CN103442039B - 一种基于缓存角色划分的缓存协同系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于缓存节点角色划分的缓存协同系统。缓存协同系统将网络节点分为接入层节点和核心层节点；接入层节点邻近所服务的用户，以传统的缓存替换算法独立地进行缓存决策和替换；核心层节点作为一个逻辑整体协同工作，用于提高整个缓存网络的缓存多样性。当对某个内容的请求到达接入层缓存节点时，首先查询其自身的缓存，如果存在，则直接将缓存内容返回，否则，将向核心层缓存节点查询是否存在所请求的内容，如果存在，则服务请求；当核心层也不存在所请求内容时，接入层节点最后依据FIB表将请求向该网络运营商或内容提供商外部转发。本发明的系统能有效地降低网络流量、提高用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于缓存角色划分的缓存协同系统，属于网络多媒体数据传输技术领域。
背景技术
当前，用户对互联网的需求正逐步从以点对点通信为主转变为以内容获取为主。传统的以单播路由为主的网络体系架构已经难以有效支撑海量的点对面的异步内容分发。作为一种适配点对面传输的技术，缓存能有效地缓解网络的流量压力。目前，无论是内容提供商还是网络运营商，都倾向于通过部署泛在的缓存系统来降低网络流量、提高用户体验。以NDN为代表的内容中心网络更是将内容缓存作为新型网络体系架构的基本组成要素。
在缓存泛在化、透明化的背景下，传统的基于单缓存的替换算法或基于层次结构的缓存协同机制不再适用。一方面，缓存系统应该尽量提高用户体验，因此，应尽量缓存流行度高的内容，并将这些内容推向网络的边缘，这将导致缓存网络中流行度高的内容将存在众多的副本，浪费宝贵的缓存资源；另一方面，对于访问频度较低的内容，额外的访问代价不应太高，因此应该尽量提高缓存的多样性，降低同一内容副本的出现频度，但一味地提高缓存的多样性难以保证用户对高频度内容访问的体验。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种基于缓存角色划分的缓存协同系统，能有效地降低网络流量、提高用户体验。
具体采用以下技术方案：
一种基于缓存角色划分的缓存协同系统，系统按照缓存网络的拓扑结构特征将由一个网络运营商或内容提供商管理的缓存系统分成接入层缓存节点和核心层缓存节点两部分，与用户直接连接或邻近的缓存节点为接入层缓存节点，远离用户位于网络核心的为核心层缓存节点；所述接入层缓存节点以每个缓存为独立单元，按照传统的缓存替换策略独立地作出缓存替换决定；所述核心层缓存节点以分布式哈希表的方式构成一个逻辑整体，以协同的方式作出缓存决策和缓存替换决定；所述接入层缓存节点包括接入层请求处理模块、响应处理模块和接入层缓存替换模块；所述核心层缓存节点包含核心层请求处理模块、基于分布式哈希的路由模块和核心层缓存替换模块。
所述接入层请求处理模块的处理流程如下：当某个内容c的请求到达时，
步骤1，检查自身的缓存是否包含被请求的内容c，如果包含，则直接返回相关内容，并更新用于缓存替换的相关状态，否则，执行下一步；
步骤2，判断自身是否是接入层节点层次缓存结构的根节点，若不是，则将请求向父缓存节点转发，否则，节点位于接入层层次缓存结构的根，将请求消息转换成核心层的查询请求，并发送给核心层节点；
步骤3，若核心层依然不包含所请求的查询内容，则向发出查询的接入层节点发送失败消息；
步骤4，查询FIB表，将请求发送往FIB表给出的下一跳；
步骤5，记录查询的ID和接收到该请求的端口。
所述接入层缓存节点的响应处理模块的处理流程如下：当某个内容的响应到达时，如果该响应是对核心网查询的响应，则表明核心网包含所查询内容的缓存，将内容沿着接入层的层次缓存结构返回给请求者，按照节点的缓存策略作出缓存决策；如果该响应是由于FIB表的请求转发而得到的响应，则将内容沿着接入层的层次缓存结构返回给请求者，由接入层缓存替换模块按照节点的缓存策略作出缓存决策,同时,根据内容响应消息构造一个内容插入请求，向核心层缓存节点提交该内容插入请求。
所述核心层请求处理模块，接收接入层缓存节点发送的内容查询请求和内容插入请求；当核心层缓存节点接收到接入层缓存节点的内容查询请求时，依据分布式哈希路由模块，将内容查询请求路由到负责该内容的核心层缓存节点，由该节点的核心层缓存替换模块进行缓存的替换；当内容查询请求路由到负责该内容的核心层缓存节点后，该节点查询自身的缓存，如果存在所请求的内容，则将其返回给发出请求的接入层缓存节点，如果不存在所请求的内容，则向发出请求的接入层缓存节点发送失败的消息。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)通过划分缓存角色,在边缘接入网缓存存储高频度访问内容,而在核心网缓存通过哈希方式存储低频度访问内容,能有效提高用户体验；
(2)通过提高同一个自治系统网络的缓存多样性,能有效降低网络域间流量。
附图说明
图1是本发明的缓存角色划分示意图；
图2是本发明接入层缓存节点请求处理模块工作流程；
图3是本发明接入层缓存节点响应处理模块工作流程。
具体实施方式
本实施例公开了一种缓存节点的角色划分和缓存网络组建方法：
1.由一个网络运营商或内容提供商管理的缓存系统被划分成接入层节点和核心层节点两部分；
2.按照缓存网络的拓扑结构特征对缓存节点进行角色划分，与用户直接连接或邻近的缓存节点为接入层节点，远离用户位于网络核心的为核心层节点。可以按照节点距离用户的距离d来进行划分，当d大于某个门限值D时，节点为核心层节点，反之，为接入层节点；也可以按照网络节点的核数(coreness)进行角色划分，当节点的核数k大于某个门限值K时，为核心层节点，反之，为接入层节点；如图1所示，按照距离用户的距离来进行划分（D=1），则R1-R4为接入层缓存节点，R5-R9为核心层缓存节点。
3.如果在用户到核心层节点的路径上存在多个接入层节点，则这些接入层节点构成层次化的缓存；
4.接入层缓存节点以每个缓存为独立单元，按照传统的缓存替换策略独立地作出缓存替换决定；
5.核心层缓存节点以分布式哈希表(chord,Pastry)的方式构成一个逻辑整体，以协同的方式作出缓存决策和缓存替换决定。
本实施例的基于上述缓存节点角色划分的缓存协同系统，其中，接入层缓存节点包含请求处理模块、响应处理模块和缓存替换模块；
如图2所示，当对某个内容c的请求到达接入层缓存节点时，请求处理模块执行下述动作：
步骤1，检查自身的缓存是否包含被请求的内容c，如果包含，则直接返回相关内容，并更新用于缓存替换的相关状态，否则，
步骤2，判断自身是否是接入层节点层次缓存结构的根节点，若不是，则
步骤3，将请求向父缓存节点转发；
步骤4，否则，节点位于接入层层次缓存结构的根，将请求消息转换成核心层的查询请求，并发送给核心层节点；
步骤5，若核心层依然不包含所请求的查询内容，则向发出查询的接入层节点发送失败消息；
步骤6，查询FIB表，将请求发送往FIB表给出的下一跳；
步骤7，记录查询的ID和接收到该请求的端口；
如图3所示，当某个内容的响应到达接入层缓存节点时，如果该响应是对核心网查询的响应，则表明核心网包含所查询内容的缓存，则：
步骤1，将内容沿着接入层的层次缓存结构返回给请求者；
步骤2，按照节点的缓存策略作出缓存决策；
否则，如果该响应是由于FIB表的请求转发而得到的响应，则
步骤1，将内容沿着接入层的层次缓存结构返回给请求者；
步骤2，由缓存替换模块按照节点的缓存策略作出缓存决策；
步骤3，由内容响应消息构造一个内容插入请求，向核心层缓存节点提交该内容插入请求。
核心层缓存节点包含请求处理模块、基于分布式哈希的路由模块和缓存替换模块。
核心层缓存节点请求处理模块负责接收并处理接入层缓存节点发送的内容查询请求和内容插入请求。
当核心层缓存节点接收到接入层缓存节点的内容查询请求时，
步骤1，依据分布式哈希路由模块，将内容查询请求路由到负责该内容的核心层缓存节点；
步骤2，当内容查询请求路由到负责该内容的核心层缓存节点后，该节点查询自身的缓存；
步骤21，如果存在所请求的内容，则将其返回给发出请求的接入层缓存节点；
步骤22，如果不存在所请求的内容，则向发出请求的接入层缓存节点发送失败的消息。
当核心层缓存节点接收到接入层缓存节点的内容插入请求时，基于分布式哈希路由模块将内容插入请求路由到负责该内容的核心层缓存节点，由该节点的缓存替换模块进行缓存的替换。
Claims (3)
1.一种基于缓存角色划分的缓存协同系统，其特征在于，系统按照缓存网络的拓扑结构特征将由一个网络运营商或内容提供商管理的缓存系统分成接入层缓存节点和核心层缓存节点两部分，与用户直接连接或邻近的缓存节点为接入层缓存节点，远离用户位于网络核心的为核心层缓存节点；所述接入层缓存节点以每个缓存为独立单元，按照传统的缓存替换策略独立地作出缓存替换决定；所述核心层缓存节点以分布式哈希表的方式构成一个逻辑整体，以协同的方式作出缓存决策和缓存替换决定；所述接入层缓存节点包括接入层请求处理模块、响应处理模块和接入层缓存替换模块；所述核心层缓存节点包含核心层请求处理模块、基于分布式哈希的路由模块和核心层缓存替换模块；
所述接入层请求处理模块的处理流程如下：当某个内容c的请求到达时，
步骤1，检查自身的缓存是否包含被请求的内容c，如果包含，则直接返回相关内容，并更新用于缓存替换的相关状态，否则，执行下一步；
步骤2，判断自身是否是接入层节点层次缓存结构的根节点，若不是，则将请求向父缓存节点转发，否则，节点位于接入层层次缓存结构的根，将请求消息转换成核心层的查询请求，并发送给核心层节点；
步骤3，若核心层依然不包含所请求的查询内容，则向发出查询的接入层节点发送失败消息；
步骤4，查询FIB表，将请求发送往FIB表给出的下一跳；
步骤5，记录查询的ID和接收到该请求的端口。
2.根据权利要求1所述的一种基于缓存角色划分的缓存协同系统，其特征在于，所述接入层缓存节点的响应处理模块的处理流程如下：当某个内容的响应到达时，如果该响应是对核心网查询的响应，则表明核心网包含所查询内容的缓存，将内容沿着接入层的层次缓存结构返回给请求者，按照节点的缓存策略作出缓存决策；如果该响应是由于FIB表的请求转发而得到的响应，则将内容沿着接入层的层次缓存结构返回给请求者，由接入层缓存替换模块按照节点的缓存策略作出缓存决策,同时,根据内容响应消息构造一个内容插入请求，向核心层缓存节点提交该内容插入请求。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于缓存角色划分的缓存协同系统，其特征在于，所述核心层请求处理模块，接收接入层缓存节点发送的内容查询请求和内容插入请求；当核心层缓存节点接收到接入层缓存节点的内容查询请求时，依据分布式哈希路由模块，将内容查询请求路由到负责该内容的核心层缓存节点，由该节点的核心层缓存替换模块进行缓存的替换；当内容查询请求路由到负责该内容的核心层缓存节点后，该节点查询自身的缓存，如果存在所请求的内容，则将其返回给发出请求的接入层缓存节点，如果不存在所请求的内容，则向发出请求的接入层缓存节点发送失败的消息。
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