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无线网络中移动数据缓存若干问题的研究

叶凡  
【摘要】: 随着通信技术的发展,无线网络技术获得了长足的发展。蓝牙,802.11(Wi-Fi)等技术正得到越来越广泛的应用,无线通信也逐步成长为很重要的信息获取方式。而自组织无线网络(ad hoc)是近年来兴起的无线设备连接方式。随着时间的推移,合作式Web浏览,点对点(P2P)文件共享,P2P流媒体,等应用也将在自组织无线网络中得到极大的应用。 本文研究内容侧重于移动对等网络(Mobile Peer to Peer, MP2P)的应用层数据服务,其基础就是ad hoc网络。传统意义上的ad hoc网络是由具有无线接口的无线设备连接成的多跳无线网络。其组成设备可以是手提电脑甚至是传感器一类的无线设备。尽管这种网络目前主要用于军事领域,但随着技术的发展,其应用范围会越来越广阔。近年来,ad hoc网络研究在民用和商业领域也受到了重视。在民用领域,ad hoc网络可以用于灾难救助。在发生洪水、地震后,有线通信设施很可能因遭受破坏而无法正常使用,通过ad hoc网络可以快速地建立应急通信网络,保证救援工作的顺利进行,满足紧急通信需求。Ad hoc网络还可以用于偏远或不发达地区通信。在这些地区,由于造价、地理环境等原因往往没有有线通信设施,ad hoc网络可以解决这些环境中的通信问题。Ad hoc网络还可以用于临时的通信需求,如较远距离商务会议中需要参会人员之间互相通信交流,在现有的有线通信系统不能满足通信需求情况下,可以通过这种网络来完成通信任务。 Ad hoc网络具有独立性和动态变化的网络拓扑结构,具有有限的通信带宽,另外还具有分布式、生存周期短、以及有限的物理安全等特点。因而,它的数据输运效率比较低下。 此外,由于无线用户的个性选择、组网的移动设备类型多样、移动网络技术提供商的异质性等特点,无线自组织网络需要将各种异质类型的设备有效组网。解决这个问题的最有效途径是在网络节点上设置缓存以有效减少不必要的网络数据传输。本文针对移动对等网络中的优化数据缓存存取问题进行研究,主要包括:无线基站网络中自适应缓存数据更新,移动对等网络缓存数据发现,缓存数据索引,异质移动对等网络及其缓存更新策略,移动对等网络中缓存布置和分布式缓存更新。论文的主要贡献与创新如下: 1)提出了基于演化计算的无线基站缓存更新算法参数优化方法EBHA (Evolution Based Hybrid Algorihtm),解决无线基站数据缓存更新对动态用户请求效率低下的问题。该方法利用演化计算这一优化方法,使得基站的缓存数据能自适应于用户的请求。实验针对本文提出的EBHA和LFU、LRU、FSR等缓存更新算法进行比较,结果表明本文算法是有效的。 2)提出了一个启发式的缓存路径生成算法,为移动对等网络的数据发现服务。该算法针对移动对等网络缓存数据查找效率低下的问题,利用生成的路径,使得移动用户可以较快地从整个网络中获取缓存数据。实验比较了该方法与未考虑节点异质性的缓存路径生成策略,结果表明了该方法是有效的。 3)提出了异质移动对等网络上的缓存更新策略,解决异质移动对等网络环境下分配缓存服务负载的问题。该策略首先将移动节点划分为三种类型:强节点、中间节点和弱节点,然后分别使用不同类型的缓存更新方法,即为不同类型的缓存终端设计不同的数据缓存算法。与常用的缓存更新方法LFU, LRU, FSR的实验比较结果表明所提出的方法是有效的。 4)提出了基于A*搜索的启发式缓存数据发现算法SPF-A* (Super Peer FirstA*),以解决异质移动对等网络中由于网络中节点具有不同缓存空间、数据延迟不同等内部属性时,如何快速发现所需缓存数据的问题。相应的启发式数据发现策略可以自适应地快速发现数据。实验结果表明,与仅仅考虑异质节点特性的SPF算法、仅仅考虑路径最优特性的A*算法以及随机发现的方法RAND相比,本文所提出的方法是有效的。 5)研究了移动对等网络上的缓存/副本数据放置问题。该问题是一个经典的NP难问题,本文提出了组合缓存数据的启发式放置与缓存数据更新的综合方案,该方案是将经典的数据放置方法用于移动对等网络环境,以及结合分布式缓存更新的新策略。实验比较了全局放置、局部放置、基于聚类的放置以及随机放置的优劣,验证了本文提出的数据放置结合集中式和分布式的启发式数据更新方法能够带来效率上的提升。


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