0 引言

    當前互聯網的通信模式以主機為中心，大多數用戶主要對訪問信息本身感興趣，而對信息實際位于何處不感興趣。為了適應互聯網應用由發(fā)送者驅動的端到端通信模式向接收者驅動的海量內容獲取模式的轉變^[1-3]，并從網絡體系架構層面提供對可擴展和高效內容獲取的原生支持，研究界近年來提出以信息為中心的新型網絡體系架構^[4-9]ICN(Information-Centric Networking)，其中最具代表性的有CCN^[5](Content-Centric Networking)，NDN^[6](Named Data Networking)，PSIRP^[9](Publish-Subscribe Internet Routing Paradigm)。ICN網絡最主要的特點之一是網絡內置緩存，由于名字的命名特征，ICN緩存路由器可以識別內容并對其進行標識和轉發(fā)等操作，因此，部分內容可緩存在網絡中的路由器上，而不僅僅緩存于服務器，這將加快信息的發(fā)送速率，減輕服務器負載。

    近年來，ICN領域中的內容緩存問題引起了國內外的廣泛關注，大多數緩存方案針對固定網絡，即只考慮有線場景下的內容緩存。據Cisco公司統(tǒng)計^[10]，2016年全球移動設備比2015年增加了近五十億臺，其中智能手機增長比例最大。在2016年，全球移動數據流量較2015年增長了63％，其中移動視頻流量占移動數據流量總量的60％，并且移動數據流量和移動視頻流量在未來幾年內還將呈現持續(xù)增長趨勢。同樣地，ICN網絡也將面臨著大量移動用戶接入的問題。當移動設備對內容發(fā)出請求，但是在接收所請求的數據之前斷開或移動到新的附接點時，將會增加接收數據的時延，這對于具有嚴格時延要求的應用可能是至關重要的，并且用戶的移動可能會對內容流行度造成影響，流行度的動態(tài)性將導致緩存內容的動態(tài)性。因此，ICN緩存方案的研究應該考慮移動性對內容緩存造成的影響，從而設計出合理的緩存方案有效地提供移動性支持。但是目前的緩存方案很少考慮移動性對內容緩存造成的影響，本文正是以此為背景，對現有的移動性緩存方案的研究成果進行歸納評述，并與ICN網絡中沒有考慮移動性的緩存方案進行比較，指出移動性緩存未來的研究方向。

1 移動性緩存概述

    隨著Wi-Fi和4G、5G技術的快速發(fā)展，智能手機、平板電腦等移動設備已被廣泛使用。在ICN網絡中，用戶既是內容請求方也是內容提供方，用戶移動性的加入將帶來內容請求時延、內容流行度變化等方面的影響，給ICN業(yè)務提供帶來新的挑戰(zhàn)。如圖1所示，當用戶從4G網絡移動到Wi-Fi熱點(如user4)，或者從一個Wi-Fi熱點移動到另一個Wi-Fi熱點(如user5)，或者當用戶作為內容源移動(如user6)等情況出現時，用戶如何在新接入的無線訪問點更快地請求到所需內容，以及移動性的加入會對ICN網絡的緩存帶來怎樣的影響等都與ICN網絡中移動性緩存策略密切相關。

    目前，現有工作主要側重于在ICN網絡中提供有良好高速緩存命中率的緩存方案，或者探索移動網絡中的用戶移動性和內容源的移動性，部分工作考慮了ICN網絡緩存方案中的用戶移動性和內容提供方移動性對內容緩存的影響。本文對近年來關于支持用戶移動性和內容提供方移動性的緩存方案進行了概述及歸納。

1.1 ICN網絡中的移動性情況

    在ICN網絡中，移動性主要包括兩種，分別是用戶移動性、內容提供方移動性。

1.1.1 用戶移動性

    當用戶移動時，用戶在當前站點的下載將中斷，由于用戶移動位置的不確定性，導致用戶在到達下一個站點時，該站點可能沒有緩存用戶請求的內容，為了保證更高的緩存命中率，前期的緩存應該考慮用戶的移動性，但是用戶的移動的位置不確定也導致前期緩存位置的不確定性，這樣就導致內容提供商在前期緩存內容時的復雜性。

1.1.2 內容提供方移動性

    在ICN網絡當中，具有緩存功能的移動設備也可充當內容提供方，來提高內容分發(fā)的效率。當用戶在移動性內容提供方處下載內容時，內容提供方可能會發(fā)生移動，如果內容提供方附近的站點沒有緩存用戶請求的內容，此時用戶正在進行的下載將會中斷，為了保證更高的緩存命中率，前期的緩存應該考慮內容源移動。

1.2 移動性緩存的方法

    目前在ICN網絡中對用戶移動性的研究相對較多，對內容提供方的研究相對較少。接下來將分別從用戶移動性、內容提供方移動性兩部分來對移動性緩存方法進行歸納評述。

1.2.1 用戶移動性緩存方法的研究

    用戶移動性緩存方法的研究可以廣泛地分為四種：(1)反應型：用戶離開時，舊連接點繼續(xù)緩存用戶所請求的內容，在用戶重新連接到新連接點后，新連接點請求來自舊連接點所緩存的內容，過程如圖2(a)。反應型存在明顯缺點，舊連接點到新連接點的轉發(fā)過程增加了傳輸時延。(2)持久訂閱：代理維護移動用戶的訂閱，并且緩存與訂閱匹配的項目，即使移動用戶處于離線狀態(tài)，過程如圖2(b)。持久訂閱必須支付內存使用中的顯著成本。(3)主動型：內容被主動緩存在新連接點，使用戶在重新連接到新連接點時立即獲得內容，過程如圖2(c)。主動解決方案的關鍵問題首先是緩存，其次是在哪些鄰居緩存。(4)啟發(fā)型：移動用戶在移動過程中將對緩存策略產生影響，啟發(fā)型方法通過啟發(fā)原有的緩存策略來根據這種影響動態(tài)調整緩存內容，借以提高本地網絡的緩存命中率，過程如圖2(d)。

    反應型：文獻[11]中在客戶端離開之前會提前發(fā)送分離請求給代理，其中包含客戶端的“id”，客戶端請求的內容將繼續(xù)在該代理緩存，當客戶端重新連接到網絡時，需要從新接入的代理發(fā)出請求消息，找到移動之前連接代理的“id”獲得內容，但是尋找以前代理的開銷較大并且可能會產生較長的時延。文獻[12]對移動性支持基于移動服務代理實現的，當客戶端到達其目的地時，它使用移動接口與本地代理聯系，與其分離的遠程代理進行交互，將所有訂閱和所有緩存的消息從遠程站點傳輸到本地站點，然后傳送到由客戶端庫，該方案需要對客戶端進行設計，并不具有普適性，并且整個方案需要大量服務代理，將進一步加大開銷。文獻[13]方案引入地理位置，即基于用戶當前位置提供相關的內容服務。文獻[14]提出一種跨層網絡來輔助無縫移動性方案，總體設計目標是切換場景下最小化一段時間內的興趣包和數據包的丟失，但是方案中的控制開銷和轉發(fā)開銷是巨大的，需要進一步優(yōu)化。

    持久訂閱：文獻[15]詳細研究了發(fā)布/訂閱中間件性能，文中的試驗評估表明，中間件級切換可以使持久訂閱在無線環(huán)境中工作，但它們的吞吐量非常低。即使在固定網絡中，持久訂閱的吞吐量也低于不可持續(xù)訂閱。使用持久訂閱，代理維護移動設備的訂閱和與這些訂閱匹配的緩存項目，而與移動設備是否連接到代理無關，這導致巨大的存儲成本。

    主動型：文獻[16]將基礎問題建模和公式化為一個整數線性規(guī)劃問題，旨在獲得內容緩存和重定向之間的最佳平衡。文中未考慮基站相鄰而其相連的路由器不相鄰的情況，即切換之后無法使用所謂的鄰居代理。文獻[17]提出一種選擇性鄰居緩存方法，主動將請求的內容緩存在距離當前代理一跳的鄰居節(jié)點子集中，文中通過時延和緩存成本兩者的折中來選出合適的鄰居子集。文獻[18]采用位置和數據模式預測來主動支持消費者在網絡中的移動，該方案最優(yōu)地高速緩存接近消費者的預測內容，使其將在切換之前得到滿足并避免興趣重傳，但是文中并沒有對位置和數據模式預測進行相應數學模型的建立和相關方法的設計。

    在主動型的緩存方案中，用戶的運動行為很難預測，文獻[19]利用一種稱為鄰居圖的數據結構，動態(tài)捕獲移動用戶的潛在移動性圖。隨著時間推移，每位代理都會了解到其近鄰，使這些鄰居代理在發(fā)生切換之前緩存用戶請求的內容。該方法對于準確預測用戶移動性的依賴性較高，并且如何平衡代理之間的負擔也是一個需要考慮的問題。文獻[20]提出一種分布式主動緩存方法來支持用戶無縫移動，并且方案中采用擁塞定價方案來有效利用本地路由器的緩存空間，該方法會在滿足用戶的移動請求之后會馬上刪除本地的內容，可能會造成內容的重復利用率不高。

    啟發(fā)型：文獻[21]提出一種移動性/流行度的緩存策略，根據移動性動態(tài)調整內容流行度，即在原有流行度的基礎上加上從別處轉移過來的請求對應的流行度，構成新的流行度，依據新的流行度緩存內容。方案將網絡劃分為不同站點，用戶切換于不同的站點之間，但是文中并沒有考慮數據重傳的持續(xù)開銷。文獻[22]提出一種基于分類的智能緩存方案，來動態(tài)適應用戶需求的變化。方案根據不同地區(qū)用戶的需要合理組織緩存內容，來提高對用戶的移動性支持。方案中需要對用戶數據和內容數據進行整合分析，但是文中并沒有具體給出相關的算法，只是簡要提到需要用到聚類分析。

1.2.2 內容提供方移動性緩存方法的研究

    從查閱的國內外文獻來看，目前內容提供方移動性緩存方法的研究較少。其中，文獻[23]提出了向鄰居主動推送內容的方法，當提供商將要移動并且消費者請求內容時，內容將被傳送到相鄰節(jié)點，并且提供商會根據周邊條件和內容受歡迎程度隨機傳輸內容。同時，提供者探查相鄰節(jié)點是否具有內容的副本，如果相鄰節(jié)點有重復內容，則提供商移動時無需傳輸內容。然而，當移動設備進行網絡切換時，其性能不能達到最佳。此外，考慮鄰居只會限制資源利用率來管理生產者的移動性。文獻[24]提出一種OpCacheMob方法，基本思想是在切換發(fā)生之前主動將緩存期間要求的數據放置在高速緩存中，該方法需要知道兩條信息：第一個是移動的生產者的切換時間；第二個是知道在收斂時間內從移動生產者那里請求什么數據。文中使用位置估計器和請求模式預測器來查找未來請求的時間，數據和消費者。文中僅假設這樣的信息是可用和正確的，并不能保證其在真實環(huán)境中的適用性。

1.3 不同移動性緩存方法的比較與分析

    由于對內容提供方的移動性緩存研究相對較少，本節(jié)首先對用戶移動性緩存方法進行比較分析，隨后對用戶移動性、內容提供方移動性兩類不同情況的移動性緩存方法進行比較分析。

1.3.1 用戶移動性緩存方法的比較與分析

    表1從六個方面對不同類型的用戶移動性緩存方案進行比較。

    從表中可以看出，反應型的特點是內容來源為舊接入點，其緩存冗余度相比持久訂閱與主動型相對較低，因為反應型不需要重新在新接入點進行緩存，但是相比主動型來說要付出時延較長的代價；持久訂閱目前的研究相對較少，因為持久訂閱的缺點十分明顯，屬于機械式的緩存，無論用戶處于離線或在線狀態(tài)，代理都將緩存用戶訂閱的內容，造成緩存空間的匱乏；主動型緩存的特點是內容源為新接入點，但是與反應型相比緩存冗余度相對較高，因為需要在新接入點重新緩存，但是相比反應型來說，主動型的時延相對較低；啟發(fā)型緩存方案是根據移動屬性動態(tài)影響著緩存策略，來調整對內容的緩存，具有更加廣泛的普適性。

1.3.2 用戶移動性、內容提供方移動性的移動性緩存方法的比較與分析

    內容提供方中移動性緩存的方法研究與用戶移動性中的主動緩存類似，都是提前在鄰近節(jié)點對內容進行預取，來滿足用戶服務,從分析中可以看出，兩類移動性情況的緩存方法是相互聯系的，通過分析兩者之間的關系，有助于啟迪學者開展更加深入的研究。

2 ICN中傳統(tǒng)緩存與移動性緩存的比較與分析

    ICN中傳統(tǒng)緩存策略多數研究的是有線場景，部分考慮無線場景，而移動性緩存研究主要是考慮無線場景緩存、移動性對緩存的影響。

2.1 有線場景與無線場景

    有線場景：ICN傳統(tǒng)緩存主要考慮有線場景下的緩存，網絡拓撲相對固定，旨在使內容導向的網絡服務可行。

    無線場景：ICN移動性緩存主要考慮無線場景下的緩存，需要考慮用戶或內容源的移動性，旨在減少請求內容時延。

2.2 路徑緩存與任意路徑緩存

    路徑緩存：傳統(tǒng)緩存策略又稱作路徑緩存，本質上，路徑緩存允許內容沿傳播路由緩存，從而減少后續(xù)用戶獲取相同內容的延遲。然而，對于高移動性的無線網絡，這種方法可能導致移動網絡的低效率，原因是每當移動用戶在附著點發(fā)生變化時，都需要將興趣包重新發(fā)送到內容發(fā)布者，這可能會導致不可接受延遲和網絡重大開銷。

    任意路徑緩存：移動性緩存又稱任意路徑緩存，任意路徑緩存允許根據用戶移動性考慮內容的緩存，盡可能把內容緩存到離移動用戶較近的位置，從而減少移動用戶獲取請求內容的延遲。然而移動性緩存中的啟發(fā)型緩存又與傳統(tǒng)緩存相似，簡單的來說可以認為是在傳統(tǒng)緩存中把移動性的因素加入到原有緩存策略中，支持移動性。

    綜上所述，路徑緩存與任意路徑的緩存?zhèn)戎攸c不同，路徑緩存?zhèn)戎赜趦热?，任意路徑緩存?zhèn)戎赜谝苿佑脩簟?/p>

2.3 內容屬性與用戶行為

    內容屬性：傳統(tǒng)緩存策略中，文件內容主要按照內容的屬性來決定是否（如流行度、大小等）緩存在分布式ICN服務器上。由于跨服務器或傳出流量通常是昂貴的，所以ICN提供商嘗試通過適當的緩存策略盡可能地在本地服務器處理請求，即處于較高的緩存命中率。然而，用戶移動性對內容的流行度有很大的影響。一個站點的不完整下載可能被移動用戶攜帶到另一個站點，從而產生對相同內容的新請求。因此，來自傳統(tǒng)ICN純粹的基于流行度的緩存方法對于接入移動用戶的ICN而言變得無效。

    用戶行為：現有的工作要么著重于在ICN中提供良好的緩存命中率^[25]，或者探討移動網絡中用戶移動性^[26]，部分工作考慮到ICN緩存方案中的用戶行為。移動性緩存主要考慮到內容屬性與用戶行為的結合。在移動性緩存中，通常關注用戶行為，比如用戶的轉移概率、用戶將要請求的內容、用戶在某個地理位置將會請求什么類型的內容、用戶行為會對內容屬性造成什么樣的影響等，盡可能實現一個全面的考慮，從而提高網絡的緩存命中率。

3 移動性緩存未來的研究方向和挑戰(zhàn)

    ICN中移動性緩存的研究取得了一定進展,但是目前研究相對較少，因此，當前仍然是一個充滿挑戰(zhàn)和機遇的新興研究領域，可以進行開拓式創(chuàng)新或繼承式研究，并且值得研究的方向還有很多，主要包括：

    (1)內容源移動性的研究

    目前研究中大多數是關于用戶移動性的研究，對內容源移動性的研究相對較少，如何建立內容源移動與緩存方案的關聯模型，并根據此優(yōu)化緩存模型，是能夠有效提高無線場景下緩存命中率的潛在途徑，更進一步來說，如何關聯內容源的移動與用戶的移動，也是一個仍待解決的問題，并且目前的數學模型和實證研究十分缺乏。

    (2)用戶行為的研究

    移動性緩存策略的研究中，用戶行為即用戶的轉移概率都是假設值，部分文獻針對用戶移動性實現隨機游走模型，這對于調查真正的移動性跟蹤是不切實際的。有些文獻則側重于不同的場景或方法。現有研究中，很少有針對用戶行為的研究，因為用戶轉移概率的不同會直接影響到緩存策略，所以開展真實有效的用戶行為研究是十分必要的。

    (3)數據重傳的持續(xù)開銷問題

    現有移動性緩存策略使用的技術是反應型或主動式，其嘗試減少數據訪問時間，但是需要重傳。然而，在ICN設計中隱含的假設，移動性由興趣包重傳支持發(fā)現是次優(yōu)的，這增加了數據訪問時間并降低網絡的總吞吐量。因此，針對數據重傳問題的研究對于成功的移動性緩存策略是非常有意義的。

    (4)緩存決策策略的研究

    在現有移動性緩存策略中，存在所有到達內容項目都需要緩存的情況。然而，在現有網絡規(guī)模下，系統(tǒng)地緩存所有塊可能導致低緩存分集，從而降低ICN的效率。此外，由于緩存操作在路由器中必須是線速，因此大多數現有的緩存策略并不具有實際意義。上述結果表明，緩存決策策略對于提高緩存分集具有重要意義，可以通過與高速緩存替換策略的配合來大大優(yōu)化緩存性能。

    (5)多路徑轉發(fā)

    某些信息中心網絡（如CCN）支持多徑路由，即對同一內容前綴的請求可以同時通過多條路徑在網絡中并行傳輸，請求可能會被發(fā)往所有匹配的前綴發(fā)布者。多徑轉發(fā)有助于解決移動性和多宿主等問題。

    當然，未來研究工作中還有一些其他很有意義的工作，比如高速緩存成本和延遲之間的權衡、移動性緩存策略的計算復雜性和可擴展性，引入指導啟發(fā)式技術來提供實時接近最優(yōu)的緩存決策，以及網絡拓撲、業(yè)務需求、信息項大小、斷開周期持續(xù)時間和網絡內緩存如何影響緩存策略的性能，另一方面，較高級別的代理可能潛在地服務更大數量的移動附接點，因此使用較高級別的代理可以減少需要主動緩存信息的代理數量，從而減少總高速緩存成本等。

4 結論

    隨著移動用戶的高速增長，開展對信息中心網絡的移動性緩存研究可以更好促進未來網絡的發(fā)展。本文對近年來國內外學者在移動性緩存領域的研究成果進行了回顧、分析、比較、總結，并比較了ICN網絡中傳統(tǒng)緩存策略與移動性緩存策略的特征與不同；同時也討論了移動緩存中若干主要問題的研究現狀，包括內容源移動性的研究、用戶行為研究、數據重傳開銷、緩存決策策略等?？傮w來說，對ICN網絡中移動性緩存的研究處于起步階段，具有廣闊的研究空間，無論在理論模型還是性能優(yōu)化方法方面都有大量關鍵問題需要進行開拓性的探索和深入細致的研究。這些問題的解決和完善，對于設計、規(guī)劃和運營未來的ICN網絡具有重要的理論價值和實踐指導意義。

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