工业物联网中自适应LRFU替换策略优化NDN网络延迟

⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectICTExpress 8（2022）258www.elsevier.com/locate/icte工业物联网中命名数据网络的自适应LRFU替换策略MadeAdiParamarthaPutra，Dong-SeongKimJiang，Jae-MinLee韩国，龟尾，久茂国立技术学院，IT融合工程系，网络系统实验室接收日期：2021年4月30日;接收日期：2021年9月27日;接受日期：2021年10月7日2021年10月22日在线提供摘要针对工业物联网（IIoT）环境中的命名数据网络（NDN），提出了一种自适应的最近最少使用（LRFU）替换策略.低延迟网络通信已成为IIoT发展的主要焦点。通过将NDN架构与所提出的替换策略一起应用，由于NDN路由器的缓存内容的能力，系统可以最小化IIoT的网络延迟。仿真结果表明，所提出的自适应LRFU优于其他流行的替换策略，基于各种网络性能指标。此外，未来的研究趋势，有关试验台实施NDN更换政策的建议。2021作者由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章关键词：自适应LRFU;内容缓存;工业物联网; NDN替换策略1. 介绍在过去的几年中，物联网（IoT）的实施在工业部门迅速增加，称为IIoT。连接的大量设备到互联网协议（IP）网络导致更高的网络延迟和业务负载。已经进行了一些研究来减少网络延迟，例如时间调度算法[1]和深度学习（DL）方法[2以信息为中心的网络（ICN）由于其通过缓存方法优化内容检索的能力而被提出作为未来的网络架构[5]。命名数据网络（NDN）是当前ICN的发展方向，它将内容名称作为地址.通过使用基于内容的网络而不是基于IP的网络，NDN成功地提供了更低的延迟。NDN不使用IP地址，而是使用命名作为前缀源和目的地。通过将NDN架构应用于IIoT，工业传感器连接到具有特定设备命名的NDN路由器。从传感器发送的任何数据都由NDN路由器缓存，从而减少传感器传输负载。∗ 通讯作者。电子邮件地址：mdparamartha95@kumoh.ac.kr（M. A. P. Putra），dskim@kumoh.ac.kr（D.-S. Kim），ljmpaul@kumoh.ac.kr（J.-M. Lee）。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2021.10.004替换策略是通过管理路由器内容存储（CS）中的内容来减少网络延迟的重要组件。本文提出了一种自适应LRFU替换策略，并将其与包括传统LRFU在内的几种替换策略进行了比较。本文的主要贡献如下：自适应LRFU替换策略，能够根据CS大小调整NDN路由器CS中的堆列表和链表。而不是使用大规模的CS大小，我们建议使用小规模的CS尺寸以在不损害网络质量的情况下最小化成本。不仅网络延迟，延迟分布，内容命中率和错过率比率是本研究的主要关注点。最后指出了NDN的研究现状和发展趋势，并提出了今后的研究方向.论文结构包括第二部分的NDN研究现状、第三部分的系统设计方案、第四部分的仿真结果和第五部分的结论。2. 相关作品NDN作为一种新的网络体系结构现象，在[6]中作了简要介绍，其中包含了基本概念、操作，2405-9595/2021作者。由爱思唯尔公司出版代表韩国通信和信息科学研究所这是一CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。····生产部Putra，D.S. 金和JM. 李ICT Express 8（2022）258259×图1.一、拟 议 的NDN IIoT架构。设计和NDN开发。NDN给网络通信领域带来了许多好处，例如，内置多播、路由器缓存方法、多路径转发和直接保护数据。之前已经对基于IP的网络和NDN进行了性能比较，结果表明NDN产生的延迟低于IP网络[7]。为了缓存所请求的内容，NDN路由器被提供有CS和替换策略以维护消费者所请求的内容。在我们以前的工作中[8]，我们提出了最近最不频繁使用（LRFU）作为新的NDN替换策略。然后，我们分析了建议的仿真结果表明，CS越大，网络性能越可靠。Ran等人[9]讨论了一种基于缓存流行度表的替换策略。结果表明，该策略优于LRU和LFU替换策略。然而，作为IIoT主要要求的网络延迟并未计算在内。NDN还涵盖通信网络中的另一个工作领域，例如车辆命名数据网络（VNDN），其利用[10]中详述的NDN数据递送效率。边缘计算（EC）类似于NDN，可以支持分布式内容交付和计算。在[11]中，作者发现，对于集成NDN和EC的NDN，应考虑未决兴趣表（PIT）到期时间，以避免网络性能下降。工业物联网（IIoT）需要实时和强大的网络服务。基于前面提到的研究，NDN可以提供更好的网络性能。因此，在IIoT领域实施NDN具有挑战性，应该加以解决。3. 拟议系统本节将解释NDN IIoT架构、其组件、拟议的自适应LRFU替换策略系统模型、仿真参数和性能指标，以评估拟议的系统。图二. NDN转发过程。3.1. 命名数据网络NDN具有许多特性，包括内容缓存、路由计划和内容命名。NDN与其他网络架构类似，其中消费者向最近的NDN路由器请求感兴趣的数据，并且路由器用数据包进行响应。NDN路由器由三个不同的组件组成。转发信息库（FIB）作为路由和转发策略。PIT作为未满足的利息请求提交的表格列表。NDN CS用于基于替换策略存储数据分组。替换策略管理NDN路由器中的内容分发。此策略可以根据当前消费者请求插入、更新和删除内容。如果请求的数据在CS中不可用，则触发插入函数。当用户请求存在于CS中的信息时，执行更新功能。如果CS容量完全加载并且用户请求新内容，如图1、提出NDN IIoT架构对于工业环境。该网络由消费者、具有和不具有缓存功能的NDN路由器以及作为内容生产者的IIoT传感器组成。工业传感器设备单独连接到NDN网络拓扑，消费者连接到其他NDN路由器。消费者和路由器方向的NDN转发过程如图2所示。下游侧代表消费者，上游侧代表同一网络中的其他NDN路由器。路由器接收消费者兴趣并继续进行CS。一旦数据查找失败，利息将被发送到PIT和FIB，以从网络中的另一个路由器获取数据。在接收到来自另一个路由器的查找数据之后，数据将使用替换策略缓存到CS中，并直接发送给消费者。3.2. 替换策略NDN架构中使用了几种替换策略。每个策略都是通过内容插入、内容生产部Putra，D.S. 金和JM. 李ICT Express 8（2022）2582602=←∑←4：如果CS≤15，则8：否则，如果size31C S63，则10：否则，如果大小为63C S96，则←←=←−=-更新和删除功能。替换策略的算法彼此不同。FIFO是一种众所周知的内容缓存替换策略。先进先出算法的工作原理与进行的内容顺序。缓存的第一个内容也将成为要从缓存中删除的第一个内容 设C1，C2，. . . ，Cn是在n个时间间隔被请求并缓存在CS中的内容。C1内容将成为第一个从缓存中删除的内容，而Cn将是最后一个，无论最近的内容请求如何。在LRU更换政策中使用了不同的方法。该算法的工作原理是删除消费者较少请求的内容。此策略通过管理CS而不缓存相同内容来提高缓存可用性。LRU是一种替换策略，它关注消费者最近请求的内容。LRFU替换策略不同于FIFO和LRU。LRFU算法基于最近的内容请求和内容请求的频率来管理内容。每个内容将使用组合近因频率（CRF）值表示。LRFU替换策略加权函数F（x）（1）λx以0<λ 1值工作，并且x表示时间请求。当量（1）用于计算LRFU替换策略的时间t基准处的块bB图3.第三章。提 出 的自适应LRFU替换策略。算法1自适应LRFU大小分配。输入：CS大小（最大100个块）输出量： 希普勒斯 Linkedlist大小一曰： return 0;第二章： return 0;第三章： for（所有N DN 路由器（rtr））Ct基 （b）= F（ti=1基地-tbi）的。（一）西泽河5：heaplistrtr7;6：否则，如果15CS大小< 31，则

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