CN106888265B - 用于物联网的缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于物联网的缓存方法，将内容数据缓存在节点上，这样，用户向物联网请求数据时，节点上缓存的内容数据可以发送至用户，而不必每次都向内容提供者请求，这样可以使得数据发送时路由路径缩短，从而能够有效减少物联网流量负载、降低用户获取物联网数据的时延、减轻内容提供者的负担，并可以使得内容提供者可以进行休眠而不影响数据发送，并且本发明将内容数据有选择的缓存在靠近内容源并且该内容请求频率较高的节点上，降低了缓存的盲目性，可以有效降低节点上缓存的内容数据的替换频率。

Description

用于物联网的缓存方法

技术领域

本发明涉及一种用于物联网的缓存方法。

背景技术

物联网（Internet of Things，IoT）是指通过信息传感设备，将需要进行信息传递的物体，按照相关协议与互联网相连而形成的一种网络，其主要功能是对物体的状态进行实时感知和智能控制，实现物理世界与虚拟世界的无缝连接。

物联网是互联网的延伸和扩展，然而物联网节点具有高度异构性，物联网中不仅存在服务器、个人电脑、手持设备、路由器等高性能节点，还拥有数量众多的各种低功耗、小体积通信对象，如无线传感器和执行器、可穿戴设备、RFID标签等，这些终端具有共同的特征：受限的能源、有限的处理能力、少量的内存空间、脆弱的无线条件、应用的实时性要求，如此数量众多、资源受限且缺乏用户接口的IoT设备使得大规模IoT互联、尤其是海量数据的采集和分发成为挑战，给IoT体系结构带来了极大的压力。

上百亿的IoT设备连接到互联网将产生海量的低速物联网流量，会增加核心网络的负担，而很大比例的IoT流量被多个终端用户频繁请求，减少由此带来的冗余传输十分必要，同时，很多IoT设备是可移动的，并且受限于能源、内存和计算能力，容易造成断续连接。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于物联网的缓存方法，其能够有效减少物联网流量负载、降低用户获取物联网数据的时延、减轻内容提供者的负担，使得内容提供者可以进行休眠而不影响数据发送，能有效降低节点上缓存的内容数据的替换频率。

为解决上述技术问题，本发明提供的用于物联网的缓存方法，该方法包括：

在物联网的每个节点上设置一个内容表，每个内容表中均包含n条记录，每条记录中均包含内容名称、请求次数、新鲜度值，每个内容表中的n条记录均始终按照请求次数的多少进行排序；

用户设备向物联网发送内容请求，当用户设备发送的内容请求到达物联网的一个节点时，如果该节点的内容表中没有任何记录，则在该节点的内容表中添加一条记录，该记录的内容名称与内容请求一致，该记录的请求次数设置为1，该记录的新鲜度值设置为1；

当用户设备发送的内容请求到达物联网的一个节点时，如果该节点的内容表中没有任何一条记录的内容名称与内容请求一致，则搜寻到该节点的内容表中的新鲜度值为n的记录并删除，然后在该节点的内容表中添加一条新的记录，该记录的内容名称与内容请求一致，该记录的请求次数设置为1，该记录的新鲜度值设置为1，并且将该节点的内容表中的其余记录的新鲜度值均加1；

当用户设备发送的内容请求到达任意一个节点时，如果该节点的内容表中有一条记录的内容名称与内容请求一致，则将该记录的请求次数加1，并且将该节点的内容表中新鲜度值小于该记录的所有记录的新鲜度值均加1，同时将该记录的新鲜度值重置为1；

当用户设备发送的内容请求到达内容提供者或内容缓存时，内容提供者或内容缓存将相应的内容数据按路由路径发送至用户设备，内容数据在发送之前附上缓存标签C=1，当内容数据到达物联网的任意一个节点时，只有在内容数据上的缓存标签C=1并且当前节点的内容表中的与内容数据相对应的记录的请求次数大于当前节点的内容表中的最小请求次数的情况下，才将内容数据在当前节点进行缓存并将缓存标签设置为C=0，其余情况下，当前节点直接将内容数据转发到路由路径的下一节点；与内容数据相对应的记录是指内容数据的内容名称与记录的内容名称一致。

作为优选，所述的n的最大值为节点所能缓存的内容块的数量的1.5倍。

采用以上结构后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

本发明的缓存方法，将内容数据缓存在节点上，这样，用户向物联网请求数据时，节点上缓存的内容数据可以发送至用户，而不必每次都向内容提供者请求，这样可以使得数据发送时路由路径缩短，从而能够有效减少物联网流量负载、降低用户获取物联网数据的时延、减轻内容提供者的负担，并可以使得内容提供者可以进行休眠而不影响数据发送，并且本发明将内容数据有选择的缓存在靠近内容源并且该内容请求频率较高的节点上，降低了缓存的盲目性，可以有效降低节点上缓存的内容数据的替换频率。

附图说明

图1为本发明的物联网的数据传输模型；

图2是内容请求到达节点时的操作流程图；

图3是内容数据达到节点时的操作流程图；

图4是内容请求达到节点时内容表的变化示意图；

图5是各类缓存算法的例证图；

图6是方案1缓存命中率的箱图；

图7是方案1跳数减少率的箱图；

图8是方案1每节点缓存替换数的箱图；

图9是方案2缓存命中率的箱图；

图10是方案2跳数减少率的箱图；

图11是方案2每节点缓存替换数的箱图；

图12是随相对缓存大小变化的缓存命中率；

图13是随相对缓存大小变化的跳数减少率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

本发明中的物联网为基于内容中心体系架构的物联网，图1给出了本发明的物联网的系统模型及数据获取示意图，用户A远程发送Interest包，请求所需数据（如电力数据、监控数据等），该数据按内容中心网络要求具有内容名，并由节点1所采集，用户A按照内容中心网络以内容名路由的方式逐跳路由转发到达节点1，节点1根据采集频率等特点对采集到的数据设置生命期，封装数据并发送Data包，按Interest包经历的路径送达用户1，沿途节点可根据缓存策略有选择性地存储过往的数据（例如存储在汇聚节点2），若之后用户B需要同样的数据，所发送的Interest请求就可由节点2服务，直接把所需的数据发送给用户B，无需路由到源节点（节点1）获取数据，由此可见，网内缓存减少了数据传输的时延，同时减少了网络流量，减轻了源节点负载，另外，节点1可以在下一次数据采集前进入休眠状态以节省能量，在这个系统模型中，还需要考虑缓存替换问题，也需要考虑缓存内容与源数据的一致性以及针对物联网存在的内容新鲜度要求。

由图2所示，本发明的缓存方法为LCD-S缓存算法，LCD-S缓存算法的主要思想是通过改进常用的LCD算法，使其具有更好的缓存性能，并能很好地适用于内容中心物联网,在该方法中，需要在物联网的每个节点上设计并维护一个内容表，每个内容表中均包含n条记录，每条记录中均包含内容名称、请求次数、新鲜度值，每个内容表中的n条记录均始终按照请求次数的多少从少到多进行排序，也就是说每个内容表中的n条记录的排列顺序均可以随着记录的请求次数的变化而实时调整。

用户设备向物联网发送内容请求，内容请求中包含内容名称，当用户设备发送的内容请求到达物联网的一个节点时，如果该节点的内容表中没有任何记录，则在该节点的内容表中添加一条记录，该记录的内容名称与内容请求的内容名称一致，该记录的请求次数设置为1，该记录的新鲜度值设置为1。

当用户设备发送的内容请求到达物联网的一个节点时，如果该节点的内容表中没有任何一条记录的内容名称与内容请求的内容名称一致，则搜寻到该节点的内容表中的新鲜度值为n的记录并删除，也就是说将新鲜度值最大的记录删除，然后在该节点的内容表中添加一条新的记录，该记录的内容名称与内容请求的内容名称一致，该记录的请求次数设置为1，该记录的新鲜度值设置为1，并且将该节点的内容表中的其余记录的新鲜度值均加1，也就是说将除了新添加的记录之外的其他记录的新鲜度值均加1。

当用户设备发送的内容请求到达任意一个节点时，如果该节点的内容表中有一条记录的内容名称与内容请求的内容名称一致，则将该记录的请求次数加1，并与下一记录的请求次数比较，若大于后者，该记录与下一记录交换位置，直到请求次数不超过下一记录，目的在于维护内容表中的记录始终以请求次数从低到高排序，若与内容请求相对应的记录的新鲜度值为S，则内容表中新鲜度值<S的其他记录的新鲜度值加1，同时将该记录的新鲜度值重置为1；这里所述的与内容请求相对应的记录是指内容请求的内容名称与记录的内容名称一致。

如图3所示，给出了一个内容请求达到节点时内容表变化的实例，内容表中的n条记录按照请求次数的多少进行排序，当内容请求到达节点时，内容表中的记录（，10，n）的新鲜度值最大，所以将记录（，10，n）删除，然后在内容表的表头插入一条新的记录（，1，1），同时将其余记录的新鲜度值均加1。

如图4所示，当用户设备发送的内容请求到达内容提供者或内容缓存时，内容提供者或内容缓存将相应的内容数据按路由路径发送至用户设备，内容数据在发送之前附上缓存标签C=1，当内容数据到达物联网的任意一个节点时，只有在内容数据上的缓存标签C=1并且当前节点的内容表中的与内容数据相对应的记录的请求次数不是当前节点的内容表中的最小请求次数的情况下，才将内容数据在当前节点进行缓存并将缓存标签设置为C=0，其余情况下，当前节点直接将内容数据转发到路由路径的下一节点；这里所述的与内容数据相对应的记录是指内容数据的内容名称与记录的内容名称一致。

所述的n的最大值为节点所能缓存的内容块的数量的1.5倍，也就是节点若能缓存10个内容块，则该节点的内容表维护15条记录，这样，既不会错过流行的内容，也不会因为内容众多而付出很多维护内容表的开销。

下面将本发明的缓存算法和现有的缓存算法的缓存性能进行仿真评估和比较：

a) 比较算法

把LCD-S缓存算法与常用的内容缓存算法以及最近被证明有效的缓存算法进行充分比较，所采用的是缓存替换策略都是LRU（最近最少使用算法），主要进行比较的缓存算法罗列如下：

LCE (Leaving Copies Everywhere)：内容分发路径上每个节点都缓存经过的数据，是一种常用的盲目缓存算法。因其简单可行，也是最早提出的CCN体系结构中所采用的缓存算法。

RndCache (Random Cache)：沿内容分发路径随机存储，每个节点以50%的概率缓存经过该节点的数据。

ProCache (Probabilistic Cache with uniform probability)：沿内容分发路径随机存储，每个节点以（1/总跳数）的概率缓存经过的数据, 跳数指的是从请求者到数据提供者所经过的设备节点，沿途每个节点缓存概率相等。

BCC (Betweenness-Centrality-based Cache): BCC 采用介数中心的概念并把内容缓存在内容分发路径上介数中心值最大的节点。

BCC+RND：是我们在BCC基础上提出的一种改进算法。除了缓存在内容分发路径中的最大介数中心节点外，再随机取一个下游节点进行缓存，目的在于防止由频繁的缓存替换造成的缓存未命中率的增加，利用少量的冗余获得缓存命中率的提高，并把内容进一步拉近请求用户。

LCD (Leave Copy Down)：LCD以其简单有效而成为缓存的常用算法。LCD的基本思想是由给定内容的每一次请求驱动，把内容拷贝到离请求者更近一跳的节点上，即拷贝到缓存命中节点紧接着的下游节点，这样请求内容就更靠近端用户。内容中心网络缓存算法中的WAVE算法也基于相似的思想，只不过缓存的对象是文件中的块（把文件切分成大小相同的块）。

MCD (Move Copy Down)：与 LCD一样，通过缓存内容到相邻下游节点的方式把内容推进端用户，但MCD要求把内容从缓存命中节点（除了源数据服务器）中删除以减少网内数据冗余。

上述缓存比较算法与LCD-S缓存算法的原理图解如图5所示。

b) 性能评估指标

缓存命中率 (CHR)：由中间缓存节点而非内容提供者服务的内容数与总的请求的内容数之比。

路由跳数减少率（HRR）：跳数指的是获取内容实际所需的请求Interest 所经过的节点数。HRR指的是因缓存而减少的跳数平均值与端用户到内容提供者的平均跳数之比，后者以文献中建议的11跳计，即HRR=（11-实际跳数）/11*100%。

缓存替换数（Cache Evictions)：计算每一轮（发送10000内容请求包为一轮）的缓存替换数。

c) 仿真环境

仿真环境采用GT-ITM产生随机的路由器级网络拓扑，内容提供者随机分布在网络中，其中20%的内容由ISP（互联网服务提供者）网络内部发布，80%内容则由ISP网外发布。每个内容请求沿最短路由路径到达内容源（内容提供者或内容缓存），路由路径是根据CCN基于名字的多源多路径机制提取的。

对于输入的数据，在每个节点的请求遵循泊松到达，其中是均匀分布的请求到达率t 是缓存决策的观察间隔（即10000请求为一轮），每个端节点的平均请求数遵循均匀分布U(20000,40000)。内容流行度符合Zipf 分布()，其中，表示内容访问集中度，Zipf 分布给出了N个可获得内容中排名为第i的内容的访问概率。

因为CCN体系架构是由接收者驱动的块级传输，传输的单位是具有相同尺寸的块，此为仿真环境的默认参数如表1所示。

表1

d) 缓存性能比较

方案1：单个内容提供者

图6和图7分别表示各缓存算法的缓存命中率CHR和跳数减少率HRR的箱图。由图6可见，基于介数中心的缓存算法如 BCC 和BCC+RND 具有最好的缓存命中率CHR，即使在缓存容量不大的情况下（总内容0.05%的缓存容量）甚至能够高达73%的命中率， LCD-S 和概率缓存方案（如RndCache 和 ProCache）比BCC类的方案略逊，大约能达到63%的缓存命中率，但比LCD高大约10%。高的缓存命中率可以大幅度减少 ISP之间的流量结算，降低骨干网络负载并能大量节省ISP的运营成本。跳数减少率HRR直接影响用户数据检索的体验，与基于CCN的网络服务的应用与推广息息相关。由图7可见，LCD-S具有最好的HRR性能，跳数减少最多，概率缓存方案在HRR指标上也具有明显的优势，而且通过简单改造的LCD-S比原始的LCD高大约7%的HRR。

每个缓存算法的缓存动态性测量从网络初始状态开始（缓存处于空闲状态），缓存替换策略为LRU，除了BCC类算法需要5轮才使缓存替换数趋于稳定，大部分缓存算法表现比较稳定。图8显示LCD-S 和BCC类算法缓存替换数上具有最好的性能，而RndCache和LCE在每个节点分别采用50% 和100%的高缓存概率，造成缓存替换频繁，相关性能最差。同样地，LCD-S相对LCD在缓存替换和缓存稳定性方面具有优势。

方案2：多个内容提供者

因为内容中心网络支持多源多路径机制，为进一步评估缓存性能，对更为实际的多个内容提供者的方案进行仿真实验。在方案2中，内容提供者的分布主要信赖于内容流行度， 仿真中每项流行度前5%的内容设置4个内容提供者，前5% -10%的内容拥有2个内容提供者，其余的只有1个内容提供者。

图9-11分别给出了与方案1相同仿真环境下的方案2所得到的仿真结果。比较图9与图6可知，两者的箱图非常相似，但总体上方案2的缓存命中率CHR大约比方案1少10%，很大程度上是由于多源多路径增加了缓存的冗余度造成的，因为相同内容将在不同的路由路径上存在而增加了内容复制品。同样地，方案2的跳数减少率HRR比方案1的普遍少5%（见图7与图10）。最后，从图11和图8的比较可知，两个方案的缓存替换数几乎相同。所以，多源多路径方案和单源方案基本上不影响缓存算法的相对性能。

方案3：单个内容提供者+可变的缓存容量

方案3设置每个内容只有一个内容提供者，而且改变节点的缓存容量，在缓存变化的情况下比较各缓存算法的CHR和HRR值。从图12和图13可见，CHR和HRR随着相对缓存大小的增加而单调增加，并基本上保持了各缓存算法间的相对性能优势。同样地，BCC类缓存算法具有最好的CHR，而LCD-S和概率缓存算法具有最佳的HRR。图12和图13表明大的缓存容量对缓存性能来说肯定有利，而目前存储价格的低廉为提高缓存容量提供了可能，但由于CCN中的路由器结合了路由和缓存功能，受到存储访问速度的限制，导致大存储在设计中不可取。同时，可以观察到性能曲线随着缓存容量的增长而趋于平缓，性能增益逐渐减少，性价比降低。所以，性能增益和成本之间进行权衡，选取合适的缓存容量。另外，LCD-S在相对缓存容量比较大的情况下，可以达到高达85%的缓存命中率和超过50%的跳数减少率。

从三种方案的仿真性能图中可知，基于内容中心的网内缓存方法能够有效地帮助减少数据获取时延、降低网络流量末梢传感网络和骨干互联网的负载，并能减少节点的能耗。与互联网不同，物联网中资源受限设备占很大比例，而且产生大量暂态小数据，使得物联网具有更为苛刻的缓存要求：不仅要求快速的内容获取速度（尤其是针对实时告警信息），而且为了适应全网节点缓存，复杂的合作缓存不适宜于内容中心物联网，缓存算法应尽量简单，否则资源受限设备无法提供足够的计算能力、持续的网络连接和足够的能源供给。LCD-S在LCD基础上作了较为简单的改进，但在缓存命中率CHR、跳数减少率HRR和缓存替换数指标方面却有了很大的提升，尤其是LCD-S 在HRR和缓存替换数方面具有最佳性能，而且各节点独立处理和操作，无需进行协作。虽然BCC和BCC+RND的缓存性能（尤其是缓存命中率很高）也很好，但相对LCD-S算法来说计算复杂度要大得多。所以，在内容中心物联网中采用本发明设计的LCD-S缓存算法是最佳选择。当然，从上述性能比较也可以看出，概率缓存算法因其简单易行也可以作为物联网缓存的候选算法。

本发明的缓存方法能够有效地帮助减少数据获取时延、降低网络流量末梢传感网络和骨干互联网的负载，并能减少节点的能耗，与互联网不同，物联网中资源受限设备占很大比例，而且产生大量暂态小数据，使得物联网具有更为苛刻的缓存要求：不仅要求快速的内容获取速度（尤其是针对实时告警信息），而且为了适应全网节点缓存，复杂的合作缓存不适宜于内容中心物联网，缓存算法应尽量简单，否则资源受限设备无法提供足够的计算能力、持续的网络连接和足够的能源供给。本发明的缓存方法在缓存命中率、内容访问跳数减少率和缓存替换数指标方面却有了很大的提升，尤其相比较于多种常用的缓存算法，本发明的缓存方法在内容访问跳数减少率和缓存替换数方面具有最佳性能，能够有效减少网络流量负载、降低用户获取物联网数据的时延、减轻内容提供者的负担、并能有效节能和及时休眠，而且各节点独立处理和操作，无需进行协作。

以上仅就本发明应用较佳的实例做出了说明，但不能理解为是对权利要求的限制，本发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构。总之，凡在本发明的独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种用于物联网的缓存方法，其特征在于，该方法包括：

在物联网的每个节点上设置一个内容表，每个内容表中均包含n条记录，每条记录中均包含内容名称、请求次数、新鲜度值，每个内容表中的n条记录均始终按照请求次数的多少进行排序；

用户设备向物联网发送内容请求，当用户设备发送的内容请求到达物联网的一个节点时，如果该节点的内容表中没有任何记录，则在该节点的内容表中添加一条记录，该记录的内容名称与内容请求一致，该记录的请求次数设置为1，该记录的新鲜度值设置为1；

当用户设备发送的内容请求到达物联网的一个节点时，如果该节点的内容表中没有任何一条记录的内容名称与内容请求一致，则搜寻到该节点的内容表中的新鲜度值为n的记录并删除，然后在该节点的内容表中添加一条新的记录，该记录的内容名称与内容请求一致，该记录的请求次数设置为1，该记录的新鲜度值设置为1，并且将该节点的内容表中的其余记录的新鲜度值均加1；

当用户设备发送的内容请求到达任意一个节点时，如果该节点的内容表中有一条记录的内容名称与内容请求一致，则将该记录的请求次数加1，并且将该节点的内容表中新鲜度值小于该记录的所有记录的新鲜度值均加1，同时将该记录的新鲜度值重置为1；

当用户设备发送的内容请求到达内容提供者或内容缓存时，内容提供者或内容缓存将相应的内容数据按路由路径发送至用户设备，内容数据在发送之前附上缓存标签C=1，当内容数据到达物联网的任意一个节点时，只有在内容数据上的缓存标签C=1并且当前节点的内容表中的与内容数据相对应的记录的请求次数大于当前节点的内容表中的最小请求次数的情况下，才将内容数据在当前节点进行缓存并将缓存标签设置为C=0，其余情况下，当前节点直接将内容数据转发到路由路径的下一节点；与内容数据相对应的记录是指内容数据的内容名称与记录的内容名称一致。

2.根据权利要求1所述的用于物联网的缓存方法，其特征在于：所述的n的最大值为节点所能缓存的内容块的数量的1.5倍。