软件定义网络中多媒体传输路由及缓存算法研究

摘要

随着多媒体技术、计算机网络技术以及人机交互技术的飞速发展，多媒体内容开始逐渐深人到人们的日常交流、工作以及娱乐等各个方面，而由其所带动的多媒体应用也开始改变人们使用因特网的方式，将人们对高质量多媒体内容的需求带入了前所未见的高度。现如今，人们利用社交网络分享的内容已经不仅仅局限于文字和图片，音频和视频内容也变得非常常见。而近年来逐渐流行的高分辨率设备以及虚拟现实等新兴技术，在丰富了用户感官体验的同时，也显著推动了人们对高质量视频内容的需求。作为这一发展的必然结果，经由网络传输的多媒体内容，无论是在数量、大小还是类型上均有显著增长。
　　飞速增长的多媒体流量给网络传输带来了包括服务质量保证、传输效率以及服务异构用户等在内的多项挑战，不同领域的研究人员也分别从编码、网络架构以及传输方案等角度提出了相应的改进措施。其中，对网络架构进行改进有着特殊的意义。一方面，现在的互联网架构是在上世纪末基于点对点通信模型而设计的，在面对如今大量应用所需求的一对多服务模型时，不能提供很好的支持。另一方面，优化底层网络架构，可以从根本上解决传统网络在承载视频业务时遇到的瓶颈，为新型编码方案（如分层编码等）以及新型传输方案（如自适应串流等）提供了实际应用的基础。例如近年来流行的软件定义网络(software-definednetworking，SDN)和命名数据网络(named data networking，NDN)，分别从灵活路由管控和一对多分发这两方面出发，针对传统网络在传输多媒体内容时的固有缺陷，提出了有效并且根本的解决方案，为提高多媒体内容的网络传输性能创造了极大潜力。
　　本文主要以目前学术界热门的软件定义网络架构为基础，考虑多媒体内容传输的性能和效率优化。我们将考虑经典软件定义网络架构下的路由问题，以及带有缓存节点的软件定义网络架构下的路由和缓存问题。具体来说，我们首先考虑传统无缓存功能的软件定义网络架构，在传输多媒体内容时，利用多路径路由算法满足多媒体内容对带宽、延时、路径差分延时等指标的要求，并配合多媒体业务的分层特性来提高接收用户的体验。在此基础上，我们继续考虑支持网络中缓存的软件定义网络架构，希望通过在部分网络节点引入缓存功能来提高网络的传输效率。在支持网络中缓存的软件定义网络架构下，我们通过设计新的路由算法，在计算路径时考虑利用缓存节点来提高网络的传输效率。最后，在优化路由的基础上，我们展开对缓存节点的优化，利用在线机器学习技术设计热度感知缓存替换算法，显著提高缓存节点的缓存命中率，从而协助路由算法进一步节省带宽占用。
　　论文的主要创新点以及贡献如下:
　　1)本文提出了一种针对分层多媒体业务的多路径传输方法，通过在分配路径时考虑多媒体内容的层间优先级，为高优先级数据分配质量更好的链路，从而针对性地提高分层多媒体业务的服务质量，为分层编码技术提供了应用土壤。我们所提出的路由算法可以同时考虑用户请求多媒体内容时对带宽、延时、路径间差分延时以及层间优先级的要求，利用软件定义网络的灵活路由特性，为用户请求动态计算并分配相应的路径，从而提高网络传输性能。
　　2)本文提出了一种支持网络中缓存的路由方法，为了充分利用网络中具有缓存功能的中间节点，我们设计了一套基于整数线性规划(integer linearprogramming，ILP)的路由算法，利用软件定义网络的全局路由特性，将流量合理分配、汇聚至缓存节点，以充分发挥缓存节点对带宽的节省作用，从而提高网络传输效率。
　　3)本文提出了一种针对多媒体内容的网络缓存技术，我们设计了一套基于在线机器学习的新型缓存替换算法。算法通过学习多媒体内容在何种情况下热度如何变化，从而对内容的未来热度作出精确预测。相比于直接学习内容的热度，我们的方案有着更快的学习速度。由于采用无模型估计，我们的方案也打破了传统算法对内容热度分布函数的依赖，并且能快速追踪内容热度随时间的变化。我们从理论上证明了算法学习性能收敛至最优，也证明了缓存命中率次线性收敛至最优。在使用了真实系统数据的仿真评估中，我们所提出的算法不仅在缓存命中率上优于对比算法，并且也大幅降低了缓存替换次数，有效缓解了传统缓存替换算法对网络缓存系统产生过大I/O压力这一问题。我们所提出的算法有着对数时间复杂度，实际运行速度快于LFU等工业界常见算法。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景介绍

1．2 研究现状及研究意义

1．2．1 针对分层多媒体内容的多路径路由技术

1．2．2 支持网络中缓存的网络架构

1．2．3 支持网络中缓存的路由算法研究

1．2．4 网络节点缓存算法研究

1．3 论文创新及安排

第2章 多媒体内容网络传输的研究现状

2．1 多媒体内容网络传输的现状

2．1．1 编码技术

2．1．2 视频传输协议及自适应串流

2．2 主流未来网架构分析

2．3 软件定义网络对于多媒体传输的意义

2．3．1 带有缓存节点的软件定义网络架构

第3章 针对分层多媒体业务的多路径传输技术

3．1 相关工作及研究背景

3．1．1 针对多媒体业务的多路径路由技术

3．1．2 分层多媒体业务

3．2 系统模型

3．2．1 NP困难性

3．2．2 启发式算法

3．3 仿真实验及结果分析

3．3．1 流级别静态网络仿真

3．3．2 包级别动态网络仿真

3．4 本章小结

第4章 支持网络中缓存的路由技术

4．1 本章贡献

4．2 研究背景简介

4．2．1 多媒体传输中缓存技术与其他技术的关系

4．2．2 对网络中缓存技术的重新考虑

4．3 支持网络中缓存的路由算法

4．3．1 系统模型

4．3．2 整数线性规划模型

4．3．3 ILP求解

4．3．4 算法扩展-分层多媒体业务

4．4 实验结果及分析

4．4．1 实验环境

4．4．2 性能比较

4．4．3 算法运行速度

4．4．4 扩展算法的性能评估

4．5 本章小结

第5章 针对多媒体内容的热度感知网络缓存技术

5．1 缓存替换算法

5．1．1 本章主要贡献

5．2 相关工作

5．3 热度感知缓存技术的总体技术架构

5．4 系统模型

5．5 热度感知缓存替换算法

5．5．1 算法总览

5．5．2 热度预测

5．5．3 自适应特征空间分割

5．6 性能分析

5．6．1 热度预测误差上界分析

5．6．2 缓存命中率下界分析

5．6．3 算法复杂度

5．7 多缓存节点合作

5．8 仿真实验及结果分析

5．8．1 实验所用数据集介绍

5．8．2 仿真实验设置

5．8．3 评测算法

5．8．4 性能比较

5．8．5 合作型热度感知缓存替换算法的性能评估

5．8．6 算法运行速度比较

5．8．7 对假设5．1的验证

5．9 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果