CN106899692A - 一种内容中心网络节点数据缓存替换方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内容中心网络节点数据缓存替换方法，包括：节点计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i；节点计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i；节点根据所述T_int_i和所述T_average_i计算各数据的流行度P_i；节点将新接收到的数据存储到缓存空间替换掉P_i最小的数据。本发明还公开了一种相应的内容中心网络节点数据缓存替换装置，本发明的技术方案能有效提高节点缓存数据的使用价值，从而提升网络的传输效率。

Description

一种内容中心网络节点数据缓存替换方法和装置

技术领域

本发明涉及内容中心网络数据传输技术，特别涉及到一种内容中心网络节点数据缓存替换方法和装置。

背景技术

内容中心网络是信息中心网的一种典型架构，与传统的IP网络架构相比，最根本的区别是不再依赖IP地址，将传统的以主机为中心的模型转变为以数据内容为中心的模型。所有的数据内容被全网统一唯一命名，并且基于内容进行定位寻址、转发路由。路由器具备和数据服务器同样的存储转发功能，用户除了在原始服务器请求内容外，可以在网内路由器节点的缓存空间命中内容，减轻了服务器端的负载压力。

内容中心网络中，路由器节点的缓存空间和服务器相比，空间极小，随着客户端请求次数的增加和时间推移，节点缓存空间将会出现饱和状态，此时，如果有新的数据需要在该节点上进行缓存，则需要用新接收到的数据替换掉该节点上已缓存的数据。

现有技术中，节点数据缓存替换方法主要有三种技术方案，

1.最近最少使用(简称，LRU)替换方法，在节点中维护一个缓存项队列，队列中的数据按照每项的最后被访问时间排序。缓存空间饱和后，如果接收到新的数据，节点将删除最后一次被访问时间距离当前时刻最久的数据项。

2.最近最少频率(简称，LFU)替换方法，缓存空间饱和后，如果接收到新的数据，节点将删除缓存中使用频率最小的数据项。

3.先入先出(简称，FIFO)替换方法，缓存空间饱和后，如果接收到新的数据，节点将删除最先缓存的数据项。

上述三种替换方法存在的问题是，LRU替换方法仅考虑了数据的最近使用时间，在进行缓存替换时会造成使用频率较高的数据被删除，而保留下使用频率较低的数据；LFU替换方法仅考虑了数据使用的频率，如果某数据在过去一段时间内被大量请求，使该数据具有较大的请求频率，即使在最近时间该数据块的请求频率急剧下降，但由于前面的高频率请求使该数据获得了较大的权重，因此该数据即使当前请求频率很低也不能及时地将其替换，从而长期占用内存空间；FIFO替换方法在节点实现上最为简单，但在进行数据替换时没有考虑节点缓存数据使用情况。

综上所述，现有的节点数据缓存替换方法都只考虑了单一的影响因素，在进行数据替换时没有充分的反映缓存数据的流行度，从而造成数据替换时不能很好的保证节点缓存空间中缓存数据的使用价值，不利于内容中心网络传输效率的提高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种内容中心网络节点数据缓存替换方法和装置，以提高节点缓存空间中缓存数据的使用价值。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种内容中心网络节点数据缓存替换方法，包括：

节点计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i；

节点计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i；

节点根据所述T_int_i和所述T_average_i计算各数据的流行度P_i

节点将新接收到的数据存储到缓存空间替换掉P_i最小的数据；

其中，所述i为节点缓存空间中缓存的数据的编号。

进一步，所述节点计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i包括：

节点获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔Tinterval_i，作为该数据的T_int_i。

进一步，所述节点计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i包括：

节点根据所述各数据的第一次被访问时间和所述各数据被访问的次数计算各数据的平均访问时间T_aver_i，T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i；

节点将所述各数据的T_aver_i作为该数据的T_average_i；

其中，所述T_recent_i为第i个数据最近一次被访问的时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数。

进一步，所述节点计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i包括：

节点获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔Tinterval_i；

节点对各数据的Tinterval_i进行归一化处理，计算各数据的T_int_i，

T_int_i＝T_interval_i/Tinterval_max

其中，所述Tinterval_max为各数据的Tinterval_i中的最大值。

进一步，所述节点计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i包括：

节点根据所述各数据的第一次被访问时间和所述各数据被访问的次数计算各数据的平均访问时间T_aver_i：

T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i

节点对所述各数据的平均访问时间进行归一化处理，获得各数据的平均访问时间间隔T_average_i：T_average_i＝T_aver_i/T_average_max；

其中，所述T_recent_i为当前时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数，所述T_average_max为所有T_aver_i中的最大值。

本发明的内容中心网络节点数据缓存替换装置包括：

节点缓存空间，用于缓存数据；

最近访问时间间隔计算模块，用于计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i；

平均访问时间间隔计算模块，用于计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i；

数据流行度计算模块，用于根据所述T_int_i和所述T_average_i计算各数据的流行度P_i：

数据替换模块，用于将新接收到的数据存储到所述缓存空间替换掉P_i最小的数据；

其中，所述i为节点缓存空间中缓存的数据的编号。

优选的，所述最近访问时间间隔计算模块包括：

最近访问时间获取单元，用于获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔Tinterval_i；

最近访问时间归一化单元，用于对各数据的Tinterval_i进行归一化处理，计算各数据的T_int_i；

T_int_i＝T_interval_i/Tinterval_max

其中，所述Tinterval_max为各数据的Tinterval_i中的最大值。

优选的，所述平均访问时间间隔计算模块包括：

平均访问时间计算单元节点，用于计算各数据的平均访问时间T_aver_i：

T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i

平均访问时间归一化单元，用于对所述各数据的平均访问时间进行归一化处理，获得各数据的平均访问时间间隔T_average_i：

T_average_i＝T_aver_i/T_average_max

其中，所述T_recent_i为第i个数据最近一次被访问的时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数，所述T_average_max为各数据的T_aver_i中的最大值。

本发明的技术方案中，节点在缓存替换时通过各数据的最近访问时间间隔和平均访问时间间隔计算出各数据的流行度，根据各数据的流行度判断节点所缓存的各数据的使用价值，替换掉使用价值最小的数据，从而有效的提高了节点数据替换的准确性，有利于提高内容中心网络的数据传输效率。

附图说明

图1本发明内容中心网络节点数据缓存替换方法流程图；

图2本发明容中心网络节点数据缓存替换装置结构示意图；

具体实施方式

为了更好的说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

内容中心网络中，内容中心网不再关心数据的存储位置，只关心数据本身。网内的数据不再使用IP地址作为数据的标识，而是以数据的名称作为标识。内容中心网中存在两种数据包类型：请求包(简称，Interest Packet)和数据包(简称，Data Packet)。用户发送包含数据名称的请求包，该请求包被路由到含有对应数据的邻近节点或服务器；然后，将找到的数据包沿着请求包的反向路径传送给数据请求者。

(1)节点首先查找缓存空间(简称，CS)中是否有与该请求对应的数据包，如果有就将数据传回给请求者；

(2)否则节点会查询未决请求表(简称，PIT)中是否含有与该请求对应的条目，如果存在，就将请求包从某接口进入的接口号添加到对应条目的接口列表中，说明有客户端对同样的内容发出过请求，并且经过了该节点，后续对同样内容的请求只要把进入的接口号添加到对应的PIT条目下即可，然后将请求包丢弃，否则新建一个PIT条目并查询节点的转发信息库(简称，FIB)，将请求转发到下一跳节点；

(3)数据包到达时，节点会查询未决请求表PIT，如果PIT中存在与数据对应的请求条目就将数据从该条目的接口列表中转发出去，并根据相应的存储策略将其存储在合适节点的CS中。

请求命中的数据在返回路径中要存储在某个节点时，可能会出现该节点空间存满，需要把旧的数据替换出去。

具体实施例1

本实施例为本发明内容中心网络节点数据缓存替换方法的一种优选实施方式。

参见图1，本实施例的节点数据缓存替换流程如图1所示，包括：

S101、节点接收到新数据；

S102、节点判断是否缓存空间是否饱和；如果是，执行步骤S103，否则节点将接收到的新数据存入缓存空间，结束流程。

S103、节点计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i；

作为本实施例的一种优选实现方案，本步骤进一步包括：

节点获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔Tinterval_i，作为该数据的T_int_i：

T_intveral_i＝(T_i-T_recent_i)

其中，所述Ti为当前时间，所述T_recent_i为第i个数据最近一次被访问的时间。

作为本实施例的又一种优选实现方案，本步骤进一步包括：

节点获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔T_aver_i；

T_intveral_i＝(T_i-T_recent_i)

节点对各数据的T_interval_i进行归一化处理，计算各数据的T_int_i；

T_int_i＝T_interval_i/Tinterval_max

其中，所述Tinterval_max为各数据的T_interval_i中的最大值。

S104、节点计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i；

作为本具体实施例的一种优选实现方案，本步骤进一步包括：

节点根据所述各数据的第一次被访问时间和所述各数据被访问的次数计算各数据的平均访问时间：

T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i

节点将所述各数据的T_aver_i作为该数据的T_average_i。

其中，所述T_recent_i为第i个数据最近一次被访问的时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数。

作为本具体实施例的又一种优选实现方案，本步骤进一步包括：

节点根据所述各数据的第一次被访问时间和所述各数据被访问的次数计算各数据的平均访问时间T_aver_i：

T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i

节点对所述各数据的平均访问时间进行归一化处理，获得各数据的平均访问时间间隔：

T_average_i＝T_aver_i/T_average_max

其中，所述T_recent_i为第i个数据最近一次被访问的时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数，所述T_average_max为所有T_aver_i中的最大值。

S105、节点根据所述T_int_i和所述T_average_i计算各数据的流行度P_i

S106、节点将新接收到的数据存储到缓存空间替换掉P_i最小的数据。

其中，所述i为所述节点所缓存的数据的编号。

具体实施例2

本实施例为本发明内容中心网络节点数据缓存替换装置的一种优选实施方式。

参见图2，本实施例的装置结构如图2所示，包括：

节点缓存空间，用于缓存数据；

最近访问时间间隔计算模块，用于计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i；

平均访问时间间隔计算模块，用于计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i；

数据流行度计算模块，用于根据所述T_int_i和所述T_average_i计算各数据的流行度P_i

数据替换模块，用于将新接收到的数据存储到所述缓存空间替换掉P_i最小的数据。

作为本具体实施例的一种优选实现方案，所述最近访问时间间隔计算模块包括：

最近访问时间获取单元，用于获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔Tinterval_i；

最近访问时间归一化单元，用于对各数据的Tinterval_i进行归一化处理，计算各数据的T_int_i；

其中，所述对各数据的Tinterval_i归一化处理为：

T_int_i＝T_interval_i/Tinterval_max

其中，所述Tinterval_max为各数据的Tinterval_i中的最大值。

作为本具体实施例的一种优选实现方案，所述平均访问时间间隔计算模块包括：

平均访问时间计算单元，用于计算各数据的平均访问时间T_aver_i，所述计算为：

T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i

平均访问时间归一化单元，用于对所述各数据的平均访问时间进行归一化处理，获得各数据的平均访问时间间隔T_average_i，所述归一化处理为：

T_average_i＝T_aver_i/T_average_max

其中，所述T_recent_i为第i个数据最近一次被访问的时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数T_average_max为所有T_aver_i中的最大值。

其中，所述i为所述节点所缓存的数据的编号。

本发明的上述具体实施例中，节点在进行缓存替换时，综合考虑了各数据的最近访问时间(即数据的新鲜度)和平均访问间隔(即数据的访问热度)，计算出数据的流行度，通过数据的流行度来判定数据在网络中的使用价值，进行数据替换时优先替换掉使用价值低(即流行度低)的数据，保证了节点中缓存的数据是使用价值较高的数据，使得后续用户的数据请求包能够更多的在节点缓存中快速命中，从而有效的提高了网络的传输效率，提升了整个内容中心网络的性能。

在上述实施例的优选实现方案中，节点通过对T_aver_i和/或T_aver_i归一化得到各数据的T_int_i和T_average_i，可以把计算流行度的各个参量压缩到0～1范围之内，使计算更加便捷快速。但各个数据之间仍然能够保持相对大小，数据之间进行比较时收敛速度更快，对内容中心网来说，节点对数据处理要求需要达到线性速度，通过归一化处理后，可以节省计算量，加快各数据对比的速度，可以有效减少甚至避免路由器节点出现拥塞状况。

需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种内容中心网络节点数据缓存替换方法，其特征在于，包括：

节点计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i；

节点计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i；

节点根据所述T_int_i和所述T_average_i计算各数据的流行度P_i：

$P_i=\frac{1}{(T\_{\mathrm{int}}_i+1)\×T\_{\mathrm{average}}_i}$

节点将新接收到的数据存储到缓存空间替换掉P_i最小的数据；

其中，所述i为节点缓存空间中缓存的数据的编号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i包括：

节点获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔Tinterval_i，作为该数据的T_int_i。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述节点计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i包括：

节点根据所述各数据的第一次被访问时间和所述各数据被访问的次数计算各数据的平均访问时间T_aver_i，T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i；

节点将所述各数据的T_aver_i作为该数据的T_average_i；

其中，所述T_recent_i为当前时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i包括：

节点获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔Tinterval_i；

节点对各数据的Tinterval_i进行归一化处理，计算各数据的T_int_i，

T_int_i＝T_interval_i/Tinterval_max

其中，所述Tinterval_max为各数据的Tinterval_i中的最大值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述节点计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i包括：

节点根据所述各数据的第一次被访问时间和所述各数据被访问的次数计算各数据的平均访问时间T_aver_i：

T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i

节点对所述各数据的平均访问时间进行归一化处理，获得各数据的平均访问时间间隔T_average_i：T_average_i＝T_aver_i/T_average_max；

其中，所述T_recent_i为第i个数据最近一次被访问的时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数，所述T_average_max为所有T_aver_i中的最大值。

6.一种内容中心网络节点数据缓存替换装置，其特征在于，包括：

节点缓存空间，用于缓存数据；

最近访问时间间隔计算模块，用于计算缓存空间中各数据最近访问时间间隔T_int_i；

平均访问时间间隔计算模块，用于计算缓存空间中各数据的平均访问时间间隔T_average_i；

数据流行度计算模块，用于根据所述T_int_i和所述T_average_i计算各数据的流行度P_i：

$P_i=\frac{1}{(T\_{\mathrm{int}}_i+1)\×T\_{\mathrm{average}}_i}$

数据替换模块，用于将新接收到的数据存储到所述缓存空间替换掉P_i最小的数据；

其中，所述i为节点缓存空间中缓存的数据的编号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述最近访问时间间隔计算模块包括：

最近访问时间获取单元，用于获取各数据最近一次被访问的时间和当前时间的间隔Tinterval_i；

最近访问时间归一化单元，用于对各数据的Tinterval_i进行归一化处理，计算各数据的T_int_i；

T_int_i＝T_interval_i/Tinterval_max

其中，所述Tinterval_max为各数据的Tinterval_i中的最大值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述平均访问时间间隔计算模块包括：

平均访问时间计算单元节点，用于计算各数据的平均访问时间T_aver_i：

T_aver_i＝(T_recent_i-T_first_i)/M_i

平均访问时间归一化单元，用于对所述各数据的平均访问时间进行归一化处理，获得各数据的平均访问时间间隔T_average_i：

T_average_i＝T_aver_i/T_average_max

其中，所述T_recent_i为第i个数据最近一次被访问的时间，所述T_first_i为第i个数据第一次被访问的时间，所述M_i为第i个数据被访问的次数，所述T_average_max为各数据的T_aver_i中的最大值。