0 引言

    隨著互聯(lián)技術的發(fā)展，各類創(chuàng)新型應用如雨后春筍般涌現(xiàn)，以文件傳輸、視頻會議等為代表業(yè)務顯著提高了企業(yè)工作效率，網(wǎng)絡視頻直播、網(wǎng)上購物等熱點業(yè)務使人們的生活變得豐富、便捷^[1]。由于智能終端的不斷普及，互聯(lián)網(wǎng)已成為現(xiàn)代人來獲取信息和信息分享的重要途徑，Web及流媒體業(yè)務用量爆炸式增長，網(wǎng)絡中服務器的負荷加重問題和網(wǎng)絡流量擁塞問題日益嚴峻。

    大規(guī)模的用戶請求導致服務器負荷加重，成為網(wǎng)絡故障中的重要隱患，更有甚者它將會使服務器宕機，產(chǎn)生拒絕服務現(xiàn)象，嚴重影響用戶體驗質(zhì)量。此外，大規(guī)模請求會造成網(wǎng)絡擁塞，顯著增加用戶側內(nèi)容的獲取時延， 嚴重網(wǎng)絡擁塞將引發(fā)數(shù)據(jù)包的大量丟失，導致用戶訪問失敗。為了解決上述問題，研究者們提出了內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(Content Deliver Network，CDN)。如圖1所示，CDN是由分布在網(wǎng)絡邊緣節(jié)點服務器構成的一層智能虛擬網(wǎng)，主要原理是將內(nèi)容副本緩存到靠近用戶端的節(jié)點服務器上，并根據(jù)實時網(wǎng)絡情況把原始服務器的用戶請求重定向至距離用戶就近狀態(tài)最佳的節(jié)點服務器，使用戶可以就近獲取所需內(nèi)容，從而有效地緩解由大量遠程訪問引起的骨干網(wǎng)流量擁塞^[2]。

    在CDN中，緩存技術^[3]是保證用戶請求加速的一項關鍵技術，但就CDN本身而言，節(jié)點處的內(nèi)容緩存主要由用戶驅動，即當有用戶請求內(nèi)容時，節(jié)點服務器里沒有該內(nèi)容，節(jié)點服務器向內(nèi)容源服務器獲取該請求內(nèi)容，在發(fā)給用戶的同時，將該內(nèi)容保存在節(jié)點服務器中，為未來相同的請求提供服務。本質(zhì)上，該技術所采用的是一種被動緩存方式。在網(wǎng)絡終端不斷普及的趨勢下，這種被動式內(nèi)容存儲將無法滿足互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸式增長的需求，典型地引發(fā)下述問題：(1)緩存具有滯后性，即服務器節(jié)點無法預測內(nèi)容的流行趨勢，內(nèi)容緩存滯后于潛在的用戶需求；(2)節(jié)點處緩存空間利用率低，尤其是在節(jié)點服務器處用戶請求較少的情況下，由用戶驅動的被動緩存將使服務器節(jié)點僅緩存有限的請求內(nèi)容，致使節(jié)點處存在大量閑置緩存空間。為提升節(jié)點服務器上的緩存空間利用率以及提供更好的服務質(zhì)量，眾多研究者提出在CDN節(jié)點處引入預取技術^[4]。CDN預取技術是對其緩存的補充，核心思想是由節(jié)點服務器預先主動從內(nèi)容源服務器處獲取部分內(nèi)容，以期加速用戶對于內(nèi)容的獲取。預取技術的引入，使得服務器節(jié)點可以先驗地緩存部分內(nèi)容，解決了因無法預測網(wǎng)絡中內(nèi)容流行趨勢所導致的緩存滯后的問題；此外，通過引入預取技術，服務器節(jié)點可以預取部分流行度較高的內(nèi)容，避免節(jié)點處大量緩存空間閑置，使有限的網(wǎng)絡資源得到合理的利用。預取技術作為內(nèi)容分發(fā)中的關鍵技術在國內(nèi)外受到廣泛關注，眾多學者圍繞內(nèi)容流行度及用戶需求等對預取進行了大量研究。

1 CDN預取分類

    根據(jù)預取時關注的對象不同，將CDN預取分為面向內(nèi)容的預取和面向用戶的預取。面向內(nèi)容的預取依據(jù)網(wǎng)絡中內(nèi)容請求數(shù)量變化來進行預取，稱之為基于流行度的預取。面向用戶的預取進一步劃分為三類預取方式：第一類主要通過對用戶興趣進行分析來決定預取的內(nèi)容，稱之為基于用戶偏好的預?。坏诙惛鶕?jù)用戶之間的社交關系來預測內(nèi)容的傳播趨勢，并據(jù)此進行內(nèi)容預取，將其定義為基于社交網(wǎng)絡的預?。坏谌愔荚谕ㄟ^研究用戶移動性對節(jié)點服務器上緩存內(nèi)容流行度的影響來動態(tài)調(diào)整內(nèi)容預取策略，稱之為基于移動性的預取。

1.1 基于流行度的預取

    大量統(tǒng)計表明：內(nèi)容的訪問流行度分布符合zipf定律^[5]，即僅有近20％的內(nèi)容對象被超過80％的用戶訪問，這一現(xiàn)象反映了在網(wǎng)絡中不同內(nèi)容被用戶的訪問分布情況。流行度被定義為統(tǒng)計時間段中內(nèi)容對象被訪問的次數(shù)或概率來表示，在研究中，基于流行度的預取利用上述現(xiàn)象對流行度較高的內(nèi)容進行預取^[6]。在CDN中，一方面，不允許存儲新內(nèi)容時，根據(jù)流行度來確定所需要刪除的內(nèi)容； 另一方面，根據(jù)流行度來選擇所要預取的具體內(nèi)容?；诹餍卸鹊念A取是CDN中一種主流的內(nèi)容預取技術，其關鍵在于內(nèi)容流行度的確定，目前常采用統(tǒng)計學、控制理論的預測方法，有指數(shù)平滑預測、多項式回歸預測及Savitzky-Golay濾波預測三種。

1.1.1 指數(shù)平滑預測

    指數(shù)平滑預測是指采用指數(shù)平滑法（Exponential Smoothing，ES）對內(nèi)容流行度進行預測，由于每個內(nèi)容在其生命周期的早期和后期的流行度存在很強的相關性，指數(shù)平滑法已被廣泛地應用于預測內(nèi)容未來的請求數(shù)量^[7]。指數(shù)平滑法是在移動平均法^[8]基礎上發(fā)展起來的一種時間序列分析預測法，既可以同全期平均法一樣無遺漏地對歷史數(shù)據(jù)加以利用，又可以同加權移動平均法一樣為近期數(shù)據(jù)賦予更大權重的熱點。指數(shù)平滑法兼容了全期平均和移動平均的優(yōu)點，在不舍棄歷史數(shù)據(jù)的情況下，僅給予逐漸減弱的影響程度，即隨著數(shù)據(jù)的遠離，賦予逐漸收斂為零的權數(shù)；并且指數(shù)平滑法對不同時間訪問量賦予的權值具有伸縮性，可以通過賦予不同平滑指數(shù)來更改權值的變化速度。

    文獻[9]提出一次指數(shù)平滑(Single Exponential Smoothing，SES)和二次指數(shù)平滑(Second Exponential Smoothing，DES)來預測各個階段的內(nèi)容流行度，作者從YouTube以天為觀察單位提取每個內(nèi)容流行度從上傳到觀測時間結束的真實軌跡，在每個觀測單位分別采用SES和DES來根據(jù)觀測時間前的流行度從而預測當前時間的流行度。

    指數(shù)平滑預測法的優(yōu)點是僅需少量數(shù)據(jù)資料，便可預測出短期的內(nèi)容流行度值。但由于指數(shù)平滑法對近期數(shù)據(jù)所賦予的權重高，而對遠期數(shù)據(jù)的參考性弱，無法對遠期流行度進行預測，只能做短期的預測。

1.1.2 多項式回歸預測

    在實際工作中，人們經(jīng)常采用多項式回歸模型來解釋自變量與因變量的相關關系^[10]。多項式回歸預測通過多項式回歸法擬合內(nèi)容流行度隨時間變化的曲線，得到因變量內(nèi)容流行度與自變量時間的變化函數(shù)，這一模型可以表示為，流行度等于時間的各次項與對應回歸系數(shù)的乘積之和。在擬合過程中，主要是通過增加時間變量的高次項推導出逼近真實的時間函數(shù)，推導時主要是找到各次項的合適系數(shù)。

    文獻[11]研究提出屬于同一類別的內(nèi)容具有相同的流行度隨時間變化的曲線相似，多項式回歸預測可以得到某一類內(nèi)容流行度隨時間變化的規(guī)律，因此該規(guī)律可以用于該類內(nèi)容流行度的長期和短期預測。

1.1.3 Savitzky-Golay濾波預測

    Savitzky-Golay濾波預測通過Savitzky-Golay濾波器平滑觀測流行度隨時間的變化曲線，以便最好地保留流行度采樣曲線的特征。文獻[12]利用Savitzky-Golay濾波預測得到流行度時間模型，可表示為圍繞時間觀測窗口中心k的n次多項式，該模型能夠使得預測值和實際值的累積平方誤差值最小。

1.2 基于用戶偏好的預取

    前面基于流行度的預取技術是利用流行度變化反映內(nèi)容的訪問趨勢，這種趨勢相對于個體用戶偏好而言存在明顯的差異，造成邊緣節(jié)點預取的部分內(nèi)容被閑置。為了解決上述問題，有學者提出了基于用戶偏好的預取，并且相關研究統(tǒng)計證明了用戶偏好在一定時間內(nèi)是保持穩(wěn)定的，這一特性為基于用戶偏好的預取的可行性提供了有力的保證。

    在對從未訪問過的新內(nèi)容做預取時，基于流行度的預取由于缺乏歷史數(shù)據(jù)作為分析基礎，無法做出正確的預測，但基于用戶偏好預取則可以根據(jù)用戶興趣內(nèi)容標簽集合并結合用戶請求預判用戶偏好，指導預取的執(zhí)行?；谟脩羝玫念A取一般分為兩個階段，第一個階段是獲取用戶偏好；第二個階段是根據(jù)用戶偏好制定預取策略。

    文獻[13]采用文檔主題生成模型（Latent Dirichlet Allocation，LDA）^[14]獲取內(nèi)容的潛在主題，并用對稱Jensen-Shannon散度^[15]衡量內(nèi)容主題與用戶興趣主題之間的相似性，節(jié)點將預取相似性較高的內(nèi)容以供用戶未來請求。

    文獻[16]通過預測函數(shù)對用戶為評分內(nèi)容進行預測，將評分較高的一部分內(nèi)容預取到邊緣節(jié)點。在該文獻中，作者首先將用戶偏好向量定義為用戶對不同內(nèi)容屬性的偏好度，偏好度表示用戶訪問的全部內(nèi)容屬性疊加后該屬性所占的權重；然后通過余弦相似性得到群體用戶的偏好相似度；最后根據(jù)用戶評分相似性和偏好相似性帶入對內(nèi)容評分預測函數(shù)中得到內(nèi)容的評分，并預取評分較高的內(nèi)容。

1.3 基于社交網(wǎng)絡的預取

    據(jù)統(tǒng)計，網(wǎng)絡中大量HTTP流量來自于在線社交網(wǎng)絡（Online Social Network，OSN）中的帶寬密集型媒體內(nèi)容^[17]。在線社交網(wǎng)絡可以捕捉朋友之間的聯(lián)系，且許多在線社交網(wǎng)絡上可以獲取用戶的地理位置，這為基于社交網(wǎng)絡的預取提供了實施條件。媒體提供商通常依靠CDN將其內(nèi)容從內(nèi)容源服務器分發(fā)到多個位置，基于社交關系的預取利用OSN上人們的社交關系了解內(nèi)容地理傳播方式，從而改善CDN用戶訪問體驗。

    社交預取主要利用社交網(wǎng)絡中的朋友關系信息、用戶的交互行為，如提到、轉發(fā)、評論等，來分析社交網(wǎng)絡的朋友關系。通過引入朋友關系強弱程度的預取模型，主動將某用戶訪問內(nèi)容分發(fā)給可能訪問該內(nèi)容的朋友附近的CDN節(jié)點，使其朋友下載內(nèi)容時減少延遲。

    SASTRY N^[18]等人構建了Buzztraq模型，該模型根據(jù)用戶的朋友數(shù)量和朋友的位置信息，將用戶發(fā)布的內(nèi)容副本放置在更靠近較多用戶朋友的位置，以滿足未來請求。但該模型僅僅強調(diào)了捕捉潛在的下一個內(nèi)容訪問地址，并沒有考慮服務器帶寬和存儲等復雜約束。

    KILANIOTI I^[17]提出了利用OSN提取用戶活動的動態(tài)預取策略，并且考慮到網(wǎng)絡拓撲、服務器位置以及緩存容量的限制的情況，實驗證明了結合OSN的預取模型能夠改善CDN的性能。 

1.4 基于用戶移動性的預取

    CDN中大多數(shù)預取方案針對的是固定網(wǎng)絡，而據(jù)Cisco公司統(tǒng)計，在2016年，全球移動數(shù)據(jù)流量較2015年增長了63%，其中移動視頻流量占移動數(shù)據(jù)流量總量的60%，并且移動數(shù)據(jù)流量和移動視頻流量在未來幾年內(nèi)還將呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢^[19]。同樣，CDN網(wǎng)絡也將面臨著大量移動用戶接入的問題，文獻[22]通過測量發(fā)現(xiàn)移動用戶的緩存命中率遠低于LRU緩存策略下的靜態(tài)用戶的緩存命中率。因此用戶移動性是CDN緩存和預取策略的重要因素。

    由于個人的移動性存在一定的隨機性，CDN節(jié)點下可以分為不同的用戶群體，不同群體與CDN節(jié)點存在不同的關聯(lián)程度，因此可以通過構建群體移動模型來優(yōu)化CDN預取。文獻[20]引入了PageRank的人群移動性內(nèi)容傳播（Crowd Mobility-based Content Propagation，CMCP）解決方案，通過關注不同用戶群體移動用戶的比例，預測未來的內(nèi)容需求分配。

1.5 預取方法的比較

    以上根據(jù)預取時關注的對象不同，介紹了現(xiàn)有的預取方式，包括基于流行度的預取、基于用戶偏好的預取、基于社交網(wǎng)絡的預取和基于用戶移動性的預取，表1給出了幾種預取方式的對比。

    基于流行度的預取僅根據(jù)內(nèi)容流行的趨勢，一般采用統(tǒng)計學方法，實現(xiàn)相對簡單。它不依賴于用戶的特性，可以作為服務器端宏觀地控制邊緣節(jié)點預取。早期的IPTV也是采用該預取方式，將部分流行度高的內(nèi)容預取到邊緣節(jié)點上，從而提高用戶的訪問質(zhì)量。但是基于流行度的預取技術缺乏對用戶訪問特性的研究，而且不同的用戶群體之間也存在著明顯的差異，比如在大學里學生一般大量地訪問科技文獻和技術視頻，而小區(qū)家庭中一般傾向于少兒視頻、體育賽事等一系列偏向于娛樂的業(yè)務需求。并且隨著P2P與CDN的結合，邊緣CDN節(jié)點越來越向用戶端靠近，節(jié)點附近用戶偏好對邊緣節(jié)點的緩存影響也愈加顯著，因此解決用戶訪問內(nèi)容差異性問題成為了提高預取質(zhì)量的重要所在?；谟脩羝玫念A取根據(jù)用戶的歷史訪問記錄構建用戶畫像，提取用戶群體共同的內(nèi)容偏好，預取時根據(jù)用戶偏好對當前流行的內(nèi)容和最新發(fā)布的內(nèi)容進行預取。它給用戶訪問提供更精確服務的同時，采用數(shù)據(jù)挖掘方法又給節(jié)點帶來了大量的運算開銷。由于內(nèi)容的傳播很多的是由用戶之間的推薦，并且大量的內(nèi)容也在社交網(wǎng)絡上發(fā)布?；谏缃痪W(wǎng)絡的預取，通過用戶之間的社交關系，也可以提高用戶的訪問質(zhì)量?；谟脩粢苿有缘念A取主要應用于移動互聯(lián)網(wǎng)中的內(nèi)容預取，增加了用戶對移動性對邊緣節(jié)點內(nèi)容需求的影響因素，以提高節(jié)點的服務質(zhì)量。

2 評價標準

    為了對不同預取技術進行公平對比，學術界通常采用命中率^[21]、準確率^[22]、帶寬成本^[23]以及平均響應時延^[24]評估預取技術對CDN系統(tǒng)性能的改善效果。

2.1 命中率

    CDN系統(tǒng)中希望將用戶請求重新定向到離用戶最近的邊緣服務器上，以提高用戶訪問速度。在實際中，如果當服務器節(jié)點預先存儲有用戶請求內(nèi)容時稱之為命中；如果沒有事先緩存稱為未命中。命中率(Hit Rate，HR)體現(xiàn)了預取和緩存對用戶訪問加速的貢獻，定義為：

其中SR表示命中的請求數(shù)，NR表示沒有命中的請求數(shù)。

2.2 準確率

    命中率要求預取應該在用戶訪問之前緩存內(nèi)容增加用戶的體驗質(zhì)量，但是如果用戶并沒有訪問，則預取會浪費網(wǎng)絡資源和服務器存儲資源。當預取規(guī)則沒有準確地獲取用戶需求時，節(jié)點服務器會從源服務器下載必要的內(nèi)容，導致服務器緩存資源浪費、帶寬成本增加。準確率可以間接表示預取規(guī)則的有效性，定義為：

其中TP表示用戶訪問的預取內(nèi)容數(shù)量，F(xiàn)P表示用戶沒有訪問的預取內(nèi)容數(shù)量。

2.3 帶寬成本

    由于用戶訪問類型的多樣性，為了提高命中率則需要頻繁地進行預取操作，會造成邊緣節(jié)點和內(nèi)容服務器之間產(chǎn)生大量額外的帶寬消耗和節(jié)點服務器過于頻繁的緩存、刪除操作，從而降低用戶的體驗質(zhì)量。通常用帶寬成本作為預取觸發(fā)的約束條件，帶寬成本可定義為：

其中，P_band表示包含有預取策略的CDN系統(tǒng)下滿足用戶需求所需的總帶寬，R_band表示沒有預取策略的原CDN系統(tǒng)下用戶請求所需的總帶寬。

2.4 平均響應時間

    CDN的主要目標是提高用戶訪問速度，平均響應時間的變化直接地反映了預取策略對CDN的優(yōu)化程度，現(xiàn)實中預取往往在減少平均響應時間和帶寬成本之間進行權衡。平均響應時間是CDN系統(tǒng)性能和用戶體驗質(zhì)量的重要指標，定義為：

其中，M是用戶請求的總數(shù)量，ti代表第i個請求開始時到連接結束時間。

3 未來研究方向

    CDN預取技術是提升用戶體驗的有效方式，但CDN網(wǎng)絡本身仍有一些不足，信息時代的來臨和市場需求都迫切需要將CDN與新型技術進行融合，主要有軟件定義網(wǎng)絡（Software Define Network，SDN）^[25]、網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）^[26]技術以及深度學習技術，使其實現(xiàn)邊緣智能和自適應組網(wǎng)等功能。未來對CDN預取技術研究將更加關注于CDN網(wǎng)絡與新技術融合帶來的挑戰(zhàn)。

3.1 SDN/NFV技術與CDN網(wǎng)絡融合

    目前，大多數(shù)的CDN網(wǎng)絡是由各大廠家研制開發(fā)的專用型設備組成的，對多樣性的業(yè)務支持的能力不足，且自建網(wǎng)絡方式產(chǎn)生了資源獨占的現(xiàn)象，阻礙著CDN行業(yè)的快速發(fā)展。融合SDN/NFV技術到CDN網(wǎng)絡，利用NFV的軟硬件解耦和功能抽象特點，以及利用SDN的設備控制與數(shù)據(jù)分離的特征，可以加強CDN的多業(yè)務智能化服務能力^[27]。

    在這種契機下，由差異化業(yè)務給CDN中內(nèi)容預取帶來的挑戰(zhàn)：不同業(yè)務對應內(nèi)容的格式、類型以及大小不盡相同；針對不同業(yè)務下相同類型的內(nèi)容的用戶需求也有所不同；不同業(yè)務的用戶訪問場景也存在差異。如何針對差異化業(yè)務預取合理的內(nèi)容，滿足不同業(yè)務下用戶的需求，實現(xiàn)CDN預取的靈活性，是下一步CDN預取技術的關鍵所在。

3.2 深度學習與CDN網(wǎng)絡融合

    目前視頻提供商依賴于地理上分布的CDN網(wǎng)絡，將視頻內(nèi)容盡可能靠近用戶放置，以提高視頻質(zhì)量并避免服務器端的單點故障。視頻流量爆炸式增長嚴重增加了CDN網(wǎng)絡的負擔，準確分析視頻的特征并預取用戶需求的視頻內(nèi)容，是減輕網(wǎng)絡負擔的重要途徑。相對于自然語言的分析，對視頻數(shù)據(jù)的分析更為困難。深度神經(jīng)網(wǎng)絡通過分層學習過程，能夠有效地提取輸入數(shù)據(jù)的高維度特征，顯著提升計算機視覺、自然語言處理以及語音識別的精確度^[28]。

    深度神經(jīng)網(wǎng)絡給CDN中視頻預取帶來新的契機，例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(Convolutional Neural Networks，CNN)^[29]能夠仿造生物的視知覺(Visual Perception)^[30]機制，可以應用于預取機制中的視頻分類和用戶偏好挖掘。此外，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(Recursive Neural Network，RNN)^[31]能夠對時間順序的自然語言、語音識別等數(shù)據(jù)的變化進行建模，可用于預取時預測用戶需求。深度學習可以為CDN預取中內(nèi)容分類方法、用戶興趣挖掘等提供了更優(yōu)的解決方法，隨著流媒體內(nèi)容的發(fā)展，對視頻、音樂的預取將更加依賴于深度學習。

4 結論

    本文以預取關注對象為基礎，對近年來CDN預取技術進行綜述，總結歸納出基于流行度的預取、基于用戶偏好的預取、基于社交網(wǎng)絡的預取以及基于用戶移動性的預取這四類預取方式?；诹餍卸鹊念A取關注了網(wǎng)絡中普遍的內(nèi)容流行情況，本質(zhì)上反映出內(nèi)容的請求趨勢，它是當前一種主流的預取方式?；谟脩羝玫念A取通過挖掘群體用戶的偏好，使預取技術更加適應于用戶的個性化需求，進一步提高了邊緣節(jié)點中緩存內(nèi)容的準確率?；谏缃痪W(wǎng)絡的預取根據(jù)用戶之間的聯(lián)系構建內(nèi)容傳播的模型，預測用戶訪問內(nèi)容傳播位置，提高邊緣節(jié)點的緩存命中率?；谟脩粢苿有缘念A取根據(jù)用戶的移動性對節(jié)點內(nèi)容需求的影響，動態(tài)地調(diào)整內(nèi)容預取，提高了移動場景下節(jié)點服務器的緩存命中率。預取機制的主要目的是為了提高CDN網(wǎng)絡的緩存命中率和準確率，但是也會帶來一定的網(wǎng)絡資源消耗，因此可以大規(guī)模實施的預取技術需要控制預取的帶寬成本。CDN網(wǎng)絡與新技術融合發(fā)展是滿足信息時代需求的必然走向，本文分析了新型技術融合下預取技術面臨的挑戰(zhàn)，并給出了可能的研究方向。

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文獻[20]-[31]略

作者信息:

王舒平，張  毅，韋文聞，楊  碩，何  皇

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065）