CN101911636A - 预测性缓存内容分发网络 - Google Patents

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Abstract

在各种不同的示例性实施例中，用于在容量有限的网络内分发内容的方法使用分布式内容存储节点以达到最佳服务质量和最大服务会话容量。在单播、广播、交换式广播和组播模式网络中操作的该方法使用对要下载的特定内容项的效用的预测或在不增加需求峰值的时段或模式下记录最高效用项至分布式内容存储单元中。这些效用预测是基于例如潜在用户的数目、其使用的可能性、以及对于服务提供商的价值的。所述方法使用网络节点之间的通知，以基于哪些节点保存有该内容以及网络约束特性来识别特定内容项的最佳源。

Description

预测性缓存内容分发网络
技术领域
本发明一般地涉及在内容分发网络的一个或多个节点中缓存或临时存储信息。
背景技术
随着宽带互联网的不断扩张，需要实时递送多媒体内容的用户数量不断增加。内容分发网络通过经由具有缓存内容项的能力的联网计算机或节点构成的系统来递送数字内容给终端用户而解决了这一需求。通过利用地理上分散的存储单元，内容分发网络为用户提供了对大量高质量内容的访问。
构造对于内容分发而言最优化的网络通常存在两个理由。第一个目的是通过更大的带宽和减小的等待时间和抖动来改进用户体验质量。第二个目的是优化网络服务的利益率。
通常，网络服务的利益率是通过平均利用率来驱动的，而成本是通过所建成的网络容量来驱动的，所述网络容量的大小被调整成满足高峰业务负载。当内容需求接近于可用网络容量时，服务提供商无法递送更多的服务会话，由此降低了收益和服务质量。这个服务质量的降低也会降低服务价格或需要成本较高的网络容量增加。
用于减少网络成本的通用技术是将业务需求转移到非高峰时段从而推迟网络扩张并避免网络拥塞。包括存储单元的网络可以消除需求配置文件(profile)从而消除高峰。这些网络可以实现更大的服务容量，同时最低化实现内容分发网络的成本。
适当地建立内容存储单元的层级。在分层系统中，当用户请求一段多媒体内容时，例如视频或音频，内容分发网络通过选择就网络接近性而测量的最接近的服务器来最大化效率。例如，内容分发网络可以尝试最小化请求的节点与服务器节点之间的跳的数目或网络等待时间。然而，如果用户请求的内容在位于请求的节点附近的服务器节点上不可用，则会引发内容分发网络中的低效率。在这些情形下，服务器节点必须从另一节点取回内容，由此将增加的业务需求置于整个内容分发网络之上。
尽管许多当前的内容分发网络达到了改进终端用户性能的目的，然而它们也由于复制和分发未使用的内容或者由于在高峰时段分发该内容而造成网络服务提供商的成本增加。当前的内容分发网络没有将对于网络利用率或可用容量的知识分解成关于缓存什么内容、缓存多少或何时重新填充高速缓存的判定。
内容分发网络中的所有缓存都是基于存储于高速缓存中的内容将被使用的这一假设的，但是当前的实现判定缓存什么内容是基于已经被用过一次的内容项将被再次使用或者一个用户感兴趣的内容项也受到其他用户关注的这一假设的。这些实现仅仅例如通过跟踪过去的内容消耗以判定哪些过去的消耗项应当被保留在高速缓存中，来直接地或以非常简单的方式尝试预测将来的内容消耗。
这个用于判定缓存什么内容的简单的过程出于若干原因而可能会失败。例如，可以期望最近发布的电影在将来拥有许多观众，但是在过去没有关注。因此，现有内容分发网络通常无法存储这种内容。相反，多数内容分发网络无法确定在过去非常流行的内容在将来不再流行。例如，在选举期间被广泛关注的选举的特殊覆盖可能在选举结束后变得被非常少的人或没有人关注。
作为另一个例子，恰巧是居住于内容分发网络本地服务区域内的唯一一位柬埔寨人的一名柬埔寨妇女可能定期地请求柬埔寨语内容。然而，缓存要递送给她的内容项几乎是无益的，因为邻近的用户不会对她的内容感兴趣并且她可能不想看之前已看过的内容。现有内容分发网络通常没有认识到她的唯一观看模式使得缓存要提供给她的内容变得无益。
此外，即使现有的内容分发网络正确地识别出可能在将来会被经常使用的内容项，这些网络也可能在高峰使用时段发送所述内容项给分布式存储点，由此增强了容量匮乏。此外，现有内容分发网络通常以单一联网模式操作。结果，即使可以通过在分布式缓存点记录来自广播网络的电影来避免单播下载增加网络负担，这些网络也可能请求电影至分布式缓存点的单播下载。
因此，需要预测缓存内容分发网络，其通过使用对将来内容消耗的预测性知识以在非高峰时段自动缓存内容或当被广播网络发送时从该广播网络捕获内容，来降低成本。此外，需要一种自适应内容分发网络，其利用缓存来维护最有可能符合当前用户兴趣的内容的清单。还需要缓存所选择的内容以消除内容分发网络内的需求高峰，并且由此最大化可以以给定网络链路容量被递送的服务会话的数目。
本发明的前述目的和优点是说明性的，其可以通过各种示例性实施例来实现并且对于可实现的可能的优点而言并不是穷举的或者限制性的。因此，各种示例性实施例的所述和其他目的和优点将从这里的描述中变得显而易见或者可以通过实施如这里体现的或如作为变型而修改的各种示例性实施例来学习，所述变型对于本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明在于这里显示的以及在各种示例性实施例中所描述的新颖的方法、安排、组合和改进。
发明内容
考虑到对于预测性缓存内容分发网络的当前需求，介绍各种示例性实施例的简要概述。在下面的概述中会做一些简化和省略，其旨在强调和介绍各种示例性实施例的一些方面，但不限制其范围。下文中将给出使得本领域技术人员能够制造和使用本发明概念的优选示例性实施例的详细描述。
在各种不同的当前实施例中，所述内容分发网络借由网络接近性而被安排成节点层级。因此，在这些网络中，仅当更近的内容拷贝不可用时，节点才从远端节点下载内容。为了最小化从所述层级中更远的节点获得内容项的需求，所述内容分发网络通过本地缓存内容项将业务从高峰时段转移至非高峰时段。
在各种不同的当前实施例中，所述内容分发网络使用流经(flowthrough)缓存来保存“流经”中间节点的内容项的拷贝。节点维护通过节点发送的内容的拷贝，直到该内容在预定时期内没有被访问，此时该节点从高速缓存中丢弃该内容。
尽管所述实施例对于管理员而言较为简单并且不产生任何附加的网络业务，然而它们仅有利于减小给定内容项的后续请求的负载而不是第一个请求。
在各种不同的当前实施例中，所述内容分发网络基于用户当前观看的内容项，使用预测性预取来缓存内容项。尽管所述实施例改进了用户体验，然而它们会一直增加网络负担并且不使用对将来内容项概率的预测来确定要缓存的内容。
一种针对广播内容的缓存机制在互联网协议电视(IPTV)系统的各种不同的当前实施例中被维护。在所述系统内，完全更新视频图像的帧可以以大于10秒的时间间隔被相间隔地发送。其间的数据只给出了来自完全更新帧的增加的更改。在所述实施例中，“D服务器”缓存少量的视频帧并且将这些帧经由单播传输发送至客户机顶盒以提供快速频道切换。在第一个完全屏幕更新帧，客户端将加入组播频道并且来自D服务器的单播流将停止。然而，在所述实施例中，所述网络被安排成严格分层的，以使得每个D服务器具有限定的单一父服务器。因此，当内容在父服务器上不可用时，D服务器无法从其他对等网络节点取回内容。此外，在D服务器缓存数据有损于网络效率，因为来自D服务器的单播流在切换频道时比客户最终加入的组播频道占用更多的带宽。此外，D服务器在内容源方面通常也会降低网络效率，因为它需要每个视频频道的反馈以保持所缓存的内容最新，即使许多或全部视频频道没有被D服务器所服务的区域内的任何用户所观看。
在各种不同的当前实施例中，个人录像机创建要记录的希望的内容列表并且当该内容出现于广播时间表中时记录该内容。然而，所述实施例并没有预计到将来的观看而主动请求内容项。此外，内容仅被存储在用户的个人录像机上而不是被存储在本地或远端位置处。因此，由于内容不是共享的，因此在存储空间方面存在很大的成本缺陷。
在各种不同的当前实施例中，对等文件共享网络使得用户能够定义期望内容的列表，它然后将从一个或多个其他用户获得所述期望的内容。然而，在所述实施例中，用户必须明确地请求内容。此外，传输没有考虑到网络加载或成本并且因此使得网络服务提供商遭受很大的损失。因此，对等网络只在用户端存储并且忽略了所有网络容量和成本问题。
各种不同的当前实施例尝试减轻作为一种内容分发机制的对等文件共享的负面效应。各种不同的当前实施例通过中间人攻击来截获对等协议。所述实施例在用户的本地网络内找到所请求的文件片段并且将请求重定向至本地网络内的所述文件的源。因此，所述内容分发网络阻止对等网络使用跨越广域网的昂贵链路或至已本地获得的源数据的对等点。然而，所述实施例并不真正在网络中存储任何数据，并且仅提供识别接近性的数据的索引。此外，所述实施例通过强制本地用户上载而增加了本地网络成本，所述强制上载在具有有限上载带宽的网络中特别地棘手。
各种不同的当前实施例创建本地流经网络缓存点，P2P文件被存储在该缓存点以递送至多个用户。所述实施例在通常是中央局的本地服务器中存储文件，并且因而避免了来自其他本地用户的上行链路拥塞和WAN链路加载。然而，所述实施例仅在该事实之后缓存内容，由此从根本上限制了可达到的效率。此外，像其他缓存系统那样，所述实施例不考虑网络加载。
总而言之，上述当前实施例并不特别有效，并且通常会导致增加网络拥塞。此外，前述缓存机制都没有利用与可能被用户请求的内容有关的预测来最大化缓存效率。
根据前述内容，各种不同的示例性实施例提供了一种用于使用对将被消耗的内容项的预测以创建经济上最佳的预测性内容分发网络并且在网络条件更改的情况下维持该最佳状态的机制。因此，给定一种包括具有限定容量的网络链路和能存储内容项的缓存节点的网络，各种不同的示例性实施例最大化了可在高峰时段提供的网络服务容量。
各种不同的示例性实施例使用对内容项消耗的预测以在非高峰时段动态取回内容或从广播网络捕获该内容。在各种不同的示例性实施例中，每个缓存节点利用所述预测来判定是下载、记录还是丢弃内容项并且在非高峰时段下载所选择的内容项。
从广播网络记录决不会影响高峰负载并且因此只要期望的内容项被发送就会被执行。从选择性一个对多个分发网络模式(例如组播和交换式广播)记录的执行不会在下列情况中影响高峰负载：当所述网络一部分中的至少一个用户正观看播放内容项的频道时；当发送的时间是非高峰时段时；或当存在严格的带宽划分以致交换式广播或组播带宽总是被保留以满足最差情况下的高峰时。因此，在各种不同的示例性实施例中，缓存机制识别并调整影响了成本和服务容量的网络加载的所有单元，这包括链路容量、交换或路由容量以及内容服务容量。
在各种不同的示例性实施例中，内容被存储在内容分发网络内的不同位置。因此，在各种不同的示例性实施例中，内容是从父缓存节点、对等缓存节点被拉出的，或者从广播或组播网络被记录。此外，在各种不同的示例性实施例中，内容可以被存储在用户位置或服务提供商网络内的多个层中。
在各种不同的示例性实施例中，所述内容分发网络运行一个或多个进程来优化内容存储。因此，在各种不同的示例性实施例中，所述缓存机制通过在缓存节点之间运行更新的协议而避免了不必要的内容复制。此外，在各种不同的示例性实施例中，所述缓存机制运行内务处理功能，该功能在缓存容量几乎为满并且更有价值的内容项可用于存储的情况下丢弃已存储的内容项。
附图说明
为了更好的理解各种不同的示例性实施例，对附图进行说明，其中：
图1示意性地示出了利用预测性内容缓存的内容分发网络的示例性实施例；
图2是用于向或从高速缓存添加或丢弃来自单播源的内容项的方法的示例性实施例的流程图；
图3是用于从单播源下载内容至高速缓存的方法的示例性实施例的流程图；
图4是用于向或从高速缓存添加或丢弃来自广播、交换式广播或组播源的内容项的方法的示例性实施例的流程图；
图5A和5B是用于从互连高速缓存网访问内容项的方法的示例性实施例的流程图；和
图6示意性地示出了具有节点间的更新通信的内容分发网络的示例性实施例。
具体实施方式
现在参考附图，其中相同的标号代表相同的部件或步骤，公开了各种不同的示例性实施例的宽泛方面。
如这里使用的那样，如下定义下面的术语。这些定义中的参考字符所代表的主题将在下面详细描述。
LinkCapacity(L1-＞U1)是指当从第一本地网络存储单元106向第一用户存储单元102发送数据时的通信链路120的容量。
LinkCapacity(U1-＞L1)是指当从第一用户存储单元102向第一本地网络存储单元106发送数据时的通信链路120的容量。
LinkCapacity(L1-＞U2)是指当从第一本地网络存储单元106向第二用户存储单元104发送数据时的通信链路122的容量。
LinkCapacity(U2-＞L1)是指当从第二用户存储单元104向第一本地网络存储单元106发送数据时的通信链路122的容量。
LinkCapacity(L1-＞L2)是指当从第一本地网络存储单元106向第二本地网络存储单元108发送数据时的通信链路124的容量。
LinkCapacity(L2-＞L1)是指当从第二本地网络存储单元108向第一本地网络存储单元106发送数据时的通信链路124的容量。
LinkCapacity(L1-＞D1)是指当从第一本地网络存储单元106向第一远端网络存储单元110发送数据时的通信链路126的容量。
LinkCapacity(D1-＞L1)是指当从第一远端网络存储单元110向第一本地网络存储单元106发送数据时的通信链路126的容量。
ServingCapacity(D1)是指第一远端网络存储单元110处的内容服务容量。
ServingCapacity(L1)是指第一本地网络存储单元106处的内容服务容量。
Storage(D1)是指第一远端网络存储单元110处的存储量。
Storage(L1)是指第一本地网络存储单元106处的存储量。
Storage(U1)是指第一用户存储单元102处的存储量。
Storage(U2)是指第二用户存储单元104处的存储量.
SwitchCapacity(D1)是指第一远端网络存储单元110处的交换或路由容量。
SwitchCapacity(L1)是指第一本地网络存储单元106处的交换或路由容量。
图1示意性地示出了利用预测性内容缓存的内容分发网络100的示例性实施例。参考图1，将描述示例性内容分发网络100和预测性缓存过程的一般操作。
示例性内容分发网络100包括第一用户存储单元102、第二用户存储单元104、第一本地网络存储单元106、第二本地网络存储单元108、第一远端网络存储单元110以及第二远端网络存储单元112。应当清楚，在各种不同的示例性实施例中，每个存储单元包括使得该存储单元能维持多媒体内容的缓存的永久性存储。此外，在各种不同的示例性实施例中，每个存储单元都包括用于确定内容项是否在该节点上被本地保存的索引和用于确定向何处查找未被本地保存的内容项的索引。
在各种不同的示例性实施例中，每个存储单元能够与一个或多个其他存储单元经由通信链路通信。因此，在示例性内容分发网络100中，第一用户存储单元102与第一本地网络存储单元106经由通信链路120通信，第二用户存储单元104与第一本地网络存储单元106经由通信链路122通信，第一本地网络存储单元106与第二本地网络存储单元108经由通信链路124通信并且与第一远端网络存储单元110经由通信链路126通信，以及第一远端网络存储单元110与第二远端网络存储单元112经由通信链路128通信。
因此，示例性内容分发网络100包括缓存结构中的四个级别。第一级缓存对应于第一用户存储单元102，其在各种不同的示例性实施例中是存储专用于单个用户或家庭的基于家庭的媒体存储单元。应当清楚，在各种不同的示例性实施例中，第一用户存储单元102是个人计算机、个人录像机、家庭媒体服务器、具有内置存储器的机顶盒、便携式媒体设备、或任何其他具有网络通信能力的存储设备。
在示例性内容分发网络100中，第二级缓存对应于网络中的对等体，例如第二用户存储单元104。第第三级缓存位于许多用户所连接的本地网络内的中央节点，例如第一本地网络存储单元106和第二本地网络存储单元108。最后，第四级缓存位于许多本地网络存储单元所连接的地区或国家节点处，例如第一远端网络存储单元110和第二远端网络存储单元112。尽管示例性内容分发网络100包括四个缓存级别，然而应当清楚，在各种不同的示例性实施例中，内容分发网络100被扩展成包括位于更多远端位置处的附加中央缓存服务器。此外，在各种不同的示例性实施例中，内容分发网络100在一个或多个级别中包括多于两个的节点。
图2是用于向或从高速缓存添加或丢弃来自单播源的内容项的方法200的示例性实施例的流程图。在各种不同的示例性实施例中，示例性方法200确定是否缓存来自上游源的新项。应当清楚，示例性方法200可以在内容分发网络中的能缓存内容的任何节点处被执行。因此，在各种不同的示例性实施例中，示例性方法200在第一用户存储单元102、第二用户存储单元104、第一本地网络存储单元106、第二本地网络存储单元108、第一远端网络存储单元110和第二远端网络存储单元112中的一个或多个处被执行。
示例性方法200以周期性时间间隔或当发生了影响将来内容访问的概率的更改时开始于步骤201。因此，在各种不同的示例性实施例中，示例性方法200每小时、每天或以其他预定时间间隔来执行。此外，在各种不同的示例性实施例中，示例性方法200在发布新的媒体内容项时或在用户指示例如对特定类型的电影或音乐感兴趣时被执行，由此更改对缓存所述内容项类型的值的预测。
示例性方法200然后进行到步骤202，其中执行检查以确定未使用容量的量、已用容量的量和对当前缓存在节点中的所有项的效用的测量。效用的测量通常是基于可能使用该内容项的用户数目以及每个用户将使用该内容项的可能性的。在各种不同的示例性实施例中，效用的测量也包括其他因素，例如就在卸载网络高峰请求或改进内容项至用户的递送质量方面的有益效应而言使得内容项可从分布式存储单元获取的值。步骤202之后，示例性方法200进行到步骤204，其中节点创建最高效用内容项的列表。
在各种不同的示例性实施例中，当高速缓存是用户节点时，例如第一用户存储单元102，最高效用内容项的列表仅涉及用户或家庭。在各种不同的示例性实施例中，当高速缓存是网络节点时，例如第一本地网络存储单元106，最高效用内容项的列表是指示了累计使用概率或更一般地由来自每个支持的用户节点的列表所构成的效用的测量值。已存储于用户节点中的内容项通常不具有与保存同一内容项的新拷贝相关联的效用。
因此，在各种不同的示例性实施例中，最高效用内容项的列表反映了从缓存节点请求一个项的概率或缓存该项的新实例的效用，并且因而排除了已缓存在更接近于用户位置处的项。应当清楚，在各种不同的示例性实施例中，步骤204创建了自组织稀有层级。换言之，具有高访问概率的内容项趋于被缓存在更接近用户的位置，而较少访问的项被存储在更靠中心的位置，例如在第一远端网络存储单元110。在各种不同的示例性实施例中，当只存在针对少数用户的较高访问概率时，内容项优选地被缓存在层级1，例如第一用户存储单元102。另一方面，如果存在被许多用户访问的较高概率，则内容项优选地被缓存在层级3，例如第一本地网络存储单元106。
在各种不同的示例性实施例中，最高效用内容项的列表还被进一步改进成反映在高峰时段访问项的概率。因此，在各种不同的示例性实施例中，最高效用内容项的列表进一步增加了卸载效应。
在创建了最高效用内容项的列表之后，示例性方法200进行到步骤206，其中节点比较最高效用内容项的列表与当前缓存在节点中的内容的列表。在各种不同的示例性实施例中，当前缓存在节点中的内容的列表包括被调度成在将来某一时间点从广播、交换式广播或组播网络被记录的项，如下面将参考图4进一步描述的那样。
在所述比较之后，示例性方法200进行到步骤208，其中节点生成用于缓存的候选内容项的分级列表，其在各种不同的示例性实施例中包括扣除当前缓存于节点中的内容列表的最高效用内容项列表。因此，在各种不同的示例性实施例中，用于缓存的候选内容项的分级列表包括当前没有缓存在节点中的最高效用内容项的列表中的所有项。在各种不同的示例性实施例中，用于缓存的候选列表包括内容项标识符和指示了每个内容项的使用概率的效用测量值。
在各种不同的示例性实施例中，在步骤208中，每个项的大小也可以在对用于缓存的候选列表的分级中被考虑。因此，在各种不同的示例性实施例中，如果节点必须在一个较大内容项与一组具有几乎相等的访问概率的较小内容项之间进行选择，则该组较小内容项接收更高的级别，由此增加了所述项之一被访问的概率。
在生成用于缓存的候选列表之后，示例性方法200进行到步骤210，其中节点确定当前时间是否是非高峰时段。在步骤210中，当节点确定当前时间不是非高峰时段时，该节点将不下载任何内容。因此，示例性方法200进行到步骤213，其中示例性方法200停止。应当清楚，在各种不同的示例性实施例中，即使下一个时段是高峰时段，示例性方法200也会进行到步骤212，但是只允许在将来的非高峰时段调度下载。
当在步骤210中节点确定下一时段是非高峰时段时，示例性方法200进行到步骤212，其中节点下载内容至高速缓存。在各种不同的示例性实施例中，当下载具有最短的完成时间或当它被安排在将来一个时间点时，该节点的内容目录中的条目将该内容项记录为“悬而未决”，由此阻止并行尝试取回同一内容项。示例性方法然后进行到步骤213，其中示例性方法200停止。
图3是用于从单播源下载内容以进行缓存的方法212的示例性实施例的流程图。示例性方法212开始于步骤301并进行到步骤302，其中节点确定包括链路、交换机和服务器的所有上游部件是否正通知空闲容量。当在步骤302中节点确定一个或多个链路、交换机或服务器正通知没有空闲容量时，示例性方法212进行到步骤314，其中示例性方法212停止。当在步骤302中节点确定所有链路、交换机和服务器已通知空闲容量时，则示例性方法212进行到步骤304。
在各种不同的示例性实施例中，在步骤304中节点确定高速缓存是否具有充足的空闲存储容量来存储用于缓存的候选内容项列表中的最高级别的内容项。当在步骤304中节点确定有充足的空闲存储空间时，示例性方法212进行到步骤310，其中节点从上游节点下载最高级别的项至高速缓存。
在各种不同的示例性实施例中，一旦在步骤310中下载了项，则示例性方法212进行到步骤312，其中为内容项分配了保持时间，在该保持时间期间该项不会被替换。在所述实施例中，当保持时间未到期时，该内容项将不会从高速缓存被丢弃，除非新项的概率减去保存项的概率大于预定的交换阈值。因此，在所述实施例中，示例性方法212阻止了称为“搅动”的过程，在该过程中内容项被重复地下载并且被丢弃以被另一个具有相似级别的内容项所取代。示例性方法212然后返回步骤302以进行另一次执行。
当在步骤304中节点确定没有充足的空闲存储空间时，示例性方法212进行到步骤306。在各种不同的示例性实施例中，在步骤306中，节点确定最高级别的候选内容项的效用是否比其大小也等于或大于候选项的之前缓存的最低级别项要至少高出交换阈值。如果发现这种较低效用的之前缓存的项，则示例性方法212进行到步骤308，其中之前的较低效用的项被丢弃。
如果没有发现较低效用的之前缓存的项，则将最高级别的候选内容项与一组大小都大于候选内容项的之前缓存的项相比较。如果最高级别候选内容项的效用比所选的该组之前缓存的项的总效用要至少高出交换阈值，则示例性方法212进行到步骤308，其中节点丢弃该组之前缓存的具有较低效用的项。
在从高速缓存丢弃较低效用的项之后，示例性方法212然后进行到步骤310，其中节点下载最高级别的项。在执行下载和丢弃过程之后，示例性方法212可选地为项分配最短保持时间以减少项搅动的机会并且可选地分配最长保持时间以周期性地从高速缓存清除陈旧的内容项。示例性方法212然后进行到步骤302，其中如果网络处于非高峰时段则考虑下一个可能的内容项。
当在步骤306中，节点没有发现总大小大于最高级别内容项的大小的一组较低效用项时，示例性方法进行到步骤314，其中示例性方法212停止。
图4是用于向或从高速缓存添加或丢弃来自广播或组播源的内容项的方法400的示例性实施例的流程图。在各种不同的示例性实施例中，示例性方法400确定是否通过从广播、交换式广播或组播源记录新的内容项来缓存它。应当清楚，示例性方法400可以在内容分发网络中的能缓存内容的任何节点处被执行。因此，在各种不同的示例性实施例中，示例性方法400在第一用户存储单元102、第二用户存储单元104、第一本地网络存储单元106、第二本地网络存储单元108、第一远端网络存储单元110和第二远端网络存储单元112中的一个或多个处被执行。
示例性方法400以周期性时间间隔或当发生影响将来内容访问的概率的更改时开始于步骤401。因此，在各种不同的示例性实施例中，示例性方法400每小时、每天或以预先确定的时间间隔来执行。此外，在各种不同的示例性实施例中，当发布新的多媒体内容项时、当广播/交换式广播/组播分发调度更改或被扩展成覆盖将来的新时间段时、当用户指示对例如特定类型的电影或音乐感兴趣时、或当任何其他行为触发用户访问给定内容项的概率的重新估算时，执行示例性方法400。
示例性方法400然后进行到步骤402，其中执行检查以确定未使用容量的量、已用容量的量、以及当前缓存于节点中的所有项的效用。步骤402之后，示例性方法400进行到步骤404，其中节点创建出现于广播/组播分发调度中的内容项中具有最高效用的内容项的列表。在各种不同的示例性实施例中，在步骤404中，节点例如从电子节目指南获得广播或组播内容分发调度。
在各种不同的示例性实施例中，在步骤404中，节点通过将针对从节点获取内容的所有用户的指定用户兴趣与可用广播或组播内容的调度中的内容项相比较来创建最高效用内容项的列表。在各种不同的示例性实施例中，用户兴趣包括以下内容中的一个或多个：喜爱的类型、电影、电视节目、频道、演员、导演以及任何其他可用来分类内容项的标准。此外，在各种不同的示例性实施例中，所述兴趣是由用户指定的或者基于用户之前的内容选择来被预测的。
当高速缓存是用户节点时，例如第一用户存储单元102，在各种不同的示例性实施例中，最高效用内容项的列表仅涉及用户或家庭。在各种不同的示例性实施例中，当高速缓存是网络节点时，例如第一本地网络存储单元106，最高效用内容项的列表是由来自每个支持的用户节点的列表所构成的累计效用。
在步骤404中创建最高效用内容项列表之后，示例性方法400进行到步骤406，其中节点将最高效用内容项列表与当前缓存于节点中的内容列表相比较。在比较之后，示例性方法400进行到步骤408，其中节点生成用于缓存的分级候选列表，其在各种不同的示例性实施例中包括扣除当前缓存于节点中的内容列表的最高效用内容项的列表。因此，在各种不同的示例性实施例中，分级的用于缓存的候选列表包括当前未缓存于节点中的最高效用内容项列表中的所有项。在各种不同的示例性实施例中，用于缓存的候选列表包括项的大小、该项基于用户数目和使用可能性的效用、以及该项可被访问的时间、日期和频道。
示例性方法400然后进行到步骤410，其中节点确定要缓存的候选项列表是否为空。当在步骤410节点确定该要缓存的候选项列表为空时，示例性方法400进行到步骤421，其中该节点丢弃被调度成要丢弃的任何项从而为新项腾出空间。示例性方法400然后进行到步骤422，其中被调度成记录的任何项被记录。在记录所调度的项之后，示例性方法400进行到步骤424，其中为已记录的项分配保持时间。在步骤424，示例性方法400可选地为一个项分配最短保持时间以减少项搅动的机会并且可选地分配最长保持时间以将陈旧的内容项从高速缓存中周期性地清除。示例性方法400然后进行到步骤426，其中示例性方法400停止。
当在步骤410中节点确定存在要考虑的候选内容项时，示例性方法400进行到步骤412，其中该节点确定可以访问候选内容项的时间点是否在非高峰时段中。应当清楚，这个步骤应用于其中进行任意分发的网络中，例如组播网络或交换式广播网络。总是使用相同容量(例如频道数目)的网络(如通常对于广播网络而言)可以被看作总是处于非高峰时段，这是因为将一个项纪录到高速缓存不会影响网络负载。此外，当在该时间点存在其他观众时，交换式广播或组播网络不会经历附加的负载，因此如果存在其他观众，则该内容项被看作是在非高峰时段而不管它何时被访问。如果网络提供商具有严格划分的带宽以便随时为最差情况下的频道加载保留带宽，则交换式广播或组播网络也可以被看作处于非高峰时段。在该情况下，记录内容项不会对所需要的带宽造成影响。
当在步骤412中节点确定内容项可以被访问的时间是高峰时段时，节点将不调度内容项的记录并且示例性方法400返回步骤410，其中考虑下一个候选内容项。应当清楚，可以在不同的时间点在不止一个频道上分发单个内容项，因此在步骤410必须多次考虑单个内容项，每一次针对每个可能的时间段。
当在步骤412中节点确定内容项可被访问的时间是非高峰时段时，示例性方法400进行到步骤414，其中节点确定高速缓存是否具有足够的空闲存储容量来存储用于缓存的候选内容项列表中的最高级别的内容项。当在步骤414中节点确定有足够的空闲存储空间时，示例性方法400进行到步骤415，其中保留存储容量。示例性方法400然后进行到步骤420，其中节点在发送内容项的日期、时间和频道调度要记录到高速缓存中的最高级别的内容项。示例性方法400然后返回步骤410，其中示例性方法400考虑其他内容项。
当在步骤414中节点确定没有足够的空闲存储空间时，示例性方法400进行到步骤416。在各种不同的示例性实施例中，在步骤416中，节点确定最高级别的新候选内容项的效用是否比大小也等于或大于候选项的之前缓存的最低项要至少高出交换阈值。当发现这种较低效用的之前缓存的内容项时，示例性方法400进行到步骤418，其中之前的较低效用的项被调度成要被丢弃。示例性方法400然后进行到步骤420，其中候选内容项被调度成记录，以及步骤410，其中考虑下一个候选内容项。
当单个较低效用内容项当前没有被存储时，将最高级别的新候选内容项与总大小要大于新候选内容项的一组之前缓存的项相比较。如果最高级别的新候选内容项的效用比该组之前缓存的项的总效用要高出至少交换阈值，则示例性方法400进行到步骤418。在步骤418中，该组之前缓存的较低效用的项被调度成被丢弃。示例性方法400然后进行到步骤420，其中候选内容项被调度成记录，以及步骤410，其中考虑下一候选内容项。
当在步骤416中确定不丢弃一个或多个现有项时，示例性方法400返回步骤410，其中考虑下一个候选内容项。
应当清楚，尽管为了清楚而分别进行了说明，然而在各种不同的示例性实施例中，参考图2和4描述的示例性方法200、400在代表相同的终端用户的相同的存储单元中缓存信息。此外，在各种不同的示例性实施例中，参考图2-4所描述的方法在步骤206和406中是一致的，以使得任何给定内容项只被取回和存储一次。此外，在各种不同的示例性实施例中，示例性方法200、400使用相同的方法来计算内容项效用，以便就哪些内容项是最有价值的并且应当在存储空间有限的情况下被保存而言总是达成一致。
图5A和5B是用于从互连缓存网访问内容项的方法500的示例性实施例的流程图。示例性方法500开始于图5A中的步骤501并且进行到步骤502，其中节点访问第一用户存储单元102。示例性方法然后进行到步骤504，其中示例性方法500确定所请求的内容是否在第一用户存储单元102中可用。当在步骤504中节点确定该内容在第一用户存储单元102中可用时，该方法进行到步骤525，其中示例性方法500停止。
当在步骤504节点确定所请求的内容在用户节点不可用时，方法进行到步骤506，其中节点访问第一本地网络存储单元106。示例性方法500然后进行到步骤508，其中在各种不同的示例性实施例中，示例性方法500确定所请求的内容项是否被缓存在第一本地网络存储单元106，LinkCapacity(L1-＞U1)是否大于穿过通信链路120的所有会话所使用的容量，以及ServingCapacity(L1)是否大于从第一本地网络存储单元106递送的所有用户会话的总和。当在步骤508中满足所有条件时，示例性方法500从第一本地网络存储单元106下载内容并且进行到步骤525，其中示例性方法500停止。
当在步骤508中未满足一个或多个条件时，示例性方法500进行到步骤510，其中节点访问第二用户存储单元104。示例性方法500然后进行到步骤512，其中在各种不同的示例性实施例中，示例性方法500确定所请求的内容项是否被缓存在第二用户存储单元104中、LinkCapacity(L1-＞U1)是否大于穿过通信链路120的所有会话所使用的容量，以及SwitchCapacity(L1)是否大于第一本地网络存储单元106中的所有交换业务的总和。当在步骤512中满足所有条件时，示例性方法500经由第一本地网络存储单元106从第二用户存储单元104下载内容，并且进行到步骤525，其中示例性方法500停止。
当在步骤512中一个或多个条件未满足时，示例性方法500进行到图5B中的步骤514，其中所述节点访问多个用户节点。示例性方法500然后进行到步骤516，其中在各种不同的示例性实施例中，示例性方法500确定所请求的内容项是否以多个片段被缓存在两个或更多用户节点中。在各种不同的示例性实施例中，在步骤516，节点还确定LinkCapacity(L1-＞U1)是否大于穿过通信链路120的所有会话所使用的容量，其中Ui是第i的用户节点，以及SwitchCapacity(L1)是否大于第一本地网络存储单元106中的所有交换业务的总和。当在步骤516中满足所有条件时，示例性方法500从多个分布式用户节点下载内容并且进行到步骤525，其中示例性方法500停止。
当在步骤516中未满足一个或多个条件时，示例性方法500进行到步骤518，其中节点访问第二本地网络存储单元108。示例性方法500然后进行到步骤520，其中在各种不同的示例性实施例中，示例性方法500确定所请求的内容项是否被缓存在第二本地网络存储单元108、LinkCapacity(L1广＞U1)是否大于穿过通信链路120的所有会话所使用的容量、LinkCapacity(L2-＞U1)是否大于穿过通信链路124的所有会话所使用的容量、以及SwitchCapacity(L1)是否大于第一本地网络存储单元106中的所有交换业务的总和。当在步骤520中满足所有条件时，示例性方法500经由第一本地网络存储单元106从第二本地网络存储单元108下载内容并且进行到步骤525，其中示例性方法500停止。
当在步骤520中未满足一个或多个条件时，示例性方法500进行到步骤522，其中节点访问第一远端网络存储单元110。示例性方法500然后进行到步骤524，其中在各种不同的示例性实施例中，示例性方法500确定所请求的内容项是否被缓存在第一远端网络存储单元110中、LinkCapacity(L1-＞U1)是否大于穿过通信链路120的所有会话所使用的容量、LinkCapacity(D1-＞L1)是否大于穿过通信链路126的所有会话所使用的容量、SwitchCapacity(L1)是否大于第一本地网络存储单元106中的所有交换业务的总和、以及ServingCapacity(D1)是否大于从第一远端网络存储单元110递送的所有用户会话的总和。当在步骤520满足所有条件时，示例性方法500经由第一本地网络存储单元106从第一远端网络存储单元110下载内容并且进行到步骤525，其中示例性方法500停止。
当在步骤524中未满足一个或多个条件时，示例性方法500通知用户由于所请求的内容项不可用或由于网络容量不足而造成下载失败。示例性方法500然后进行到步骤525，其中示例性方法500停止。
图6示意性地示出了具有节点间的更新通信的内容分发网络的示例性实施例。
示例性内容分发网络600包括用户存储单元602、本地存储单元604、本地对等存储单元606、以及远端存储单元608。在各种不同的示例性实施例中，每个存储单元都能够与一个或多个其他存储单元经由通信链路通信。因此，在示例性内容分发网络600中，用户存储单元602与本地存储单元604经由通信链路610通信，本地存储单元604与本地对等体606经由通信链路612通信，并且本地存储单元604与远端存储单元608经由通信链路614通信。
在各种不同的示例性实施例中，内容分发网络600中的每个节点提供更新消息的一个或多个形式来通知相邻节点关于存储于该节点中的内容。因此，在各种不同的示例性实施例中，内容分发网络600中的每个节点提供完全更新，其是存储于该节点中的所有内容项的列表，其中每个内容项由索引标识符来标识。在各种不同的示例性实施例中，任何节点都可以发送请求至一个或多个相邻节点以随时进行完全更新。此外，在各种不同的示例性实施例中，当新节点被安装到内容分发网络600中时执行完全更新过程。
在各种不同的示例性实施例中，内容分发网络600中的每个节点提供增加的更新，其向相邻节点通知从上一消息开始的内容添加或丢弃。为了传送增加的更新，在各种不同的示例性实施例中，节点以格式“Added a，b，c Dropped e，f，g”来发送消息，其中a-g是内容项标识符。此外，在各种不同的示例性实施例中，这些消息是通过将ASCII字符串嵌入XML或SOAP文件中来传输的。
在各种不同的示例性实施例中，更新通知在用户存储单元602和本地存储单元604之间通过通信链路610双向进行。此外，在各种不同的示例性实施例中，更新通知在本地存储单元604与远端存储单元608之间在通信链路614上双向进行。在各种不同的示例性实施例中，更新通知在通信链路612上只在从本地存储单元604到本地对等存储单元606的方向中进行。
在各种不同的示例性实施例中，每个节点都支持传输意图给高速缓存的附加消息类型。因此，在各种不同的示例性实施例中，节点发送消息给其他节点以指示记录即将到来的广播或组播节目的意图。因此，节点可以检查来自相邻节点的缓存候选列表以确定流行的项并缓存该项以促进将来的请求。
在各种不同的示例性实施例中，内容分发网络600中的每个节点提供更新消息的一个或多个形式来通知相邻节点关于通信链路610、612和614中的一个或多个上的网络利用率。在各种不同的示例性实施例中，利用率是分别的或复合的测量，其包括反映递送内容能力的所有因素，包括链路利用率、交换或路由利用率和内容服务器利用率。因此，在各种不同的示例性实施例中，利用率信息包括相比总可用容量而言在节点中所使用的那部分可用容量。此外，在各种不同的示例性实施例中，利用率信息是真或假值，以指示通信链路上的容量是否可用。
在各种不同的示例性实施例中，节点可以发送请求至一个或多个相邻节点以更新网络状态。相反，在各种不同的示例性实施例中，节点自动地发送更新至相邻节点。在各种不同的示例性实施例中，更新消息是周期性更新、其以周期性的时间间隔发送利用率条件。此外，在各种不同的示例性实施例中，更新消息是告警更新，其通知相邻节点网络利用率已达到临界阈值并且应当避免所有任意的业务。此外，在各种不同的示例性实施例中，这些消息是通过将ASCII字符串嵌入XML或SOAP文件中来传输的。因此，在各种不同的示例性实施例中，所述消息的格式类似于“L1 OK”或“L1-＞U165％，L1 Switching 43％，L1Server 39％”。
通过前述内容可知，内容分发网络的运转实例如下。假设位于第一用户存储单元102处的用户具有指示他喜欢新喜剧电影的配置文件。新喜剧电影“Evan Almighty”可用，并且它因而立即升至该用户的“期望观看”的列表的顶部。
第一用户存储单元102是用户的家庭媒体服务器，其是可以保存电影的第一节点。网络中的每个节点(包括该用户的家庭媒体服务器)都可以包含下列内容：本地存储于该节点上的内容项的存储容量、用于确定内容项是否被本地存储于该节点上的索引、以及用于确定向何处查找未被本地存储的内容项的索引。
第一本地网络存储单元106维护用于指明在第二用户存储单元104、第二本地网络存储单元108以及第一远端网络存储单元110之中向何处查找“Evan Almighty”的索引。由于存储于每个节点中的内容持续更改，因此提供更新协议以使得节点能够通信从而告知相邻节点可从该节点或经由该节点获得什么内容。
关于需要什么内容的判定是通过每个用户的集体预测需求来驱动的，而不只是单个用户。因此，位于网络或用户位置的判定点预测该用户及每个其他用户的将来的内容需求。所需内容的集合通过网络连至更远的节点，这增加了其他有关用户的所需内容并且减去了已缓存在中间节点的任何内容。
因此，网络将自优化内容的传播。通常，仅被少量用户关注的项将被保存在基于用户的存储单元中。在本地服务区域内被普遍关注的项将被保存在本地存储单元中。因此，一些本地存储单元将保存与其他本地存储单元十分不同的项集合，这例如基于所服务区域中的种族、口语。无法事先预测的唯一或极少关注的项将被保存在远端存储单元中。
返回该例子，假设内容分发网络100确定“Evan Almighty”没有被本地存储于第一用户存储单元102中。用户因而可以从与第一本地网络存储单元106相连的另一用户获得来自该第一本地网络存储单元106的拷贝，或者从更远的缓存节点获得，例如第一远端网络存储单元110。
内容分发网络100首先穿过通信链路120寻找位于服务提供商的本地交换机楼中的第一本地网络存储单元106。基于“Evan Almighty”将对用户有用的信息，内容分发网络100将尝试在非高峰时段添加“Evan Almighty”至本地高速缓存中。所述非高峰时段是基于节点间传送的容量信息来识别的。
如果“Evan Almighty”不止被这一个用户关注，则它可以被保存在第一本地网络存储单元106中，而不是使用许多用户高速缓存的容量。如果许多本地或用户节点想要该电影的拷贝，则本地网络存储单元106可以通过组播或广播模式发送该电影，由此使得该电影可同时用于许多节点。
一旦“Evan Almighty”的拷贝被存储于节点中，它就被保存在该节点中直到该节点饱和并且该电影被更有用的内容段取代。基于感兴趣的用户的数目、访问概率等，新的内容段必须比“Evan Almighty”要“更好”。通过防止内容被“更好”内容以外的内容所取代，内容分发网络100最小化了搅动，当具有相似效用的项换入和换出时会发生该搅动。
根据前述内容，各种不同的示例性实施例使用关于将来内容消耗概率的预测信息来改进在多个网络级别缓存的效率并且卸载了需求峰值。因此，各种不同的示例性实施例改进了在内容分发网络中将个性化内容递送给用户的成本效益。
尽管各种不同的示例性实施例已经就其特定示例性方面进行了详细描述，然而应当理解，本发明能够实现其他不同的实施例，并且其细节可以在不同的方面被修改。在本发明的精神和范围内做出变型和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。因此，前面的公开、描述和附图只用于说明而决不限制本发明，本发明仅有权利要求限定。

Claims (25)

1.一种用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，包括：
在第一网络节点确定当前缓存的内容项的列表；
创建最高效用内容项的列表，该最高效用内容项的列表指示了最有可能从所述第一网络节点被请求的一个或多个内容项；
确定用于缓存的候选的列表，该用于缓存的候选的列表包括在所述最高效用内容项的列表中而不在所述当前缓存的内容项的列表中的项；
在所述第一网络节点从第二网络节点接收从所述用于缓存的候选的列表中所选出的内容项。
2.根据权利要求1所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，其中，所述内容分发网络是单播、广播、交换式广播和组播网络中的一个。
3.根据权利要求1所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，其中，当所述第一网络节点识别出一个或多个内容项的访问概率的更改时，开始关于确定当前缓存的内容项的列表的步骤。
4.根据权利要求1所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，其中，所述用于缓存的候选的列表是按照对内容项将被访问的概率的效用测量来被分级的。
5.根据权利要求4所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，其中，所选出的内容项是所述用于缓存的候选的列表中级别最高的内容项。
6.根据权利要求1所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，还包括当所述第一网络节点中用于存储所选出的内容项的存储空间不足够时丢弃一个或多个内容项。
7.根据权利要求6所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，其中，仅当对要丢弃的一个或多个内容项的组合效用测量比所选出的内容项的效用测量要小一预定阈值时，才执行关于丢弃一个或多个内容项的步骤。
8.根据权利要求1所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，其中，接收所选出的内容项的步骤仅在非高峰时段执行。
9.根据权利要求1所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，还包括从所述第二网络节点向所述第一网络节点发送更新，该更新提供了与当前存储于该第二网络节点中的内容项有关的信息。
10.根据权利要求9所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，其中，所述更新列出了当前存储于所述第二网络节点中的所有内容项。
11.根据权利要求9所述的用于管理存储于内容分发网络中的内容项的方法，其中，所述更新仅列出了从上一次向所述第一网络节点提供的更新起，存储于所述第二网络节点中的被丢弃的项和被添加的项。
12.一种用于在内容分发网络中缓存内容项的网络节点，包括：
存储部，其存储一个或多个内容项；
监视部，其构成用于缓存的候选的列表，该监视部通过识别在最高效用内容项的列表中而不在当前缓存的内容项的列表中的项来构成所述用于缓存的候选的列表，其中所述最高效用内容项的列表指示了最有可能被请求的一个或多个内容项；和
接收部，其从服务器网络节点接收所述用于缓存的候选的列表中的所选出的内容项。
13.根据权利要求12所述的用于在内容分发网络中缓存内容项的网络节点，其中，所述内容分发网络是单播、广播、交换式广播和组播网络中的一个。
14.根据权利要求12所述的用于在内容分发网络中缓存内容项的网络节点，其中，当所述存储部中用于存储所选出的内容项的存储空间不足够时，该存储部丢弃一个或多个内容项。
15.一种用于在内容分发网络中分发内容项的网络节点，包括：
存储部，其存储一个或多个内容项；
接收部，其接收来自客户端网络节点的下载请求，该客户端网络节点通过识别在最高效用内容项的列表中而不在当前缓存的内容项的列表中的项来构成所述下载请求，其中所述最高效用内容项的列表指示了最有可能从所述客户端网络节点被请求的一个或多个内容项；和
发送部，其向所述客户端网络节点发送存储于所述存储部中的所选出的内容项，该所选出的内容项是通过所述下载请求来识别的。
16.根据权利要求15所述的用于在内容分发网络中分发内容项的网络节点，还包括更新部，其向至少一个相邻节点传送存储于所述存储部中的内容的列表和可到达存储节点的列表。
17.根据权利要求15所述的用于在内容分发网络中分发内容项的网络节点，其中，当所述客户端网络节点中用于存储所选出的内容项的存储空间不足够时，所述客户端网络节点丢弃一个或多个内容项。
18.一种用于动态地管理内容项的存储的内容分发网络，包括：
第一网络节点，其确定当前缓存的内容项的列表和最高效用内容项的列表，该最高效用内容项的列表指示了最有可能从所述第一网络节点被请求的一个或多个内容项；和
第二网络节点，其存储一个或多个内容项，其中
所述第一网络节点确定用于缓存的候选的列表，该用于缓存的候选的列表包括在所述最高效用内容项的列表中而不在所述当前缓存的内容项的列表中的项，并且
所述第一网络节点从所述第二网络节点接收所述用于缓存的候选的列表中的所选出的内容项。
19.根据权利要求18所述的用于动态地管理内容项的存储的内容分发网络，其中，所述内容分发网络是单播、广播、交换式广播和组播网络中的一个。
20.根据权利要求18所述的用于动态地管理内容项的存储的内容分发网络，其中，当所述第一网络节点识别出一个或多个内容项的访问概率的更改时，该第一网络节点确定所述当前缓存的内容项的列表。
21.根据权利要求18所述的用于动态地管理内容项的存储的内容分发网络，其中，所述用于缓存的候选的列表是根据基于访问概率的效用测量来被分级的。
22.根据权利要求21所述的用于动态地管理内容项的存储的内容分发网络，其中，所选出的内容项是所述用于缓存的候选的列表中级别最高的内容项。
23.根据权利要求18所述的用于动态地管理内容项的存储的内容分发网络，其中，当所述第一网络节点中用于存储所选出的内容项的存储空间不足够时，该第一网络节点丢弃一个或多个内容项。
24.根据权利要求23所述的用于动态地管理内容项的存储的内容分发网络，其中，仅当对于要丢弃的一个或多个内容项的组合效用测量比对所选出的内容项的效用测量要低一预定阈值时，所述第一网络节点才丢弃一个或多个内容项。
25.根据权利要求18所述的用于动态地管理内容项的存储的内容分发网络，其中，所述第一网络节点仅在非高峰时段接收所选出的内容项。
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