面向内容网络移动性管理及移动缓存技术研究

摘要

随着互联网技术的飞速发展以及各种新型设备和应用的广泛普及，互联网的规模不断扩大，网络流量呈爆炸式增长，互联网由主机到主机的包分发模式急需转变为支持数据、内容和用户的多样化模式。面向内容网络以内容为中心，以需求为导向，基于内容名字寻址，实现内容信息的快速分发和获取。然而，面向内容网络仍面临普适支持性差、泛在移动的内容管理和寻址缺陷、路由可扩展性差、资源利用率低等问题。为此，本文围绕面向内容网络的移动性问题，针对基于内容命名的移动性管理、子网移动性支持、基于内容名字收敛的分布式管控，以及移动关注的缓存技术展开研究。主要工作和创新点如下:
　　1.为了提供适应面向内容网络基于内容命名的移动性管理，支持移动网络基于内容名字的路由寻址功能，本文提出了基于内容位置区域管理的层次移动性机制。根据节点的移动范围及网络实体对移动节点切换管理的功能不同，将网络按照层次进行划分，各层次域间协调移动节点执行切换时的内容名字和位置信息间的绑定关系。基于面向内容网络的数据结构，设计了本地缓存列表和全局缓存列表两种数据结构，用以管理移动节点域内、域间切换的内容名字和位置信息，同时保证有效的路由收敛。定义了信令传输开销及不同数学分布下位置更新开销的解析公式。通过数学模型评价了影响切换开销的主要因素，并给出了最佳配置域范围。通过在ndnSIM仿真平台上搭建实验环境，对基于内容位置区域管理的层次移动性机制和现有移动性支持方案的切换性能进行了比较。仿真结果表明，该机制有效地提升了移动节点域内、域间切换性能，并且带来了较小的切换时延和切换开销。
　　2.为了提供面向内容网络对于特殊网络环境下的子网移动性支持，本文提出了基于层次移动性架构的子网移动支持机制。建立子网移动模型，通过部署具有两种类型接口的移动路由器，保证子网移动过程的通信连续性。在分析移动路由器执行切换次序对切换性能影响的基础上，提出了移动子网控制器接入点选择策略、移动路由器状态选择及转发策略、移动路由器和接入路由器优选策略，以及移动路由器信道扫描设定原则。本文通过数学模型分析了基于层次移动性架构的子网移动支持机制的域内切换性能，定义了中断间隔时间概率解析表达式，评价了影响域内切换性能的主要因素，并给出了域间切换的子网移动方案。同时，本文通过仿真实验分析了域内、域间切换过程的切换时延。仿真结果表明，基于层次移动性架构的子网移动支持机制带来的切换时延较低，且域内切换的性能最佳，在执行多次连续切换时仍可保持稳定的切换状态。
　　3.为了减小基于路由原理实现的内容前缀聚合给节点的移动带来切换开销和时延，以及解决现有集中式移动性管理存在可扩展性差、数据传输与信令控制集中于单一节点、非优化路由等问题，本文提出了基于控制与数据分离的分布式移动性管理。该机制设计了位置绑定列表，实现了内容名字与位置的分离，并扩展请求消息格式以支持切换过程中的信令交互。数据传输选择最优路径而不必经由集中管控服务器，节省了大量的数据传输开销;分布式移动性管理将位置更新与数据传输分离，减轻了核心网集中管控服务器的负担。本文利用数学模型分析了基于控制与数据分离的分布式移动性管理的性能，还原了现有集中式移动性支持方案，定义了切换时延和切换开销的解析表达式，并进行多种方案的比较分析，同时评价了影响切换开销和切换时延的主要影响因素。性能分析结果显示，基于控制与数据分离的分布式移动性管理的切换开销小于集中式移动性支持方案，切换性能较优。
　　4.为了打破面向内容网络的缓存机制针对固定用户设计的弊端，以及分析用户的移动行为对网络资源分配及内容获取方式的改变。本文基于汇聚节点移动性支持方案，提出了一种基于内容流行度的移动缓存机制，根据请求内容的流行度，通过小范围泛洪就近获取方式，或者通过基于汇聚节点的内容获取方式，使得用户在移动过程中可以有效获取内容，提高网络资源利用率。本文给出了一种多项式时间启发式解决方案证明所提机制的可行性，采用动态随机节点移动模型和基于内容流行度的请求内容模型，通过仿真实验与基于汇聚节点移动支持方案在平均累积开销和平均切换时延方面进行了比较。仿真结果表明，基于内容流行度的移动缓存机制可以节省较大的传输开销和切换时延，实现了资源的就近获取，提高了网络资源利用率。

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致谢

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 面向内容网络研究综述

1．1．1 面向内容网络概述

1．1．2 面向内容网络工作机理及功能模块

1．1．3 研究现状

1．2 移动性支持技术研究综述

1．2．1 传统互联网移动性支持技术

1．2．2 面向内容网络移动性管理问题分析

1．2．3 面向内容网络移动性研究现状

1．3 论文主要工作与创新点

1．4 论文组织结构

2 基于内容位置区域管理的层次移动性机制

2．1 基于内容位置区域管理的层次移动性机制

2．1．1 基于内容位置区域管理的层次移动性网络架构

2．1．2 本地缓存列表协助的内容源域内切换

2．1．3 请求者域内移动性支持

2．1．4 全局缓存列表协助的内容源域间切换

2．1．5 请求者域间移动性支持

2．2 理论性能分析

2．2．1 移动性支持方案的切换时延分析及性能评价

2．2．2 层次移动性机制的切换开销分析

2．2．3 位置更新开销及配置域规模对总切换开销的影响

2．2．4 路由收敛和缓存占用

2．3 仿真分析

2．3．1 仿真环境

2．3．2 切换时延分析

2．3．3 切换开销分析

2．4 本章小结

3 基于层次移动性架构的子网移动支持机制

3．1 子网移动方案设计框架

3．1．1 基于层次移动性架构的子网移动性机制

3．1．2 移动子网控制器的接入点选择策略

3．1．3 移动路由器的状态选择及数据转发策略

3．1．4 移动路由器和接入路由器优选策略

3．1．5 移动路由器的信道扫描频率设定

3．1．6 移动子网域内切换

3．1．7 移动子网域间切换

3．2 理论模型与数据分析

3．2．1 基于层次移动性架构的子网移动分析模型

3．2．2 移动子网切换时延分析

3．2．3 移动路由器的切换时延概率密度函数

3．2．4 中断间隔时间概率分析

3．3 理论分析结果

3．3．1 移动路由器信道扫描频率对移动子网切换性能的影响

3．3．2 移动路由器间距对移动子网切换性能的影响

3．3．3 重叠覆盖区间距对移动子网切换性能的影响

3．3．4 子网移动速度对移动子网切换性能的影响

3．4 仿真分析

3．4．1 仿真环境

3．4．2 仿真结果

3．5 本章小结

4 基于控制与数据分离的分布式移动性管理

4．1 基于控制与数据分离的分布式移动性管理

4．1．1 基于控制与数据分离的分布式移动性管理框架

4．1．2 部分分布式移动性管理方法

4．1．3 完全分布式移动性管理方法

4．2 性能分析

4．2．1 性能分析模型

4．2．2 切换开销和切换时延分析

4．3 切换指标评价

4．3．1 单位链路传输开销对切换开销的影响

4．3．2 单位更新和查找开销对切换开销的影响

4．3．3 网络实体间距对切换开销的影响

4．3．4 节点移动速度对切换开销的影响

4．3．5 无线链路失效率对切换时延的影响

4．4 本章小结

5 一种基于内容流行度的移动缓存机制

5．1 基于内容流行度的移动缓存机制

5．1．1 基于内容流行度的移动缓存机制框架

5．1．2 基于内容流行度的移动缓存内容获取方式

5．1．3 内容流行度统计服务器设计

5．2 基于内容流行度的移动缓存模型

5．3 NP完全问题的启发式解决方案

5．4 性能评估

5．4．1 动态随机的节点移动模型

5．4．2 基于内容流行度的请求内容模型

5．4．3 仿真环境

5．4．4 平均累积开销分析

5．4．5 切换时延分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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