یک روش جایگزینی محتوا مبتنی بر آنتروپی شانون و روش تصمیم‌گیری وزنی ساده در شبکه‌های مبتنی بر نام

روش‌های هوشمند در صنعت برق

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 17 دی 1402

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

محمد سلطانی¹؛ بهرنگ برکتین^{* 1}؛ فرامرز هندسی²؛ زهرا بهشتی³

¹دانشکده مهندسی کامپیوتر- واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

²دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر- دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

³مرکز تحقیقات کلان داده- واحد نجف آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف آباد، ایران

چکیده

شبکه داده نام­گذاری­شده به عنوان یکی از معماری­های پیشرو و نسل بعدی شبکه محتوا محور در آینده اینترنت معرفی شده است. اخیراً، چالش جایگزینی محتوا به دلیل اهمیت ویژه آن مورد توجه محققین قرار گرفته است. اگرچه روش­های معرفی شده تا­کنون تلاش در بهبود این چالش داشته­اند، اما وزن­دهی غیرپویا و استفاده از تنها یک معیار برای انتخاب محتوای خروجی، نیاز به ایجاد بهبود بیشتر در تاخیر دسترسی را به امری اجتناب ناپذیر تبدیل نموده است. در این راستا، در این مقاله یک روش جدید مبتنی بر فرآیند تصمیم‌گیری ساده همراه با وزن­دهی پویای آنتروپی شانون برای انتخاب مناسب­ترین محتوا جهت جایگزینی محتوا ارائه شده است. در روش پیشنهادی معیار­های مهم محبوبیت محتوا و زمان آخرین بازدید به­صورت پویا وزن­دهی و با توجه به شرایط، امکان تغییر وزن معیارها به­صورت پویا وجود دارد. سپس محتوا­ها امتیازدهی و محتوای مناسب جهت جایگزینی محتوا تعیین می­گردد. از نو­آوری­های روش پیشنهادی در نظر گرفتن معیارهای تاثیر­گذار در شبکه­های مبتنی بر نام مانند محبوبیت محتوا و زمان آخرین بازدید برای خروج محتوا و همچنین پویا بودن وزن معیارها می­توان نام برد که باعث بهبود همزمان زمان تاخیر و نرخ ضربه می­شود. نتایج حاصل از شبیه­سازی در ndnSIM حاکی از کاهش تاخیر و افزایش نرخ ضربه در مقایسه با روش­های مشابه است.

کلیدواژه‌ها

آنتروپی شانون؛ جایگزینی محتوا حافظه موقت؛ روش امتیازدهی وزنی ساده؛ شبکه داده نامگذاری‌شده؛ شبکه محتوا محور

مراجع

[1] D. Dhakal, A. Gautam, S. Dey, K. Sharma, ''A review on forwarding strategies in NDN based vehicular networks'', EMITTER International Journal of Engineering Technology, vol. 9, no. 2, pp. 339–356, Dec. 2021 (doi: 10.24003/emitter.v9i2.632).

[2] A. Tariq, R.A. Rehman, B.S. Kim, ''Forwarding strategies in NDN based wireless networks: a survey'', EEE Communications Surveys and Tutorials, vol. 22, no. 1, pp. 68-95, Dec. 2021 (doi: 10.1109/COM­ST.2­019.2­93­5795).

[3] K.N. Lal, A. Kumar, ''A popularity based content eviction scheme via betweenness-centrality caching approach for content-centric networking (CCN)'', Wireless Networks, vol. 25, no. 2, pp. 585–596, Feb. 2019 (doi: 10.1007/s11276-017-1577-z).

[4] A. Kalghoum, L.A. Saidane, ''FCR-NS: A novel caching and forwarding strategy for named data networking based on software defined networking'', Cluster Computing, vol. 22, no. 3, pp. 981–994, Sept. 2019 (doi: 10­.10­07/s10586-018-02887-w).

[5] D. He, C. Westphal, J. Jiang, G. Yang, ''RankRoute: Efficient interest forwarding using nodes ranking'', Pro­c­ee­ding of the IEEE/ICNC, pp. 741–746, Honolulu, HI, USA, Feb. 2019 (doi: 10.1109/ICCNC.2019.8­68­5­6­0­8).

[6] M.S.M. Shah, Y.B. Leau, Z. Yan, M. Anbar, ''Hierarchical naming scheme in named data networking for internet of things: a review and future security challenges'', IEEE Access, vol. 10, pp. 19958–19970, Feb. 2022 (doi: 10.1109/ACCESS.2022.3151864).

[7] I.V.S. Brito, L. Sampaio, L. Zhang, ''On supporting forwarding strategies and sync protocols through NDN distance vector routing'', Proceeding of the ACMCICN, pp. 183–185, Osaka Japan, Sept. 2022 (doi: 10.1145/3517­212.3­559490).

[8] A. Hidouri, N. Hajlaoui, H. Touati, M. Hadded, P. Muhlethaler, ''A survey on security attacks and intrusion detection mechanisms in named data networking'', Computers, vol. 11, no. 12, Article Number: 186, Dec. 2022 (doi: 10.3390/computers11120186).

[9] A. Abrar, A.S. Che Mohamed Arif, K. M. Zaini, ''A mobility mechanism to manage producer mobility in named data networking'', Proceeding of the IEEE/TENSYMP, pp. 1–6, Mumbai, India, July 2022 (doi: 10.1109/TENSYMP54529.2022.9864454).

[10] M. Amadeo, C. Campolo, G. Ruggeri, A. Molinaro, ''Popularity-aware closeness based caching in NDN edge networks'', Sensors, vol. 22, no. 9, Article Number: 3460, May 2022 (doi: 10.3390/s22093460).

[11] S. Lee, I. Yeom, D. Kim, ''T-caching: Enhancing feasibility of In-network caching in ICN'', IEEE Trans. on Parallel and Distributed Systems, vol. 31, no. 7, pp. 1486–1498, July 2020 (doi: 10.1109/TPDS.202­0.297­07­02).

[12] M. Amadeo, C. Campolo, G. Ruggeri, A. Molinaro, ''Beyond edge caching: freshness and popularity aware IoT data caching via NDN at internet-scale'', IEEE Trans. on Green Communications and Networking, vol. 6, no. 1, pp. 352–364, Mar. 2022 (doi: 10.1109/TGCN.2021.3124452).

[13] R.K. Dudeja, R.S. Bali, G.S. Aujla, ''Secure and pervasive communication framework using named data networking for connected healthcare'', Computers and Electrical Engineering, vol. 100, no. 1, Article Number: 107806, May 2022 (doi: 10.1016/j.compeleceng.2022.107806).

[14] X. Wang, Y. Lu, ''Sustainable and efficient fog-assisted IoT cloud based data collection and delivery for smart cities'', IEEE Trans. on Sustainable Computing, vol. 7, no. 4, pp. 950–957, Oct. 2022 (doi: 10.1109/TSUSC.2022.3188330).

[15] P. Mekbungwan, G. Pau, K. Kanchanasut, ''In-network computation for IoT data processing with active NDN in wireless sensor networks'', Proceeding of the CIoT, pp. 197–204, Marrakech, Morocco, Mar. 2022 (doi: 10.1109/CIoT53061.2022.9766613).

[16] E.T. da Silva, A.L.D. Costa, J. M. H. de Macedo, ''On the realization of VANET using named data networking: On improvement of VANET using NDN‐based routing, caching, and security'', International Journal of Communication Systems, vol. 35, no. 18, Article Number: e5348 Dec. 2022 (doi: 10.1002/dac.5348).

[17] B. Hao, G. Wang, M. Zhang, J. Zhu, L. Xing, Q. Wu, ''Stochastic adaptive forwarding strategy based on deep reinforcement learning for secure mobile video communications in NDN'', Security and Communication Networks, vol. 2021, pp. 1–13, April 2021 (doi: 10.1155/2021/6630717).

[18] Z. Sharifian, B. Barekatain, A.A. Quintana, Z. Beheshti, F. Safi, "An enhanced routing algorithm in smart iot networks with mobile nodes", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 16, no. 63, pp. 1-24, December 2025 (in Persian).

[19] M. Meddeb, A. Dhraief, A. Belghith, T. Monteil, K. Drira, H. Mathkour, ''Least fresh first cache replacement policy for NDN-based IoT networks'', Pervasive and Mobile Computing, vol. 52, pp. 60–70, Jan. 2019 (doi: 10.1016/j.pmcj.2018.12.002).

[20] Y. Taj, B. Bakhshi-Sareskanrood, H. ZandHessami, "Reliable relay node selection to real-time messaging in vehicular networks", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 15, no. 59, pp. 53-80, December 2024 (in Persian).

[21] C.E. Shannon, ''A mathematical theory of communication'', Bell System Technical Journal, vol. 27, pp. 379–423, Oct. 1948.

[22] M. Zhang, H. Luo, H. Zhang, ''A survey of caching mechanisms in information-centric networking'', IEEE Communications Surveys and Tutorials, vol. 17, no. 3, pp. 1473–1499, April 2015 (doi: 10.1109/COM-ST.2015.2420097).

[23] D. Grund, J. Reineke, ''Precise and efficient FIFO-replacement analysis based on static phase detection'', Proceeding of the IEEE/ECRTS, pp. 155–164, Brussels, Belgium, July. 2010 (doi: 10.1109/ECRTS.2010.8).

[24] Z. Li, D. Liu, H. Bi, ''CRFP: A novel adaptive replacement policy combined the LRU and LFU policies'', Proceeding of the IEEE/CIT, pp. 72–79, Sydney, QLD, July 2008 (doi: 10.1109/CIT.2008.Workshops.22).

[25] S. Chootong, J. Thaenthong, ''Cache replacement mechanism with content popularity for vehicular content-centric networks (VCCN)'', Proceeding of the IEEE/JCSSE, NakhonSiThammarat, Thailand, pp. 1–6, July 2017 (doi: 10.1109/JCSSE.2017.8025901).

[26] Y. Li, M. Yu, R. Li, ''A cache replacement strategy based on hierarchical popularity in NDN'', Proceeding of the IEEE/ICUFN, pp. 159–161, Prague, Czech, July 2018 (doi: 10.1109/ICUFN.2018.8436597).

[27] Y. Liu, T. Zhi, H. Xi, W. Quan, H. Zhang, ''A novel cache replacement scheme against cache pollution attack in content-centric networks'', Proceeding of the IEEE/CIC, pp. 207–212, Changchun, China, Aug. 2019 (doi: 10.1109/ICCChina.2019.8855925).

[28] M.A.P. Putra, H. Situmorang, N.R. Syambas, ''Least recently frequently used replacement policy named data networking approach'', Proceeding of the IEEE/ICEEI, pp. 423–427, Bandung, Indonesia, July 2019 (doi: 10.1109/ICEEI47359.2019.8988828).

[29] N. Alzakari, A.B. Dris, S. Alahmadi, ''Randomized least frequently used cache replacement strategy for named data networking'', Proceeding of IEEE/ICCAIS, pp. 1–6, Riyadh, Saudi Arabia, Mar. 2020 (doi: 10.1109/IC­CA­IS4889­3.2020.9096733).

[30] S. Al-Ahmadi, ''A new efficient cache replacement strategy for named data networking'', International Journal of Computer Networks and Communications, vol. 13, no. 5, pp. 19–35, Sept. 2021 (doi: 10.5121/ijcnc.2­021.1­35­02).

[31] S. Rashid, S.A. Razak, F.A. Ghaleb, ''IMU: A content replacement policy for CCN, based on immature content selection'', Applied Sciences, vol. 12, no. 1, Article Number: 344, Dec. 2021 (doi: 10.3390/app12010344).

[32] E.T. Silva, J.M.H. Macedo, A.L.D. Costa, ''NDN content store and caching policies: Performance Evaluation'', Computers, vol. 11, no. 3, Article Number: 37, Mar. 2022 (doi: 10.3390/computers11030037).

[33] J. Hou, H. Lu, A. Nayak, ''A GNN-based proactive caching strategy in NDN networks'', Peer-to-Peer Networking and Applications, vol. 16, no. 2, pp. 997-1009, Mar. 2023 (doi: 10.1007/s12083-023-01464-2).

[34] Y. Zha, P. Cui, Y. Hu, L. Xue, J. Lan, Y. Wang, ''An NDN cache-optimization strategy based on dynamic popularity and replacement value'', Electronics, vol. 11, no. 19, Article Number: 3014, Sept. 2022 (doi: 10.3390/electronics11193014).

[35] J. Hou, H. Xia, H. Lu, A. Nayak, ''A graph neural network approach for caching performance optimization in NDN networks'', IEEE Access, vol., pp. 112657–112668, Oct. 2022 (doi: 10.1109/ACCESS.2022.3217236).

[36] A. Narayanan, S. Verma, E. Ramadan, P. Babaie, Z.L. Zhang, ''Making content caching policies “smart” using the deepcache framework'', ACM SIGCOMM Computer Communication Review, vol. 48, no. 5, pp. 64–69, Jan. 2019 (doi: 10.1145/3310165.3310174).

[37] B. Panigrahi, S. Shailendra, H.K. Rath, A. Simha, ''Universal caching model and markov-based cache analysis for information centric networks'', Photonic Network Communications, vol. 30, no. 3, pp. 428–438, Dec. 2015 (doi: 10.1007/s11107-015-0570-7).

[38] J. Yao, B. Yin, X. Tan, ''A SMDP-based forwarding scheme in named data networking'', Neurocomputing, vol. 306, pp. 213–225, Sept. 2018 (doi: 10.1016/j.neucom.2018.03.057).