CN105407055A - 一种内容中心网络的能耗控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种内容中心网络的能耗控制方法，包括：构建能量消耗模型以确定内容中心网络的能量消耗因素；节点计算接收内容的流行度，依据接收内容的流行度决定转发之前是否缓存该内容；节点依据接收内容的多样性参数决定转发之前是否缓存该内容；依据网络流量的变化自适应调节链路的速率。本申请通过转发内容自身的多样性参数、流行度来决策缓存策略与缓存动作，有效降低了内容中心网络的能耗。

Description

一种内容中心网络的能耗控制方法

技术领域

本申请涉及互联网数据传输领域，尤其涉及一种内容中心网络的能耗控制方法。

背景技术

由于互联网规模的不断扩大和互联网设备的更新，目前的网络对能量的利用日益暴露出能耗高、效率低，浪费多等诸多问题。目前的互联网架构本质上已经从以主机为中心的通讯模式向以内容为中心的模型演化。内容中心网络(Content-CentricNetwork，CCN)是一种革命式的未来互联网设计思路，内容中心网络不再对数据所在的地址命名，而是直接对数据本身命名，被命名的数据己经成为最为关键的网络实体；不再关注终端设备的安全性，直接关注命名内容的安全，让数据传输机制从根本上实现可自由扩展。内容中心网络命名数据，支持智能的网络节点，每一个网络节点具有缓存功能，支持多种智能路由转发策略。但在内容中心网络的路由及转发过程中，由于缓存资源的出现以及面向命名内容的路由等因素，在如何解决提高缓存利用率，减少冗余传输，降低节点能量消耗等问题方面面临不小的挑战。

内容中心网络的节能策略主要专注于三方面：1)路由转发策略，减少数据包在网络内传输的跳数；2)缓存管理策略，提高缓存利用率，缓存内容命中率；3)能量消耗模型。现有对于内容中心网络节能的方案在构建能量消耗模型的基础上只是单方面的专注于路由转发策略或者缓存管理策略，没有考虑到联合的缓存管理策略与转发策略模型，同时，这些方法仅仅关注缓存位置的管理而忽略了路由器和链路的能耗。

发明内容

本申请实施例提供一种内容中心网络的能耗控制方法，用以解决现有技术中以节点为中心的缓存策略导致能耗较高的问题。

本申请实施例采用下述技术方案：

一种内容中心网络的能耗控制方法，包括：构建能量消耗模型以确定内容中心网络的能量消耗因素；节点计算接收内容的流行度，依据接收内容的流行度决定转发之前是否缓存该内容；节点依据接收内容的多样性参数决定转发之前是否缓存该内容；依据网络流量的变化自适应调节链路的速率。

优选地，构建能量消耗模型以确定内容中心网络的能量消耗因素，包括：

依据如下公式构建内容缓存与数据转发相结合的能耗模型：

E_tot＝E_cache+E_tr＝(P_r+P_l)H_avg+P_cachetβ_cache+P_r，

其中E_tot为总功耗；E_cache为缓存功耗；E_tr为传输功耗；P_r路由功耗；P_l链路功耗；β_cache缓存利用率；H_avg为平均响应跳数，所述跳数表示数据转发过程中所经过的网络节点；P_cache为缓存功耗；t为时间，单位秒。

优选地，依据所述能量消耗模型确认内容中心网络的能耗因素包括：内容转发消耗，即转发内容所经过的所有节点，具体体现为能量消耗模型的平均响应跳数H_avg；缓存消耗，即缓存使用空间、访问次数，具体体现为能量消耗模型的缓存利用率β_cache；链路消耗。

优选地，节点依据接收内容的多样性参数决定转发之前是否缓存该内容，包括：

预设一个多样性阈值Diver_thr；

节点接收数据包；

判断该数据包的多样性参数Diversity，所述数据包的多样性参数Diversity在所述内容转化为数据包时自动生成：

若该多样性参数Diversity小于预设的多样性阈值Diver_thr时，节点将该数据包的多样性参数Diversity加一，然后转发数据包；

若该多样性参数Diversity大于或等于预设的多样性阈值Diver_thr时，节点将该数据包的多样性参数Diversity重置为零，然后将该数据包进行缓存到内容存储库。

优选地，所述多样性参数Diversity为一个正常数，初始化为零；所述多样性阈值Diver_thr为常整数，所述多样性阈值Diver_thr设为3。

优选地，节点计算接收内容的流行度及流行度阈值，依据接收内容的流行度决定转发之前是否缓存该内容，包括：

采用符合Zipf定律的分发模型分别计算内容的流行度与流行度阈值，内容的流行度的计算公式如下：

$Popu(X=i)=\frac{i^{-{\mathrm{\α}}_{zipf}}}{\underset{j=1}{\overset{\left|F\right|}{\Σ}}{i}^{-{\mathrm{\α}}_{zipf}}},$

其中-α_zipf为Zipf分发模型参数；F为所有的内容，|F|是指所有内容的数量，i是指第i个流行内容在所有内容|F|中排名，Popu(X＝i)表示指第i个内容X的流行度；

流行度阈值的计算公式如下：

${\mathrm{Popu}}_{thr}=Popu(X=\frac{\mathrm{\κ}\·\·C{\mathrm{Diver}}_{thr}}{F}),$

其中Popu_thr为流行度阈值；κ为想要存储的流行度数据倍数；C为缓存大小；Diver_thr为多样性阈值；

节点判断需要转发内容的流行度与流行度阈值：

若当前内容的流行度大于或等于流行度阈值时，节点缓存该需要转发的内容；

若当前内容的流行度小于流行度阈值时，节点直接转发该需要转发的内容，而不进行缓存动作以节省能量。

优选地，依据网络流量的变化自适应调节链路的速率，包括：

采用以下公式来计算链路的流量阈值：

${\mathrm{Rate}}_i=K_j\×C_i,if(K_j-0.1)C_i\≤\frac{{\mathrm{len}}_i\stackrel{\‾}{S_i}}{C_i}\≤K_j{C}_i$

其中Rate_i为链路流量阈值；len_i表示待定请求表(PendingInterestTable，PIT)的长度；S_i表示数据包大小估值；K_j∈{0.1,0.2,...,1}；C_i是指i接口的上行链路容量；

节点通过待定请求表的长度监控该节点每一个接口的流量，并判断每一接口的流量是否达到流量阈值：

若监控到的流量超过或低于流量阈值时，链路速率将被调节为相应的值以减少节点能量消耗。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：先通过先建立能量消耗模型以确定能量消耗的三个因素为节点响应能耗、缓存能耗、及链路能耗，而后依据内容中心网络转发的内容的多样性参数、流行度值来决策是否缓存替换，有效提升了内容中心网络的能耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请提供的内容中心网络的能耗控制方法流程图；

图2为本申请提供的内容中心网络的能耗控制方法与内容中心网络原有策略、最短路径转发策略的能耗效果比较图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

图1为本申请提供的内容中心网络的能耗控制方法的流程图，本案通过构建内容中心网络的能量消耗模型以确定内容中心网络的能量消耗因素，基于能量消耗模型确定的能量消耗因素进行能耗控制，以提升网络内容中心网络的数据传输效率、降低能量消耗。包括以下步骤：

S101：构建能量消耗模型以确定内容中心网络的能量消耗因素。

本步骤构建以内容中心网络的内容缓存与数据转发相结合的能耗模型如下：

E_tot＝E_cache+E_tr＝(P_r+P_l)H_avg+P_cachetβ_cache+P_r，

其中E_tot为总功耗；E_cache为缓存功耗；E_tr为传输功耗；P_r路由功耗；P_l链路功耗；β_cache缓存利用率；H_avg为平均响应跳数，所述跳数表示数据转发过程中所经过的网络节点；P_cache为缓存功耗；t为时间，单位秒。

由上述能量消耗模型可知，能量消耗主要取决于以下三部分：1)内容转发消耗，即转发内容所经过的所有节点，具体体现为能量消耗模型的平均响应跳数H_avg；2)缓存消耗，即缓存使用空间、访问次数，具体体现为能量消耗模型的缓存利用率β_cache；3)链路消耗。

S102：节点计算接收内容的流行度，依据接收内容的流行度决定转发之前是否缓存该内容。

首先采用符合Zipf定律的分发模型分别计算内容的流行度，内容的流行度的计算公式如下：

$Popu(X=i)=\frac{i^{-{\mathrm{\α}}_{zipf}}}{\underset{j=1}{\overset{\left|F\right|}{\Σ}}{i}^{-{\mathrm{\α}}_{zipf}}},$

其中-α_zipf为Zipf分发模型参数；F为所有的内容，|F|是指所有内容的数量，i是指第i个流行内容在所有内容|F|中排名，Popu(X＝i)表示指第i个内容X的流行度。

随后，节点判断需要转发内容的流行度与流行度阈值：

若当前内容的流行度大于或等于流行度阈值时，节点缓存该需要转发的内容；

若当前内容的流行度小于流行度阈值时，节点直接转发该需要转发的内容，而不进行缓存动作以节省能量。

所述流行度阈值是在内容中网络运行之前配置，所述流行度阈值依据如下公式计算得到：

${\mathrm{Popu}}_{thr}=Popu(X=\frac{\mathrm{\κ}\·\·C{\mathrm{Diver}}_{thr}}{F}),$

其中Popu_thr为流行度阈值；κ为想要存储的流行度数据倍数；C为缓存大小；Diver_thr为多样性阈值。

S103：节点依据接收内容的多样性参数决定转发之前是否缓存该内容。

本步骤中所述内容在网络中传送过程中是以数据包的形式发送，每个数据包形成时均包括有一个多样性参数Diversity，所述多样性参数Diversity控制着副本缓存的密度，所述多样性参数Diversity为一个正常数，初始化为零。

本步骤包括：

预设一个多样性阈值Diver_thr。该多样性阈值Diver_thr为常整数，在本实施例中，所述多样性阈值Diver_thr设为3，当然，依据具体情况，所述多样性阈值Diver_thr还可设为其他常整数。

节点接收数据包；

判断该数据包的多样性参数Diversity；

若该多样性参数Diversity小于预设的多样性阈值Diver_thr时，节点将该数据包的多样性参数Diversity加一，然后转发数据包；

若该多样性参数Diversity大于或等于预设的多样性阈值Diver_thr时，节点将该数据包的多样性参数Diversity重置为零，然后将该数据包进行缓存到内容存储库(ContentStore，CS)。

S104：依据网络流量的变化自适应调节链路的速率。

本步骤首先采用以下公式来计算链路的流量阈值：

${\mathrm{Rate}}_i=K_j\×C_i,if(K_j-0.1)C_i\≤\frac{{\mathrm{len}}_i\stackrel{\‾}{S_i}}{C_i}\≤K_j{C}_i$

其中Rate_i为链路流量阈值；len_i表示待定请求表(PendingInterestTable，PIT)的长度；S_i表示数据包大小估值；K_j∈{0.1,0.2,...,1}；C_i是指i接口的上行链路容量。

节点通过待定请求表的长度监控该节点每一个接口的流量，并判断每一接口的流量是否达到流量阈值Rate_i：

若监控到的流量超过或低于该流量阈值时，链路速率将被调节为相应的值以减少节点能量消耗。

本申请内容中心网络的能耗控制方法的步骤S104与步骤S102、S103之间为并行设置，即步骤S104无需再执行步骤S102、S103之后才启动，在执行步骤S102、S103的同时也在进行步骤S104。

图2所示为本申请的内容中心网络的能耗控制方法与原有内容中心网络、最短距离策略的仿真能耗比较效果图：本文算法(即本申请算法)、内容中心网络原有策略、最短路径转发策略能量消耗，仿真结果表明，与最短路径转发策略相比，本文的算法可以减少能耗约11.97％到20.03％；与内容中心网络原有策略相比，本文的算法可以减少能耗约9.66％到15.08％。

本申请内容中心网络的能耗控制方法先通过先建立能量消耗模型以确定能量消耗的三个因素为节点响应能耗、缓存能耗、及链路能耗，而后依据内容中心网络转发的内容的多样性参数、流行度值来决策是否缓存替换。而现有的缓存管理算法多数由本地节点独立完成。

需要说明的是，实施例一所提供方法的各步骤的执行主体均可以是同一设备，或者，该方法也由不同设备作为执行主体。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程对象聚类设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程对象聚类设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程对象聚类设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程对象聚类设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flashRAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitorymedia)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种内容中心网络的能耗控制方法，其特征在于，包括：

构建能量消耗模型以确定内容中心网络的能量消耗因素；

节点计算接收内容的流行度，依据接收内容的流行度决定转发之前是否缓存该内容；

节点依据接收内容的多样性参数决定转发之前是否缓存该内容；

依据网络流量的变化自适应调节链路的速率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，构建能量消耗模型以确定内容中心网络的能量消耗因素，包括：

依据如下公式构建内容缓存与数据转发相结合的能耗模型：

E_tot＝E_cache+E_tr＝(P_r+P_l)H_avg+P_cachetβ_cache+P_r，

其中E_tot为总功耗；E_cache为缓存功耗；E_tr为传输功耗；P_r路由功耗；P_l链路功耗；β_cache缓存利用率；H_avg为平均响应跳数，所述跳数表示数据转发过程中所经过的网络节点；P_cache为缓存功耗；t为时间，单位秒。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，依据所述能量消耗模型确认内容中心网络的能耗因素包括：内容转发消耗，即转发内容所经过的所有节点，具体体现为能量消耗模型的平均响应跳数H_avg；缓存消耗，即缓存使用空间、访问次数，具体体现为能量消耗模型的缓存利用率β_cache；链路消耗。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，节点依据接收内容的多样性参数决定转发之前是否缓存该内容，包括：

预设一个多样性阈值Diver_thr；

节点接收数据包；

判断该数据包的多样性参数Diversity，所述数据包的多样性参数Diversity在所述内容转化为数据包时自动生成：

若该多样性参数Diversity小于预设的多样性阈值Diver_thr时，节点将该数据包的多样性参数Diversity加一，然后转发数据包；

若该多样性参数Diversity大于或等于预设的多样性阈值Diver_thr时，节点将该数据包的多样性参数Diversity重置为零，然后将该数据包进行缓存到内容存储库。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述多样性参数Diversity为一个正常数，初始化为零；所述多样性阈值Diver_thr为常整数，所述多样性阈值Diver_thr设为3。

6.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，节点计算接收内容的流行度及流行度阈值，依据接收内容的流行度决定转发之前是否缓存该内容，包括：

采用符合Zipf定律的分发模型分别计算内容的流行度与流行度阈值，内容的流行度的计算公式如下：

$Popu(X=i)=\frac{i^{-{\mathrm{\α}}_{zipf}}}{\underset{j=1}{\overset{\left|F\right|}{\Σ}}{i}^{-{\mathrm{\α}}_{zipf}}},$

其中-α_zipf为Zipf分发模型参数；F为所有的内容，|F|是指所有内容的数量，i是指第i个流行内容在所有内容|F|中排名，Popu(X＝i)表示指第i个内容X的流行度；

流行度阈值的计算公式如下：

其中Popu_thr为流行度阈值；κ为想要存储的流行度数据倍数；C为缓存大小；Diver_thr为多样性阈值；

节点判断需要转发内容的流行度与流行度阈值：

若当前内容的流行度大于或等于流行度阈值时，节点缓存该需要转发的内容；

若当前内容的流行度小于流行度阈值时，节点直接转发该需要转发的内容，而不进行缓存动作以节省能量。

7.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，依据网络流量的变化自适应调节链路的速率，包括：

采用以下公式来计算链路的流量阈值：

${\mathrm{Rate}}_i=K_j\×C_i,if(K_j-0.1)C_i\≤\frac{{\mathrm{len}}_i\stackrel{\‾}{S_i}}{C_i}\≤K_j{C}_i$

其中Rate_i为链路流量阈值；len_i表示待定请求表(PendingInterestTable，PIT)的长度；S_i表示数据包大小估值；K_j∈{0.1,0.2,...,1}；C_i是指i接口的上行链路容量；

节点通过待定请求表的长度监控该节点每一个接口的流量，并判断每一接口的流量是否达到流量阈值：

若监控到的流量超过或低于流量阈值时，链路速率将被调节为相应的值以减少节点能量消耗。