信息中心網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)緩存單點(diǎn)架構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化研究.pdf

1、隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主體逐步向內(nèi)容獲取和信息服務(wù)演進(jìn)。傳統(tǒng)的TCP/IP架構(gòu)在解決內(nèi)容分發(fā)問題時(shí)存在可擴(kuò)展性差，靈活性不夠等諸多不足。在這種背景下，以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)(Information-Centric Networking，ICN)被提出并受到廣泛關(guān)注。ICN架構(gòu)的成功依賴于網(wǎng)元設(shè)備兩個(gè)方面的能力:(1)提供大容量的內(nèi)容存儲(chǔ);(2)線速地處理網(wǎng)絡(luò)流量。然而當(dāng)前能夠提供大容量存儲(chǔ)的塊設(shè)備的I/O速度無法滿足網(wǎng)元設(shè)備的

2、高線速要求，引入塊設(shè)備后將給網(wǎng)元設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)性能帶來極大影響。如何設(shè)計(jì)一個(gè)能夠同時(shí)滿足上述要求的緩存節(jié)點(diǎn)是一個(gè)亟需解決的問題。
　　近年來，軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Networking，SDN)由于其控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離的特性，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)管理、架構(gòu)設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域，這也為ICN節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)帶來了新的契機(jī)。本文基于SDN技術(shù)，首先考慮單個(gè)緩存節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)問題，提出了一種支持TB級(jí)別緩存的分離式架構(gòu)，進(jìn)而基于該架構(gòu)，從緩

3、存插入過濾、緩存決策策略等方面提高整個(gè)緩存網(wǎng)絡(luò)的性能，主要研究工作與創(chuàng)新如下:
　　1.提出了一種支持TB級(jí)別緩存的分離式架構(gòu)
　　針對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在使用塊設(shè)備作為內(nèi)容存儲(chǔ)時(shí)所面臨的低速I/O與高速轉(zhuǎn)發(fā)不匹配的問題，基于協(xié)議無感知轉(zhuǎn)發(fā)(Protocol Oblivious Forwarding，POF)技術(shù)，提出了一種將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備切割為交換單元和存儲(chǔ)單元的分離式架構(gòu)。該架構(gòu)通過將緩存操作從轉(zhuǎn)發(fā)操作中徹底解耦，保障交換單元的轉(zhuǎn)發(fā)性能

4、不受I/O操作的影響;通過存儲(chǔ)端口的擴(kuò)展，使得交換單元可以依據(jù)負(fù)載均衡策略將每個(gè)存儲(chǔ)單元需要處理的負(fù)載減小到不超過SSD的吞吐限制，多個(gè)存儲(chǔ)單元從而可以利用大容量的SSDs來滿足TB級(jí)別的容量需求。該架構(gòu)充分考慮了交換單元完全可編程的特點(diǎn)，將存儲(chǔ)單元處理的協(xié)議固定為SSCP(Switch end and Storage end Communication Protocol)協(xié)議，而在交換單元實(shí)現(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與SSCP協(xié)議之間的雙向轉(zhuǎn)換。

5、為了應(yīng)對(duì)分離架構(gòu)下的報(bào)文依賴問題，本文提出了一種基于線性表的數(shù)據(jù)平面狀態(tài)存儲(chǔ)方法;為了加速協(xié)議轉(zhuǎn)換，本文提出了一系列優(yōu)化方法，包括設(shè)計(jì)專有操作實(shí)現(xiàn)SSCP頭部的快速封裝，減少SSCP負(fù)載構(gòu)造過程中的報(bào)文數(shù)據(jù)拷貝等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于線性表的數(shù)據(jù)平面狀態(tài)存儲(chǔ)方法，可以有效改善POF交換機(jī)在處理狀態(tài)存儲(chǔ)需求應(yīng)用時(shí)的時(shí)延和吞吐性能;分離架構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)置存儲(chǔ)設(shè)備架構(gòu)，交換單元的處理時(shí)延降低1到2個(gè)數(shù)量級(jí);在不考慮網(wǎng)卡開銷和采用多線程處理情況下，

6、交換單元處理簡(jiǎn)化的ICN報(bào)文或SSCP報(bào)文的吞吐速率可達(dá)9Mpps。
　　2.提出了一種輕量級(jí)的緩存插入過濾機(jī)制
　　針對(duì)當(dāng)前典型的負(fù)載請(qǐng)求特征是很長一段時(shí)間內(nèi)大部分內(nèi)容只會(huì)被訪問一次，以及SSD具有受限的生命周期的特點(diǎn)，提出了一種基于LRU隊(duì)列和Hash表的輕量級(jí)的緩存插入過濾機(jī)制。該方法利用LRU隊(duì)列來控制統(tǒng)計(jì)周期和緩存替換，使用Hash表記錄在這段統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)內(nèi)容的請(qǐng)求次數(shù)，通過將訪問次數(shù)低于指定閾值的內(nèi)容過濾掉，減少S

7、SD的寫入次數(shù)，提高層次存儲(chǔ)系統(tǒng)的可用性。該方法充分考慮了Hash表的查詢開銷所帶來的性能問題，通過將Hash表的每一個(gè)桶大小與CPU緩存行對(duì)齊，保證一次讀取操作就能將整個(gè)桶放置在CPU的L1級(jí)緩存中，減少碰撞發(fā)生時(shí)對(duì)慢速內(nèi)存的多次讀取?；?種典型流行度分布的維基百科日志與合成日志的實(shí)驗(yàn)表明，所提機(jī)制只需要大約200個(gè)時(shí)鐘周期的處理開銷，不到處理一對(duì)興趣/內(nèi)容報(bào)文所消耗的平均時(shí)鐘周期的1％;在單層存儲(chǔ)系統(tǒng)上，相比無過濾機(jī)制，兩種請(qǐng)求負(fù)

8、載的緩存命中率分別提升了10.27％和48.6％;在層次化存儲(chǔ)系統(tǒng)上，相比一種輕量級(jí)的見習(xí)式插入過濾機(jī)制，所提機(jī)制可以減少SSD的寫入次數(shù)，同時(shí)不會(huì)帶來緩存命中率的下降。
　　3.提出了一種基于排名匹配的緩存決策策略
　　針對(duì)當(dāng)前信息中心網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)處處緩存策略帶來的緩存冗余問題，提出了一種基于內(nèi)容流行度排名與節(jié)點(diǎn)介數(shù)排名匹配的緩存決策策略PRIRM。該策略在緩存內(nèi)容時(shí)充分考慮內(nèi)容的流行度與節(jié)點(diǎn)的介數(shù)，在內(nèi)容沿途返回到用戶的過程

9、中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)在分發(fā)路徑上的排名與內(nèi)容的流行度排名是否匹配，實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的最佳放置。為了估算內(nèi)容流行度排名，該策略要求本地節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)內(nèi)容流行度表，記錄內(nèi)容的請(qǐng)求次數(shù)。為了避免流行度表膨脹所帶來的內(nèi)存開銷與查詢開銷，本文提出了一種基于時(shí)間窗口來實(shí)時(shí)更新流行度表的方法，將該時(shí)間窗口內(nèi)未被請(qǐng)求的內(nèi)容記錄刪除。在ndnSIM平臺(tái)的仿真結(jié)果表明，在PRIRM策略中，基于時(shí)間窗口估計(jì)內(nèi)容流行度的方法可以獲取和全局流行度相當(dāng)?shù)男阅堋Ｅc現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的處處緩