流量由C域缴费。

2)P2P关系：2个PE域互相提供网络接入服务。域间链路的流量不需要缴费。

类似于现有互联网，ICN的商业化过程势必需要将全局网络划分为多个自主管理且彼此间具有复杂商业关系的网络实体，我们将ICN网络分为域内节点、边界节点和管理引擎。其中，域内节点用于转发与缓存数据；边界节点实现域间连接，记录商业关系；管理引擎根据收集的信息，进行缓存决策。内容提供商根据自身需求与网络达成付费关系。

多自治域间关系如图1所示。域间的商业关系：AS0与AS1的域间商业关系为P2C关系，其中，AS0为AS1的C域，AS1为AS0的P域；AS0与AS2，AS0和AS3的域间商业关系为P2P关系，二者互为彼此的PE域；AS0与AS4，AS0与AS5的域间商业关系为P2C关系。

图1　多自治域间关系示意图Fig.1　Schematic diagram of multi-domain relationship

2多自治域环境下ICN域间缓存策略

当不同的网络自主管理各自的泛在缓存资源时，网络内缓存将会作为商业关系谈判的筹码，因此，多自治域环境下ICN缓存的首要目标是提供网络自主管理能力和策略设置能力，实现多自治域间的商业关系与协作，满足不同网络实体间的商业契约关系。

在单自治域环境下，缓存决策是指数据到达域内节点时，节点根据内容流行度和缓存状态决定是否缓存该数据[12]。在多自治域环境下，缓存策略不再以节点而是以网络作为决策主体，当数据到达网络时，网络不仅需要根据数据流行度与网络的缓存状态决定，还需要根据本网络与其他自治网络间关系、内容提供商缓存服务类型、数据流向、本域是否受益等因素决定是否将数据缓存在本网络。

2.1基于域间商业关系的域间缓存策略

不同的自治域间关系和网络间缴费关系有关，因此，多自治域环境下ICN缓存策略的设计与域间关系有直接关系。根据网络间缴费关系的不同，基于商业利益考虑，网络对于来自不同域的数据的处理方式不同。

1)若数据来源于P域，由于本域要向P域缴费来实现网络接入，缓存该数据可以潜在地减少流向P域的请求，因此，可以潜在减少本域支出。基于商业利益考虑，本域应优先缓存来源于P域的数据。

2)若数据来源为PE域，虽然本域与PE域间不需要缴费实现网络互连，缓存与否和网络的商业利益关系不大，但是PE域间的流量由二者共同承担，缓存该数据可以潜在减少PE域与本域间流量，减轻网络的通讯负担。基于减少流量的原则，本域在缓存空间充足的情况下缓存来源于PE域的数据。

3)若数据来源为C域，由于C域需要缴费给本域来实现网络接入，缓存该数据会潜在地减少流向C域的请求，因此，会潜在地减少本域收入。基于商业利益考虑，本域不缓存来源于C域的数据。

当本域内缓存空间已满，需要进行缓存替换时，根据网络间缴费关系的不同，给予不同来源数据不同的优先级。由于本域与P域间流量由本域缴费，因此，来源于P域的数据具有最高的优先级。本域与C域间流量由C域缴费，因此，来源于C域的数据具有最低的优先级。

2.2基于付费内容提供商的域间缓存策略

不同的内容提供商为了获取缓存服务付出的费用不同，网络根据付费多少为不同的内容提供商提供不同的缓存服务类型。

1)当数据块d的内容提供商CPj为非付费提供商，且域内有足够的空闲空间可以容纳d，则缓存数据；若域内剩余空间不足以容纳d，除去所有付费内容，提供商所占用的不超过自己配额的空间，剩下的空间足以容纳d，则进行缓存替换；否则，不缓存该数据。

2)若数据块d的内容提供商CPj为付费提供商，且域内有足够的空闲空间可以容纳d，则缓存d；若域内剩余空间不足以容纳d，则需进行缓存替换。

表1　基于付费内容提供商的缓存策略

2.3基于域间商业关系和付费内容提供商的域间缓存策略

网络间付费关系与内容提供商的付费是独立的，对于单个域来说，可以将二者同时考虑，因此，提出结合考虑域间商业关系和付费内容提供商的域间缓存策略。假设有k个内容提供商，其所需空间及付费信息和上一策略相同。

1)若数据块d的内容提供商CPj为付费提供商，且域内有足够的空闲空间可以容纳d，则缓存数据；若域内剩余空间不足以容纳d，则需进行缓存替换。

2)当数据d的内容提供商为非付费内容提供商时，根据其来源进行决策。

若数据d来源于PE域，且域内有足够的空闲空间可以容纳d，则缓存d；若域内没有足够的空闲空间容纳d，且除去付费内容提供商占用的不超过其配额部分的缓存之和，剩下的空间不足以容纳d，则不缓存d；否则，需进行缓存替换。

当数据d来源于P域，且域内有足够的空闲空间可以容纳d，则缓存d；若域内没有足够的空闲空间容纳d，且除去付费内容提供商占用的不超过其配额部分的缓存之和，剩下的空间不足以容纳d，则不缓存d；否则，需进行缓存替换。该策略的形式化表示如表2所示。

表2　基于域间商业关系和付费内容提供商的缓存策略

3多自治域环境下ICN域内缓存策略

在多自治域环境下，域内缓存的分配既要满足域间策略，还要优化自身缓存资源的配置，提高缓存资源的效用，实现自身利益的最大化，这需要相应的域内缓存策略来实现。

域内缓存策略的实施是在域间缓存决策之后进行，域间缓存决策结果为缓存、替换、不缓存3种情况，域内缓存策略对于缓存、替换2种情况进行后续节点选择。

3.1选取最大空闲空间的缓存策略

1)若节点空闲空间充足，可以缓存数据，则选取空闲空间最大的节点进行缓存。

2)若节点空闲空间不足，则选取节点进行缓存替换。表3给出了域内缓存策略的总结。

3.2选取本提供商占用最多空间的策略

假设域内缓存空间以及节点缓存空间分配同上一策略中假设。当域间策略决定缓存数据d，且该数据的提供商为CPj时，若节点空闲空间充足，则选取现在缓存CPj数据最多且缓存空间充足的节点进行缓存。

4总结与展望

本文提出了多域环境下的ICN缓存策略的设计方案，介绍了ICN域间和域内缓存决策策略与替换策略并进行了形式化表示，为后续多自治域环境下ICN缓存策略的实现提供理论支持。本文提出的缓存策略与实验配置为初期想法，需在今后实验过程中通过仿真实验来验证与修改本文提出的域间和域内缓存策略。

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DOI：10.3979/j.issn.1673-825X.2016.04.017

收稿日期：2016-02-14

修订日期：2016-04-14通讯作者：王晓慧xiaohuiwangfly@163.com

基金项目：国家自然科学基金(61572256,61174152,61303243)；国家“863”计划(2013AA013503)；江苏省自然科学基金(BK20141454)；江苏省未来网络创新研究院‘未来网络前瞻性研究项目’(BY2013095-2-11)；中央高校基本科研业务费专项资金(2015JBM042)

Foundation Items：The National Natural Science Foundation of China (61572256,61174152, 61303243); The National “863 plan”(2013AA013503);The Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK20141454); The Jiangsu Future Network Innovation Institute ‘Prospective Future Network Research Project’(BY2013095-2-11); The Central Fundamental Research Funds for Colleges and Universities (2015JBM042)

中图分类号：TP393

文献标志码：A

文章编号：1673-825X(2016)04-0555-05

作者简介：

王晓慧(1993-)，女，山西吕梁人，硕士研究生，研究方向为信息中心网络、缓存策略研究、域间策略设计。E-mail：xiaohuiwangfly@163.com。

张国强(1980-)，男，江苏常州人，副教授，博士，研究方向为信息中心网络、网络拓扑、P2P流量优化。E-mail：guoqiang@ict.ac.cn。

(编辑：王敏琦)

Design of ICN caching strategies for multiple AS domains

WANG Xiaohui1,ZHANG Guoqiang1,2,GAO Qian1

(1.School of computer science and technology, Nanjing Normal University，Nanjing 210046，P.R.China；2.Department of computer science and engineering, University of California at Riverside the USA，Riverside California 92507，USA)

Abstract:Information centric networking is an important part of the next generation network research, and as the core of the information centric networking, cache has been widely used to reduce the network traffic. But the current researches mainly focus on the performance optimization in a single AS domain, the management and coordination among multiple AS domains is not well explored. In this paper, the ICN caching strategies based on business relationships between domains are proposed, and the intra-domain caching strategies based on content provider, business relationship, and combination of both are also introduced. In addition, the corresponding intra-domain caching decision and replacement strategies are put forward, and the formalized representations are carried out.

Keywords：information centric networks; inter domain caching; inter domain business relation