CN104584512A - 内容导向网络中协作缓存的方法 - Google Patents

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Abstract

一种内容路由器，包括多个接口，用于接收和转发内容导向网络(CON)中的多个内容兴趣和内容数据；缓存，用于存储内容数据；以及存储器组件，用于维护转发信息库(FIB)和可用性FIB(AFIB)，其中FIB将内容与一个或多个用于接收和转发兴趣和内容数据的接口关联，AFIB将内容数据与CON中缓存内容数据的一个或多个相应的协作内容路由器关联。

Description

内容导向网络中协作缓存的方法
相关申请案的交叉参考
本发明要求2012年2月28日由谢海永等人递交的发明名称为“内容导向网络中协作缓存的方法(A METHOD FOR COLLABORATIVE CACHING FORCONTENT-ORIENTED NETWORKS)”的第13407371号美国专利申请案的在先申请优先权，该在先申请的内容以全文引入的方式并入本文本中。
关于由联邦政府赞助的
研究或开发的声明
不适用。
参考缩微胶片附录
不适用。
背景技术
在内容导向网络(CON)中，内容路由器用于将用户请求和内容路由至合适的接收方。在也称作信息中心网络(ICN)的CON中，将域范围内唯一的名称分配给作为内容分发框架的一部分的每个实体。这些实体可以包括视频片段或网页等数据内容和/或路由器、交换机或服务器等基础设施组件。内容路由器使用名称前缀在内容网络中对内容数据包进行路由，这些名称前缀可以是完整的内容名称或合适的内容名称前缀，而不是网络地址。在CON中，包括发布、请求、以及管理(例如，修改、删除等)的内容分发可以基于内容名称，而非内容位置来进行。CON不同于传统互联网协议(IP)网络的一个方面在于，CON能够将多个地理点互连，并暂时缓存内容或更为持久地存储内容。这可以实现从网络而非初始服务器提供内容，因此可以显著改进用户体验。缓存/存储可以用于由用户提取的实时数据，或用于属于用户或属于第三方供应商等内容供应商的持久数据。
发明内容
在一实施例中，本发明包括内容路由器，包括多个用于接收和转发CON中的多个内容兴趣和内容数据的接口；缓存，用于存储内容数据；以及存储器组件，用于维护转发信息库(FIB)和可用性FIB(AFIB)，其中FIB将内容与一个或多个用于接收和转发兴趣和内容数据的接口关联，AFIB将内容数据与CON中缓存内容数据的一个或多个相应的协作内容路由器关联。
在另一实施例中，本发明包括网络组件，包括用于接收和转发网络中的兴趣和内容数据的发射器/接收器(收发器)；存储器，包含内容存储器(CS)，用于缓存内容，待定兴趣表(PIT)，用于追踪待定内容请求，FIB，用于将内容与一个或多个接口关联，以及AFIB，用于将内容与一个或多个协作缓冲存储器关联以及根据网络中内容流行度对内容进行排序。
在另一实施例中，本发明包括一种由网络组件实现的方法，包括联合协作缓存在网络中多个内容路由器间分布的多个内容对象，维护已缓存及已分配内容对象与对应的缓存内容路由器之间的多个映射关系，以及通过发射器在数据平面的内容路由器间转发多个已收到的兴趣和内容对象的数据。
从结合附图和所附权利要求书进行的以下详细描述将更清楚地理解这些和其他特征。
附图说明
为了更全面地理解本发明，现在参考以下结合附图和详细描述进行的简要描述，其中相同参考标号表示相同部分。
图1为协作缓存内容路由器的一项实施例的示意图。
图2为协作缓存数据结构的一项实施例的示意图。
图3为联合协作缓存数据结构的另一项实施例的示意图。
图4为作缓存系统的一项实施例的示意图。
图5为协作缓存场景的一项实施例的示意图。
图6为协作缓存场景的另一项实施例的示意图。
图7为协作缓存设计的一项实施例的示意图。
图8为协作缓存兴趣处理方法的一项实施例的流程图。
图9为协作缓存数据处理方法的一项实施例的流程图。
图10为网络单元的一项实施例的示意图。
图11为通用计算机系统的一项实施例的示意图。
具体实施方式
最初应理解，尽管下文提供一个或一个以上实施例的说明性实施方案，但可使用任何数目的技术，不管是当前已知还是现有的，来实施所揭示的系统和/或方法。本发明决不应限于下文所说明的所述说明性实施方案、图式和技术，包含本文所说明并描述的示范性设计和实施方案，而是可以在所附权利要求书的范围以及其均等物的完整范围内修改。
内容缓存是CON的功能之一，其中内容路由器能够缓存/存储内容。该缓存功能可以降低网络接入成本，也可以显著降低终端用户的接入时间。内容路由器可以缓存流行内容，其可以是比其他内容请求和/或使用较多的内容。流行内容可先缓存于CON的内容路由器中，然后从内容路由器(而非源服务器或提供商)下发，从而降低下发至用户(请求人)的时间。协作缓存是另一可用于CON的特性，CON中的多个内容路由器可相互协作以及更改已缓存内容的信息以改善或优化整体缓存性能。然而，如果内容路由器间的协作(实现协作缓存)设计不够精细，这时通信成本(如为了使协作及信息交互而在内容路由器之间交互的消息数量)可能会大大增加。交互消息可以包括关于什么内容对象存储于一个或多个内容路由器的信息，因此会显著占用带宽。此外，交互此种消息增加的延迟可能会延缓协作决策制定过程，从而降低效率。
例如，协作缓存的一种方法可以是使用广播机制，其中每个请求可向所有的协作缓存(在协作内容路由器中)发送，但作为回报,其中一个存储了请求内容的缓存可以回复所请求的数据。该方法可降低协作控制流量，但该请求的广播可能会增加额外的成本。即便是在比较小型的网络(如包含许多内容路由器且覆盖一地理区域的区域网络)中，向所有的或多个协作缓存广播多个请求消息可能大大增加成本。向协作缓存(在不同内容路由器中)提供其他协作缓存中存储的内容的信息以避免成本昂贵的请求广播和信息交互是很困难的。
本文公开了一种在CON中提供协作缓存的系统和方法。协作缓存可基于分布在CON中的流行内容的流行度排行榜。当所述流行度排行信息反映CON中的实际请求模式时，所述系统和方法可采用基于内容流行度来缓存内容的算法。当收集的流行度排行信息有偏差或部分反映实际请求模式时，所述系统和方法也可采用用于协作缓存的自适应算法和系统设计。所述系统和方法不需要向所有协作缓存广播请求消息，也不需要在内容路由器间进行大量的消息交互，从而降低成本以及提高CON中协作缓存的效率。
内容流行度可在内容路由器间以分布式方式测量，其中每个内容路由器可实时测量相应内容请求的频率。内容路由器通过查看本地内容流行度表或数据库(也称为流行度排行顺序)，可以获得已缓存或已存储的其他内容路由器中内容对象的信息。由于在不同的内容路由器中测得的内容流行度可能不同，因此不同的内容路由器可采用两段缓存空分设计以适应流行度的不一致，这种不一致是由流行度排行顺序的不匹配导致的。所述两段缓存空分可采用额外缓存空间来处理不一致的内容请求。也可采用适应性缓存划分算法，基于不同内容路由器的不同不一致性级别，来动态变更缓存划分结果。下文对所述算法和系统配置进行详尽描述。
图1示出协作缓存内容路由器100的一个实施例，所述协作缓存内容路由器可用于在CON中实施基于流行度排行的协作缓存。协作缓存路由器100可与一个或多个其他内容路由器(未示出)来协作以缓存内容，所述一个或多个缓存路由器可进行相似配置，如下文所述。协作缓存内容路由器100可包括CS100、PIT120、FIB130以及AFIB140。所述内容存储容器110可用于(如在存储或存储器单元中)缓存(在相对较短的时间内)或存储(在相对较长时间内)内容数据。CS110也可接收兴趣并将兴趣(用户内容请求)与对应的内容数据(请求内容)关联。所述PIT120可为任意形式数据结构(如表格、列表或数据库)，用于记录与跟踪接收到的正在服务或等待服务(直至相应的请求内容接收完成)的兴趣(内容请求)。所述兴趣可在PIT120中与接收兴趣的协作缓存内容路由器100的下一跳(或下一跳接口或端口)关联。
所述FIB130可为任意数据结构(如表格、列表或数据库)，用于将内容与相应的接收和转发兴趣和内容数据的端口或接口(下一跳)关联。FIB130的表项可表示可能转发内容(兴趣和数据)的下一跳。所述AFIB140可为基于内容可用性/流行度的FIB，所述FIB将内容与相应的缓存或存储内容的内容路由器(如协作缓存内容路由器)关联。AFIB140可表示可用内容或流行内容，所述可用或流行内容可以是比其他内容请求及访问多的内容的子集。协作缓存内容路由器100可将AFIB140的更新公布给其他内容路由器(如协作缓存内容路由器)。FIB130及AFIB140可合并为一个数据结构150(如表格、列表或数据库)。FIB130及AFIB140可在数据平面或转发平面进行维护和操作(处理内容兴趣和数据)。所述AFIB140更新可通知到独立于所述数据(或转发)平面的控制平面上的其他内容路由器，如由不同实体或引擎实施。所述数据平面可包括在CON中转发内容信息(兴趣和数据)的操作，且所述控制平面可包括与包含数据平面操作在内的控制网络操作相关的操作。上述数据结构可存储在协作缓存内容路由器100的存储或存储器单元中并进行维护。
图2示出协作缓存数据结构200的一个实施例，该数据结构可在协作缓存内容路由器100中使用。所述协作缓存数据结构200可包含FIB210和AFIB220，分别对应于FIB130和AFIB140。所述FIB210可存储内容名称前缀与对应的下一跳接口之间的映射关系。例如，所述FIB210可包括表示每个内容对象名称前缀的“名称前缀”栏和表示相应的下一跳(或下一跳接口)接口或端口的“接口”栏。所述AFIB220可存储内容名称前缀与相应的缓存或存储关联内容对象的内容路由器之间的映射关系。例如，所述AFIB220可包括表示每个内容对象名称前缀的“名称前缀”栏和表示缓存或存储关联内容对象的相应的内容路由器标识(ID)的“路由器ID”栏。所述AFIB220中的每个表项(行)可映射到所述FIB210中对应的表项(行)。例如，所述AFIB220的名称前缀栏可映射或匹配至所述FIB210的名称前缀栏。
图3示出联合协作缓存数据结构300的一个实施例，该数据结构可用于所述协作缓存内容路由器100中。所述联合协作缓存数据结构300可合并FIB310和AFIB320，从而降低存储成本和/或处理时间。所述联合协作缓存数据结构300、所述FIB310和所述AFIB320可分别对应于所述数据结构150、所述FIB130和所述AFIB140。所述联合协作缓存数据结构300可存储内容名称前缀、缓存或存储关联内容对象的内容路由器以及对应的名称跳接口之间的映射关系。
所述联合协作缓存数据结构300可包括将每个内容对象的名称前缀与一个或多个对应的缓存或存储关联内容对象的内容路由器的ID合并的“名称前缀”栏。所述联合协作缓存数据结构300还可包括表示与内容对象名称对应的下一跳接口的“下一跳接口”栏。例如，所述联合协作缓存数据结构300的“名称前缀”栏可将所述AFIB320中“名称前缀”栏和“路由ID”栏中的信息组合或合并。所述联合协作缓存数据结构300的“下一跳接口”栏中的信息可对应于所述FIB310中的“接口”栏中的信息。
在实施例中，可由管理域管理的CON可包括N个路由器(N为整数)，如协作缓存内容路由器100。每个路由器i可包含存储多达Ci个内容对象的本地缓存(i及Ci为整数)，其中每个内容对象的最大大小为u。所述内容对象可划分为多个块(部分)，其中每个块配有一个缓存单元(如每个块的大小可小于或等于u)。CON最多可缓存Cu块数据，其中对所述内容对象感兴趣的用户可发送请求或兴趣(消息或报文)至相应的附近路由器。
所述N个路由器可协作提供缓存内容。具体地，当收到兴趣时，路由器检查该内容在本地缓存中是否可用。如果所述内容可用，所述路由器使用本地缓存的内容服务于该请求。否则，所述路由器在从源头(例如内容源)请求该内容前，首先检查该内容在其他协作缓存(在其他路由器中)中是否可用。如果可以，由协作缓存而不是内容源提供该内容，这样可以大大减少该内容分发至所述用户的时间。
任意一对相邻路由器i和j(由dij表示)之间的链接状态信息和链接成本可从每个路由器获得。路由器之间也可共享缓存大小(Ci’s)以及单元接收兴趣的平均数量(路由i中由Ri表示)，本文也称之为兴趣接收速度。在CON中，如根据域内设置，拓扑信息可通过域内路由协议分发，如:开放式最短路径优先(OSPF)和/或中间系统到中间系统(ISIS)。例如，链接成本可对应于内部网关协议(IGP)链接权重，或CON携带的其他度量标准(如距离和延迟)。度量标准可通过如OSPF类型长度值(TLV)消息遍布于路由器的域中。与协作缓存相关的信息也可通过相似方式分布。如果兴趣由用户而非另一路由器发送至路由器，则所述兴趣会增加所述路由的兴趣接收速度。可在兴趣报文中使用或设置一个附加位向路由器表明所述兴趣是由用户发送还是由协作缓存路由器(本文也称为协作路由器)发送。
为了增加或最大化有限缓存空间的使用，协作缓存数据可包括两个优化目标。第一，如果可能，协作缓存(在路由器中)可存储最流行的内容对象。第二，在缓存间重叠最少且通信成本足够低的前提下，协作缓存也可缓存尽可能多的内容对象。为了达到所述设计优化目标，可使用排列顺序(如r1、r2、...、rC)表示最流行的C个内容对象，如这些内容对象可按照流行度降序排列。当路由器接收兴趣时，所述排列顺序可实时测量。路由器的内容流行度分布可能相似，相应地，所有或多个路由器测量到的排列顺序r1、r2、...、rC可能大体上相同且包括相对较低百分比的不匹配或偏移。
图4示出协作缓存系统400的一个实施例，该缓存系统可用于CON中(如在协作缓存内容路由器中，比如所述协作缓存内容路由器100)。所述协作缓存系统400可包括协作缓存地图组件410、用户兴趣测量组件420、协作缓存机制组件430和缓存性能评估组件440。
所述协作缓存地图组件410可接收和收集(在路由器中)传播的关于网络拓扑和协作缓存的信息。例如，每个路由器可通过OSPF或ISIS域内路由协议周期性地向整个网络播报成对的链接成本和与协作缓存相关的度量标准。所述用户兴趣测量组件420可(在路由器中)测量排列顺序。在该组件中，每个路由器可从用户处接收兴趣作为输入，并输出最流行的C个内容对象的排列顺序。结合所述协作缓存地图组件410和所述用户兴趣测量组件420的输出，所述协作缓存机制组件430可采用分布式机制缓存网络中最流行的C个内容对象。该组件可设计成拥有相对低廉的协作成本并易于适应动态内容流行度不一致，如不同路由器测量的排列顺序的不匹配。所述缓存性能评估组件440可测量从其它协作路由器发送的兴趣的缓存失败率，并向所述协作缓存组件430提供反馈以进一步提高缓存效率。
结合用户向最近的路由器发送的兴趣，每个路由器可记录最流行的C个内容对象。每个路由器中最流行的C个内容对象的流行度分布可能相同。例如，每个路由器中最流行的C个内容对象的排列顺序可能都是{r1,r2,…,rc}。可以分布N个路由器中的最流行的C个内容对象以优化网络的平均接入成本。如上所述，所述兴趣接收速度Ri表示路由器i接收兴趣的平均数量，dij表示节点i和j的链接成本(当i于j相同时，dij可表示访问本地缓存的成本)。这种成本可对应于域内路由权重或其他性能相关的度量标准，如距离和/或延迟。对于路由器i中的任一缓存单元，从所述N个路由器服务的用户处访问该内容的平均成本可通过如下公式计算：
cos t i = Σ k = 1 N R k d ki Σ k = 1 N R k
其中costi为所述N个路由器的成对接入成本的加权总和。
结合拓扑信息，路由器可计算网络中所有或多个其他协作路由器的cost值，并基于cost值对路由器进行排序。最流行的C个内容对象可分配给这些路由器。具体地，最流行的内容对象可分配给cost值最小的路由器，不太流行的内容对象可分配给cost值较高的路由器。这样，对于任意最流行的C个内容，每个路由器可获知从哪个协作缓存请求该内容对象，以及将哪些内容对象保存在路由器的本地缓存中。当收到兴趣报文时，路由器可检查该内容的流行度排序是否大于C。如果大于C，则该内容可能未存储或缓存在网络中的路由器中，因此所述路由器可从内容源请求该内容。否则，如果该内容的流行度排序小于C，则所述路由器将请求转发至相应的协作缓存，进而获得该内容。
图5示出协作缓存场景500的一个实施例，该缓存场景可用于CON中多个协作缓存内容路由器，如协作缓存内容路由器100。在所述协作缓存场景500中，多个协作路由器可缓存多个内容对象。例如，所述协作路由器可包括第一路由器510(路由器1)、第二路由器520(路由器2)和第三路由器530(路由器3)。在所述场景500中，所述路由器可缓存多达10个内容对象，其中路由器1中协作缓存的大小为3、路由器2中协作缓存的大小为4且路由器3中协作缓存的大小为3。此三个路由器测量的最流行内容对象可能相同，如图5中多个排列顺序所示。
进一步地，路由器1拥有第一链接成本(cost1)，路由器2拥有第二链接成本(cost2)，且路由器3拥有第三链接成本(cost3)，其中cost1≥cost2≥cost3。因此，最流行的三个内容对象可缓存于路由器3中，接下来的4个内容对象可缓存于路由器2中，剩余的三个内容对象可缓存于路由器1中。每个路由器可保存一个映射表，该映射表将请求一个最流行的C内容对象的引入兴趣映射到缓存该内容对象的路由器上。所述路由器可以是将请求内容缓存在本地缓存中的路由器或者缓存所述内容对象的另一路由器。例如，所述映射表可对应于所述AFIB140或联合协作缓存数据结构300。在协作缓存场景500中，所述路由器可具有最流行的C个内容对象的流行度排列顺序。
如果所述最流行C内容对象的排列顺序对于不同的路由器也不相同，则上述协作缓存方案的效率可能会降低。图6示出协作缓存场景600的另一实施例,该缓存场景可用于CON中的多个协作路由器。所述路由器可包括第一路由器610(路由器1)、第二路由器620(路由器2)和第三路由器630(路由器3)，可缓存多达10个内容对象。具体地，路由器1中协作缓存的大小可为3，路由器2中协作缓存的大小可为4，且路由器3中协作缓存的大小可为3。路由器2中的排列顺序可能不同于路由器1和路由器3中的排列顺序。在路由器2的排列顺序中，内容对象h和f可互换且内容对象k可替代最流行的C个内容对象排序中的内容j。因此，路由器2可缓存内容对象{d,e,h,g}而不像路由器1和3缓存内容对象{d,e,f,g}。当路由器1或路由器3转发内容对象f的请求至路由器2时，由于路由器2未将内容对象f缓存至器缓存中，因此可能存在缓存缺失。相似地，路由器2可将兴趣请求内容对象f和k转发至路由器1，导致缓存缺失。
路由器可基于其自身观察的流行度(如根据测量)缓存内容对象。然而，路由器不需要缓存其他路由器缓存的内容对象(如内容f)。请求该内容对象的兴趣可转发至该路由器，导致缓存缺失以及成本增加(如图6所示)。进一步地，所述N个路由器中最流行的C个内容对象加起来可能多于C个内容对象，可能大于N个缓存的总大小。为解决上述问题，路由器的缓存空间可划分成两块。第一块可对应于如上所述操作的协作缓存(如在场景500中)。所述第一块此处称为“通知缓存”，大小用Ci’表示。第二块可对应于用于适配流行度分布不一致的缓存空间。所述第二块此处称为“补充缓存”，大小用Ci”表示。
当使用所述两个块的路由器从另一协作路由器接收到兴趣并确定请求内容(在接收路由器的排列顺序中)不在该路由器的排列顺序中时，基于最近最少使用(LRU)缓存策略，所述路由器可从内容源获得该内容并将该内容存储于第二块中。当每个路由器的内容流行度分布相似但有一定比例的不匹配或偏差时，尽管其它路由器的分布可能不同，路由器认为存储在其它路由器中但实际并未在所述其它路由器的通知缓存块中的内容很有可能存储在所述其它路由器的补充缓存块中。这可大大降低缓存缺失率并提高协作缓存的效率。路由器可只将路由器的实际缓存大小的一部分，如通知缓存的大小，通知给其他路由器，而剩余部分作为补充缓存的缓存空间。因此，补充缓存的缓存空间可能会减少通知缓存的剩余缓存空间。
图7示出协作缓存设计700的一个实施例，该缓存设计可用于CON中的多个协作路由器。所述协作缓存设计700包括：(a)单块基本设计710，和(b)双块设计720。所述设计可用于上述场景中的路由器2中。所述单块基本设计710对应于在上述场景500中操作的协作缓存，其中假设协作缓存的流行度排序均相同。所述双块设计720可包括两个缓存块，即通知缓存和补充缓存，可提高协作缓存效率，如内容流行度的分布对于不同路由器来说，相似但有一定比例的不匹配或偏差时。通过所述单块基本设计710，由于路由器2的排序统计与其他路由器的不一致，预期缓存于路由器2中的内容f可能会缺失。但是，通过改进的双块设计720，路由器2可通告缓存大小为3而非4。因此，可使用额外缓存单元处理缓存缺失，从而储存内容f。随后，请求内容f并由路由器1和3转发的更多兴趣，不会在路由器2中缺失。额外缓存的大小可与协作缓存的性能相关。例如，较大的补充缓存可有足够的空间适配所有路由器中内容流行度分布的不一致，而较小的补充缓存及较大的通知缓存可存储更多网络中的内容对象。
在协作缓存路由器双块设计720中，可划分通知缓存和补充缓存以使路由器使用其指定百分比的缓存空间，例如，可将每个路由器20％的空间用作补充缓存(大小为Ci’)，而剩余空间用作通知缓存(大小为Ci”)。然而，使用这种固定划分比例的方法，路由器在相应排列顺序中的不匹配度可能不同，导致缓存空间的使用效率低下。这点可从图6和图7中看出，其中在路由器2的补充缓存大小为1的情况下，缓存效率可得到大大提升。然而，如果为路由器1和路由器3指定相同的补充缓存，路由器1和路由器3的通知缓存大小可能会减少，由于路由器1和路由器3排序不一致度可能不如路由器2的多，因此总体效率可能会降低。当路由器2采用双块缓存设计(如图7所示)时，路由器1和路由器3可能不存在缓存缺失。因此，没必要为路由器1和路由器3分配补充缓存空间。
缓存缺失率在协作缓存效率方面起到了重要作用。当缓存缺失率很高时，本应存储在协作缓存中的内容对象可能找不到，因此查询协作缓存而非直接从内容源获得内容可能会增加附加成本。当缓存缺失率很低时，性能可能仍不令人满意。相对低的缓存缺失率可能对应过大的补充缓存，减少网络中缓存的内容对象的总数并降低性能。为解决上述问题，可实现一算法以根据检测的缓存缺失率动态调整通知缓存和协作缓存的大小。可在一实施例中采用一动态缓存划分算法，其中可定义锁失率(以LMR表示)，使得每个路由器更改相应的本地补充缓存的大小，从而获得与LMR接近或相等的缓存缺失率。该自适应动态缓存划分算法可通过如下或相似指令实现：
路由器可按预配的初始缓存划分进行初始化，例如按90％和10％的比例划分缓存(分别用于通知缓存和补充缓存)。然后所述路由器可开始为所有或多个从其他协作路由器(或用户)接收的兴趣测量缓存缺失率。测得的缓存缺失率用MR表示。如果MR小于LMR，表示补充缓存Ci”太大，可降低Ci”的大小(如减半)，从而增大通知缓存Ci’的大小以缓存更多网络内容对象。如果MR大于LMR，表示Ci”太小且缓存缺失太多，可降低Ci’的大小，如按照上述算法进行线性减少，以降低缓存缺失率。上述算法及使用该算法的模拟结果在郭硕(华为中心研究室，高级技术实验室，美国(Huawei Central Research,Advanced Technologies Labs,U.S.))等人在华为内部发表的名为“内容导向网络中基于流行度排序的协作缓存”的文章中进行详尽描述。该文章通过引用方式并入本文中，如全文再现一般。在其它实施例中，基于缓存缺失率和/或其他可能与所述两个存储器块大小相关的因素，可采用其它动态或自适应算法调整所述两个缓存块的大小。所述算法可根据需要动态调整缓存块大小，如在不同实例中。
图8示出一种协作缓存兴趣处理方法800的一实施例，该方法可用于处理协作缓存中接收到的兴趣。所述协作缓存兴趣处理方法800可由CON中的协作缓存路由器实施，如协作缓存路由器100。该路由器可基于上述双块缓存设计进行配置，且可包括通知缓存和补充缓存。所述方法800可在可接收内容兴趣的方框802中开始。在方框804中，所述路由器可检查本地缓存以确定是否有匹配内容。如果方框804的条件为真(发现匹配内容)，所述方法800可进入方框818。否则，如果所述内容不在所述路由器的本地缓存中，所述方法800可进入方框806。在方框806中，所述路由器检查该内容请求是来自用户还是来自其它协作路由器。如果该内容请求来自用户，所述方法可进入方框810。否则，如果该内容请求来自另一路由器，所述方法800可进入方框808。在方框808中，所述路由器可从内容源获取该内容。在方框816中，该内容可能存储在路由器的补充缓存中，且所述方法800可进入方框818。在方框810，所述路由器可查看请求内容的排序是否小于C。如果方框810的条件为真，所述方法800可进入方框812。否则，所述方法800可进入方框814。在方框812中，该兴趣可转发至另一路由器的协作缓存中，然后所述方法800结束。在方框814中，路由器可从内容源获取该内容，所述方法800可进入方框818。在方框818中，路由器可将该内容发送给请求路由器或用户，然后所述方法800结束。
图9示出一种协作缓存数据处理方法800的一实施例，该方法可用于处理协作缓存中接收到的针对上述处理的兴趣的响应数据。例如，所述协作缓存数据处理方法900可在接收到转发兴趣请求的响应数据时，如使用所述缓存数据处理方法800，由路由器实施。所述方法900可在接收内容数据的方框902中开始。在方框904中，路由器可在本地PIT中检查或查找相关内容。在方框906，路由器可确定该内容在所述PIT中是否存在。如果在PIT中找到该内容，所述方法900可进入方框908、910和912，该操作可平行或连续实施。否则，如果该内容在PIT中不存在，所述方法900可进入方框920。在方框908中，路由器可检查本地CS是否需要更新，如至少缓存接收的数据或相关的信息。如果方框908中的条件为真，所述方法900可进入方框914。否则，方法900可以结束。在方框914中，可在CS中增加与接收的数据对应的项，并且所述方法900可以结束。在方框910中，路由器可检查本地FIB是否需要更新，如将接收的数据与接口或端口关联。如果方框910中的条件为真，所述方法900可进入方框916。否则，方法900可以结束。在方框916中，可在FIB中增加与接收的数据对应的项，并且所述方法900可以结束。在方框912中，可将接收的数据报文转发至PIT中所有的接口。随后，在方框918中，路由器可移除与接收的数据对应的PIT项，并且所述方法900可以结束。在方框920中，可丢弃接收到的数据报文，并且所述方法900可以结束。
协作缓存方案可为快速路径或数据平面方案，意味着所述方案可以改变传统CON和传统网络中数据/转发平面的工作方式。在传统CON中，转发与协作缓存相对独立。例如，每个路由器可以只检查其本地缓存中是否存在请求内容。如果不存在请求内容，则将该请求报文转发至上流路由器。在传统网络(如内容分发网络)中，协作缓存和转发可完全独立操作。协作缓存可在执行转发的平面(数据平面)中执行，且协作缓存和数据转发都可相互依赖。进一步地，协作缓存可使路由器决定将请求报文转发至何处(包括但不限于上游路由器)。
图10示出了网络单元1000的一个实施例，该网络单元可以为经由网络传输和处理数据的任一设备。例如，所述网络单元1000可对应于协作内容路由器，如协作缓存内容路由器100，或者也可位于CON中。所述网络单元1000也可用于实施或支持上述场景、算法和方法，如双块缓存设计以及方法800和900。所述网络单元1000可包括一个或多个入端口或单元1010，所述入端口或单元耦合到接收器(Rx)1012，用于从其他网络组件接收信号和帧/数据。网络单元1000可以包括内容识别单元1020，用于确定将内容发送到哪些网络组件。内容识别单元1020可以使用硬件、软件或两者结合来实施。网络单元1000还可以包括一个或多个出端口或单元1030，所述出端口或单元耦合到发射器(Tx)1032，用于将信号和帧/数据发送到其他网络组件。接收器1012、内容识别单元1020和发射器1032也可以用于实施至少一些上文所公开的场景、算法和方法，所述场景、算法和方法可基于硬件、软件或两者的结合来实施。网络单元1000的组件可按照图10所示进行布置。
内容识别单元1020也可以包括可编程内容转发平面块1028，以及可以耦合到所述可编程内容转发平面块1022的一个或多个存储块1028。可编程内容转发平面块1028可以用于实施内容转发和处理功能，例如在应用层或L3处，其中可以基于内容名称或前缀对内容进行转发，并且可能基于将内容映射到网络流量的其他内容相关信息而进行转发。此类映射信息可以保存在内容识别单元1020或网络单元1000处的一个或多个内容表(例如，CS、PIT、FIB和AFIB)中。可编程内容转发平面块1028可解译用户的内容请求，并相应地例如基于元数据和/或内容名称(前缀)从网络或其他网络路由器提取内容，并且可以例如暂时地将内容存储在存储块1022中。然后，可编程内容转发平面块1028可将所缓存的内容转发到用户。可编程内容转发平面块1028可以使用软件、硬件或两者的结合来实施，并且可以在IP层或L2中操作。
进一步地，可编程内容转发平面块1028可使用如双块缓存设计、自适应或动态缓存划分算法以及方法800和900来实施协作缓存场景。存储块1022可包括缓存1024，用于临时存储内容，如用户请求的内容。另外，存储块1022可以包含长期存储器1026，用于相对持久地存储内容，诸如发布者所提交的内容。例如，缓存1024和长期存储器1026可以包含动态随机存取存储器(DRAM)、固态驱动器(SSD)、硬盘，或其组合。
上述网络组件可以在任何通用网络组件上实施，例如计算机或特定网络组件，其具有足够的处理能力、存储资源和网络吞吐能力以处理其上的必要工作量。图11示出了典型的通用网络组件1100，其适用于实施本文本所公开的组件的一项或多项实施例。网络组件1100包括处理器1102(其可以称为中央处理器单元或CPU)，其与包括辅助存储器1104、只读存储器(ROM)1106、随机存取存储器(RAM)1108、输入/输出(I/O)设备1110，以及网络连接设备1112在内的存储设备进行通信。处理器1102可以作为一个或多个CPU芯片实施，或者可以为一个或多个专用集成电路(ASIC)的一部分。
辅助存储器1104通常由一个或多个磁盘驱动器或磁带驱动器组成，并且用于数据的非易失性存储，并且，如果RAM1108的大小不足以保存所有工作数据，那么所述辅助存储器还用作溢流数据存储装置。辅助存储器1104可以用于存储程序，当选择执行这些程序时，所述程序将加载到RAM1108中。ROM1106用于存储在程序执行期间读取的指令以及可能的数据。ROM1106为非易失性存储设备，其存储容量相对于辅助存储器1104的较大存储容量而言通常较小。RAM1108用于存储易失性数据，并且可能用于存储指令。对ROM1106和RAM1108两者的存取通常比对辅助存储器1104的存取快。
本发明揭示至少一项实施例，且所属领域的普通技术人员对所述实施例和/或所述实施例的特征作出的变化、组合和/或修改均在本发明公开的范围内。因组合、合并和/或省略所述实施例的特征而得到的替代性实施例也在本发明公开的范围内。应当理解的是，本发明已明确阐明了数值范围或限值，此类明确的范围或限值应包括涵盖在上述范围或限值(如从大约1至大约10的范围包括2、3、4等；大于0.10的范围包括0.11、0.12、0.13等)内的类似数量级的迭代范围或限值。例如，每当公开具有下限Rl和上限Ru的数值范围时，在所述范围内的任何数字均被具体公开。具体而言，具体公开了在所述范围内的以下数字：R＝Rl+k*(Ru-Rl)，其中k为从1％到100％范围内以1％递增的变量，即，k为1％、2％、3％、4％、7％、…、70％、71％、72％、…、97％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，还具体公开了由两个R数字定义的如上所述的任何数值范围。相对于权利要求的任一组件使用术语“可选地”意味着需要所述组件或者不需要所述组件，这两种替代方案均在所述权利要求的范围内。使用例如包括、包含和具有等较广术语应被理解为提供对例如由组成、基本上由组成以及大体上由组成等较窄术语的支持。相应地，保护范围不限于上文的描述，而是由所附权利要求书界定，所述范围包含所附权利要求的主题的所有等效物。每项和每条权利要求作为进一步公开的内容并入说明书中，且权利要求书为本发明的实施例。本发明公开内容中对参考的论述并非承认其为现有技术，尤其是公开日期在本申请案的在先申请优先权日期之后的任何参考。本发明中所引用的所有专利、专利申请案和公开案的公开内容在此以引用的方式并入本文本中，其提供对本发明的示例性、程序性或其他细节补充。
虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种器件或组件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述的彼此耦合或直接耦合或通信的其他项也可以采用电方式、机械方式或其他方式通过某一接口、装置或中间组件间接地耦合或通信。其他变化、替代和改变的实例可以由本领域的技术人员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定。

Claims (21)

1.一种内容路由器，其特征在于，包括：
多个接口，用于在内容导向网络(CON)中接收和转发多个内容兴趣和内容数据；
缓存，用于存储内容数据；以及
存储器组件，用于维护转发信息库(FIB)和可用性FIB(AFIB)，其中所述FIB将内容与一个或多个接收和转发兴趣和内容数据的接口关联，所述AFIB将内容数据与一个或多个对应的协作缓存路由器，所述协作缓存路由器位于缓存所述内容数据的CON中。
2.根据权利要求1所述的内容路由器，其特征在于，所述与AFIB中的协作缓存内容路由器相关联的内容数据按照内容在CON中的流行度进行排序，且所述内容流行度基于从CON的多个用户处接收的兴趣的数量。
3.根据权利要求2所述的内容路由器，其特征在于，所述协作缓存路由器中的至少一部分具有不同的对应的链接成本，且其中最流行的内容数据缓存至链接成本最低的协作缓存路由器中。
4.根据权利要求1所述的内容路由器，其特征在于，所述与AFIB中的协作缓存路由器相关联的内容数据包括一个或多个存储于缓存中且与所述内容路由器相关联的内容对象，以及一个或多个关联于并缓存至一个或多个所述协作缓存路由器中的内容对象。
5.根据权利要求4所述的内容路由器，其特征在于，所述协作内容路由器的至少一部分存储的内容对象的数量与所述内容路由器缓存中的不同。
6.根据权利要求1所述的内容路由器，其特征在于，所述缓存分割成用于存储通知至所述协作缓存路由器的内容数据的通知缓存块和用于存储剩余的未通知的内容数据的补充缓存块，且其中所述通知缓存块的大小一般大于所述补充缓存块的大小。
7.根据权利要求6所述的内容路由器，其特征在于，所述通知缓存包括在所述内容路由器和协作缓存路由器中具有相似流行度排行的多个内容对象，且其中所述补充缓存块包括在所述内容路由器和协作缓存路由器中流行度排行不同的一个或多个内容对象。
8.根据权利要求6所述的内容路由器，其特征在于，所述补充缓存块的大小降低且所述通知缓存块的大小升高以缓存更多的最流行内容对象，且其中所述补充缓存块的大小升高且所述通知缓存块的大小降低以减少所述内容路由器的缓存缺失率。
9.一种网络组件，其特征在于，包括：
发射器/接收器(收发器)，用于接收和转发网络中的兴趣和内容数据。
存储器，包括内容存储器(CS)用于缓存内容、待定兴趣表(PIT)用于追踪待定内容兴趣、转发信息库(FIB)用于将内容与一个或多个接口关联以及可用性FIB(AFIB)用于将内容与一个或多个协作缓存关联并根据内容在网络中的流行度对内容排序。
10.根据权利要求9所述的网络组件，其特征在于，所述FIB包括多个内容名称前缀，每个所述内容名称前缀与接收或转发内容的一个或多个对应接口关联，且其中所述AFIB包括多个内容名称前缀，每个所述内容名称前缀与包括用于缓存对应内容的所述协作缓存的一个或多个相应内容路由器关联。
11.根据权利要求10所述的网络组件，其特征在于，所述内容路由器由AFIB中的多个路由器标识(ID)指示。
12.根据权利要求9所述的网络组件，其特征在于，所述FIB和所述AFIB组合成数据结构，所述数据结构包括多个内容名称前缀，所述内容名称前缀与包含用于缓存对应内容的所述协作缓存的多个内容路由器关联，并与接收和转发对应内容的多个对应接口关联。
13.根据权利要求9所述的网络组件，其特征在于，还包括：
协作缓存地图组件，用于接收和聚集针对所述网络的拓扑和协作缓存的传播信息；
用户兴趣测量组件，用于测量所述网络中的所述内容的流行度排列顺序；
协作缓存机制组件，用于采用动态缓存大小机制缓存网络中最流行的内容；以及
缓存性能评估组件，用于测量从多个内容路由器处接收的兴趣的缓存缺失率，并向内容路由器提供反馈以支持内容路由器之间的协作缓存。
14.根据权利要求9所述的网络组件，其特征在于，所述FIB和所述AFIB在数据层维护和操作用以处理和转发兴趣和内容数据，且将所述AFIB更新并通知到控制平面中包含协作缓存的多个内容路由器中。
15.一种由网络组件实施的方法，包括：
联合协作缓存在网络中多个内容路由器之间分布的多个内容对象；
维护缓存及分布的内容对象与相应的缓存内容路由器之间的映射关系；以及
通过发射器，在数据平面上的内容路由器之间转发多个接收到的兴趣和内容对象数据。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
通过接收器收集网络中的拓扑和协作缓存信息；
通过处理器，基于从内容用户处接收到的兴趣测量网络中一定数量的最流行内容对象的排列顺序；
在缓存中缓存所述网络中一定数量的最流行内容对象的子集；
测量接接收兴趣的缓存缺失率；以及
使用测得的缓存缺失率调整缓存中的通知缓存和补充缓存的大小。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
如果测得的缓存缺失率小于网络中内容路由器的协作缓存阈值，则增加通知缓存的大小以增大所述网络中一定数量的最流行内容的缓存子集；以及
如果测得的缓存缺失率大于所述阈值，则增加补充缓存的大小以降低缓存缺失率。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
接收针对某一内容对象的兴趣；
如果缓存中存在该内容对象，则返回该内容对象；
如果所述兴趣是从一个内容路由器处接收且该内容对象不在缓存中，则将所述兴趣转发至内容源。
如果所述兴趣是从内容用户处接收、该内容对象不属于网络中最流行的内容对象且该内容对象不在缓存中，则将所述兴趣转发至内容源；以及
如果所述兴趣是从内容用户处接收、该内容对象属于网络中最流行的内容对象且该内容对象不在缓存中，则将所述兴趣转发至协作内容路由器。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，还包括：
从内容源接收该内容对象以响应转发兴趣至内容源；
如果所述兴趣是从一个内容路由器处接收，则将接收的内容对象缓存至补充缓存中；以及
返回该内容对象。
20.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
接收内容数据；
如果该内容数据未在本地待定兴趣表(PIT)中指示，则丢弃该内容数据；
如果该内容数据在PIT中有所指示，则在与该内容数据相关联的PIT中的一个或多个接口上转发该内容数据；以及
如果内容数据在PIT中有所指示，则从PIT中移除与该内容数据对应的表项。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括：
如果内容数据在PIT中有所指示，则在内容存储器(CS)中为该内容数据增加一条目；以及
如果内容数据在PIT中有所指示，则在转发信息库(FIB)中为该内容数据增加一条目。
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