CN104580165B - 智慧协同网络中的一种协作缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在智慧协同网络中实现协作缓存的方法。在一个网络中设置一个资源管理器，决定内容在网络中的缓存位置，并维护一个缓存摘要表，记录本网络路由器的缓存资源。当资源管理器收到内容请求者发送的服务请求包时，首先在缓存摘要表中寻找对应的表项。如果找到，则直接将服务请求发送至该表项记录的内容路由器处；如果没有，则查询服务注册表，并将服务请求转发给相邻网络的资源管理器；资源管理器在收到服务数据包时，根据内容放置算法，将服务数据包缓存在选择的内容路由器处。本发明可实现缓存资源的动态适配，并通过资源管理器把命中请求路由至缓存该服务内容的内容路由器处，可以实现域内缓存协作，能够减少缓存冗余，并提高缓存性能。

Description

智慧协同网络中的一种协作缓存方法

技术领域

本发明涉及智慧协同网络中一种实现协作缓存的方法，属于互联网技术领域。

背景技术

智慧协同网络是一种新的下一代互联网网络架构。智慧协同网络通过动态感知网络状态并智能匹配服务需求，进而选择合理的网络族群及其内部组件来提供智慧化的服务，并通过引入行为匹配、行为聚类、网络复杂行为博弈决策等机制来实现资源的动态适配和协同调度，大幅度提高网络资源利用率，降低网络能耗等，显著提升用户体验。

智慧协同网络的“三层”、“两域”总体系架构模型，如图1所示。“三层”即：智慧服务层、资源适配层和网络组件层；“两域”即实体域和行为域。“三层”、“两域”新体系结构模型中，“智慧服务层”主要负责服务的标识和描述，以及服务的智慧查找与动态匹配等；“资源适配层”通过感知服务需求与网络状态，动态地适配网络资源并构建网络族群，以充分满足服务需求进而提升用户体验，并提高网络资源利用率；“网络组件层”主要负责数据的存储与传输，以及网络组件的行为感知与聚类等。

如图2中实线所示，当某个网络组件需要获取某个服务时，向其本地资源管理器发送服务请求消息。该服务请求消息包含该网络组件的组件身份标识、所需服务的服务标识等信息，如图2中(i)所示。本地资源管理器收到该服务请求后，如果本地有其他网络组件(例如：某个内容路由器)能够提供所需服务，直接将该请求转发给该内容路由器。否则，将该请求发送给其某个邻域(如provider)的资源管理器，如图2中(ii)所示。类似的，RM₅将服务请求转发给RM₆，如图2中(iii)所示。此时，RM₆可以在其服务注册表中查到该服务标识的条目，因此向RM₃转发该服务请求，如图2中(iv)所示。RM₃收到该服务请求后，根据其本地策略决定将该服务请求转发给RM₁，如图2中(v)所示。此时，RM₁知道网络组件Server提供所需服务，于是将服务请求转发给Server，如图2中(vi)所示。当每个资源管理器向其邻域转发服务请求的时候，该资源管理器根据其本地策略，选择一条该域与其邻域的域间路由族群，并附加在服务请求后面，发送给其邻域的资源管理器，从而完成服务标识到族群标识的映射。

数据包转发示意图如图3所示。网络组件Server收到服务请求后，它知道去往服务请求者Client的域间路由族群。此时，它将收到的域间路由族群、所需服务的服务标识、服务请求者的组件身份标识等放在分组头部。然后，它将服务数据包发送至本地资源管理器。资源管理器收到数据包后，查找其本地域间路由表，发现路由族群P6在该域的端点为R1。假定域D1利用IP做域内路由，则资源管理器为数据包封装一个IP报头，报头的目的地址为R1的IP地址IP1。之后，资源管理器将数据包发送给R1。R1收到数据包后，剥去IP报头，知道数据包应该沿着路由族群P6转发出去，于是将数据包向路由族群P6转发。当数据包到达路由族群P6的另一个端点R2时，R2剥去数据包头部的路由族群P6，并将数据包发送至RM₃。RM₃收到数据包后，知道数据包应该沿着路由族群P5转发。于是，RM₃查找其域间路由表，了解到路由族群P5在该域的端点为R5，于是采用该域的路由机制将分组转发给R5。类似的，R5将该分组向路径P5转发。如此继续，服务数据包将被发送给服务请求者Client。

目前智慧协同网络中，缺乏一种高效的协作缓存机制。本发明基于智慧协同网络，根据资源管理器实现网络缓存协作机制，以提高网络缓存资源利用率，提高网络服务质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高智慧协同网络缓存性能的方法，要解决的技术问题是提供一种在智慧协同网络中实现协作缓存的方法。

实现本发明目的技术方案为:

一种智慧协同网络协作缓存方法，该方法分为资源管理器服务请求包处理流程和资源管理器服务数据包处理流程：

1)服务请求包处理流程

当收到来自客户端的服务请求包时，资源管理器的服务请求包处理流程，可分为以下三个步骤：

步骤一：资源管理器收到该服务请求包后，首先查询所述的缓存摘要表，如果缓存摘要表中有该服务标识对应的条目，则进入步骤二；如果没有，则进入步骤三；

步骤二：根据缓存摘要表中对应条目记录的组件标识，该资源管理器将服务请求包发送至该组件标识对应的内容路由器处，同时将对应条目的缓存命中次数加1，并结束服务请求包处理流程；

步骤三：该资源管理器查询注册表，根据注册表将服务请求包发送至下一跳资源管理器，并结束服务请求包处理流程；

2)服务数据包处理流程

每个域的网络管理者通过资源管理器自由地决定每个服务数据包在域内的缓存副本数量。这个数量可以是0份(也就是不缓存)、1份、甚至是多份，通常小于域内内容路由器的数量；当收到服务数据包时，资源管理器的服务数据包处理流程，可分为以下四个步骤：

步骤一：资源管理器收到该服务数据包后，根据本地策略决定是否在本域缓存该服务数据包，如果不需要缓存，则进入步骤二；如果需要缓存，则进入步骤三；

步骤二：资源管理器根据本地策略决定不在本域缓存该服务数据包，进入步骤四。

步骤三：资源管理器根据本地策略决定该服务数据包在本域的缓存副本数量(标记为K，K≥1)，然后根据内容放置算法在域内选择K个内容路由器来缓存该数据包的副本，并将对应的信息添加进缓存摘要表，同时将数据包的副本转发至选择出的内容路由器处，然后进入步骤四。

步骤四：资源管理器根据路由表将服务数据包转发至下一跳，服务数据包处理流程结束；

在资源管理器服务请求包处理流程和资源管理器服务数据包处理流程中，所述的缓存摘要表为：缓存摘要表由每一个资源管理器负责建立并维护，表中每一条条目记录了域内的某个内容路由器的如下信息：

该内容路由器的组件标识；

缓存命中次数；

偏心度；

被该内容路由器缓存的数据包的服务标识；

其中，内容路由器(例如R_n)的偏心度(Eccentricity Centrality：Ec)由公式(1)计算得到：

公式(1)中R_i是域内的某个内容路由器；c(R_n,R_i)是R_n到R_i之间最短路径的代价。

一种内容放置算法，其目的是在域内选择内容路由器；该算法的输入是权利要求1的服务数据包在域内的缓存副本数量，标记为K，输出是K个内容路由器的组件标识；用集合V_o表示网络中内容路由器的集合，集合V表示网络中缓存命中次数最小的内容路由器的集合，则内容放置算法的步骤为：

步骤一：构建集合M_K，并置M_K和V均为空；

步骤二：根据权利要求1的缓存摘要表，选出集合V_o中当前命中数量最小的内容路由器放入集合V中；

步骤三：根据K和|V|的值，进行判定；如果K>|V|，进入步骤四；如果K＝|V|，进入步骤五；如果K<|V|，进入步骤六；

步骤四：多轮次的调用内容放置算法，将集合V中的元素放入M_K中，重置K值为K-|V|，同时删除V_o和V中两个集合共有的元素，最后重复步骤二；

步骤五：将集合V中的元素放入M_k中，然后进入步骤十三；

步骤六：构建拓扑G＝(V,E)，同时以边代价不减小的顺序将E中的边进行排序和编号，例如c(e₁)≤c(e₂)≤c(e₃),e₁,e₂,e₃∈E，然后进入步骤七；

步骤七:构建G_i＝(V,E_I),其中E_I＝(e₁,e₂,e₃,…,e_I)，然后进入步骤八；

步骤八：为每一个G_I构建G_I ²，构建的原则是：对于在G_I中的任意两个节点，如果存在一条不超过两跳的路径连接这两个节点，G_I ²会增加一条新的路径用于直连这两个节点；然后进入步骤九；

步骤九：为每一个G_I ²，计算其所有的最大独立集，标记为M_I(j)，然后进入步骤十；

步骤十：找到最小的I值使得|M_I|≤K，标记为M_L，进入步骤十一；

步骤十一：对每一个M_L(j)，计算并在其中选出

其中Ec(M_L(j))最小的集合，标记为M_L(m)，进入步骤十二；

步骤十二：将集合M_L(m)中的元素放入M_K中，进入步骤十三；

步骤十三：集合M_K中的元素为选择出的内容路由器，内容放置算法结束。

以下部分是对上述缓存协作方法进行举例说明，不属于权利要求范围：

本算法用于在集合V_o中选出K个元素。算法的增益效果是将数据包优先缓存在那些缓存命中次数最低的内容路由器，以提高缓存效率。当多个内容路由器缓存命中次数相同时，该算法能够将数据包优先缓存在更加位于拓扑中心的内容路由器，以降低获取该数据包的成本。下面对如何使用智慧协同网络内容放置算法进行说明。

以图5中的自治域为例，说明本发明提出的内容放置算法的工作过程。自治域拓扑G_o包含了7个内容路由器以及7条链路。我们假设该自治域的网络管理者将数据包在域内的缓存副本数量设定为6，意味着内容放置算法需要选择出6个内容路由器，也就是K＝6。我们将选择出的内容路由器用集合M_K表示。在初始化阶段，每一个内容路由器的缓存空间都是空的，其对应的缓存命中统计数为0。同时，我们使用链路的跳数作为链路的代价。自治域原始的拓扑G_o以及每条边的代价如图5.(1)所示。

第一步：当收到服务数据包时，资源管理器调用内容放置算法。算法首先会根据缓存摘要表，选出集合V_o中当前命中数量最小的内容路由器放入集合V中。在示例中，因为集合V_o中每一个元素的缓存命中数相同，所以集合V_o中每一个元素都放入了集合V中。

第二步：算法判定K<|V|，构建新的拓扑G＝(V,E)，并根据边的代价将E中的边进行排序和编号。排序的规则是将每条边以边代价不减小的顺序进行排序，例如c(e₁)≤c(e₂)≤c(e₃),e₁,e₂,e₃∈E。构建的拓扑G和编号后的边如图5.(2)所示。

第三步:构建G_I＝(V,E_I),其中E_I＝(e₁,e₂,e₃,…,e_I)。G₁，G₄和G₇分别如图5.(3-5)所示，G₂，G₃，G₅和G₆未在图中展示。

第四步：为每一个G_I构建G_I ²。G_I ²构建的原则是：对于在G_I中的任意两个节点，如果存在一条不超过两跳的路径连接这两个节点，G_I ²会增加一条新的路径用于直连这两个节点。图5.(6-8)分别展示了G₁ ²，G₄ ²和G₇ ²。

第五步：为每一个G_I ²，计算其所有的最大独立集，标记为M_I(j)。图5.(9-14)展示了G₁ ²，G₄ ²和G₇ ²的所有最大独立集。

第六步：找到最小的I值使得|M_I|≤K，标记为M_L。由于K＝6，所以L＝1。

第七步：对每一个M_L(j)，计算，并在其中选出其中最小的集合。在图5示例中，M₁(j)中j的值只能为1或者2。由于Ec(M₁(1))＝Ec(M₁(2))，所以M₁(1))和M₁(2)均可以是集合M_K。

下面结合图5的自治域和图6对本算法进一步说明。在某时刻，资源管理器收到服务数据包，同时调用内容放置算法。此时，我们假设K值仍然为6，同时假设R_a，R_b，R_c，R_d和R_e的缓存命中次数为0，其他内容路由器的缓存命中次数为1。自治域原始的拓扑G_o如图6.(1)所示。算法首先会根据缓存摘要表，选出集合V_o中当前命中数量最小的内容路由器放入集合V中。此时V＝{R_a，R_b，R_c，R_d，R_e}。因为K和|V|的值分别是6和5，也就是K>|V|，算法将多轮次的发动。首先将集合V中的元素放入M_K中，重置K值为K-|V|，同时删除V_o和V中两个集合共有的元素，最后重复算法中的步骤二，选出集合V_o中当前命中数量最小的内容路由器放入集合V中。因为此时K和|V|的值分别是1和2，算法判定K<|V|，则构建新的拓扑G＝(V,E)，并将E中的边进行排序和编号，如图6.(2)所示。同时，算法构建的G₁如图6.(3)所示。依据G₁，算法构建的G₁ ²如图6.(4)所示。所有的最大独立集分别如图6.(5-6)所示。因为Ec(M₁(2))最小，所以算法将M₁(2)的元素放入M_K。最终M_K中包含的元素有R_a，R_b，R_c，R_d，R_e和M₁(2)的元素。

需要注意的是，这里没有展示出了K＝|V|的情况。当算法判定K值时，如果K值等于集合V的元素数量时(K＝|V|)，算法将集合V中的元素放入M_K中。

附图说明

图1为智慧协同网络“三层”、“两域”总体模型；

图2为智慧协同网络服务请求示意图；

图3为智慧协同网络服务数据包转发示意图；

图4为资源管理器处理服务数据包示意图；

图5为内容放置算法示例图(场景1)；

图6为内容放置算法示例图(场景2)；

图7为实施例1示意图；

图8为实施例2示意图。

图中：RM资源管理器，cache summary table缓存摘要表，NID组件标识，Cache HitCount命中次数，EC偏心度，SID服务标识。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供智慧协同网络中协作缓存的方法，能够通过资源管理器管理缓存资源，有效提高缓存效率。

实施例1：

该机制下的一个实施例如附图7所示，用户Cilent向网络发送一个服务请求消息，用来请求保存在服务器Server上的文件，该文件的服务标识为SID₁。拓扑中包含两个自治域D₁和D₂，每个自治域包含一个资源管理器，分别为RM₁和RM₂。其中RM₁要求在域内对每一个数据包保留一份缓存副本，RM₂要求在域内不缓存任何数据包。该场景下，本机制的具体通信流程如下：

步骤1，Client向RM₁发送服务请求消息，请求服务标识为SID₁的文件；

步骤2，RM₁收到该服务请求后，查询缓存摘要表中是否有该服务标识对应的条目；

步骤3，缓存摘要表中没有对应的条目，RM₁查询注册表中该服务标识对应的条目，并依据条目信息，将P1附在该消息中，发送服务请求消息至RM₂；

步骤4，RM₂收到该服务请求后，将此消息发送给Server；

步骤5，Server收到此请求消息后，发送服务数据包，数据包中封装有P1字段；

步骤6，RM₂收到该服务数据包后，根据P1字段将此消息发送给RM₁；

步骤7，RM₁收到服务数据包后，会通过内容放置算法选择出1个内容路由器用于缓存该服务数据包的副本。根据内容放置算法实例，我们假设RM₁选择出R_n作为缓存该服务数据包的内容路由器，这时RM₁会在缓存摘要表中记录该信息；

步骤8：RM₁将服务数据包发送至用户，并将数据包副本发送至R_n；

步骤9，R_n收到服务数据包副本并缓存，用户收到服务数据包，服务传输结束。至此，一次通信流程结束。

实施例2：

附图8展示该机制下的另一个实施例，用户Cilent向网络发送一个对SID₁的服务请求消息，而该文件已经被域D₁的内容路由器R_n缓存。该场景下，本机制的具体通信流程如下：

步骤1，Client向RM₁发送服务请求消息，请求服务标识为SID₁的文件；

步骤2，RM₁收到该服务请求后，查询缓存摘要表中是否有该服务标识对应的条目；

步骤3，缓存摘要表中有对应的条目，RM₁将服务请求包中的目的地址替换为R_n，并将条目中的缓存命中次数加1，然后发送该消息至R_n；

步骤4，R_n收到该服务请求后，直接向用户发送服务数据包；

步骤5，用户收到服务数据包，服务传输结束。至此，一次通信流程结束。

显而易见地，附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的技术方案。

Claims (3)

1.智慧协同网络中的一种协作缓存方法，包括资源管理器服务请求包处理流程和资源管理器服务数据包处理流程，其特征在于，

所述资源管理器服务请求包处理流程包括：

步骤1.1：资源管理器收到该服务请求包后，首先查询所述的缓存摘要表，如果缓存摘要表中有该服务标识对应的条目，则进入步骤1.2；如果没有，则进入步骤1.3；

步骤1.2：根据缓存摘要表中对应条目记录的组件标识，该资源管理器将服务请求包发送至该组件标识对应的内容路由器处，同时将对应条目的缓存命中次数加1，并结束服务请求包处理流程；

步骤1.3：该资源管理器查询注册表，根据注册表将服务请求包发送至下一跳资源管理器，并结束服务请求包处理流程；

所述资源管理器服务数据包处理流程包括：

步骤2.1：资源管理器收到该服务数据包后，根据本地策略决定是否在本域缓存该服务数据包，如果不需要缓存，则进入步骤2.2；如果需要缓存，则进入步骤2.3；

步骤2.2：资源管理器根据本地策略决定不在本域缓存该服务数据包，进入步骤2.4；

步骤2.3：资源管理器根据本地策略决定该服务数据包在本域的缓存副本数量K，然后根据内容放置算法在域内选择K个内容路由器来缓存所述缓存副本，并将对应的信息添加进缓存摘要表，同时将数据包的所述缓存副本转发至选择出的内容路由器处，然后进入步骤2.4；

步骤2.4：资源管理器根据路由表将服务数据包转发至下一跳，服务数据包处理流程结束。

2.根据权利要求1所述的智慧协同网络中的一种协作缓存方法，其特征在于：在所述服务请求包处理流程和所述服务数据包处理流程中，所述的缓存摘要表由每一个所述的资源管理器负责建立并维护，所述的缓存摘要表中每一条条目记录了域内的所述内容路由器的如下信息：

所述内容路由器的组件标识；

缓存命中次数；

偏心度；

被所述内容路由器缓存的数据包的服务标识；

其中，内容路由器R_n的偏心度Ec由公式(1)计算得到：

<mrow> <mi>E</mi> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>max</mi> <mrow> <mo>&amp;ForAll;</mo> <mi>R</mi> <mi>i</mi> <mo>\</mo> <mi>R</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>R</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

公式(1)中R_i是域内的某个内容路由器，c(R_n,R_i)是R_n到R_i之间最短路径的代价。

3.根据权利要求1所述的智慧协同网络中的一种协作缓存方法，其特征在于，所述步骤2.3中根据内容放置算法在域内选择K个内容路由器来缓存所述服务数据包的所述缓存副本的步骤包括：

步骤3.1：构建集合M_K，并置M_K和网络中缓存命中次数最小的内容路由器集合V均为空；

步骤3.2：根据所述的缓存摘要表，选出网络中内容路由器的集合V_o中当前命中数量最小的内容路由器放入集合V中；

步骤3.3：根据K和|V|的值，进行判定；如果K>|V|，进入步骤3.4；如果K＝|V|，进入步骤3.5；如果K<|V|，进入步骤3.6；

步骤3.4：多轮次的调用内容放置算法，将集合V中的元素放入M_K中，重置K值为K-|V|，同时删除V_o和V中两个集合共有的元素，最后重复步骤3.2；

步骤3.5：将集合V中的元素放入M_k中，然后进入步骤3.13；

步骤3.6：构建自治域拓扑G＝(V,E)，同时以边代价不减小的顺序将E中的边进行排序和编号，然后进入步骤3.7；

步骤3.7:构建G_i＝(V,E_I),其中E_I＝(e₁,e₂,e₃,…,e_I)，然后进入步骤3.8；

步骤3.8：为每一个G_I构建构建的原则是：所述G_I中的任意两个节点，如果存在一条不超过两跳的路径连接所述的两个节点，会增加一条新的路径用于直连所述的两个节点；然后进入步骤3.9；

步骤3.9：为每一个计算其所有的最大独立集，标记为M_I(j)，然后进入步骤3.10；

步骤3.10：找到最小的I值使得|M_I|≤K，标记为M_L，进入步骤3.11；

步骤3.11：对每一个M_L(j)，计算将所述Ec(M_L(j))中最小的集合标记为M_L(m)，进入步骤3.12；

步骤3.12：将集合M_L(m)中的元素放入M_K中，进入步骤3.13；

步骤3.13：集合M_K中的元素为选择出的内容路由器，内容放置算法结束。