CN104506432B

CN104506432B - 一种内容请求率的聚合及缓存放置方法

Info

Publication number: CN104506432B
Application number: CN201410833944.7A
Authority: CN
Inventors: 李唯源; 李杨; 林涛; 赵志军
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2017-12-29
Anticipated expiration: 2034-12-26
Also published as: CN104506432A

Abstract

本发明提供了一种内容请求率的聚合方法，包括如下步骤：将网络划分为若干个簇，每个簇包括一个支配节点和若干个非支配节点；每个接入路由器节点建立请求向量RV(O_k)；每个簇的簇头建立请求向量RV(O_k)；接入路由器节收到请求O_k，更新其请求向量RV(O_k)；对于请求O_k，通过解析请求名称获得到达网关的最短路径；请求O_k与RV(O_k)传入最短路径的每个路由器节点；并依次更新每个节点所在簇头的RV(O_k)，直至请求O_k与RV(O_k)到达最短路径中的最后一个路由器节点。基于上述内容请求率的聚合方法，本发明还提供了一种缓存放置方法。本发明的方法可以减少网络缓存冗余，增加缓存多样性，提高了网络的整体资源利用率。

Description

一种内容请求率的聚合及缓存放置方法

技术领域

本发明涉及未来网络缓存技术领域，具体涉及一种内容请求率的聚合及缓存放置方法。

背景技术

随着互联网应用的普及，内容服务已经成为网络服务的主体，对于用户来说，内容共享是互联网最主要的一个功能。用户并不关心信息承载在哪台计算机上，也不关心某个视频是哪个主机提供的，关心的是内容传送过来的速度、质量以及是否安全。但是，在目前的互联网架构下，仍然是根据主机地址进行内容的检索和传送，这种方式已无法适应上层应用的变化。

为了解决上述问题，内容中心网络(Content Centric Network,CCN)这一革命式的网络架构应运而生，该架构通过基于名称的路由和网内缓存，实现从面向主机的点到点通信模式到以内容为中心的通信模式转变。在CCN中，用户想要获取内容时，首先发送一个兴趣包，路由器收到这个兴趣包后会检查本地的存储空间是否有匹配的内容，如果有，则直接将匹配的数据包沿原路返回给用户，如果没有，则继续以基于名称的路由方式向服务器转发。这样，用户的请求能够在中间节点得到响应，而不需要像IP网络需要穿过整个网络到服务器才满足，从而优化带宽使用效率，提高用户内容获取性能。

因此，CCN的一个重要特征是如何管理网内缓存节点，包括缓存决策和替换策略。LCE(Leave Copy Everywhere)是CCN默认的缓存决策策略,也称ALWAYS策略，即当对象返回时，沿途的所有节点都缓存该对象的副本，但这种方式容易造成缓存冗余，即相同的对象在多个节点同时存有副本，降低了缓存系统所能缓存内容的多样性。

C′esar Bernardini等提出了MPC策略，该策略只缓存流行的内容，每个节点统计本地计算用户对内容的请求数目，并以<内容名称；流行度计数>对的形式存储到流行度表中，如果某个内容达到了流行度门限，那么该内容会被标记为流行的，持有该内容的节点会像其邻居节点发送一个消息，建议邻居节点也缓存该内容，邻居节点根据自己的本地策略来决定是否采纳该建议消息。MPC策略在提高缓存性能的同时降低了资源浪费。

如图1(a)所示，节点A、B、C会请求一个存储在节点D的流行的内容d1，节点A还会请求一个存储在节点E的不流行的内容e1。图1(b)采用MPC策略，当节点A发送对内容e1的兴趣包时，沿着路径A-C-D-E的每个节点的流行度表中e1的流行度都会增加，例如在节点A、C、D、E中e1的流行度设为1。相似地，B发送对内容d1的兴趣包后，沿着路径B-C-D的节点中d1流行度设为1，在A和C也发送对d1的兴趣包后，节点C和D中d1的流行度变为3。假设此时只有节点D持有内容d1，而且d1的流行度达到了流行度门限，节点D会向它的邻居C和E发送建议信息，C和E因此缓存内容d1，并对后续的请求进行相应，显然MPC策略节约了存储和带宽资源，减少缓存操作次数，而且由于d1是流行的内容，节点E也可能受到后续对d1请求，提高了请求命中率。

HaoWu等提出了EMC缓存策略，该策略充分利用全局流行度信息，每个节点本地进行缓存决策，以致尽可能多的在Intennet服务提供商(ISP)域内响应请求，从而降低ISP域间流量，减少骨干网的压力。每个接入路由器周期性地在本地向量RV中记录每个内容的请求率，并将RV沿着转发路径向网关传播。中间节点会对从其子节点收到的相同内容的请求率进行聚合，沿路节点检查每个内容的请求率，如果请求率低于阈值，那么对该内容加上LOW标签，该标签也随之向上传播。从网关路由器到接入路由器依次向下进行缓存决策，首先路由器查看其收到的RV，根据请求率进行降序排列，然后依次进行存储，直至存储空间满。如果内容在一个节点缓存了，那么其子节点的RV和缓存都删除其内容，以降低缓存冗余；如果内容在一个网关缓存了，那么其他网关也不再需要缓存该内容。

MPC策略只缓存最流行的内容，采用本地节点统计内容请求数目的方式，以内容的请求数目反映其流行度情况。但该方式仅仅得到局部的流行度，而无法得到全局的内容流行度，且忽略了“过滤”影响，即只有低层缓存没有命中的请求才会被转发给高层缓存节点，这样高层缓存节点统计的请求数目更加随机，实际上不能很好地代表内容的流行度分布。

EMC策略的目标是降低ISP域间的流量，因此其缓存放置的结果是在ISP域内缓存命中率越高越好，流行度高的内容放置到了网关处，而边缘节点放置的是流行度相对较低的内容，但这样的结果是同层节点之间产生冗余。如图2所示，中间节点R₃和R₄都缓存了内容O₃，而R₃和R₄实际上彼此相邻，即导致了很多相邻的节点缓存了相同的内容，缓存多样性下降。除此之外，EMC策略要求网络是树状拓扑，这与CCN任意网络拓扑的初衷不符。

发明内容

本发明的目的在于克服目前内容中心网络缓存策略存在的上述问题，按照连通支配集的概念将网络划分为若干个簇，在此基础上，提出了一种内容请求率的聚合方法，并按照内容请求率的排序，提出了一种缓存放置方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种内容请求率的聚合方法，包括如下步骤：

步骤101)将网络划分为若干个簇，每个簇包括一个支配节点和若干个非支配节点；每个接入路由器节点建立RV(O_k)；每个簇的簇头建立RV(O_k)；

步骤102)接入路由器节点收到请求O_k，更新其请求向量RV(O_k)；

步骤103)对于请求O_k，通过解析请求名称获得到达网关的最短路径；

步骤104)请求O_k与请求向量RV(O_k)传入最短路径的下一个路由器节点；

步骤105)判断接收到请求向量RV(O_k)的节点是否为支配节点，如果判断结果是肯定的，转入步骤107)；否则转入步骤106)；

步骤106)将请求O_k与请求向量RV(O_k)传到该节点所在簇的支配节点；

步骤107)更新支配节点的请求向量RV(O_k)；并给内容请求率小于最低门限值的请求向量RV(O_k)添加一个LOW的标签；

步骤108)判断此节点是否为最短路径的最后一个节点，如果判断结果是肯定的；流程结束；否则，转入步骤104)。

上述技术方案中，所述请求向量RV(O_k)的数据格式为：{请求O_k，内容名称OID_k，内容请求率ORate_k}。

上述技术方案中，所述步骤101)进一步包括：

步骤101-1)将网络划分为若干个簇，每个簇包括一个支配节点和若干个非支配节点；

步骤101-2)每个接入路由器节点统计内容请求率，并记录到对应的请求向量RV(O_k)中；

步骤101-3)每个簇的簇头将所有接收到的请求向量RV(O_k)的内容请求率相加，并记录到该簇头的请求向量RV(O_k)中。

上述技术方案中，所述步骤101-3)中的请求向量RV(O_k)不仅来自本簇的非支配节点发送的，还有来自转发路径上其它簇发送的。

上述技术方案中，所述步骤102)中更新其请求向量RV(O_k)为：将请求向量RV(O_k)中的ORate_k加1。

基于上述内容请求率的聚合方法，本发明还提供了一种缓存放置方法，包括如下步骤：

步骤201)在每个簇的簇头建立一个请求向量表；将所有请求向量按照其内容请求率降序排列顺序存入请求向量表；对于标记了LOW的请求向量，将其向后移动到请求向量表的末端；

步骤202)按照请求向量表从前至后的顺序选择对应的请求内容，放置在簇头的缓存空间中直至放满；

步骤203)从簇内其他节点随机选择一个节点继续缓存请求向量表中的内容，直至簇内所有节点的缓存空间都被占用；

步骤204)每个簇的簇头会维护一个节点目录，该目录记录请求内容的缓存节点。

本发明的优点在于：

1、本发明的方法利用连通支配集的概念，将网络划分为规则的簇层次结构；采用簇内的缓存协同放置策略，减少冗余，增加了缓存多样性，提高了网络的整体资源利用率；

2、本发明的方法基于接入路由器统计内容请求率并沿着转发路径向网关传播的方式，提出了一种全局的内容流行度统计的方式；同时，通过LOW标签标记局部流行度过低的内容，使得内容在按照流行度从网关向边缘放置时充分考虑了全局和局部冷热不均的情况；

3、本发明的方法使簇内无冗余协同放置，簇间按照上下游关系按照内容流行度对内容进行放置，增加了域内缓存内容数量；同时在进行缓存放置时考虑了内容全局和局部的流行度，减小了网络出口流量。

附图说明

图1(a)为CCN中缓存节点示意图；

图1(b)为现有技术中MPC策略缓存节点示意图；

图2为现有技术中EMC策略缓存节点示意图；

图3为本发明的内容请求率的聚合方法的流程图；

图4为仿真实现中的网络拓扑结构图；

图5为将图3按照本发明方法进行网络分簇的示意图；

图6为对表1中的内容请求率分布情况使用本发明的方法后的缓存结果图；

图7为对表2中的内容请求率分布情况使用本发明的方法后的缓存结果图。

具体实施方式

本发明的应用平台为：一个网络拓扑结构，包含一个网关和若干个路由器节点。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图3所示，一种内容请求率的聚合方法，包括如下步骤：

请求向量RV(O_k)的数据格式为：{请求O_k，内容名称OID_k，内容请求率ORate_k}；内容请求率ORate_k越大，表明该内容热度越高。

所述步骤101)包括：

引用连通支配集的概念将网络划分为若干个簇，每个簇内只包含一个支配节点，该支配节点作为簇头；每个非支配节点的一跳距离都至少有一个支配节点，因此，簇内其余节点为与该支配节点相邻的非支配节点。簇内的非支配节点受支配节点管理；簇间形成从边缘到网关的分层结构。

每个簇的簇头接收到的请求向量RV(O_k)，不仅来自本簇的非支配节点发送的，还有来自转发路径上其它簇发送的。

步骤102)接入路由器节收到请求O_k，更新其请求向量RV(O_k)；

所述更新请求向量RV(O_k)为：将请求向量RV(O_k)中的ORate_k加1。

所述最低门限值通过经验和统计规律优选获得，设置最低门限值的目的是过滤出不流行的内容，从而降低网络和存储开销。

如果请求O_k有LOW标签，说明该请求内容在局部不流行。LOW标签也会沿着转发路径向网关传播，即只要请求O_k在某一簇内被添上了LOW标签，那么该请求的上游簇一定有LOW标签；

基于上述内容请求率的聚合方法，本发明还提供了一种缓存放置方法，包括：

当有请求O_k到达簇m的簇头时，如果簇头没有响应，那么会查询该簇的节点目录，判断能否在簇m内找到该请求内容，如果簇m内其他节点都没有缓存该请求内容，继续向上游簇转发该请求；如果在上游簇内能找到该请求，则将簇m的RV(O_k)删掉，这样，请求O_k的转发路径上的簇m将不会缓存请求O，避免了上下游簇中的内容冗余。

下面对现有的方法和本发明的方法进行仿真实现。

如图4所示，网络拓扑结构中包括一个网关(GW)和10个路由器节点。

假设每个路由器只能缓存一个内容。表1给出了各个接入路由器收到的请求内容及其请求率，其中，#R代表接入路由器编号，O_k代表第k个内容。假设请求率的最低门限为11，内容O₆，O₇和O₈的请求率都低于门限，因此都会被标记为LOW。

表1

本发明还考虑了“局部冷全局热”情况，各个接入路由器收集到的内容请求率见表2：

表2

最低门限值仍为11，除了内容O₆，O₇和O₈会被标记为LOW外，在节点R₉和R₁₀处O₁也会被标记为LOW，这样节点R₁的RV表中，O₁的请求率是最多的，但它仍会被标记为LOW，说明内容O₁虽然从全局来看是流行的，但在局部如R₉和R₁₀处是不流行。

采用本发明的方法，如图5所示，首先基于连通支配集对网络进行分簇。

对于表1中给出的内容请求率分布情况，内容流行度的分布比较一致，各个簇的簇头对RV按照内容请求率降序排列后，从网关开始依次对内容进行缓存，缓存结果如图6所示。对于表2中给出内容请求率分布情况，在路由器节点R₁处，由于内容O₁有标签LOW，在排序后会移动到RV表的末端，即节点R₁的RV表的顺序为O₂O₃O₄O₅O₁O₆O₁O₇O₈，缓存结果如图7所示。

Claims

1.一种内容请求率的聚合方法，包括如下步骤：

步骤101)将网络划分为若干个簇，每个簇包括一个支配节点和若干个非支配节点；每个接入路由器节点建立请求向量RV(O_k)；每个簇的簇头建立请求向量RV(O_k)；

步骤108)判断此节点是否为最短路径的最后一个节点，如果判断结果是肯定的；流程结束；否则，转入步骤104)；

所述请求向量RV(O_k)的数据格式为：

{请求O_k，内容名称OID_k，内容请求率ORate_k}

所述步骤101)进一步包括：

步骤101-3)每个簇的簇头将所有接收到的请求向量RV(O_k)的内容请求率相加，并记录到该簇头的请求向量RV(O_k)中；

所述步骤101-3)中的请求向量RV(O_k)不仅来自本簇的非支配节点发送的，还有来自转发路径上其它簇发送的。

2.根据权利要求1所述的内容请求率的聚合方法，其特征在于，所述步骤102)中更新其请求向量RV(O_k)为：将请求向量RV(O_k)中的内容请求率ORate_k加1。

3.一种缓存放置方法，基于权利要求1-2之一所述的内容请求率的聚合方法实现，该方法包括如下步骤：

步骤201)在每个簇的簇头建立一个请求向量表；所述请求向量表由若干个请求向量RV(O_k)组成，将所有请求向量按照其内容请求率降序排列顺序存入请求向量表；对于标记了LOW的请求向量，将其向后移动到请求向量表的末端；