信息中心网络的内容放置问题研究

Information-Centric Networking (ICN) has become one of the most important architectures of future Internet progressively, while efficient placement of content is a key factor that affects the ICN's performance improvement. On the basis of partial research achievements we have gained, this project will research the issue on ICN's content placement of centralized architectures and distributed architectures respectively. On the research of centralized algorithm mechanism, considering ICN's features such as dynamic changes of logical connection, diversity of content chunk and rapid automatic growth, we construct a mathematical optimization model of centralized content placement and study the algorithm of centralized ICN's content placement. Then we discuss the problem of content placement in views of placement density and node credit further. On the research of distributed algorithm mechanism, we work on cache network models that can be applied to general ICN topology structure. After analyzing the working mechanism of classic strategies and investigating the quantitative relationship among distributed ICN's "storage-bandwidth-delay", we study the content placement strategy which is based on node contention and content contention in our strategy. Finally, we analyze and evaluate our algorithms by simulations and prototype system.

信息中心网络（ICN）已经成为未来互联网的重要发展方向之一，而内容的有效放置是影响ICN性能的重要因素。在实验室已取得部分研究成果的基础上，本课题将针对集中式和分布式两种架构对ICN的内容放置问题展开研究：集中式算法机制方面，针对ICN逻辑连接关系动态变化、内容分块多样性、快速自动生长等特点，建立集中式内容放置的数学优化模型，研究集中式ICN内容放置问题，在此基础上探讨基于放置密度和节点信用的内容放置算法；分布式算法机制方面，研究适用于ICN多种拓扑结构的缓存网络模型，分析经典策略的工作机理本质，探讨分布式ICN"存储-带宽-时延"之间的函数关系，在此基础上研究基于节点竞争力和引入内容竞争力的内容放置策略；最后通过仿真验证和原型系统实验两种方式对算法进行分析与评价。

近年来，互联网暴露出越来越多的问题，以信息中心网络为代表的未来网络研究成为网络研究的重点。请求响应时延和网络资源的利用率都是衡量网络性能的重要指标，而网络缓存放置算法的优劣在一定程度上决定上述指标的高低。基于实验室已有的研究成果，本课题重点针对集中式和分布式两种架构对信息中心网络的内容放置问题进行了研究。.本课题自2014 年1月执行至2016 年12月31日，在国内外重要期刊和学术会议上发表高水平学术论文19 篇，其中SCI 检索论文 9 篇，EI 检索论文13 篇（含3 篇SCI、EI同时检索）。深入研究了基于节点竞争力的分布式内容放置问题，引入内容竞争力的分布式内容放置策略以及集中式内容放置问题。.在基于节点竞争力的分布式内容放置方面，本课题提出一种基于相关性概率的ICN 协作缓存策略，该方案比传统缓存策略，有效地提升了网络缓存的效率和缓存内容的多样性，进而减少了用户请求服务的总跳数，增加了内容访问的命中率。.在引入内容竞争力的分布式内容放置方面，本课题组设计了基于往返时延的能效缓存策略，而且还提出了一种新的能效优化策略。该策略的节能性能可以与集中式策略的性能相比较，并且明显好于当前广泛使用的各种缓存策略。此外，当缓存大小变化时，该策略具有较好的收敛性能。.在集中式内容放置方面，本课题组提出了一种新的缓存资源分配共享策略，多个SPSs（Service Provider Servers）共享BS（Base Station）拥有的缓存资源，并引入动态古诺模型，即每个参与者SPS 只能通过以前的策略和来自BS 的局部信息来动态的调整自己的策略，最终达到最优决策。.以上成果对于信息中心网络的进一步研究和面向内容的网络缓存都具有重要的理论价值和应用价值。除ICN 以外，服务中心网络、云网络、未来移动网络等研究方向都在探讨网内缓存的思想，因此内容放置问题的研究也对上述项目具有普适意义。内容放置算法问题在数学上可以抽象为NP-hard 问题，因此针对该问题的研究可以对其他NP-hard 问题的研究起到一定的借鉴作用。此外，该项目提出了一种基于主动推送的内容中心网络内容缓存与调度技术，相关核心技术已在NDN试验平台中得到应用。