CN105656788B - 基于流行度统计的ccn内容缓存方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于流行度统计的CCN内容缓存方法，包括：当接入节点接收到用户终端发送的内容请求时，根据内容检索策略确定该接入节点与缓存有第一内容的中间节点或接入节点之间的请求转发路径；该请求转发路径具有最小时延；该第一内容为所述内容请求对应的内容。本发明利用本地流行度信息进行内容检索策略，将越热的内容放置在越靠近接入路由器的位置，从而降低了用户下载时延；根据路径上的各节点内容检索策略，减少冗余，增加了缓存多样性，网络的整体资源利用率得以提高；同时在联合考虑了缓存决策和多径路由请求，提高缓存利用率。

Description

基于流行度统计的CCN内容缓存方法
技术领域
本发明涉及互联网技术领域，尤其涉及一种基于流行度统计的CCN内容缓存方法。
背景技术
随着WWW(world wide web)、对等网络(P2P，peer to peer)这类以“内容/信息共享”为主要特点的网络应用的快速发展，“内容”实际上已经在互联网中扮演着核心的角色。为了应对互联网数据流量和用户数量的迅猛增长带来的挑战，拟从根本上解决IP网络诸多问题，相关研究提出了内容中心网络(CCN，Content Centric Network)这一革命式的网络架构，该网络架构将从IP无视内容(content-oblivious)的网络变成面向内容(content-oriented)的网络，缓存(cache)将取代路由器中的缓冲器(buffer)，成为未来网络固有基础设施，即内嵌缓存(In-network Caching)。
在CCN中，内嵌缓存是未来网络与传统IP网络区别的重要特点，其基本思想是无所不在的缓存，用户的请求可能在网络中的任意节点处得到满足。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。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。
此外，由于内容中心网路不存在路由回路问题，所以内容中心网络固有的支持多径转发。多径转发可以通过多条内容回传路径的沿途缓存来减少临近节点后续请求下载时延，但也同时导致网络数据量增加，缓存命中率下降和域内缓存多样性降低。因此，缓存和多径转发作为节点固有能力是紧密耦合、相互作用的。
HaoWu等提出了一种基于全局流行度的协同缓存策略，叫EMC，以降低ISP域间流量，减少骨干网的压力，同时也较小用户获取时延。在EMC中，每个接入路由器周期性地在本地请求向量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，路径上的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。该策略充分利用降序排列的全局流行度信息，从网关路由器到接入路由器依次向下进行缓存决策，将热的内容放置在靠近网关，以致尽可能多的在ISP域内响应请求。
下表中给出了各个接入路由器收到的内容及其请求率，#R代表接入路由器编号O＝{O1，O2，O3，…，ON}代表可缓存的内容。
假设每个路由器只能缓存一个内容。EMC缓存放置结果如图1所示。
Rosensweig等人提出了一种隐式协同策略，叫Breadcrumbs，该策略设计沿途转发对象的每一个节点都缓存对象副本，并且为每个途经的对象建立一个trail，利用历史记录的trail信息指导后续请求的路由，即利用内容的放置信息指导请求的路由转发，从而达到快速查找内容，降低网络时延的目的。如图2所示，每一个trail由四元组构成，分别是：文件的ID，文件到达时间，该文件从哪个节点转发而来，该文件向哪个节点转发出去。图2描述了文件f1从节点A向D转发过程中，沿途节点建立trail的情况。
EMC策略的主要目标是降低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，但这样的结果是用户获取较热内容的跳数增加，内容下载时延较大。
Breadcrumbs方法将内容放置和请求路由结合，利用存储的trail信息来指导后续请求的路由转发，但是该方法要求在每个节点为每个文件都缓存trail信息，信息开销太大。此外Breadcrumbs采用LCE放置策略，在沿途转发内容包的节点都会缓存内容的副本，增加了网络内容的冗余。而且由于动态替换使得使用该算法会存在无法从downstream路径上找到所内容的风险。
发明内容
本发明提供一种基于流行度统计的CCN内容缓存方法，用于以降低用户下载时延，以及提高缓存利用率。
第一方面，本发明提供一种基于流行度统计的CCN内容缓存方法，包括：
当接入节点接收到用户终端发送的内容请求时，根据内容检索策略确定该接入节点与缓存有第一内容的中间节点的请求转发路径；该请求转发路径具有最小时延；
其中，该第一内容为所述内容请求对应的内容。
优选地，若接入节点缓存有第一内容，则直接返回给客户终端；若中间节点缓存有第一内容，则根据内容检索策略确定接入节点与缓存有第一内容的中间节点的请求转发路径，该请求转发路径具有最小时延；若中间节点未缓存有第一内容，则根据内容检索策略确定接入节点与网关的请求转发路径。
优选地，根据内容检索策略确定接入节点与缓存有第一内容的中间节点的请求转发路径，包括：
根据内容检索策略查找缓存有第一内容的中间节点；
根据内容检索策略判断中间节点到接入节点的跳值是否小于或等于跳数约束值；
若是，建立接入节点与中间节点之间的请求转发路径；
其中，跳数约束值为网关到接入节点的跳值。
优选地，若缓存有内容的中间节点到接入节点的跳数值大于预设跳数约束值，则内容请求继续转发给网关。
优选地，获取接入节点到网关的最短请求转发路径，然后将接入节点的请求向量沿着该请求路径向上级节点转发，路径上对每个节点根据收到的请求向量进行处理，包括：
当前节点对收到的请求向量进行累积，对累积后的请求向量根据各个内容的请求率对内容进行降序排列；
依次对排列后的各个内容根据子节点的请求向量和缓存索引表进行判断，以确定各个内容的缓存状态，并根据缓存状态建立新的请求向量和缓存索引表，将请求向量继续向上级节点传播；
其中，请求向量和缓存索引表是内容检索策略在每个节点上的策略表。
优选地，接入节点建立请求向量，包括：
所述接入节点统计各个内容的请求率；
确定请求率最大的内容为在所述接入节点缓存，则设置跳值为0；
设置其他内容默认跳值为-1；
根据内容标识符、内容请求率、到达接口和对应的跳值建立请求向量；
其中，内容标识符为内容的唯一标识；到达接口为请求向量从下级节点向上级节点转发的接口。
优选地，中间节点建立请求向量，包括：
内容请求率为收到的请求向量中相同内容的累加；
所选中间节点以降序排列方式统计各个内容的请求率；
依次对排列后的各个内容进行判断：
若当前内容的跳值在子节点的请求向量中的跳值为0或正整数，则当前跳值加1后为新跳值；
若当前内容的跳值在子节点的请求向量中的跳值为-1，则继续在缓存索引表中检索，若缓存索引表中未记录当前内容，则当前跳值更新为0，直至缓存空间已满；
若当前内容被确定为所选中间节点的待缓存内容，则跳值更新为0，当缓存空间已满，则跳值为-1的其余内容的跳值不变；
根据内容标识符、内容请求率、到达接口和对应的跳值建立请求向量。
优选地，缓存索引表包括跳值为0或正整数的内容。
优选地，还包括：当内容从网关返回时，根据缓存索引表上各个内容的缓存状态，如果对应跳值为0，则在对应节点缓存对应的内容副本。
优选地，当缓存索引表在每个中间节点建立后，删除所有节点的请求向量。
由上述技术方案可知，本发明利用本地流行度信息进行内容检索策略，将最热的内容放置在接入路由器，从而降低了用户下载时延；根据路径上的各节点内容检索策略，减少冗余，增加了缓存多样性，网络的整体资源利用率得以提高；同时在联合考虑了缓存决策和多径路由请求，提高缓存利用率。
附图说明
图1为现有技术中实施例EMC缓存结果示意图；
图2为现有技术中实施例Breadcrnumbs策略示意图；
图3为本发明实施例所述内容缓存方法的流程图；
图4为本发明实施例所述中间节点处理RV的流程图；
图5为本发明实施例内容返回实时缓存的流程图；
图6为本发明实施例节点多径请求流程图；
图7为一转发路径中请求向量RV传播示意图；
图8为内容实时缓存放置和节点多径请求过程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明实施例提供一种基于流行度统计的CCN内容缓存方法，本方法在CCN网络结构上，接入节点与用户终端连接，接入节点以不同转发路径经过中间节点与网关连接。在网络结构上进行实现，如图3所示，本方法包括：
10、接入节点接收到用户终端发送的内容请求；
11、根据内容检索策略确定该接入节点与缓存有第一内容的中间节点或接入节点之间的请求转发路径。
该请求转发路径具有最小时延。
其中，CCN网络中的每个节点通过缓存策略缓存有至少一个第一内容；该第一内容为所述内容请求对应的内容，并且是所有缓存内容的总称，同时是用户终端当前所需要的请求内容。其中，若接入节点缓存有第一内容，则直接返回给客户终端；若中间节点缓存有第一内容，则根据内容检索策略确定接入节点与缓存有第一内容的中间节点的请求转发路径，该请求转发路径具有最小时延；若中间节点未缓存有第一内容，则根据内容检索策略确定接入节点与网关的请求转发路径。
所述步骤中根据内容检索策略确定中间节点与接入节点建立请求转发路径，包括：
根据内容检索策略查找缓存有第一内容的中间节点；
根据内容检索策略判断中间节点到接入节点的跳值是否小于或等于跳数约束值；
若是，建立接入节点与中间节点之间的请求转发路径；
其中，跳数约束值为网关到接入节点的跳值。
需要说明的是，通过内容检索策略查找缓存第一内容的发送节点是一个或多个，若是一个节点，则直接建立该节点与接入节点之间的请求转发路径。若是多个节点，则需一一判断，直到确定满足上述判断条件的节点为止。
另外，依据最小时延原则，若缓存有内容的中间节点到接入节点的跳数值大于预设跳数约束值，则内容请求继续转发给网关。
上述方法的实现是建立在内容缓存在各个节点的网络构架上，为此，需要实现各个节点对内容的缓存。
获取接入节点到网关的最短请求转发路径，然后将接入节点的请求向量沿着该请求路径向上级节点转发，路径上的每个节点根据收到的请求向量进行处理，包括：
101、当前节点对收到的请求向量进行累积，对累积后的请求向量根据各个内容的请求率对内容进行降序排列；
102、依次对排列后的各个内容根据子节点的请求向量和缓存索引表进行判断，以确定各个内容的缓存状态，并根据缓存状态建立新的请求向量和缓存索引表向上级节点传播；
其中，请求向量和缓存索引表是内容检索策略在每个节点上的策略表。
对上述步骤进行进一步地解释说明。
接入节点建立请求向量，包括：
1011、所述接入节点统计各个内容的请求率；
1012、确定请求率最大的内容为在所述接入节点缓存，则设置跳值为0；
1013、设置其他内容默认跳值为-1；
1014、根据内容标识符、内容请求率、到达接口和对应的跳值建立请求向量；
其中，内容标识符为内容的唯一标识；到达接口为请求向量从下级节点向上级节点转发的接口。
如表1所示：
Oid Rate Face Hop
O<sub>1</sub> 98 -- 0
O<sub>2</sub> 87 -- -1
O<sub>3</sub> 56 -- -1
O<sub>4</sub> 35 -- -1
表中包括内容标识符Oid、请求率Rate和跳值Hop，其中，还可以包括接口信息Face，其表示请求向量(RV)从哪个接口到达。Hop是缓存了该内容的节点和当前节点之间的跳值。
对于所述缓存索引表，其包括跳值为0或正整数的内容。因此，上述表1所对应的缓存索引表为下表2所示：
Oid Face Hop
O<sub>1</sub> -- 0
在任一转发路径中，接入节点的RV要向上级的中间节点传播，因此，所述中间节点建立请求向量，包括：
1021、所选中间节点以降序排列方式统计各个内容的请求率；
1022、依次对排列后的各个内容进行判断：
1023、若当前内容的跳值在子节点的请求向量中的跳值为-1，则继续在缓存索引表中检索，若缓存索引表中未记录当前内容，则当前跳值更新为0，直至缓存空间已满；
1024、若当前内容的跳值在子节点的请求向量中的跳值为0或正整数，则当前跳值加1后为新跳值；
1025、若当前内容被确定为所选中间节点的待缓存内容，则跳值更新为0，当缓存空间已满，则跳值为-1的其余内容的跳值不变；
1026、根据内容标识符、到达接口和对应的跳值建立请求向量。
上述步骤以如图4所示中间节点处理RV流程图进行解释说明：
首先判断所选中间节点是否收到RV，若未收到继续等待，若收到，则进行相同内容请求率的相加并按降序排列方式进行重新排列。由于RV向上传播时并不需要包含全部内容，请求频率一般服从幂律分布，对很冷的内容的请求数目很小而可以忽略，以降低计算复杂度，因此只需向上游节点传播包含MAXSEND个较热内容的RV，该数目MAXSEND可以通过对当前网络中缓存的内容数目估算得到。
在图4中，k代表当前中间节点请求向量中的内容数目。若k>MAXSEND，则说明请求向量中内容全部处理完毕，则将本地RV向上游节点继续传播。若k<MAXSEND，首先获取RV中排在首位的内容，该内容最热。如果其Hop值为-1，则意味该内容没有被任何一个节点缓存过，同时也意味其可被缓存在该节点。这时，需要检查缓存索引表(cache_index_table)是否存在该内容的记录，若存在，说明该内容已经在其他转发路径中所经过的当前中间节点缓存了，为此只需改变更新时间即可；否则，将其Hop值更新为0，意味着一旦内容返回经过本节点即被缓存内容副本。
若其Hop值是一个正数，意味着该内容已经被某一个子节点缓存，那么将Hop值加1，代表缓存了该内容的节点和本节点的距离。
以表格进行说明：
所选中间节点R5获得的子节点传播来的请求向量如下表3所示：
Oid Rate Face Hop
O<sub>1</sub> 278 a 2
O<sub>2</sub> 213 a 1
O<sub>3</sub> 162 -- 0
O<sub>4</sub> 114 -- -1
O<sub>8</sub> 109 a 2
O<sub>5</sub> 81 -1
O<sub>6</sub> 52 -- -1
其缓存索引表如下表4所示：
Oid Face Hop
O<sub>1</sub> a 2
O<sub>2</sub> a 1
O<sub>3</sub> -- 0
O<sub>4</sub> a 0
O<sub>8</sub> a 2
所选中间节点R2统计各个内容请求率的在请求向量中的初期对应表如下表5所示：
Oid Rate Face Hop
O<sub>3</sub> 365 b 0
O<sub>3</sub> 365 a 1
O<sub>1</sub> 360 b 2
O<sub>2</sub> 276 b 1
O<sub>4</sub> 271 a -1
O<sub>5</sub> 197 -1
O<sub>8</sub> 117 b 2
O<sub>6</sub> 90 -- -1
在表5中，内容O4的跳值为-1，则查看表4可以得知O4已被记录。则O4的跳值更新为1。继续查看内容O5，其跳值为-1，继续查看表4可以得知O5未被记录，则O5的跳值更新为0。内容O1的请求率最大，其跳值为0，说明其已被下面子节点缓存，则跳值更新为1。而内容O6的请求率比O5的请求率小，其在O5之后进行查询，因为假设每个节点的缓存大小为一个内容，O5已经缓存在该节点，因此，其跳值继续为-1。依次可对表中所有内容更新其跳值。获得所选中间节点的请求向量，如表6所示：
相应的缓存索引表如下表7所示：
Oid Face Hop
O<sub>3</sub> b 1
O<sub>3</sub> a 2
O<sub>1</sub> b 3
O<sub>2</sub> b 2
O<sub>4</sub> a 1
O<sub>5</sub> -- 0
O<sub>8</sub> b 3
本发明所述缓存放置方法还包括当内容从网关返回时，根据每个节点确定的待缓存内容在对应节点缓存对应内容副本。如图5所示，当前节点的所有内容的Hop值是否大于或等于0，若不大于或等于0，则对下一个内容进行判断。若大于或等于0，则继续判断Hop值是否等于0，若不等于0，则更新相应的缓存索引表的记录。若等于0，则缓存内容副本。
如图6所示为从一接入节点到一发送节点的内容请求流程，若内容在本节点未满足，那么查询缓存索引表，如果在缓存索引表有相应记录，则向记录中的节点转发请求，而不是根据默认路径向网关转发。这样本提案实现了内容感知的多径路由，提高内容利用率，降低用户下载时延。另外，若当前节点和缓存了内容节点距离较远，则仍向网关转发请求。
针对上述方法，下面以具体实施例进行解释说明：
以树形拓扑结构为例，如图7所示，请求率沿着转发路径R11–R10–R5–R2–R1进行传播，路径上的中间节点进行请求率累加，相应跳值和接口信息也记录在RV上。从R10的RV上可以看出最大请求率的O1，由于接入节点已经缓存，则放弃O1选取O2，O2是次大的内容。而接入节点未缓存O2，则R10可缓存O2。从R2的RV上可以看出较大请求率的O3、O1、O2，由于下级节点已经缓存，则放弃O3、O1、O2选取O4，但O4在其他转发路径中已经被缓存，则放弃O4选取O5。而下级节点未缓存O5，则R10可缓存O5。
如图8所示为内容缓存和请求路由的示意图，在图中，路径上的节点根据缓存索引表进行实时缓存。至于多径路由，如果请求节点R7收到对内容O3的请求，它首先沿着路径R7–R3–R1转发，每个节点都检查其缓存索引表，可以看到在节点R1得到满足，即O3可以从2跳远的R5获得，或者三跳远的R8获得，因此，该请求可以根据相应路由策略向一个最佳接口转发或者多个接口同时转发，而不是向内容服务器转发。
本发明利用本地流行度信息进行内容检索策略，将最热的内容放置在接入路由器，从而降低了用户下载时延。根据路径上的各节点内容检索策略，减少冗余，增加了缓存多样性，网络的整体资源利用率得以提高。同时在联合考虑了缓存决策和多径路由请求，提高缓存利用率。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于流行度统计的CCN内容缓存方法，其特征在于，包括：
当接入节点接收到用户终端发送的内容请求时，根据内容检索策略确定该接入节点与缓存有第一内容的中间节点的请求转发路径；该请求转发路径具有最小时延；
其中，该第一内容为所述内容请求对应的内容；
还包括：获取接入节点到网关的最短请求转发路径，然后接入节点将统计的请求向量沿着该请求路径向上级节点转发，路径上的每个节点对收到的请求向量进行处理，包括：
当前节点对收到的请求向量进行累积，对累积后的请求向量根据各个内容的请求率对内容进行降序排列；
依次对排列后的各个内容根据子节点的请求向量和缓存索引表进行判断，以确定各个内容的缓存状态，并根据缓存状态建立新的请求向量和缓存索引表，将请求向量继续向上级节点传播；
请求向量和缓存索引表是内容检索策略在每个节点上的策略表；
其中，接入节点建立请求向量，包括：
所述接入节点统计各个内容的请求率；
确定请求率最大的内容在所述接入节点待缓存，则设置跳值为0；
设置其他内容默认跳值为-1；
根据内容标识符、内容请求率、到达接口和对应的跳值建立请求向量；
其中，内容标识符为内容的唯一标识；到达接口为请求向量从下级节点向上级节点转发的接口。
2.根据权利要求1所述的内容缓存方法，其特征在于，若接入节点缓存有第一内容，则直接返回给客户终端；若中间节点缓存有第一内容，则根据内容检索策略确定接入节点与缓存有第一内容的中间节点的请求转发路径，该请求转发路径具有最小时延；若中间节点未缓存有第一内容，则根据内容检索策略确定接入节点与网关的请求转发路径。
3.根据权利要求2所述的内容缓存方法，其特征在于，根据内容检索策略确定接入节点与缓存有第一内容的中间节点的请求转发路径，包括：
根据内容检索策略查找缓存有第一内容的中间节点；
根据内容检索策略判断中间节点到接入节点的跳值是否小于或等于跳数约束值；
若是，建立接入节点与中间节点之间的请求转发路径；
其中，跳数约束值为网关到接入节点的跳值。
4.根据权利要求2所述的内容缓存方法，其特征在于，若缓存有内容的中间节点到接入节点的跳数值大于预设跳数约束值，则内容请求继续转发给网关。
5.根据权利要求1所述的内容缓存方法，其特征在于，中间节点的建立请求向量，包括：
内容请求率为收到的请求向量中相同内容的累加；
所选中间节点以降序排列方式统计各个内容的请求率；
依次对排列后的各个内容进行判断：
若当前内容的跳值在子节点的请求向量中的跳值为0或正整数，则当前跳值加1后为新跳值；
若当前内容的跳值在子节点的请求向量中的跳值为-1，则继续在缓存索引表中检索，若缓存索引表中未记录当前内容，则当前跳值更新为0，直至缓存空间已满；
若当前内容被确定为所选中间节点的待缓存内容，则跳值更新为0，当缓存空间已满，则跳值为-1的其余内容的跳值不变；
根据内容标识符、内容请求率、到达接口和对应的跳值建立请求向量。
6.根据权利要求1所述的内容缓存方法，其特征在于，缓存索引表包括跳值为0或正整数的内容。
7.根据权利要求1所述的内容缓存方法，其特征在于，还包括：当内容从网关返回时，根据缓存索引表上各个内容的缓存状态，如果对应跳值为0，则在对应节点缓存对应的内容副本。
8.根据权利要求1或6所述的内容缓存方法，其特征在于，当缓存索引表在每个中间节点建立后，删除所有节点的请求向量。
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