趙國(guó)鋒，邢 媛，段 潔，田瑞林

(1. 重慶郵電大學(xué) 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究中心，重慶 400065; 2. 重慶市光通信與網(wǎng)絡(luò)高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用的飛速發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)用戶的快速增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的因特網(wǎng)體系架構(gòu)逐漸暴露出可擴(kuò)展性差、安全性低、移動(dòng)性支持不足等諸多問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，學(xué)術(shù)界提出了一類以內(nèi)容為中心的新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，統(tǒng)稱為信息中心網(wǎng)絡(luò)(information centric networking, ICN)，典型的ICN研究項(xiàng)目有data-oriented network architecture (DONA)[1]，publish-subscribe internet routing paradigm (PSIRP)[2]，network of information (NetInf)[3]，content-centric networking (CCN)[4]和 named data networking (NDN)[5]。在這類ICN架構(gòu)設(shè)計(jì)中，每個(gè)路由器都具有內(nèi)置緩存的功能，旨在為消費(fèi)者提供各種各樣的緩存服務(wù)，同時(shí)緩解快速增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬造成的嚴(yán)峻壓力。由于ICN采用基于名字的路由方式，因此，消費(fèi)者可以通過(guò)內(nèi)容名從緩存節(jié)點(diǎn)直接獲取請(qǐng)求的信息。

ICN網(wǎng)絡(luò)級(jí)內(nèi)置緩存的特性能夠減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、降低內(nèi)容傳播時(shí)延和提高緩存資源利用率[6]，因此，眾多研究者期望將ICN思想應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)(internet of things, IoT)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，目的是實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)中數(shù)據(jù)的快速交互[7]。Pentikousis等[8]提出了ICN機(jī)制部署于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的因特網(wǎng)草案，草案中描述了幾個(gè)ICN應(yīng)用場(chǎng)景，討論了將ICN機(jī)制應(yīng)用于IoT架構(gòu)存在的關(guān)鍵問(wèn)題，提出了在IoT中運(yùn)用命名數(shù)據(jù)的思想。使用命名數(shù)據(jù)無(wú)疑是將ICN思想應(yīng)用于IoT部署的關(guān)鍵因素。命名數(shù)據(jù)可以使信息對(duì)網(wǎng)絡(luò)層透明、可識(shí)別，并且能夠有效地管理IoT內(nèi)的協(xié)作。事實(shí)證明，因特網(wǎng)草案中的研究成果對(duì)ICN應(yīng)用于IoT領(lǐng)域的科學(xué)研究作出了突出貢獻(xiàn)。相應(yīng)地，Heidemann等[9]也證實(shí)了命名數(shù)據(jù)在IoT中的諸多優(yōu)勢(shì)，同時(shí)描述了一種支持命名數(shù)據(jù)和網(wǎng)內(nèi)處理的軟件架構(gòu)。

大量異質(zhì)緩存節(jié)點(diǎn)參與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將會(huì)引起可擴(kuò)展性及兼容性等問(wèn)題。特別地，有限的硬件資源將使大量網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在存儲(chǔ)、計(jì)算和通信能力等方面受到限制。Song等在文獻(xiàn)[10]中解決了硬件資源限制問(wèn)題，主要依據(jù)CCN基本模型和核心思想提出了以內(nèi)容為中心的方案，將資源有限的弱網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的超載任務(wù)(如存儲(chǔ)、發(fā)布和獲取)映射到資源充足的強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，最終實(shí)現(xiàn)了資源的共享和信息的交互。節(jié)點(diǎn)映射方案雖然解決了弱網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源受限問(wèn)題，但強(qiáng)弱網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間頻繁的任務(wù)調(diào)度容易產(chǎn)生大量的信號(hào)交換開(kāi)銷。

ICN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置緩存及移動(dòng)性支持等特性使其可以很好地支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景(如家庭網(wǎng)絡(luò)，車聯(lián)網(wǎng)等)。Ravindran等[11]詳細(xì)說(shuō)明了如何將ICN機(jī)制應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了構(gòu)建一個(gè)能夠處理家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備、服務(wù)和用戶需求等多樣性的同質(zhì)平臺(tái)的重要性。ICN基于名字的路由方式和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)置緩存的特性使其在克服車聯(lián)網(wǎng)(vehicular ad hoc networks, VANETs)[12]中諸如快速變化的拓?fù)?、短暫和間接的車輛連接等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于VANET-ICN中的緩存策略，Deng等[13]認(rèn)為采用簡(jiǎn)單的處處緩存策略(leave copy everywhere, LCE)[14]會(huì)降低緩存利用率，進(jìn)而浪費(fèi)緩存資源。因此，提出了VANETs中運(yùn)用NDN思想的分布式概率緩存(distributed probabilistic caching, DPC)策略。DPC策略中，節(jié)點(diǎn)依據(jù)用戶需求、車輛重要性以及接收者和發(fā)送者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)共同做出緩存決策。分布式策略中每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立地執(zhí)行緩存策略，減少了節(jié)點(diǎn)間不必要的信號(hào)交換開(kāi)銷。

Quevedo等[15]認(rèn)為IoT環(huán)境中的用戶更趨向于請(qǐng)求最新的信息，因此，提出了用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制，其中信息新鮮度指內(nèi)容在緩存中逗留的時(shí)間。首先IoT用戶在興趣包中添加請(qǐng)求內(nèi)容的新鮮度值，其次內(nèi)容源依據(jù)不同用戶的新鮮度要求為內(nèi)容設(shè)置恰當(dāng)?shù)男迈r度值。緩存節(jié)點(diǎn)中的內(nèi)容在新鮮度值到期前被移除，從而避免了網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)過(guò)時(shí)的信息。然而，用戶請(qǐng)求過(guò)去某時(shí)刻產(chǎn)生的歷史信息時(shí)，新鮮度機(jī)制中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)簡(jiǎn)單地內(nèi)容名匹配，誤解為緩存中已存有請(qǐng)求的信息，進(jìn)而不斷地用最新的信息作為應(yīng)答，而不是將興趣包轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)容源。最糟糕的情況為用戶永遠(yuǎn)接收不到正確的信息。

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)信息準(zhǔn)確度，尤其是時(shí)間維度的嚴(yán)格要求，本文采用以信息為中心的ICN思想，提出了IoT環(huán)境中時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案。方案主要由時(shí)間匹配算法和緩存策略兩部分組成，時(shí)間匹配算法用于向消費(fèi)者返回時(shí)間容忍閾值內(nèi)的內(nèi)容，緩存策略用于對(duì)到達(dá)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包做出緩存決策。

1 緩存問(wèn)題分析

IoT環(huán)境中各種各樣的應(yīng)用程序產(chǎn)生的信息量不計(jì)其數(shù)，且相同應(yīng)用在不同時(shí)刻產(chǎn)生的信息可能截然不同。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)信息準(zhǔn)確度提出要求，尤其是時(shí)間維度要求較高時(shí)，已有的ICN緩存機(jī)制不再適用。圖1說(shuō)明了已有的ICN緩存機(jī)制的操作過(guò)程。例如，ConsumerA發(fā)送名字為“/Name1/Latest Temperature”的興趣包，興趣包發(fā)送路徑上的路由器解析該名字，并查看緩存中是否存有ConsumerA請(qǐng)求的內(nèi)容。依據(jù)已有的ICN緩存機(jī)制，若節(jié)點(diǎn)匹配到Name1則將內(nèi)容返回用戶。圖1中路由器R6的內(nèi)容存儲(chǔ)(content store,CS)中恰巧存有名字為Name1的條目，則R6將數(shù)據(jù)包沿興趣包發(fā)送路徑原路返回至用戶。然而，用戶收到的信息可能為某時(shí)刻過(guò)時(shí)的溫度信息，而非最近的溫度信息。

圖1 已有的ICN緩存機(jī)制Fig.1 Existing ICN cache mechanism

現(xiàn)有的ICN緩存機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)收到攜帶有最新消息的數(shù)據(jù)包時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單地內(nèi)容名匹配，錯(cuò)誤地認(rèn)為緩存中已經(jīng)存儲(chǔ)的信息與新收到的信息相同，從而拒絕更新陳舊的信息。該節(jié)點(diǎn)收到后續(xù)請(qǐng)求時(shí)，僅通過(guò)匹配內(nèi)容名，將緩存中已有的舊信息直接返回用戶，不再向其余節(jié)點(diǎn)或內(nèi)容源轉(zhuǎn)發(fā)興趣包。若用戶請(qǐng)求的是歷史信息，則返回的內(nèi)容恰好符合要求。若用戶請(qǐng)求的是最新信息，則用戶最終得到了錯(cuò)誤的內(nèi)容。

新鮮度機(jī)制中的節(jié)點(diǎn)通常緩存最新的內(nèi)容，因此能夠解決用戶請(qǐng)求最新信息的問(wèn)題。然而當(dāng)用戶請(qǐng)求相對(duì)久遠(yuǎn)的歷史信息時(shí)，新鮮度機(jī)制中的緩存節(jié)點(diǎn)通常用較新的信息作為響應(yīng)，而不是向上游節(jié)點(diǎn)或內(nèi)容源繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)用戶請(qǐng)求。

當(dāng)IoT環(huán)境中用戶對(duì)數(shù)據(jù)和信息的準(zhǔn)確度提出要求，尤其是時(shí)間維度要求較高時(shí)，已有的ICN緩存機(jī)制和用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制均不再適用。本文提出時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案，主要用于解決信息準(zhǔn)確度的問(wèn)題，尤其是時(shí)間維度的問(wèn)題，簡(jiǎn)單的方案示意圖如圖2所示。方案在興趣包、數(shù)據(jù)包和CS條目中添加時(shí)間戳字段(Timestamp)，時(shí)間戳在滿足準(zhǔn)確性要求的同時(shí)輔助節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)容。興趣包中Timestamp用于指定用戶請(qǐng)求某特定時(shí)刻產(chǎn)生的內(nèi)容，Threshold指用戶能夠容忍的時(shí)間閾值。數(shù)據(jù)包中Timestamp指其所攜帶內(nèi)容的產(chǎn)生時(shí)間。節(jié)點(diǎn)CS中Timestamp指所存儲(chǔ)內(nèi)容的產(chǎn)生時(shí)間。從CS表中可以看出，內(nèi)容名相同但內(nèi)容產(chǎn)生時(shí)間不同，對(duì)應(yīng)的具體內(nèi)容則不同。圖2中，ConsumerA發(fā)送名字為“/Name1/2015.07.02 00:48:50/5s”的興趣包，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)匹配名字和時(shí)間戳后，路由器R6將CS中“/Name1/2015.07.02 00:48:52”對(duì)應(yīng)的內(nèi)容返回至用戶，返回的信息顯然符合用戶要求。

圖2 時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案示意圖Fig.2 Schematic diagram for time-driven universal caching approach

2 時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案

時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案中的時(shí)間指在興趣包和數(shù)據(jù)包包頭中添加具體時(shí)間戳信息；普適性指節(jié)點(diǎn)不僅緩存最近產(chǎn)生的內(nèi)容，而且緩存歷史性內(nèi)容。添加時(shí)間字段能夠?yàn)橛脩籼峁└鼫?zhǔn)確的信息。普適性能夠滿足IoT應(yīng)用需求，一些歷史信息可以直接從緩存中而不是內(nèi)容源處獲得，減少了用戶獲取內(nèi)容的時(shí)延。

2.1 普適性緩存概述

時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案主要包括時(shí)間匹配算法和緩存策略兩部分。時(shí)間匹配算法的主要操作對(duì)象為興趣包和節(jié)點(diǎn)CS條目中的時(shí)間戳。緩存機(jī)制的主要操作對(duì)象為緩存節(jié)點(diǎn)。圖3對(duì)時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案進(jìn)行概述，主要包括興趣包的發(fā)送和數(shù)據(jù)包的返回，具體操作過(guò)程如下所述。

圖3 時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存概述Fig.3 Overview of time-driven universal caching

用戶請(qǐng)求內(nèi)容時(shí)，發(fā)送攜帶有容忍閾值的時(shí)間戳興趣包。路由器收到興趣包后執(zhí)行時(shí)間匹配算法，查看CS中緩存的內(nèi)容能否滿足用戶對(duì)信息準(zhǔn)確性的要求。若匹配成功，則將數(shù)據(jù)返回用戶。若匹配失敗，則將興趣包轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳。若緩存節(jié)點(diǎn)均未存儲(chǔ)用戶請(qǐng)求的信息，則將興趣包發(fā)送至內(nèi)容源。圖3中用戶發(fā)送興趣包，Router A和B均執(zhí)行時(shí)間匹配算法，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Router B中緩存的內(nèi)容符合用戶要求，則將CS中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)返回用戶。

數(shù)據(jù)包沿興趣包發(fā)送路徑返回時(shí)，沿路節(jié)點(diǎn)若有剩余緩存空間，則直接存儲(chǔ)該內(nèi)容；若無(wú)，則依據(jù)內(nèi)容流行度和時(shí)間請(qǐng)求概率做出緩存決策。對(duì)于具體的緩存決策，若節(jié)點(diǎn)CS中無(wú)與數(shù)據(jù)包同名的內(nèi)容，則依據(jù)內(nèi)容流行度做出緩存決策；若有，則依據(jù)時(shí)間請(qǐng)求概率做出緩存決策。圖3中Router A收到數(shù)據(jù)包后執(zhí)行緩存策略做出是否緩存內(nèi)容的決定。

2.2 時(shí)間匹配算法

用戶請(qǐng)求內(nèi)容時(shí)，興趣包中除了包含內(nèi)容名外，同時(shí)還包含用于指定內(nèi)容產(chǎn)生時(shí)刻的時(shí)間戳和時(shí)間容忍閾值。興趣包到達(dá)緩存節(jié)點(diǎn)時(shí)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行算法1所示的時(shí)間匹配算法。將興趣包與CS中內(nèi)容名進(jìn)行匹配；若匹配到內(nèi)容名，則將興趣包中時(shí)間戳和緩存中所有同名內(nèi)容的產(chǎn)生時(shí)間分別做差并取絕對(duì)值，將時(shí)間差值在閾值范圍內(nèi)且絕對(duì)差最小的內(nèi)容返回用戶。若緩存節(jié)點(diǎn)未匹配到用戶請(qǐng)求的內(nèi)容，則將興趣包轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳。若用戶在緩存節(jié)點(diǎn)未獲取到準(zhǔn)確的內(nèi)容，則將興趣包轉(zhuǎn)發(fā)至內(nèi)容源。若內(nèi)容源處仍未匹配到滿足用戶要求的內(nèi)容，則丟棄興趣包，向用戶通告請(qǐng)求失敗。

用戶請(qǐng)求某時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)容時(shí)，興趣包中時(shí)間戳字段為請(qǐng)求內(nèi)容的起止時(shí)間點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)收到興趣包后執(zhí)行時(shí)間匹配算法，將符合用戶要求的部分內(nèi)容返回用戶。由于節(jié)點(diǎn)緩存容量非常有限[16]，單個(gè)節(jié)點(diǎn)一般不能完全存儲(chǔ)同內(nèi)容名下某段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的所有內(nèi)容，因此，需要繼續(xù)向其余節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)興趣包直至用戶請(qǐng)求時(shí)間段內(nèi)的所有內(nèi)容都被獲取到。

Algorithm1: Time matching algorithm

Input: interest I % I is consists of “/name/timestamp/threshold/nonce”

Output: return the matched content

1: for all itemsiin CS do

2: MatchName (I.name,i.name)

3: if I.name==i.name then

4: Calculate absolute difference:Di←|I.timestamp-i.timestamp|

5: if theDi≤I.threshold then

6: Store itemiin Array[ ]

7: else

8: Forwarding I to the next hop

9: end if

10: else

11: Forwarding I to the next hop

12: end if

13: end for

14: return itemiwho owns the minimalDiin Array[ ]

2.3 緩存策略

返回的數(shù)據(jù)包到達(dá)緩存節(jié)點(diǎn)時(shí)，若節(jié)點(diǎn)有剩余緩存空間，則直接存儲(chǔ)該內(nèi)容；若節(jié)點(diǎn)緩存空間已滿，則依據(jù)緩存節(jié)點(diǎn)CS中是否存在相同內(nèi)容名的內(nèi)容選擇不同的緩存策略。具體地，若CS條目中未查詢到同名內(nèi)容，則調(diào)用基于內(nèi)容流行度的緩存策略；若CS中查詢到同名內(nèi)容，則調(diào)用基于時(shí)間請(qǐng)求概率的緩存替換策略。

2.3.1 基于內(nèi)容流行度的緩存策略

由于途經(jīng)路由器的請(qǐng)求類型和數(shù)量不同，因此相同內(nèi)容在不同路由器處的流行度一般也不同[17]。每個(gè)路由器對(duì)應(yīng)一張本地內(nèi)容流行度列表，主要用于存放不同名內(nèi)容在該路由器處的流行度。此處內(nèi)容流行度指內(nèi)容名相同的內(nèi)容被請(qǐng)求的概率，故流行度P計(jì)算公式為

(1)

(1)式中：N表示網(wǎng)絡(luò)中總的內(nèi)容名數(shù)目；n表示內(nèi)容名；countn表示周期T內(nèi)內(nèi)容名n對(duì)應(yīng)的內(nèi)容被請(qǐng)求的次數(shù)。對(duì)內(nèi)容名相同但時(shí)間戳不同的內(nèi)容請(qǐng)求次數(shù)進(jìn)行累加求和得到countn。

當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)緩存節(jié)點(diǎn)且緩存空間已滿時(shí)，若CS中未查詢到與數(shù)據(jù)包內(nèi)容名相同的內(nèi)容，則依據(jù)流行度列表中內(nèi)容流行度P做出緩存決策。若新到達(dá)數(shù)據(jù)包的同名內(nèi)容流行度在節(jié)點(diǎn)流行度列表中最小，則不緩存該內(nèi)容。若非最小，則采用LRU(least recently used)替換策略，即用新數(shù)據(jù)包替換列表中流行度值最小的內(nèi)容。

2.3.2 基于時(shí)間請(qǐng)求概率的緩存替換策略

時(shí)間請(qǐng)求概率(time request probability)Ptr指隨著時(shí)間間隔的變化，內(nèi)容被用戶請(qǐng)求的概率，其中時(shí)間間隔指內(nèi)容生成時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻之間的時(shí)間差。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中用戶普遍偏愛(ài)請(qǐng)求最近產(chǎn)生的信息，時(shí)間間隔越短，內(nèi)容被用戶請(qǐng)求的概率越大；時(shí)間間隔越長(zhǎng)，內(nèi)容被用戶請(qǐng)求的概率越小。由此可見(jiàn)，用戶請(qǐng)求內(nèi)容的概率隨著時(shí)間間隔的增加而減小。由于指數(shù)分布可以用于表示獨(dú)立事件的時(shí)間間隔的概率分布，因此，可以合理假設(shè)時(shí)間請(qǐng)求概率服從參數(shù)λ為1的指數(shù)分布。時(shí)間請(qǐng)求概率Ptr計(jì)算公式為

Ptr=e-Δt,Δt≥0

(2)

(2)式中：Δt=|tc-tg|，tc表示當(dāng)前時(shí)間(current time)，tg表示內(nèi)容生成時(shí)間(generate time)，Δt表示二者的時(shí)間間隔。從(2)式中可以看出，隨著時(shí)間間隔的增加，用戶請(qǐng)求對(duì)應(yīng)時(shí)刻內(nèi)容的概率急劇下降，并呈指數(shù)式衰減。

當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)緩存節(jié)點(diǎn)時(shí)，若CS中查詢到與數(shù)據(jù)包內(nèi)容名相同的內(nèi)容，則依據(jù)時(shí)間請(qǐng)求概率做出緩存決策。時(shí)間請(qǐng)求概率可以預(yù)測(cè)同名但生成時(shí)間不同的內(nèi)容被用戶請(qǐng)求的概率。依據(jù)收到數(shù)據(jù)包中的時(shí)間戳以及CS中存儲(chǔ)的同名內(nèi)容的多個(gè)時(shí)間戳分別計(jì)算出每個(gè)時(shí)間戳下同名內(nèi)容的時(shí)間請(qǐng)求概率。若新到達(dá)數(shù)據(jù)包的時(shí)間請(qǐng)求概率最小，則不緩存該數(shù)據(jù)包；若非最小，則替換相同內(nèi)容名下時(shí)間請(qǐng)求概率最小的內(nèi)容。

3 仿真與分析

3.1 參數(shù)設(shè)置

本文使用MATLAB對(duì)所提算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示，采用簡(jiǎn)單的3級(jí)分層結(jié)構(gòu)，其中節(jié)點(diǎn)0表示內(nèi)容源，節(jié)點(diǎn)1—13表示緩存路由器。假設(shè)用戶請(qǐng)求到達(dá)速率服從泊松分布，網(wǎng)絡(luò)中總的內(nèi)容種類為10 000。CS中最初緩存的內(nèi)容名及對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳由隨機(jī)生成器產(chǎn)生，并存儲(chǔ)于矩陣中，每行代表一個(gè)內(nèi)容條目。興趣包主要由用戶指定的內(nèi)容名、時(shí)間戳和容忍閾值構(gòu)成，其中內(nèi)容名和時(shí)間戳在仿真過(guò)程中依舊采用隨機(jī)數(shù)生成器產(chǎn)生，時(shí)間容忍閾值的設(shè)置范圍為1～5s。返回的數(shù)據(jù)包中除內(nèi)容名外還攜帶該數(shù)據(jù)所產(chǎn)生時(shí)刻的時(shí)間戳信息。

圖4 仿真拓?fù)鋱DFig.4 Network topology for simulation

仿真主要驗(yàn)證了不同參數(shù)設(shè)置下單節(jié)點(diǎn)的緩存命中率和用戶收到信息的準(zhǔn)確率。由于興趣包隨機(jī)產(chǎn)生，所以每次仿真運(yùn)行得到的緩存命中率和信息準(zhǔn)確率有一定的差異。為了減少誤差，此處采用多次測(cè)量求平均值的方法。仿真共輪詢了100次，最終緩存命中率和信息準(zhǔn)確率取值為多次測(cè)量結(jié)果的平均值。

3.2 結(jié)果分析

緩存命中率是測(cè)量網(wǎng)絡(luò)性能的基本準(zhǔn)則之一，命中率的高低直接決定了緩存算法是否有效，仿真中節(jié)點(diǎn)緩存命中率指命中節(jié)點(diǎn)中內(nèi)容名的概率。圖5仿真了單個(gè)節(jié)點(diǎn)處興趣包到達(dá)速率對(duì)緩存命中率的影響。其中，原生方案指沒(méi)有運(yùn)用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案，即興趣包、數(shù)據(jù)包和CS條目中未添加時(shí)間戳字段。從圖5中可以看出，在相同的用戶請(qǐng)求速率情況下，時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案的緩存命中率高于原生方案。原因在于，原生方案的節(jié)點(diǎn)CS中無(wú)時(shí)間戳選項(xiàng)，內(nèi)容生存期到期前不會(huì)主動(dòng)替換緩存中的舊內(nèi)容，節(jié)點(diǎn)可能存儲(chǔ)了過(guò)多的歷史內(nèi)容，而未存儲(chǔ)最新產(chǎn)生的內(nèi)容，因此不能滿足用戶對(duì)內(nèi)容多樣性的需求，從而緩存命中率較低。隨著興趣包到達(dá)速率的增加，2種方案的緩存命中率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。原因在于，節(jié)點(diǎn)的緩存容量有限，能夠存儲(chǔ)的具體內(nèi)容種類也有限，因此，在總的請(qǐng)求次數(shù)不斷增加的情況下，命中率呈下降趨勢(shì)。

圖5 請(qǐng)求速率對(duì)緩存命中率的影響Fig.5 Impact of request rate on cache hit ratio

以CS表存儲(chǔ)的內(nèi)容條目數(shù)代表節(jié)點(diǎn)緩存大小，條目數(shù)越多表示節(jié)點(diǎn)緩存容量越大。圖6仿真了單個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存容量對(duì)緩存命中率的影響，其中，興趣包到達(dá)速率為2 000 包/s。隨著節(jié)點(diǎn)緩存容量的增加，節(jié)點(diǎn)能夠緩存的內(nèi)容種類也增加，因此，不同方案的節(jié)點(diǎn)緩存命中率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)緩存容量較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠緩存的內(nèi)容數(shù)量也較少，用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制偏向于緩存最新的內(nèi)容，而本文提出的時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案不僅緩存最新內(nèi)容，而且緩存歷史內(nèi)容，因此，時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案的命中率高于用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制。當(dāng)緩存容量足夠大時(shí)，用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制的緩存命中率高于普適性緩存方案。原因在于，用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制中節(jié)點(diǎn)有足夠的容量緩存歷史內(nèi)容，并且同名內(nèi)容僅被緩存一次，而時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案中節(jié)點(diǎn)通常緩存不同時(shí)間段產(chǎn)生的同名內(nèi)容，節(jié)點(diǎn)中內(nèi)容名的總數(shù)目小于CS條目數(shù)。雖然足夠大的緩存容量使得信息新鮮度機(jī)制的緩存命中率高于普適性緩存方案，但其準(zhǔn)確率低于普適性緩存方案。

圖6 緩存容量對(duì)緩存命中率的影響Fig.6 Impact of cache capacity on cache hit ratio

信息準(zhǔn)確率指用戶收到信息的準(zhǔn)確程度，具體計(jì)算方式為用戶接收到的正確信息數(shù)除以總的請(qǐng)求次數(shù)。圖7仿真了2種不同緩存方案的信息準(zhǔn)確率。在相同的參數(shù)設(shè)置下，時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案的信息準(zhǔn)確率高于用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制。原因在于，用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制中節(jié)點(diǎn)僅存儲(chǔ)了網(wǎng)絡(luò)中最近產(chǎn)生的內(nèi)容。當(dāng)用戶請(qǐng)求某個(gè)歷史時(shí)刻的信息時(shí)，節(jié)點(diǎn)僅通過(guò)匹配內(nèi)容名從而向用戶返回信息，而未考慮用戶請(qǐng)求的是哪個(gè)時(shí)間點(diǎn)的內(nèi)容，因此，向用戶返回的內(nèi)容不是其所請(qǐng)求時(shí)刻的內(nèi)容，從而降低了用戶收到信息的準(zhǔn)確率。

圖7 請(qǐng)求速率對(duì)信息準(zhǔn)確率的影響Fig.7 Impact of request rate on information accuracy

圖8仿真了緩存容量對(duì)信息準(zhǔn)確率的影響，其中興趣包到達(dá)速率依然設(shè)置為2 000 包/s。從圖8中可以看出，用戶獲取信息的準(zhǔn)確率隨緩存容量的增加而提高。原因在于，節(jié)點(diǎn)緩存容量越大，能夠緩存的內(nèi)容條目數(shù)越多。隨著緩存容量的增加，時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案可以獲得相對(duì)穩(wěn)定且高的準(zhǔn)確率，用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制的信息準(zhǔn)確率呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。從圖8中可以看出，相對(duì)于新鮮度機(jī)制，普適性緩存方案獲得了更好的穩(wěn)定性。

圖8 緩存容量對(duì)信息準(zhǔn)確率的影響Fig.8 Impact of cache capacity on information accuracy

圖5中普適性緩存方案的緩存命中率相對(duì)于原生方案平均提高了14%。圖7中普適性緩存方案的信息準(zhǔn)確率相對(duì)于用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制平均提高了9.7%。圖8中緩存容量變化時(shí)，普適性緩存方案的信息準(zhǔn)確率相對(duì)于用戶驅(qū)動(dòng)的信息新鮮度機(jī)制平均提高了31.47%。因此，本文所提方案能夠有效地提升網(wǎng)絡(luò)性能。

4 總結(jié)與展望

本文在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中采用ICN思想，提出了時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案。方案主要包括興趣包匹配和數(shù)據(jù)包緩存2部分。節(jié)點(diǎn)通過(guò)精確匹配時(shí)間戳，返回與用戶請(qǐng)求契合度最高的內(nèi)容。數(shù)據(jù)包返回時(shí)，節(jié)點(diǎn)依據(jù)內(nèi)容流行度和時(shí)間請(qǐng)求概率對(duì)其做出緩存決策，同名但時(shí)間戳不同的內(nèi)容可以在同一節(jié)點(diǎn)共存。仿真結(jié)果顯示，時(shí)間驅(qū)動(dòng)的普適性緩存方案能夠有效地提高緩存命中率和信息獲取的準(zhǔn)確率，滿足了物聯(lián)網(wǎng)用戶對(duì)信息準(zhǔn)確度，尤其是時(shí)間維度的嚴(yán)格要求。本文未來(lái)研究工作將通過(guò)仿真平臺(tái)ndnSIM進(jìn)一步驗(yàn)證所提算法的有效性；對(duì)于緩存策略，將考慮內(nèi)容相似度對(duì)緩存決策的影響。

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(編輯：張 誠(chéng))