0 引言

    隨著互聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，各類創(chuàng)新型應(yīng)用如雨后春筍般涌現(xiàn)，以文件傳輸、視頻會(huì)議等為代表業(yè)務(wù)顯著提高了企業(yè)工作效率，網(wǎng)絡(luò)視頻直播、網(wǎng)上購(gòu)物等熱點(diǎn)業(yè)務(wù)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(lái)獲取信息和信息分享的重要途徑，Web及流媒體業(yè)務(wù)用量爆炸式增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器的負(fù)荷加重問(wèn)題和網(wǎng)絡(luò)流量擁塞問(wèn)題日益嚴(yán)峻。

    大規(guī)模的用戶請(qǐng)求導(dǎo)致服務(wù)器負(fù)荷加重，成為網(wǎng)絡(luò)故障中的重要隱患，更有甚者它將會(huì)使服務(wù)器宕機(jī)，產(chǎn)生拒絕服務(wù)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)質(zhì)量。此外，大規(guī)模請(qǐng)求會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，顯著增加用戶側(cè)內(nèi)容的獲取時(shí)延， 嚴(yán)重網(wǎng)絡(luò)擁塞將引發(fā)數(shù)據(jù)包的大量丟失，導(dǎo)致用戶訪問(wèn)失敗。為了解決上述問(wèn)題，研究者們提出了內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Deliver Network，CDN)。如圖1所示，CDN是由分布在網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)服務(wù)器構(gòu)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(diǎn)服務(wù)器上，并根據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)情況把原始服務(wù)器的用戶請(qǐng)求重定向至距離用戶就近狀態(tài)最佳的節(jié)點(diǎn)服務(wù)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(yuǎn)程訪問(wèn)引起的骨干網(wǎng)流量擁塞^[2]。

    在CDN中，緩存技術(shù)^[3]是保證用戶請(qǐng)求加速的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，但就CDN本身而言，節(jié)點(diǎn)處的內(nèi)容緩存主要由用戶驅(qū)動(dòng)，即當(dāng)有用戶請(qǐng)求內(nèi)容時(shí)，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器里沒(méi)有該內(nèi)容，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器向內(nèi)容源服務(wù)器獲取該請(qǐng)求內(nèi)容，在發(fā)給用戶的同時(shí)，將該內(nèi)容保存在節(jié)點(diǎn)服務(wù)器中，為未來(lái)相同的請(qǐng)求提供服務(wù)。本質(zhì)上，該技術(shù)所采用的是一種被動(dòng)緩存方式。在網(wǎng)絡(luò)終端不斷普及的趨勢(shì)下，這種被動(dòng)式內(nèi)容存儲(chǔ)將無(wú)法滿足互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸式增長(zhǎng)的需求，典型地引發(fā)下述問(wèn)題：(1)緩存具有滯后性，即服務(wù)器節(jié)點(diǎn)無(wú)法預(yù)測(cè)內(nèi)容的流行趨勢(shì)，內(nèi)容緩存滯后于潛在的用戶需求；(2)節(jié)點(diǎn)處緩存空間利用率低，尤其是在節(jié)點(diǎn)服務(wù)器處用戶請(qǐng)求較少的情況下，由用戶驅(qū)動(dòng)的被動(dòng)緩存將使服務(wù)器節(jié)點(diǎn)僅緩存有限的請(qǐng)求內(nèi)容，致使節(jié)點(diǎn)處存在大量閑置緩存空間。為提升節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上的緩存空間利用率以及提供更好的服務(wù)質(zhì)量，眾多研究者提出在CDN節(jié)點(diǎn)處引入預(yù)取技術(shù)^[4]。CDN預(yù)取技術(shù)是對(duì)其緩存的補(bǔ)充，核心思想是由節(jié)點(diǎn)服務(wù)器預(yù)先主動(dòng)從內(nèi)容源服務(wù)器處獲取部分內(nèi)容，以期加速用戶對(duì)于內(nèi)容的獲取。預(yù)取技術(shù)的引入，使得服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可以先驗(yàn)地緩存部分內(nèi)容，解決了因無(wú)法預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容流行趨勢(shì)所導(dǎo)致的緩存滯后的問(wèn)題；此外，通過(guò)引入預(yù)取技術(shù)，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)可以預(yù)取部分流行度較高的內(nèi)容，避免節(jié)點(diǎn)處大量緩存空間閑置，使有限的網(wǎng)絡(luò)資源得到合理的利用。預(yù)取技術(shù)作為內(nèi)容分發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注，眾多學(xué)者圍繞內(nèi)容流行度及用戶需求等對(duì)預(yù)取進(jìn)行了大量研究。

1 CDN預(yù)取分類

    根據(jù)預(yù)取時(shí)關(guān)注的對(duì)象不同，將CDN預(yù)取分為面向內(nèi)容的預(yù)取和面向用戶的預(yù)取。面向內(nèi)容的預(yù)取依據(jù)網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容請(qǐng)求數(shù)量變化來(lái)進(jìn)行預(yù)取，稱之為基于流行度的預(yù)取。面向用戶的預(yù)取進(jìn)一步劃分為三類預(yù)取方式：第一類主要通過(guò)對(duì)用戶興趣進(jìn)行分析來(lái)決定預(yù)取的內(nèi)容，稱之為基于用戶偏好的預(yù)?。坏诙惛鶕?jù)用戶之間的社交關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)內(nèi)容的傳播趨勢(shì)，并據(jù)此進(jìn)行內(nèi)容預(yù)取，將其定義為基于社交網(wǎng)絡(luò)的預(yù)取；第三類旨在通過(guò)研究用戶移動(dòng)性對(duì)節(jié)點(diǎn)服務(wù)器上緩存內(nèi)容流行度的影響來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整內(nèi)容預(yù)取策略，稱之為基于移動(dòng)性的預(yù)取。

1.1 基于流行度的預(yù)取

    大量統(tǒng)計(jì)表明：內(nèi)容的訪問(wèn)流行度分布符合zipf定律^[5]，即僅有近20％的內(nèi)容對(duì)象被超過(guò)80％的用戶訪問(wèn)，這一現(xiàn)象反映了在網(wǎng)絡(luò)中不同內(nèi)容被用戶的訪問(wèn)分布情況。流行度被定義為統(tǒng)計(jì)時(shí)間段中內(nèi)容對(duì)象被訪問(wèn)的次數(shù)或概率來(lái)表示，在研究中，基于流行度的預(yù)取利用上述現(xiàn)象對(duì)流行度較高的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)取^[6]。在CDN中，一方面，不允許存儲(chǔ)新內(nèi)容時(shí)，根據(jù)流行度來(lái)確定所需要?jiǎng)h除的內(nèi)容； 另一方面，根據(jù)流行度來(lái)選擇所要預(yù)取的具體內(nèi)容。基于流行度的預(yù)取是CDN中一種主流的內(nèi)容預(yù)取技術(shù)，其關(guān)鍵在于內(nèi)容流行度的確定，目前常采用統(tǒng)計(jì)學(xué)、控制理論的預(yù)測(cè)方法，有指數(shù)平滑預(yù)測(cè)、多項(xiàng)式回歸預(yù)測(cè)及Savitzky-Golay濾波預(yù)測(cè)三種。

1.1.1 指數(shù)平滑預(yù)測(cè)

    指數(shù)平滑預(yù)測(cè)是指采用指數(shù)平滑法（Exponential Smoothing，ES）對(duì)內(nèi)容流行度進(jìn)行預(yù)測(cè)，由于每個(gè)內(nèi)容在其生命周期的早期和后期的流行度存在很強(qiáng)的相關(guān)性，指數(shù)平滑法已被廣泛地應(yīng)用于預(yù)測(cè)內(nèi)容未來(lái)的請(qǐng)求數(shù)量^[7]。指數(shù)平滑法是在移動(dòng)平均法^[8]基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種時(shí)間序列分析預(yù)測(cè)法，既可以同全期平均法一樣無(wú)遺漏地對(duì)歷史數(shù)據(jù)加以利用，又可以同加權(quán)移動(dòng)平均法一樣為近期數(shù)據(jù)賦予更大權(quán)重的熱點(diǎn)。指數(shù)平滑法兼容了全期平均和移動(dòng)平均的優(yōu)點(diǎn)，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(yuǎn)離，賦予逐漸收斂為零的權(quán)數(shù)；并且指數(shù)平滑法對(duì)不同時(shí)間訪問(wèn)量賦予的權(quán)值具有伸縮性，可以通過(guò)賦予不同平滑指數(shù)來(lái)更改權(quán)值的變化速度。

    文獻(xiàn)[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(lái)預(yù)測(cè)各個(gè)階段的內(nèi)容流行度，作者從YouTube以天為觀察單位提取每個(gè)內(nèi)容流行度從上傳到觀測(cè)時(shí)間結(jié)束的真實(shí)軌跡，在每個(gè)觀測(cè)單位分別采用SES和DES來(lái)根據(jù)觀測(cè)時(shí)間前的流行度從而預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)間的流行度。

    指數(shù)平滑預(yù)測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是僅需少量數(shù)據(jù)資料，便可預(yù)測(cè)出短期的內(nèi)容流行度值。但由于指數(shù)平滑法對(duì)近期數(shù)據(jù)所賦予的權(quán)重高，而對(duì)遠(yuǎn)期數(shù)據(jù)的參考性弱，無(wú)法對(duì)遠(yuǎn)期流行度進(jìn)行預(yù)測(cè)，只能做短期的預(yù)測(cè)。

1.1.2 多項(xiàng)式回歸預(yù)測(cè)

    在實(shí)際工作中，人們經(jīng)常采用多項(xiàng)式回歸模型來(lái)解釋自變量與因變量的相關(guān)關(guān)系^[10]。多項(xiàng)式回歸預(yù)測(cè)通過(guò)多項(xiàng)式回歸法擬合內(nèi)容流行度隨時(shí)間變化的曲線，得到因變量?jī)?nèi)容流行度與自變量時(shí)間的變化函數(shù)，這一模型可以表示為，流行度等于時(shí)間的各次項(xiàng)與對(duì)應(yīng)回歸系數(shù)的乘積之和。在擬合過(guò)程中，主要是通過(guò)增加時(shí)間變量的高次項(xiàng)推導(dǎo)出逼近真實(shí)的時(shí)間函數(shù)，推導(dǎo)時(shí)主要是找到各次項(xiàng)的合適系數(shù)。

    文獻(xiàn)[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(shí)間變化的曲線相似，多項(xiàng)式回歸預(yù)測(cè)可以得到某一類內(nèi)容流行度隨時(shí)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(zhǎng)期和短期預(yù)測(cè)。

1.1.3 Savitzky-Golay濾波預(yù)測(cè)

    Savitzky-Golay濾波預(yù)測(cè)通過(guò)Savitzky-Golay濾波器平滑觀測(cè)流行度隨時(shí)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(xiàn)[12]利用Savitzky-Golay濾波預(yù)測(cè)得到流行度時(shí)間模型，可表示為圍繞時(shí)間觀測(cè)窗口中心k的n次多項(xiàng)式，該模型能夠使得預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的累積平方誤差值最小。

1.2 基于用戶偏好的預(yù)取

    前面基于流行度的預(yù)取技術(shù)是利用流行度變化反映內(nèi)容的訪問(wèn)趨勢(shì)，這種趨勢(shì)相對(duì)于個(gè)體用戶偏好而言存在明顯的差異，造成邊緣節(jié)點(diǎn)預(yù)取的部分內(nèi)容被閑置。為了解決上述問(wèn)題，有學(xué)者提出了基于用戶偏好的預(yù)取，并且相關(guān)研究統(tǒng)計(jì)證明了用戶偏好在一定時(shí)間內(nèi)是保持穩(wěn)定的，這一特性為基于用戶偏好的預(yù)取的可行性提供了有力的保證。

    在對(duì)從未訪問(wèn)過(guò)的新內(nèi)容做預(yù)取時(shí)，基于流行度的預(yù)取由于缺乏歷史數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)，無(wú)法做出正確的預(yù)測(cè)，但基于用戶偏好預(yù)取則可以根據(jù)用戶興趣內(nèi)容標(biāo)簽集合并結(jié)合用戶請(qǐng)求預(yù)判用戶偏好，指導(dǎo)預(yù)取的執(zhí)行?；谟脩羝玫念A(yù)取一般分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是獲取用戶偏好；第二個(gè)階段是根據(jù)用戶偏好制定預(yù)取策略。

    文獻(xiàn)[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(duì)稱Jensen-Shannon散度^[15]衡量?jī)?nèi)容主題與用戶興趣主題之間的相似性，節(jié)點(diǎn)將預(yù)取相似性較高的內(nèi)容以供用戶未來(lái)請(qǐng)求。

    文獻(xiàn)[16]通過(guò)預(yù)測(cè)函數(shù)對(duì)用戶為評(píng)分內(nèi)容進(jìn)行預(yù)測(cè)，將評(píng)分較高的一部分內(nèi)容預(yù)取到邊緣節(jié)點(diǎn)。在該文獻(xiàn)中，作者首先將用戶偏好向量定義為用戶對(duì)不同內(nèi)容屬性的偏好度，偏好度表示用戶訪問(wèn)的全部?jī)?nèi)容屬性疊加后該屬性所占的權(quán)重；然后通過(guò)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(píng)分相似性和偏好相似性帶入對(duì)內(nèi)容評(píng)分預(yù)測(cè)函數(shù)中得到內(nèi)容的評(píng)分，并預(yù)取評(píng)分較高的內(nèi)容。

1.3 基于社交網(wǎng)絡(luò)的預(yù)取

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)中大量HTTP流量來(lái)自于在線社交網(wǎng)絡(luò)（Online Social Network，OSN）中的帶寬密集型媒體內(nèi)容^[17]。在線社交網(wǎng)絡(luò)可以捕捉朋友之間的聯(lián)系，且許多在線社交網(wǎng)絡(luò)上可以獲取用戶的地理位置，這為基于社交網(wǎng)絡(luò)的預(yù)取提供了實(shí)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(wù)器分發(fā)到多個(gè)位置，基于社交關(guān)系的預(yù)取利用OSN上人們的社交關(guān)系了解內(nèi)容地理傳播方式，從而改善CDN用戶訪問(wèn)體驗(yàn)。

    社交預(yù)取主要利用社交網(wǎng)絡(luò)中的朋友關(guān)系信息、用戶的交互行為，如提到、轉(zhuǎn)發(fā)、評(píng)論等，來(lái)分析社交網(wǎng)絡(luò)的朋友關(guān)系。通過(guò)引入朋友關(guān)系強(qiáng)弱程度的預(yù)取模型，主動(dòng)將某用戶訪問(wèn)內(nèi)容分發(fā)給可能訪問(wèn)該內(nèi)容的朋友附近的CDN節(jié)點(diǎn)，使其朋友下載內(nèi)容時(shí)減少延遲。

    SASTRY N^[18]等人構(gòu)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(lái)請(qǐng)求。但該模型僅僅強(qiáng)調(diào)了捕捉潛在的下一個(gè)內(nèi)容訪問(wèn)地址，并沒(méi)有考慮服務(wù)器帶寬和存儲(chǔ)等復(fù)雜約束。

    KILANIOTI I^[17]提出了利用OSN提取用戶活動(dòng)的動(dòng)態(tài)預(yù)取策略，并且考慮到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、服?wù)器位置以及緩存容量的限制的情況，實(shí)驗(yàn)證明了結(jié)合OSN的預(yù)取模型能夠改善CDN的性能。 

1.4 基于用戶移動(dòng)性的預(yù)取

    CDN中大多數(shù)預(yù)取方案針對(duì)的是固定網(wǎng)絡(luò)，而據(jù)Cisco公司統(tǒng)計(jì)，在2016年，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)流量較2015年增長(zhǎng)了63%，其中移動(dòng)視頻流量占移動(dòng)數(shù)據(jù)流量總量的60%，并且移動(dòng)數(shù)據(jù)流量和移動(dòng)視頻流量在未來(lái)幾年內(nèi)還將呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)^[19]。同樣，CDN網(wǎng)絡(luò)也將面臨著大量移動(dòng)用戶接入的問(wèn)題，文獻(xiàn)[22]通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)移動(dòng)用戶的緩存命中率遠(yuǎn)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(dòng)性是CDN緩存和預(yù)取策略的重要因素。

    由于個(gè)人的移動(dòng)性存在一定的隨機(jī)性，CDN節(jié)點(diǎn)下可以分為不同的用戶群體，不同群體與CDN節(jié)點(diǎn)存在不同的關(guān)聯(lián)程度，因此可以通過(guò)構(gòu)建群體移動(dòng)模型來(lái)優(yōu)化CDN預(yù)取。文獻(xiàn)[20]引入了PageRank的人群移動(dòng)性內(nèi)容傳播（Crowd Mobility-based Content Propagation，CMCP）解決方案，通過(guò)關(guān)注不同用戶群體移動(dòng)用戶的比例，預(yù)測(cè)未來(lái)的內(nèi)容需求分配。

1.5 預(yù)取方法的比較

    以上根據(jù)預(yù)取時(shí)關(guān)注的對(duì)象不同，介紹了現(xiàn)有的預(yù)取方式，包括基于流行度的預(yù)取、基于用戶偏好的預(yù)取、基于社交網(wǎng)絡(luò)的預(yù)取和基于用戶移動(dòng)性的預(yù)取，表1給出了幾種預(yù)取方式的對(duì)比。

    基于流行度的預(yù)取僅根據(jù)內(nèi)容流行的趨勢(shì)，一般采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。它不依賴于用戶的特性，可以作為服務(wù)器端宏觀地控制邊緣節(jié)點(diǎn)預(yù)取。早期的IPTV也是采用該預(yù)取方式，將部分流行度高的內(nèi)容預(yù)取到邊緣節(jié)點(diǎn)上，從而提高用戶的訪問(wèn)質(zhì)量。但是基于流行度的預(yù)取技術(shù)缺乏對(duì)用戶訪問(wèn)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(xué)里學(xué)生一般大量地訪問(wèn)科技文獻(xiàn)和技術(shù)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(lè)的業(yè)務(wù)需求。并且隨著P2P與CDN的結(jié)合，邊緣CDN節(jié)點(diǎn)越來(lái)越向用戶端靠近，節(jié)點(diǎn)附近用戶偏好對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)的緩存影響也愈加顯著，因此解決用戶訪問(wèn)內(nèi)容差異性問(wèn)題成為了提高預(yù)取質(zhì)量的重要所在。基于用戶偏好的預(yù)取根據(jù)用戶的歷史訪問(wèn)記錄構(gòu)建用戶畫像，提取用戶群體共同的內(nèi)容偏好，預(yù)取時(shí)根據(jù)用戶偏好對(duì)當(dāng)前流行的內(nèi)容和最新發(fā)布的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)取。它給用戶訪問(wèn)提供更精確服務(wù)的同時(shí)，采用數(shù)據(jù)挖掘方法又給節(jié)點(diǎn)帶來(lái)了大量的運(yùn)算開(kāi)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(luò)上發(fā)布?；谏缃痪W(wǎng)絡(luò)的預(yù)取，通過(guò)用戶之間的社交關(guān)系，也可以提高用戶的訪問(wèn)質(zhì)量?；谟脩粢苿?dòng)性的預(yù)取主要應(yīng)用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)中的內(nèi)容預(yù)取，增加了用戶對(duì)移動(dòng)性對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)容需求的影響因素，以提高節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量。

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

    為了對(duì)不同預(yù)取技術(shù)進(jìn)行公平對(duì)比，學(xué)術(shù)界通常采用命中率^[21]、準(zhǔn)確率^[22]、帶寬成本^[23]以及平均響應(yīng)時(shí)延^[24]評(píng)估預(yù)取技術(shù)對(duì)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(qǐng)求重新定向到離用戶最近的邊緣服務(wù)器上，以提高用戶訪問(wèn)速度。在實(shí)際中，如果當(dāng)服務(wù)器節(jié)點(diǎn)預(yù)先存儲(chǔ)有用戶請(qǐng)求內(nèi)容時(shí)稱之為命中；如果沒(méi)有事先緩存稱為未命中。命中率(Hit Rate，HR)體現(xiàn)了預(yù)取和緩存對(duì)用戶訪問(wèn)加速的貢獻(xiàn)，定義為：

其中SR表示命中的請(qǐng)求數(shù)，NR表示沒(méi)有命中的請(qǐng)求數(shù)。

2.2 準(zhǔn)確率

    命中率要求預(yù)取應(yīng)該在用戶訪問(wèn)之前緩存內(nèi)容增加用戶的體驗(yàn)質(zhì)量，但是如果用戶并沒(méi)有訪問(wèn)，則預(yù)取會(huì)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)器存儲(chǔ)資源。當(dāng)預(yù)取規(guī)則沒(méi)有準(zhǔn)確地獲取用戶需求時(shí)，節(jié)點(diǎn)服務(wù)器會(huì)從源服務(wù)器下載必要的內(nèi)容，導(dǎo)致服務(wù)器緩存資源浪費(fèi)、帶寬成本增加。準(zhǔn)確率可以間接表示預(yù)取規(guī)則的有效性，定義為：

其中TP表示用戶訪問(wèn)的預(yù)取內(nèi)容數(shù)量，F(xiàn)P表示用戶沒(méi)有訪問(wèn)的預(yù)取內(nèi)容數(shù)量。

2.3 帶寬成本

    由于用戶訪問(wèn)類型的多樣性，為了提高命中率則需要頻繁地進(jìn)行預(yù)取操作，會(huì)造成邊緣節(jié)點(diǎn)和內(nèi)容服務(wù)器之間產(chǎn)生大量額外的帶寬消耗和節(jié)點(diǎn)服務(wù)器過(guò)于頻繁的緩存、刪除操作，從而降低用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。通常用帶寬成本作為預(yù)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(yù)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(méi)有預(yù)取策略的原CDN系統(tǒng)下用戶請(qǐng)求所需的總帶寬。

2.4 平均響應(yīng)時(shí)間

    CDN的主要目標(biāo)是提高用戶訪問(wèn)速度，平均響應(yīng)時(shí)間的變化直接地反映了預(yù)取策略對(duì)CDN的優(yōu)化程度，現(xiàn)實(shí)中預(yù)取往往在減少平均響應(yīng)時(shí)間和帶寬成本之間進(jìn)行權(quán)衡。平均響應(yīng)時(shí)間是CDN系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)質(zhì)量的重要指標(biāo)，定義為：

其中，M是用戶請(qǐng)求的總數(shù)量，ti代表第i個(gè)請(qǐng)求開(kāi)始時(shí)到連接結(jié)束時(shí)間。

3 未來(lái)研究方向

    CDN預(yù)取技術(shù)是提升用戶體驗(yàn)的有效方式，但CDN網(wǎng)絡(luò)本身仍有一些不足，信息時(shí)代的來(lái)臨和市場(chǎng)需求都迫切需要將CDN與新型技術(shù)進(jìn)行融合，主要有軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Define Network，SDN）^[25]、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）^[26]技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)，使其實(shí)現(xiàn)邊緣智能和自適應(yīng)組網(wǎng)等功能。未來(lái)對(duì)CDN預(yù)取技術(shù)研究將更加關(guān)注于CDN網(wǎng)絡(luò)與新技術(shù)融合帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

3.1 SDN/NFV技術(shù)與CDN網(wǎng)絡(luò)融合

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

    在這種契機(jī)下，由差異化業(yè)務(wù)給CDN中內(nèi)容預(yù)取帶來(lái)的挑戰(zhàn)：不同業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)內(nèi)容的格式、類型以及大小不盡相同；針對(duì)不同業(yè)務(wù)下相同類型的內(nèi)容的用戶需求也有所不同；不同業(yè)務(wù)的用戶訪問(wèn)場(chǎng)景也存在差異。如何針對(duì)差異化業(yè)務(wù)預(yù)取合理的內(nèi)容，滿足不同業(yè)務(wù)下用戶的需求，實(shí)現(xiàn)CDN預(yù)取的靈活性，是下一步CDN預(yù)取技術(shù)的關(guān)鍵所在。

3.2 深度學(xué)習(xí)與CDN網(wǎng)絡(luò)融合

    目前視頻提供商依賴于地理上分布的CDN網(wǎng)絡(luò)，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(wù)器端的單點(diǎn)故障。視頻流量爆炸式增長(zhǎng)嚴(yán)重增加了CDN網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)，準(zhǔn)確分析視頻的特征并預(yù)取用戶需求的視頻內(nèi)容，是減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)的重要途徑。相對(duì)于自然語(yǔ)言的分析，對(duì)視頻數(shù)據(jù)的分析更為困難。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)分層學(xué)習(xí)過(guò)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(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理以及語(yǔ)音識(shí)別的精確度^[28]。

    深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給CDN中視頻預(yù)取帶來(lái)新的契機(jī)，例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks，CNN)^[29]能夠仿造生物的視知覺(jué)(Visual Perception)^[30]機(jī)制，可以應(yīng)用于預(yù)取機(jī)制中的視頻分類和用戶偏好挖掘。此外，遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recursive Neural Network，RNN)^[31]能夠?qū)r(shí)間順序的自然語(yǔ)言、語(yǔ)音識(shí)別等數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行建模，可用于預(yù)取時(shí)預(yù)測(cè)用戶需求。深度學(xué)習(xí)可以為CDN預(yù)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(duì)視頻、音樂(lè)的預(yù)取將更加依賴于深度學(xué)習(xí)。

4 結(jié)論

    本文以預(yù)取關(guān)注對(duì)象為基礎(chǔ)，對(duì)近年來(lái)CDN預(yù)取技術(shù)進(jìn)行綜述，總結(jié)歸納出基于流行度的預(yù)取、基于用戶偏好的預(yù)取、基于社交網(wǎng)絡(luò)的預(yù)取以及基于用戶移動(dòng)性的預(yù)取這四類預(yù)取方式?；诹餍卸鹊念A(yù)取關(guān)注了網(wǎng)絡(luò)中普遍的內(nèi)容流行情況，本質(zhì)上反映出內(nèi)容的請(qǐng)求趨勢(shì)，它是當(dāng)前一種主流的預(yù)取方式?；谟脩羝玫念A(yù)取通過(guò)挖掘群體用戶的偏好，使預(yù)取技術(shù)更加適應(yīng)于用戶的個(gè)性化需求，進(jìn)一步提高了邊緣節(jié)點(diǎn)中緩存內(nèi)容的準(zhǔn)確率?；谏缃痪W(wǎng)絡(luò)的預(yù)取根據(jù)用戶之間的聯(lián)系構(gòu)建內(nèi)容傳播的模型，預(yù)測(cè)用戶訪問(wèn)內(nèi)容傳播位置，提高邊緣節(jié)點(diǎn)的緩存命中率。基于用戶移動(dòng)性的預(yù)取根據(jù)用戶的移動(dòng)性對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)容需求的影響，動(dòng)態(tài)地調(diào)整內(nèi)容預(yù)取，提高了移動(dòng)場(chǎng)景下節(jié)點(diǎn)服務(wù)器的緩存命中率。預(yù)取機(jī)制的主要目的是為了提高CDN網(wǎng)絡(luò)的緩存命中率和準(zhǔn)確率，但是也會(huì)帶來(lái)一定的網(wǎng)絡(luò)資源消耗，因此可以大規(guī)模實(shí)施的預(yù)取技術(shù)需要控制預(yù)取的帶寬成本。CDN網(wǎng)絡(luò)與新技術(shù)融合發(fā)展是滿足信息時(shí)代需求的必然走向，本文分析了新型技術(shù)融合下預(yù)取技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)，并給出了可能的研究方向。

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文獻(xiàn)[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(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）