魏晨，易波

東北大學(xué)，計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110169

引 言

車載社交網(wǎng)絡(luò)（Vehicular Social Network，VSN）是由車輛自組織網(wǎng)絡(luò)（VANET）和社交網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)概念和功能組合而成的移動(dòng)通信系統(tǒng)[1-2]，它是一種允許車輛、行人及基站互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中涉及到了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以及傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。作為移動(dòng)社交網(wǎng)絡(luò)（Mobile Social Network，MSN）的一個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景，VSN 為駕駛?cè)撕统丝吞峁┦孢m的體驗(yàn)，已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。但是，眾多車輛網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的暴增，使得傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)已無法滿足日益增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)需求。

以網(wǎng)內(nèi)緩存為主要特征的ICN 可以使用戶從附近節(jié)點(diǎn)而不是遠(yuǎn)程服務(wù)器檢索數(shù)據(jù)，它的緩存技術(shù)有助于降低獲取內(nèi)容所需的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、減小由于鏈路或者節(jié)點(diǎn)失效對(duì)內(nèi)容獲取帶來的負(fù)面影響[3]等。這種通信模式的全新變革帶來許多優(yōu)勢(shì)，比如高效的內(nèi)容分發(fā)、天然地支持移動(dòng)性[4]，故成為可能代替IP 的新型范式。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Named Data Networking, NDN）是一個(gè)比較成熟的ICN 體系結(jié)構(gòu)[5]，它依據(jù)內(nèi)容請(qǐng)求和網(wǎng)內(nèi)緩存有效解決了傳統(tǒng)通信方式中因無法就近獲取所需內(nèi)容而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)的問題。由于ICN 的種種優(yōu)勢(shì)，越來越多的研究者將ICN 技術(shù)應(yīng)用到VSN 中。但VSN 的移動(dòng)性令拓?fù)漕l繁變化，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的連續(xù)性無法保證，端到端的路徑傳輸無法維持，所以需要充分挖掘用戶之間的關(guān)系以及人類的移動(dòng)特性，判斷是否緩存內(nèi)容，使用戶可以及時(shí)獲取需要的信息。雖然目前對(duì)于ICN 緩存策略的研究已經(jīng)有了階段性的創(chuàng)新，但是如何將ICN 更好的應(yīng)用于VSN 中以適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境并增強(qiáng)其緩存效率，仍值得分析和研究。

本文將利用ICN 中的NDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和VSN 相結(jié)合，側(cè)重于研究符合車輛快速移動(dòng)場(chǎng)景下的緩存決策，提出一種基于內(nèi)容流行度和朋友關(guān)系的緩存決策策略和考慮到節(jié)點(diǎn)重要性的緩存替換策略，以解決動(dòng)態(tài)環(huán)境下的緩存放置問題，將ICN 網(wǎng)內(nèi)緩存發(fā)揮出最大的優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到快速獲取內(nèi)容的目的，滿足車載用戶的需求。

1 相關(guān)工作

緩存機(jī)制主要解決了緩存什么（What）、在哪緩存（Where）以及怎么緩存（How）的問題。根據(jù)內(nèi)容緩存的位置，緩存機(jī)制可分為路徑相關(guān)緩存（onpath caching）[6]和路徑無關(guān)緩存（off-path caching）[7]。ICN 默認(rèn)將數(shù)據(jù)包在每個(gè)反向路由器上都進(jìn)行緩存，稱為 CEE（Cache Everything Everywhere）緩存決策機(jī)制。事實(shí)上，這在某種程度上會(huì)造成資源浪費(fèi)，并且過高的緩存替換率會(huì)導(dǎo)致緩存內(nèi)容穩(wěn)定性下降，影響緩存命中率。針對(duì)這一緩存機(jī)制的不足，文獻(xiàn)[8]提出了一種基于邊緣緩存的ICN 智能內(nèi)容分發(fā)解決方案，根據(jù)內(nèi)容的流行度、用戶的移動(dòng)性和社會(huì)關(guān)系決定是否緩存，從而有效提高內(nèi)容傳輸效率。

緩存替換策略旨在選擇合適的替換算法更新緩存內(nèi)容。在ICN 中，根據(jù)車輛間的緩存策略對(duì)內(nèi)容存儲(chǔ)（Content Store，CS）中的內(nèi)容進(jìn)行替換。先進(jìn)先出（First In First Out，F(xiàn)IFO）、最近最少使用機(jī)制（Least Recently Used，LRU）、最少頻繁使用（Least Frequently Used，LFU）是針對(duì)ICN 緩存提出的基本緩存策略。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于值的緩存替換方案，使用實(shí)用函數(shù)從延遲、流行度等參數(shù)確定從緩存中所要?jiǎng)h除的項(xiàng)，在命中率、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)延遲等方面都有一定的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[10]結(jié)合緩存的新鮮度要求提出了一種最小新鮮優(yōu)先（LFF）緩存替換策略?；趥鞲衅魑磥硎录臅r(shí)間序列預(yù)測(cè)，剔除無效緩存內(nèi)容，提高了服務(wù)器命中率、減少了響應(yīng)延遲。

移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)中引入ICN 新型范式是一個(gè)新的跨領(lǐng)域的研究[11]，文獻(xiàn)[12]闡述了盡管 ICN 在移動(dòng)無線環(huán)境中具有潛在的優(yōu)勢(shì)，但仍有幾個(gè)重大的研究挑戰(zhàn)有待解決，包括本地緩存內(nèi)容的發(fā)現(xiàn)、能源效率、實(shí)際部署問題。在 NICNC 機(jī)制[13]中，路由器根據(jù)其對(duì)社區(qū)的節(jié)點(diǎn)重要性進(jìn)行緩存決策，使緩存的內(nèi)容在時(shí)空分布上更加合理。文獻(xiàn)[14]提出一種博弈論方法來共同確定 ICN 中的緩存和定價(jià)方案，使用概率模型研究中繼節(jié)點(diǎn)和內(nèi)容提供者之間的非合作游戲的納什策略，其中 ICN 緩存成本隨內(nèi)容受歡迎程度而變化。文獻(xiàn)[15]針對(duì)以信息為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(ICN-WSN)提出了一種協(xié)同緩存策略。該策略由節(jié)點(diǎn)介數(shù)的緩存大小、數(shù)據(jù)替換頻率的緩存決策和內(nèi)容值的緩存替換算法三部分組成。在文獻(xiàn)[16]中，作者通過從VANET 的角度研究ICN 的命名、緩存等不同方面，簡(jiǎn)要討論了ICN在車輛環(huán)境中的適用性，還指出了主要的挑戰(zhàn)以及未來研究方向。在文獻(xiàn)[17]中，作者通過聯(lián)合考慮NDN 中的內(nèi)容流行度、底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、轉(zhuǎn)發(fā)策略和路徑緩存服務(wù)提出緩存放置策略，該策略在任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，都有較好的響應(yīng)速度。Su 等人[18]提出了一個(gè)以內(nèi)容為中心的車載網(wǎng)絡(luò)（CCVN）的新框架，內(nèi)容服務(wù)器中的內(nèi)容根據(jù)車輛密度和內(nèi)容流行度確定的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行存儲(chǔ)。但是這項(xiàng)工作并沒有考慮移動(dòng)性問題。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在ICN 緩存和置換策略等方面已經(jīng)取得了一定的成果，但是對(duì)于如何更好的將ICN 應(yīng)用于VSN 中以適應(yīng)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化，有效提高緩存效率方面還面臨諸多挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述問題，本文在已有ICN 緩存策略的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)適合于動(dòng)態(tài)VSN 的緩存決策策略和緩存替換策略。根據(jù)內(nèi)容流行度和朋友關(guān)系這兩個(gè)指標(biāo)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)判斷是否緩存內(nèi)容。然后為了增加緩存的多樣性，滿足不同用戶的請(qǐng)求，根據(jù)流行度對(duì)內(nèi)容存儲(chǔ)庫(kù)進(jìn)行分區(qū)。最后提出一種緩存替換策略，當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)已滿時(shí)，合理進(jìn)行置換。本文所提出的機(jī)制在一定程度上可以彌補(bǔ)當(dāng)ICN 應(yīng)用于VSN 時(shí)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下緩存方面的不足，減少網(wǎng)絡(luò)開銷，避免頻繁的緩存替換操作，以適應(yīng)車載用戶的動(dòng)態(tài)請(qǐng)求。

2 節(jié)點(diǎn)模型

首先,本文利用內(nèi)容流行度和朋友關(guān)系作為判斷是否緩存內(nèi)容的重要依據(jù)，所以在每個(gè)具有NDN功能的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的原始結(jié)構(gòu)中添加兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是用于實(shí)時(shí)監(jiān)控全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中本地內(nèi)容流行度變化的內(nèi)容流行度監(jiān)控表（Content Popularity Monitor Table，CPMT）和用于記錄節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系信息的關(guān)系表（Relational Table，RT），在此對(duì)這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1 CPMT 結(jié)構(gòu)

本文以 CPMT 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)本地內(nèi)容流行度的變化作為預(yù)測(cè)內(nèi)容的流行度依據(jù)。通過 CPMT對(duì)采樣時(shí)間段內(nèi)節(jié)點(diǎn)中不同類別興趣包的到達(dá)次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，判斷指定內(nèi)容是否流行。其中CPMT 模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示，包括獲得某段時(shí)間內(nèi)指定內(nèi)容的請(qǐng)求次數(shù)以及預(yù)測(cè)指定內(nèi)容的請(qǐng)求次數(shù)。

表1 內(nèi)容流行度監(jiān)控表Table 1 Content popularity monitor table

2.2 RT 結(jié)構(gòu)

RT 是在NDN 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上結(jié)合節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性需求添加的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，主要用于記錄節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。RT 結(jié)構(gòu)如表2所示，每個(gè)條目包括節(jié)點(diǎn)ID、內(nèi)容類型和節(jié)點(diǎn)中心度。在本設(shè)計(jì)中規(guī)定，當(dāng)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系度達(dá)到一定閾值時(shí)定義為朋友節(jié)點(diǎn)，只有朋友節(jié)點(diǎn)之間可以相互交換緩存內(nèi)容，以避免不必要置換導(dǎo)致的額外網(wǎng)絡(luò)開銷。

表2 關(guān)系表Table 2 Relational table

3 基于內(nèi)容流行度和朋友關(guān)系的緩存決策算法

3.1 本地內(nèi)容流行度監(jiān)測(cè)

由于節(jié)點(diǎn)的獨(dú)特性，每個(gè)內(nèi)容類型可能在不同節(jié)點(diǎn)具有不同的流行度，因此我們基于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地請(qǐng)求頻率設(shè)計(jì)內(nèi)容類型流行度預(yù)測(cè)方法。并采用次數(shù)對(duì)周期進(jìn)行更新，即當(dāng)有新的興趣包到達(dá)時(shí)，設(shè)置的計(jì)數(shù)器次數(shù)累加，當(dāng)次數(shù)達(dá)到規(guī)定的閾值N時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，進(jìn)入下一周期，依次循環(huán)統(tǒng)計(jì)。所以，對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，內(nèi)容類型Typek在周期n內(nèi)的流行度的計(jì)算方法用公式（1）表示。

由上式可知，對(duì)于每個(gè)內(nèi)容類型的流行度由該內(nèi)容類型在周期n內(nèi)的請(qǐng)求次數(shù)決定。

節(jié)點(diǎn)i上的內(nèi)容類型Typek在周期n內(nèi)的請(qǐng)求次數(shù)Creq ni(Tpyek)的初始值設(shè)置為上一時(shí)刻的請(qǐng)求次數(shù)，之后根據(jù)上兩段時(shí)間內(nèi)，該內(nèi)容類型請(qǐng)求變化值進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整值用公式（2）表示。

其中，α+β= 1，越靠近當(dāng)前內(nèi)容請(qǐng)求次數(shù)，加權(quán)值越重，即β≥α，符合最近的變化應(yīng)當(dāng)分配更高權(quán)重這一特征。綜上所述，節(jié)點(diǎn)i上的內(nèi)容類型Typek在周期n內(nèi)的請(qǐng)求次數(shù)估計(jì)方法用公式（3）表示。

3.2 緩存區(qū)劃分

通常，對(duì)內(nèi)容的請(qǐng)求數(shù)量遵循 Zipf 定律，所以對(duì)于普通車輛節(jié)點(diǎn)考慮根據(jù)內(nèi)容流行度將 CS 劃分成流行區(qū) CS_P 和非流行區(qū) CS_N。其中，CS_P 占緩存區(qū) 80%；CS_N 占緩存區(qū) 20%。分區(qū)的好處在于：減少查找 CS 帶來的時(shí)延，增加緩存的多樣性。

3.3 朋友關(guān)系度

因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)的興趣偏好有所不同，具有相似性的節(jié)點(diǎn)匯集成一個(gè)社區(qū)，相比于社區(qū)外的節(jié)點(diǎn)聯(lián)系更頻繁。在本設(shè)計(jì)中，利用節(jié)點(diǎn)之間的平均聯(lián)系時(shí)長(zhǎng)和聯(lián)系頻率刻畫節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，關(guān)系度越高的節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求內(nèi)容的相似度越高，成為一個(gè)社區(qū)的可能性就越大，并將度中心性大的節(jié)點(diǎn)設(shè)為簇頭，以維護(hù)社區(qū)內(nèi)和社區(qū)間的聯(lián)系。

節(jié)點(diǎn)之間的平均聯(lián)系時(shí)長(zhǎng)用公式（4）表示。

其中，T表示當(dāng)前時(shí)間，f ij(t)表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j在時(shí)間t內(nèi)是否聯(lián)系，如果節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j保持聯(lián)系，那么f ij(t)= 1，否則為0。平均聯(lián)系時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，它們從時(shí)間上描述的關(guān)系越可靠。

節(jié)點(diǎn)間聯(lián)系頻率用公式（5）表示。

其中，N con(i,j)表示節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的聯(lián)系次數(shù)，N con(i)表示節(jié)點(diǎn)i和網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系次數(shù)。

綜上所述，朋友關(guān)系度用公式（6）表示。

Fri(i,j)衡量了節(jié)點(diǎn)i和節(jié)點(diǎn)j之間的關(guān)系度，為判斷是否緩存內(nèi)容提供了主要依據(jù)。其中，α和β分別是平均聯(lián)系時(shí)長(zhǎng)和聯(lián)系頻率的權(quán)重因子，且α+β=1。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)包的傳輸中必須衡量的一個(gè)因素是數(shù)據(jù)包內(nèi)容的尺寸，在興趣包的設(shè)計(jì)中需要將朋友節(jié)點(diǎn)作為其中的一個(gè)信息進(jìn)行傳遞，導(dǎo)致平均聯(lián)系時(shí)長(zhǎng)占比更重，故在本設(shè)計(jì)中設(shè)置α=0.6，β=0.4。

3.4 基于內(nèi)容流行度和朋友關(guān)系的緩存決策策略

基于本地內(nèi)容流行監(jiān)控度表以及簇頭節(jié)點(diǎn)的集中收集，及時(shí)反饋上層節(jié)點(diǎn)，提出了適合快速移動(dòng)場(chǎng)景下的緩存機(jī)制。緩存策略根據(jù)內(nèi)容的流行程度和目的節(jié)點(diǎn)是否為朋友節(jié)點(diǎn)這兩個(gè)因素進(jìn)行緩存，具體緩存策略分成四種情況：

（1）對(duì)于返回的數(shù)據(jù)包流行度高且是朋友節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的，無論此內(nèi)容在本節(jié)點(diǎn)的 CS 中是否存在節(jié)點(diǎn)，都將緩存在 CS_P 中且標(biāo)記為重點(diǎn)緩存對(duì)象。

（2）對(duì)于流行度高，但返回?cái)?shù)據(jù)包是非朋友節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的，此內(nèi)容之前在 CS 表的流行區(qū)，仍緩存在CS_P 中且標(biāo)記為重點(diǎn)緩存對(duì)象，若內(nèi)容之前在 CS_N 或者在 CS 中查找不到此內(nèi)容，則緩存在 CS_P 中，但不標(biāo)記為重點(diǎn)緩存對(duì)象。

（3）對(duì)于流行度不高的內(nèi)容，但是朋友節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包，若此內(nèi)容之前在 CS_P，則緩存在 CS_N 中且標(biāo)記為重點(diǎn)緩存對(duì)象，若內(nèi)容在 CS 中查找不到此內(nèi)容，則緩存到CS_N 中。

（4）對(duì)于流行度不高的內(nèi)容且不是朋友節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)包，則放棄緩存。

考慮到部分?jǐn)?shù)據(jù)包在本社區(qū)沒有請(qǐng)求到內(nèi)容，最后通過簇頭節(jié)點(diǎn)將該興趣包轉(zhuǎn)發(fā)出去。當(dāng)數(shù)據(jù)包返回到請(qǐng)求者時(shí)，應(yīng)該考慮是否需要將數(shù)據(jù)包備份至社區(qū)內(nèi)的簇頭節(jié)點(diǎn)。即興趣包在社區(qū)內(nèi)進(jìn)行路由經(jīng)過簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，簇頭節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)其返回的數(shù)據(jù)包的流行程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。若返回的內(nèi)容數(shù)據(jù)流行程度高于一定閾值，則將該興趣包標(biāo)記為需要備份至簇頭節(jié)點(diǎn)，待數(shù)據(jù)包返回至請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包至簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行備份，以便滿足社區(qū)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的需求，這樣可以降低用戶獲得所需信息的平均時(shí)延，提高包交付率。

3.5 緩存替換策略

上述中，如果節(jié)點(diǎn)的緩存空間已滿時(shí)，需要根據(jù)緩存替換策略合理地緩存更符合需求的內(nèi)容。大量的研究表明，緩存替換策略的選擇對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體性能的影響并不大，通常默認(rèn)采用 LRU 作為替換策略。所以在本設(shè)計(jì)中，也將采用 LRU 策略置換出 CS_P或者 CS_N 中的內(nèi)容，并對(duì)標(biāo)記為重點(diǎn)緩存對(duì)象的內(nèi)容給予一次“逃生”機(jī)會(huì)，即若緩存替換內(nèi)容為重點(diǎn)緩存對(duì)象時(shí)，會(huì)清空該標(biāo)記獲得一次保留機(jī)會(huì)，繼而尋找其他最近最久未使用的內(nèi)容進(jìn)行置換，直至新的緩存空間容量滿足現(xiàn)有需求。在該過程中考慮到緩存對(duì)象內(nèi)容的重要性，可以有效避免頻繁的置換操作，增加緩存內(nèi)容的穩(wěn)定性。

4 仿真實(shí)現(xiàn)與性能評(píng)價(jià)

4.1 仿真平臺(tái)

本文提出的CVR 機(jī)制基于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（Opportunistic Network Environment，ONE）仿真軟件實(shí)現(xiàn)，ONE 是一款針對(duì)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的仿真實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的軟件[19]，基于離散事件模擬引擎，在每次模擬時(shí)間間隔內(nèi)更新各個(gè)模塊內(nèi)容，各模塊之間相互配合完成整個(gè)模擬功能。ONE 仿真平臺(tái)的主要模塊功能和類介紹如下。

（1）核心模塊（Core）

Core 模塊包含了模擬器的主要功能，包含的主要類如表3所示。首先讀取配置文件，對(duì)仿真環(huán)境進(jìn)行初始化操作，然后完成各個(gè)模塊的配置工作，最后初始化模擬時(shí)間，在時(shí)間間隔內(nèi)更新各個(gè)模塊。

（2）移動(dòng)模塊（Movement）

移動(dòng)模型規(guī)定著網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)規(guī)則。既可以使用 ONE 中默認(rèn)的六種移動(dòng)模型，同時(shí)也可以根據(jù)需求自定義模型。在本設(shè)計(jì)中采用最短路徑地圖移動(dòng)模型(SPMB，ShortestPathMapBasedMovement）模型，同時(shí)加入了興趣點(diǎn)（如商城，學(xué)校），構(gòu)成興趣點(diǎn)移動(dòng)模型（PoI Movement Model，PIMM），使車輛具有人性化的移動(dòng)，而不僅僅是隨機(jī)選擇一個(gè)目的地作為下次的移動(dòng)方向。移動(dòng)模塊包含的主要類如表4所示。

表3 Core 模塊主要類Table 3 Main classes of core module

表4 Movement 模塊主要類Table 4 Main classes of core module

4.2 仿真設(shè)置

本文仿真場(chǎng)景設(shè)置如表5所示，共設(shè)置115 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中100 個(gè)節(jié)點(diǎn)基于PIMM 移動(dòng)模型運(yùn)動(dòng)，15 個(gè)節(jié)點(diǎn)基于固定軌跡運(yùn)動(dòng)。

4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文使用包交付率、平均時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)開銷比率等三個(gè)性能指標(biāo)將設(shè)計(jì)的緩存機(jī)制和傳統(tǒng)NDN緩存策略CEE+LRU，以及傳統(tǒng)NDN 緩存策略CEE+FIFO 對(duì)比。各對(duì)比指標(biāo)的定義如下。

（1）包交付率

包交付率指的是所有交付的包的數(shù)量與所有發(fā)起包的數(shù)量的比值，交付率越高，表示興趣包的響應(yīng)效率越高，計(jì)算方法用公式（7）表示。

其中，delivered表示所有交付包的數(shù)量，created表示所有發(fā)起包的數(shù)量。

（2）平均時(shí)延

平均時(shí)延指的是所有包從創(chuàng)建到成功交付所需要的平均時(shí)長(zhǎng)，計(jì)算方法用公式（8）表示。

表5 仿真配置Table 5 Simulation setup

其中，delayofMessagei表示包i交付成功經(jīng)歷的時(shí)長(zhǎng)。

（3）網(wǎng)絡(luò)開銷比率

網(wǎng)絡(luò)開銷比率衡量包為了達(dá)到目的節(jié)點(diǎn)需要轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，側(cè)面反映了節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)容的有效性。計(jì)算方法用公式（9）表示。

其中，relayed表示所有生成包被轉(zhuǎn)發(fā)的總次數(shù)。

4.4 性能評(píng)估

圖1-3 顯示了不同緩存機(jī)制下的各項(xiàng)指標(biāo)呈現(xiàn)情況。

圖1 不同緩存機(jī)制下的包交付率Fig.1 Delivery ratio under different caching mechanisms

圖2 不同緩存機(jī)制下的平均時(shí)延Fig.2 Average delay under different caching mechanisms

圖3 不同緩存機(jī)制下的網(wǎng)絡(luò)開銷比率Fig.3 Network overhead ratio under different caching mechanisms

從圖1可以看出，本文所提機(jī)制CVR 的包交付率隨著運(yùn)行時(shí)間的增加逐漸提升，最終比運(yùn)行初期提高了6%～7%，基本維持在95%。相比CEE+FIFO和CEE+LRU 機(jī)制分別提高了2.5%和1.3%。首先，這是因?yàn)镃VR 機(jī)制會(huì)根據(jù)緩存內(nèi)容的重要程度有選擇性的在路由器中進(jìn)行緩存，不像CEE 機(jī)制在每個(gè)路由器上都進(jìn)行緩存。其次，在運(yùn)行初期，由于節(jié)點(diǎn)對(duì)興趣包的請(qǐng)求具有一定的隨機(jī)性和偶然性，所以對(duì)內(nèi)容流行度的預(yù)測(cè)并不準(zhǔn)確，導(dǎo)致包交付率較低。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，CPMT 表構(gòu)建逐漸完善且預(yù)測(cè)較仿真初始階段更為準(zhǔn)確，而且朋友關(guān)系較為穩(wěn)定，同時(shí)考慮這兩方面因素使得緩存中的內(nèi)容更接近節(jié)點(diǎn)需求，故包交付率越來越高。

從圖2可知，運(yùn)行初期，由于節(jié)點(diǎn)對(duì)緩存內(nèi)容流行度并不敏感，導(dǎo)致時(shí)延變大。但是隨著時(shí)間的增加，CVR 機(jī)制的平均時(shí)延相比CEE+FIFO 和CEE+LRU 機(jī)制分別下降17.1%和9.7%，這是因?yàn)樽裱?Zipf 定律，大部分空間用于緩存流行度高的內(nèi)容，以便響應(yīng)社區(qū)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的快速請(qǐng)求。同時(shí)，20%的緩存空間保留給朋友節(jié)點(diǎn)對(duì)于流行度略低的內(nèi)容請(qǐng)求，增加了緩存的多樣性，這使節(jié)點(diǎn)更易獲取到所需要的信息，從而有效降低了延遲。從網(wǎng)絡(luò)開銷比率來看，CVR 機(jī)制在緩存替換策略中考慮到了節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)容的重要性，從而避免了頻繁的置換操作，最終使得開銷減少，相比CEE+FIFO 和CEE+LRU 機(jī)制分別下降10.3%和7.6%。

5 展望與下一步工作

本文通過對(duì)現(xiàn)有緩存技術(shù)進(jìn)行分析,針對(duì)以往研究中對(duì)于VSN 中快速移動(dòng)場(chǎng)景下的緩存機(jī)制例如緩存冗余等不足，提出了基于內(nèi)容流行度和朋友關(guān)系度的內(nèi)容中心VSN 緩存決策算法。其次，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的重要程度制定緩存替換策略，有效避免了頻繁的置換操作。為驗(yàn)證本文方法的可行性和有效性，對(duì)算法進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)，并與基準(zhǔn)機(jī)制進(jìn)行對(duì)比分析。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的緩存機(jī)制明顯的提高了興趣包的響應(yīng)效率，并在保證包投遞率的前提下，大大的減少了網(wǎng)絡(luò)開銷。下一步工作將會(huì)考慮緩存機(jī)制中及時(shí)類型的數(shù)據(jù)緩存，以及關(guān)于這類數(shù)據(jù)的過濾和緩存問題。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。