《基于内容分发技术在互联网中应用》
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[摘 要]本文介绍了内容分发技术的发展、需要研究的问题和挑战,在本文中我们将给出网络缓存中的缓存算法以及内容分发网络中的缓存服务器放置和内容放置算法的研究现状.
[关键词]内容分发技术；网络缓存；服务器
中图分类号：TP393.0 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0341-01
1 网络缓存
网络缓存就是将内容缓存在缓存服务器上,使得用户在访问内容的时候可以就近在緩存服务器上获取内容而不需要向源服务器请求.网络缓存中需要研究的主要问题是缓存算法和缓存结构.
1.1 缓存结构
为了提高缓存的效率,使得缓存之间可以相互协作,通常将网络中的缓存以一定的结构组织起来.可以将缓存的结构分成三种类型：层次结构,网状结构和混合结构,其中层次结构通常是将缓存放在层次网络中的不同的层中,而在网状的结构中则每块缓存都是平等的,混合结构是将以上两种类型的结构结合在一起构成性能更好的结构.这三种结构各自都有优缺点.一般来说,层次结构比网状结构建立连接的时间短,但是网状结构要比层次结构的传输时间短并且网状结构的带宽利用率更低,所以如果可以很好的设计混合结构则可以将它们的优点结合起来.
1.2 缓存算法
由于每个缓存的空间大小都是有限的,所以缓存中不能存放所有的内容,缓存算法就解决每个缓存中应该放置哪些内容的问题.缓存算法是指每个缓存服务器都自己根据用户的访问模式选择要缓存的内容,并且在缓存空间不足时根据一定的规则选择一些内容换出内存.缓存算法通常是通过在缓存空间中放置最有可能在将来被访问到的内容来提高缓存命中率.但是由于将来的用户的访问模型是很难预测的,所以一种通常的做法是通过用户以前对内容的访问频率来决定是否将内容放置在缓存中.
1.3 相互协作的 En-Route 网络缓存
在传统的网络缓存机制中,每个缓存服务器上的内容都是相互独立的,但是在相互协作的 En-Route 网络缓存技术在决定内容的放置位置的同时考虑了内容的置换.当缓存空间不足时,需要替换出已经存在的缓存内容来为将要放置的内容腾出空间,此时虽然将新的内容缓存在空间中可以节省一些网络资源,但是同时将旧的内容替换出则增加了一些资源的投入,所以此问题要考虑的就是怎样在考虑到内容替换的情况下决定需要将哪些内容放置在哪些缓存服务器中.
2 内容分发网络
内容分发网络主要就是将内容放置在缓存服务器中,由此而引出了缓存服务器放置,内容选择,内容放置及缓存管理等一系列问题.在这里我们就讨论其中的两个主要问题：缓存服务器放置、内容放置.其中服务器放置问题是在给定网络拓扑结构和用户访问模式等条件下,在若干网络候选结点中选择一组位置来放置缓存服务器,以最优化目标函数.内容放置问题就是说选择一组放置好的服务器来放置选定的内容以使得目标函数最优（最大或最小）.
2.1 缓存服务器放置
作为内容分发的核心问题之一,服务器的放置问题得到了人们的广泛关注,所以此问题也得到了较深入的研究.可以将服务器放置问题看成是 CFL（Connected Facility Location）问题,CFL 问题是一个 NP-Hard 问题,找不到多项式时间的算法来解决此问题,所以他们提出了一个随机算法,此算法的近似比为 3.55.web 服务器的放置算法,在他们的算法中采用链路上的负载作为影响放置的重要因素,实验表明此算法可以有效的提高CDN 的性能.给出了两个缓存服务器放置算法,这些算法中不需要知道用户的位置,只根据网络的拓扑结构来决定服务器的放置位置.虽然实验表明此算法只比 近似算法性能差 1.1-1.2 倍,但是此算法的假设前提为用户均匀的分布在网络中,但是此假设并不符合实际.
视频内容在内容分发中占据了重要的位置,因为视频内容的分发相对于其他内容的分发要占用更多的带宽和更多的存储空间,所以研究视频内容分发问题中的缓存服务器放置也很重要.
2.2 内容放置算法
不同于只考虑本地缓存的缓存算法,内容放置算法需要考虑整个网络的结构并选择一组可以产生最优解或次优解的放置位置.通过互联网中的内容放置,在客户的角度看,用户可以就近访问缓存有此内容副本的服务器从而降低访问延迟、提高网络性能.从服务器的角度看,通过较多缓存服务器来满足用户的需求,极大的减小了源服务器的负载,使得网络中源服务器性能的瓶颈得到了很好的解决了.同时通过布置多个缓存服务器提高了网络的冗余,使得 CDN 提供的服务更可靠.
3 解决问题的方法
在这一小节中我们将要给出在此文章中需要用到一些理论基础知识,主要包括最优化理论,动态规划算法和贪心算法等.
3.1 最优化理论简介
最优化理论是运筹学中的一个重要分支.它所研究的问题是怎样在海量可行解中找出一个最优解,计算机科学中的很多问题都要用到最优化理论.最优化理论很早就已经起步,但是由于没有有力的计算工具所以发展较慢.但是随着最近计算机日益广泛的应用,使得最优化问题得到迅速的发展,成为一个全新的学科.
最优化理论现在已经出现了线性规划、动态规划、整数规划、几何规划、随机规划、网络流和启发式算法等分支.最优化理论和算法在实际中得到了越来越广泛的应用.在这里我们只给出在本章中用到的动态规划和启发式算法.下面我们先给出一个最优化问题的案例.
3.2 动态规划算法
解决问题的算法的有效性主要依赖于算法的时间复杂度.在这里我们将介绍一种重要的最优化方法—动态规划算法.利用动态规划算法解决问题的方法通常比其他算法的时间复杂度要小,所以这种算法在最优化位置放置问题中得到了广泛的运用.
动态规划算法就是将复杂的问题分割成若干个较容易解决的子问题,然后通过组合子问题的解而解决整个问题的方法.动态规划适用于子问题不是独立的情况下,也就是各子问题包含公共的子子问题.在这种情况下,动态规划算法对每个子子问题求解一次,并将其结果保存在一张表中,从而避免了每次遇到各个子问题时都重新计算答案,有效的减少时间复杂度.这种算法也可以看作是空间换时间的方法,因为它需要存储子子问题的结果,以便以后使用,但是这种交换是值得的.
3.3 贪心算法
贪心算法又称贪婪算法,它是指在对问题进行求解时,总是做出局部最优的选择,期望通过每次的局部最优解来产生全局最优解,但是因为在求解问题时并没有对整体上最优加以考虑,所以贪心算法并不能对所有的问题都能求出最优解.虽然它对某些问题确实可以产生最优解,而且算法效率通常比其他算法要高.
4 结论
我们给出了网络缓存中的缓存结构、缓存算法和最新的 En-Route网络缓存技术及内容分发网络中的缓存服务器放着和内容放置问题的研究现状.其中 En-Route 网络缓存和内容放置技术是两个研究热点.我们对要在本文中用到了两种算法（动态规划算法和贪心算法）做了大体的介绍.我们研究的两个问题都是最优化问题,其中树形 Vo D 网络中的视频内容分发问题可以用动态规划算法求得最优解,而 ICMANET 网络中的内容分发问题则为 NP-Hard 问题,无法得到最优解,所以我们用贪心算法对其进行求解.
参考文献
[1]多媒体网络：从内容分发网络到未来互联网[J].尹浩,詹同宇,林闯.计算机学报. 2012（06）.
[2]流媒体分发系统关键技术综述[J].杨戈,廖建新,朱晓民,樊秀梅.电子学报. 2009（01）.
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内容分引用文献:
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