基于SDN的内容中心网络架构设计及缓存机制研究

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随着近十几年来互联网上用户和内容爆炸式的增长,现有的IP网络架构已经成为内容传输上的一个瓶颈。大量的重复内容在网络中产生冗余流量,消耗了过多的网络带宽,造成网络拥塞。美国学术界提出的内容中心网络(Content Centric Network,CCN)很好地解决了这一问题。但内容中心网络是分布式网络,节点根据自身所掌握的有限局部情况进行处理决策。同时内容中心网络现还处于理论研究与仿真验证阶段,不易在实际网络中部署。软件定义网络(Software Defined Network,SDN)具有集中管理控制的优势,可以更容易的获得优化的算法执行结果。将SDN控制与转发分离的思想,运用到内容中心网络可以满足对内容集中管控的需求。本文首先从整体上对基于SDN的内容中心网络架构进行了设计,新架构能够识别和处理内容中心网络协议包、具备缓存功能以及支持内容中心网络的转发功能。为了使得控制器可同时支持IP网络协议与内容中心网络协议。本文扩展控制器功能模块,包括网络拓扑管理、路由管理以及内容管理等模块。同时在架构设计的基础上,实现了名字-IP映射,内容映射包结构以及缓存机制等关键技术。接着,本文在基于SDN的内容中心网络架构基础上,提出一种由控制器与缓存节点协同合作的策略。利用控制器集中控制优势,对网络进行缓存放置、缓存通告以及缓存选择决策。本文提出LCHR(Leave Cache based on Hop and Request,LCHR)缓存放置策略将缓存放置在离用户较近且较重要的交换机上,用户可以在短时间内取到内容,而不增加网络中冗余缓存。同时,本文设计的OCS(Optimal Cache Select,OCS)缓存选择策略综合考虑路径开销、路径跳数和缓存剩余生存时间三个因素的影响,OCS用于从多个缓存副本里面挑选最优的缓存。本文通过大量仿真工作,验证了LCHR、OCS策略在网络时延、缓存命中率性能方面相比其它策略表现更优。同时,统计结果表明LCHR策略同时考虑距离和请求数目情况比只考虑单一因素时的缓存命中率更高。
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