CN107135271B - 一种能量有效的内容中心网络缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能量有效的内容中心网络缓存方法，包括内容请求包到达节点的处理过程以及内容数据包到达节点的处理过程，内容请求包到达节点的处理过程包括步骤：a1、于一内容请求到达节点后，查看内容请求包对应的内容是否在节点的内容信息表中，若是，执行步骤a2；否则，执行步骤a3；a2、更新节点的内容信息表，执行步骤a3；a3、于节点为端节点时更新节点中内容对应的内容流行度；a4、于节点的本地缓存中存储有内容且内容对应的残余新鲜度大于0时，提取内容并封装成内容数据包返回至用户端。该方法能让流行内容缓存在靠近用户的节点，极大地减少内容获取的时延，并能最大限度地节省能耗。

Description

一种能量有效的内容中心网络缓存方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种能量有效的内容中心网络缓存方法。

背景技术

内容中心网络(Content Centric Networking，CCN)是随着互联网技术的发展和网络应用模式的转变应运而生，目的在于克服基于TCP/IP的端到端通信模式的局限性。内容中心网络在路由器等网内节点设立内容缓存，从而实现高效、可靠的信息分发，提高传输效率，实现最大化的资源共享，并具有优良的可扩展性、固有的安全性和移动性，彻底解决网络应用与终端的复杂多样、内容流量的指数级增长等问题对未来互联网提出的巨大挑战。

CCN最具代表性的特点是采用内容路由器直接进行网内缓存，就近获取用户所请求的内容，解决目前以及未来互联网海量内容分发的问题。CCN网内缓存能够缓减内容服务器的压力，减少链路带宽需求和用户访问时延，解决互联网流量剧增所带来的网络拥塞和服务质量下降的问题，开展网内缓存技术的研究也因此变得尤为重要。

此外，随着互联网的快速发展、网络应用的多样化、以及新型网络应用的广泛部署，网络规模不断扩大，网络流量急剧增加，互联网能耗所占的比重也持续增长，使得ISP(Internet Service Provider，互联网服务提供商)运营成本不断增加，同时对环境和经济也造成极大的影响，减少能耗已成为网络设计的一个永恒的主题。以内容为中心的网络体系结构采用网内缓存技术，相对于传统IP网络能够大幅度地提高内容分发的能量有效性，然而合理安排CCN网内缓存内容和位置，设计并实现灵活有效的内容缓存策略，并采用能量有效的缓存机制进一步降低内容分发和信息传输的总能耗，减轻因网络流量暴增所引起的信息传输网络能耗的压力，更是当前CCN研究的热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能量有效的内容中心网络缓存方法，以减少信息传输的能耗。

本发明的技术方案是：一种能量有效的内容中心网络缓存方法，所述方法包括内容请求包到达节点的处理过程以及内容数据包到达节点的处理过程，所述内容请求包到达节点的处理过程包括步骤：

a1、于一所述内容请求到达节点后，查看所述内容请求包对应的内容是否在所述节点的内容信息表中，若是，执行步骤a2；否则，执行步骤a3；

a2、更新所述节点的所述内容信息表，执行步骤a3；

a3、于所述节点为端节点时更新所述节点中所述内容对应的内容流行度；

a4、于所述节点的本地缓存中存储有所述内容且所述内容对应的残余新鲜度大于0时，提取所述内容并封装成内容数据包返回至用户端。

较佳的，如图2所示，步骤a2包括步骤：

a21、判断所述内容信息表是否已满，若是，执行步骤a22，否则执行步骤a23；

a22、逐出所述内容信息表中内容流行度最低内容记录，执行步骤a23；

a23、在内容信息表中增加所述内容请求包对应的内容的新纪录。

较佳的，步骤a3包括步骤：

a31、判断所述节点是否为端节点，若是，执行步骤a32；否则，执行步骤a33；

a32、在所述节点中，所述内容对应的请求次数增加1次，执行步骤a4；

a33、提取所述内容请求包中携带的内容流行度，更新该节点中该内容对应的内容流行度，执行步骤a4。

较佳的，步骤a4包括步骤：

a41、判断所述节点的本地缓存中是否存储有内容，若是，执行步骤a42，否则，执行步骤a45；

a42、判断所述内容对应的残余新鲜度是否大于0，若是，执行步骤a43，否则，执行步骤a44；

a43、提取所述内容并封装成内容数据包，发回至客户端；

a44、从所述节点的缓存中删除所述内容的记录；

a45、将所述内容请求包转发至下一节点，并在所述内容请求包上附上本节点该内容对应的内容流行度。

较佳的，所述内容流行度的计算公式为：

其中，

和

分别表示T_i时刻和T_i-1时刻节点计算所得的内容k的内容流行度，λ∈[0,1)，λ为比重系数；T_i表示经过i×T时间的某时刻，

为T时间间隔[T_i-1,T_i]内，内容k的内容请求包计数值，其中i为大于1的正整数。

较佳的，所述残余新鲜度的计算公式为：

其中，

为内容k的残余新鲜度，t_cur为当前时间，

为内容k的产生时间，LT^k为内容k的生命期。

较佳的，每个节点维护一个本地的所述内容信息表，端节点的所述内容信息表包括若干个内容，每个所述内容包括一内容名、本轮T时间间隔内的内容请求数量、最新的内容流行度，所述内容信息表按照所述内容流行度进行排序，所述最新的内容流行度在每轮时间间隔T时间结束时计算获得。

较佳的，中间节点的内容信息表在T时间间隔到来之前还需要分别保存各个子节点的内容流行度在本轮的临时值。

较佳的，在向上游节点转发所述内容请求包时将所搭载的所述内容流行度设置为0。

较佳的，所述内容数据包到达节点的处理过程包括步骤：

b1、判断所述内容数据包对应的内容O_k的内容流行度是否排在内容信息表内容信息表的前m位，若是，执行步骤b2，否则，执行步骤b3；

b2、更新所述节点在本地缓存中的内容O_k，执行步骤b3；

b3、将所述内容数据包转发至下一节点；

其中，m为大于等于1的整数，且m是所述节点对应的缓存容量。

较佳的，步骤b2包括步骤：

b21、判断所述内容数据包对应的内容O_k是否存储在所述节点的本地缓存中，若是，执行步骤b22，否则，执行步骤b24；

b22、判断本地缓存中的内容O_k是否过期，若不是，执行步骤b3，否则，执行步骤b23；

b23、更新本地缓存中的内容O_k，执行步骤b3；

b24、判断所述节点的所述内容信息表是否已满，若是，执行步骤b25，否则，执行步骤b27；

b26、将所述内容信息表中流行度最低的内容块逐出，执行步骤b27；

b27、在本地缓存中放入所述内容数据包中的内容O_k。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：上述方法利用CCN框架下网络传输包的可定制域，基于内容流行度和内容新鲜度设计分布式、轻量级CCN内容缓存方法。该方法能让流行内容缓存在靠近用户的节点，极大地减少内容获取的时延，并能最大限度地节省能耗，此外，还能大幅减少网络流量和内容源的负载。该方法计算复杂度低，相关信息搭载在网络传输包中，所增加的通信和存储开销极小，采用分布式缓存，各节点独立完成缓存决策，具有很好的实时性，能够适用于线速操作。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明一种能量有效的内容中心网络缓存方法中内容请求包到达节点时的处理方法流程示意图一；

图2为本发明一种能量有效的内容中心网络缓存方法中内容请求包到达节点时的处理方法流程示意图二；

图3为本发明一种能量有效的内容中心网络缓存方法中内容请求包到达节点时的处理方法流程示意图三；

图4为本发明一种能量有效的内容中心网络缓存方法中内容请求包到达节点时的处理方法流程示意图四；

图5为本发明一种能量有效的内容中心网络缓存方法中内容数据包到达节点的处理方法流程示意图一；

图6为本发明一种能量有效的内容中心网络缓存方法中内容数据包到达节点的处理方法流程示意图二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明一种能量有效的内容中心网络缓存方法进行详细说明。

一种能量有效的内容中心网络缓存方法，包括内容请求包(Intereat包)到达节点的处理过程以及内容数据包(Data包)到达节点的处理过程，其中，如图1所示，内容请求包(内容请求包与一内容对应)到达节点的处理过程包括步骤：

a1、于一内容请求包到达节点后，查看该内容请求包对应的内容是否在该节点的内容信息表中，若不是，执行步骤a2；否则，执行步骤a3；

a2、更新该节点的内容信息表，执行步骤a3；

a3、于该节点是端节点时更新该节点中上述内容对应的内容流行度；

a4、于该节点的本地缓存中存储有该内容且该内容对应的残余新鲜度大于0时，提取该内容并封装成内容数据包返回至用户端。

其中，在上述步骤中，如图2所示，步骤a2包括步骤：

a21、判断内容信息表是否已满，若是，执行步骤a22，否则执行步骤a23；

a22、逐出内容信息表中内容流行度最低内容记录，执行步骤a23；

a23、在内容信息表中增加内容请求包对应的内容的新纪录。

如图3所示，步骤a3包括步骤：

a31、判断该节点是否为端节点，若是，执行步骤a32；否则，执行步骤a33；

a32、在该节点中，该内容对应的请求次数增加1次，执行步骤a4；

a33、提取该内容请求包中携带的内容流行度，更新该节点中该内容对应的内容流行度，执行步骤a4。

具体来说，在上述内容请求包包到达节点的处理过程中，首先要在该节点的内容信息表中查看该内容请求包对应的内容是否在该节点中，如果是，就更新该节点的内容信息表，然后再对该内容对应的内容流行度进行更新以及提取并封装内容。值得指出的是，当该节点是端节点时，将该内容对应的请求次数增加1后再进行内容的封装，否则，需要提取该内容请求包中携带的内容流行度，更新该节点中该内容请求包对应的内容的内容流行度，然后在对该内容进行封装。

此外，近一步来讲，如图4所示，步骤a4包括步骤：

a41、判断该节点缓存中是否存储有该内容，若是，执行步骤a42，否则，执行步骤a45；

a42、判断该内容对应的残余新鲜度是否大于0，若是，执行步骤a43，否则，执行步骤a44；

a43、提取内容并封装成内容数据包，发回至客户端；

a44、从该节点的缓存中删除该内容的记录，执行a45；

a45、将该内容请求包转发至下一节点，并在该内容请求包上附上本节点该内容对应的内容流行度。

具体来说，如果该节点缓存中存在有内容请求包对应的内容，则需要判定该内容的残余新鲜度是否大于0，如果是，说明该缓存中的内容还未过期，将该内容封装成内容数据包并发回至客户端。相应的，如果该节点的缓存中不存在该内容，或者该内容的残余新鲜度等于0，则需要将该内容请求包发送至下一节点进行处理。

在上述步骤中，内容流行度的计算公式为：

其中，以时间间隔T为每一轮的执行单位，以统计各个节点的内容请求包的到达数量。T_i表示经过i×T时间的某时刻，

为T时间间隔[T_i-1,T_i]内，内容k的内容请求包计数值。

和

分别表示T_i时刻和T_i-1时刻节点计算所得的内容k的内容流行度，λ∈[0,1)，λ为比重系数，是历史请求与最近请求之间的比重系数，用以跟踪内容流行度的变化，λ越大说明历史请求数据对内容流行度的影响越大。同样的，λ＝0时，说明内容流行度完全取决于最近时间间隔的内容请求包的数量，与历史请求数据无关。优选的λ＝0.5。

具体来说，为了减少节点间协作交互的通信流量，实现分布式内容缓存，各节点独立统计到达本节点的内容请求数，并且考虑内容请求包的历史请求数据和当前内容请求数据对内容流行度的影响力不同，不采用直接对内容请求计数的方法来表示内容流行度，而是对历史请求数的比重作相应的调整，通过上述内容流行度的计算公式，更好地反映内容的当前流行情况，使所设计的缓存策略更为有效。

近一步来讲，每个节点维护一个本地的所述内容信息表，端节点的所述内容信息表包括若干个内容，每个所述内容包括一内容名、本轮T时间间隔内内容请求数量、最新的内容流行度，内容块按照内容流行度进行排序，其中最新内容流行度在每轮时间间隔T时间结束时计算获取。中间节点的内容信息表在T时间间隔到来之前还需要分别保存各个子节点的内容流行度在本轮的临时值，以方便在每轮结束时极端该节点的最新内容流行度。其中，内容流行度按照上述公式1计算获取，内容信息表并不维护所有的内容，表的长度由节点的缓存量决定，以缓存容量的1.5～2.5倍计，即若每个节点能缓存10个内容块，则内容信息表中维护15～25跳记录。通过这种方式，既不会错过流行的内容，也不会因为内容众多而使得内容信息表维护的开销过大。

近一步来讲，上述内容请求包中包括内容名以及该内容名的最新内容流行度数值。通过这种方式，将最新内容流行度搭载在内容请求包中，以免除额外的数据传输开销。此外，为了减少内容获取的跳数并最大限度的降低能耗，尽量使本地流行内容缓存在靠近请求用户的节点上，所以在内容流行度数据往上游节点传递时，有如下规则：设本地节点的缓存容量为m个内容块，则按照内容流行度排序的内容信息表中处于前m个记录的内容，在往上游节点转发内容请求包时将所搭载的内容流行度设置为0，以防止本地流行的内容缓存在上游节点，而是尽可能的缓存在靠近用户的位置。

近一步来讲，由于不同的内容对时效性或新鲜度的要求不同，而内容的新鲜度和生命周期对内容缓存有很大的影响影响，比如新闻、即时社交网络、物联网监测等数据生命周期较短，对内容的新鲜度要求比较高，过了时效期就没有缓存的价值，浪费缓存资源。所以，内容源负责在所生长成的内容K的内容请求包中添加发布者信息的选择项，包括内容k的生命期LT^k(对于生命期长、长期有效的内容默认为一个大的定值)和内容k的产生时间

由此可计算残余新鲜度为：

上述

为内容k的残余新鲜度，t_cur为当前时间。对于内容源来说，残余新鲜度为1，之后，随着内容数据包沿路由路径逐跳传递到请求用户，残余新鲜度

逐渐减小，当残余新鲜度为0时，缓存中的相应内容被清楚或替换。此外，在每个内容存储表(CS表)中接收到各内容的生存期和产生时间，由此可以得到内容的残余新鲜度。

当一个新的内容(如内容O_k)请求到达节点时，节点首先查看内容信息表中是否有相应的表项。若没有，假如内容信息表已满则逐出流行度最低的内容记录，并在表末尾插入一条内容名为O_k的新记录(不论是端节点还是中间节点，新记录的内容名为O_k，其它项都为零)。然后，根据接收节点是端节点还是中间节点分别作如下处理：在端节点的内容信息表中把内容O_k的本轮请求数加1；中间节点则提取内容O_k对应的内容请求包中所携带的来自其子节点的流行度值，并记录到内容信息表中，为本轮T时间结束时节点计算内容流行度作准备。

处理完相关请求信息及统计，接收节点还需要查看本地缓存是否存在该内容。若本地已有缓存，则查看内容k产生时间和内容生命期，并计算内容残余新鲜度，若残余新鲜度>0，即内容未过期，则提取相应的内容封装成Data包，并附上内容k的产生时间和内容生命期，沿请求路径发回Data包；若发现内容已过期，则在本地内容存储表(CS表)中删除该记录并删除相应数据，等同于本地没有缓存的情况进行处理。首先修改Intereat包中所附的内容流行度值为本节点的数据，而非收到的Intereat包中的原数据，然后转发修改过的Intereat包到路由路径的下一节点。可见为了节省开销，过期内容(残余新鲜度≤0)在CS表中的剔除是由请求该内容时触发的。

此外，如图5所示，内容数据包(Data包)到达节点的处理过程包括以下步骤：

b1、判断内容数据包对应的内容O_k的内容流行度是否排在内容信息表的前m(m为大于等于1的整数，且m是该节点对应的缓存容量)位，若是，执行步骤b2，否则，执行步骤b3；

b2、更新该节点本地缓存中的该内容O_k，执行步骤b3；

b3、将该内容数据包转发至下一节点。

其中，如图6所示，在步骤b2中包括步骤：

b21、判断该内容数据包对应的内容O_k是否存储在该节点的本地缓存中，若是，执行步骤b22，否则，执行步骤b24；

b22、判断本地缓存中的该内容O_k是否过期，若不是，执行步骤b3，否则，执行步骤b23；

b23、更新本地缓存中的该内容O_k，执行步骤b3；

b24、判断该节点的内容信息表是否已满，若是，执行步骤b25，否则，执行步骤b26；

b25、将内容信息表中流行度最低的内容块逐出，执行步骤b26；

b26、在本地缓存中放入上述内容O_k。

具体来说，当所请求的内容(如内容O_k)到达内容源或者内容缓存时，相应的内容数据就以Data包的格式按照内容请求路径原路返回，Data包在发送之前需附上内容O_k的生命期和产生时间，内容生命期由内容源根据内容的特点确定并创建，同样的内容产生时间由内容源设置。当Data包到达每个节点时，节点独立的采用以下方法进行处理：首先查看内容O_k在本节点的内容信息表中是否排在前m位，其中m是该节点对应的缓存容量。如果不是，直接把该内容O_k转发至下一节点，不做任何处理；反之，内容O_k即为本地的需要进行缓存的流行内容。若缓存中已经有内容O_k(通过其它内容源或路径在内容O_k请求和取回时间内复制到本地的)并且内容未过期，即残余新鲜度>0，则把内容O_k转发到下一个节点，否则先更新内容O_k再转发到下一个节点。若缓存中并没有内容O_k，则查看本地缓存是否已满，满的话剔除流行度最低的内容并缓存内容O_k，未满的话直接缓存内容O_k，最后都必须把内容O_k沿请求路径相反方向的下一个节点传送。

上述方法利用CCN框架下网络传输包的可定制域，基于内容流行度和内容新鲜度设计分布式、轻量级CCN内容缓存方法。该方法能让流行内容缓存在靠近用户的节点，极大地减少内容获取的时延，并能最大限度地节省能耗，此外，还能大幅减少网络流量和内容源的负载。该方法计算复杂度低，相关信息搭载在网络传输包中，所增加的通信和存储开销极小，采用分布式缓存，各节点独立完成缓存决策，具有很好的实时性，能够适用于线速操作。

对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (9)

1.一种能量有效的内容中心网络缓存方法，所述方法包括内容请求包到达节点的处理过程以及内容数据包到达节点的处理过程，其特征在于，所述内容请求包到达节点的处理过程包括步骤：

a1、于一所述内容请求包到达节点后，查看所述内容请求包对应的内容是否在所述节点的内容信息表中，若不是，执行步骤a2；否则，执行步骤a3；

a2、更新所述节点的所述内容信息表，执行步骤a3；

a3、于所述节点为端节点时更新所述节点中所述内容对应的内容流行度；

a4、于所述节点的本地缓存中存储有所述内容且所述内容对应的残余新鲜度大于0时，提取所述内容并封装成内容数据包返回至用户端；

所述内容数据包到达节点的处理过程包括步骤：

b1、判断所述内容数据包对应的内容O_k的内容流行度是否排在内容信息表的前m位，若是，执行步骤b2，否则，执行步骤b3；

b2、更新所述节点在本地缓存中的内容O_k，执行步骤b3；

b3、将所述内容数据包转发至下一节点；

其中，m为大于等于1的整数，且m是所述节点对应的缓存容量；

所述步骤a4包括步骤：

a41、判断所述节点的本地缓存中是否存储有所述内容，若是，执行步骤a42，否则，执行步骤a45；

a42、判断所述内容对应的残余新鲜度是否大于0，若是，执行步骤a43，否则，执行步骤a44；

a43、提取所述内容并封装成内容数据包，发回至客户端；

a44、从所述节点的缓存中删除所述内容的记录，执行a45；

a45、将所述内容请求包转发至下一节点，并在所述内容请求包上附上本节点该内容对应的内容流行度。

2.根据权利要求1所述的能量有效的内容中心网络缓存方法，其特征在于，步骤a2包括步骤：

a21、判断所述内容信息表是否已满，若是，执行步骤a22，否则执行步骤a23；

a22、逐出所述内容信息表中内容流行度最低的内容记录，执行步骤a23；

a23、在内容信息表中增加所述内容请求包对应的所述内容的新纪录。

3.根据权利要求1所述的能量有效的内容中心网络缓存方法，其特征在于，步骤a3包括步骤：

a31、判断所述节点是否为端节点，若是，执行步骤a32；否则，执行步骤a33；

a32、在所述节点中，所述内容对应的请求次数增加1次，执行步骤a4；

a33、提取所述内容请求包中携带的内容流行度，更新该节点中所述内容对应的内容流行度，执行步骤a4。

4.根据权利要求1所述的能量有效的内容中心网络缓存方法，其特征在于，所述内容流行度的计算公式为：

其中，P_i ^k和

分别表示T_i时刻和T_i-1时刻节点计算所得的内容k的内容流行度，λ∈[0,1)，λ为比重系数；T_i表示经过i×T时间的某时刻，

为T时间间隔[T_i-1,T_i]内，内容k的内容请求包计数值，其中i为大于1的正整数。

5.根据权利要求1所述的能量有效的内容中心网络缓存方法，其特征在于，所述残余新鲜度的计算公式为：

其中，

为内容k的残余新鲜度，t_cur为当前时间，

为内容k的产生时间，LT^k为内容k的生命期。

6.根据权利要求1所述的能量有效的内容中心网络缓存方法，其特征在于，每个节点维护一个本地的所述内容信息表，端节点的所述内容信息表包括若干个内容，每个所述内容包括一内容名、本轮T时间间隔内的内容请求数量、最新的内容流行度，所述内容信息表按照所述内容流行度进行排序，所述最新的内容流行度在每轮时间间隔T时间结束时计算获得。

7.根据权利要求6所述的能量有效的内容中心网络缓存方法，其特征在于，中间节点的内容信息表在T时间间隔到来之前还需要分别保存各个子节点的内容流行度在本轮的临时值。

8.根据权利要求1所述的能量有效的内容中心网络缓存方法，其特征在于，在向上游节点转发所述内容请求包时将所搭载的所述内容流行度设置为0。

9.根据权利要求1所述的能量有效的内容中心网络缓存方法，其特征在于，步骤b2包括步骤：

b21、判断所述内容数据包对应的内容O_k是否存储在所述节点的本地缓存中，若是，执行步骤b22，否则，执行步骤b24；

b22、判断本地缓存中的内容O_k是否过期，若不是，执行步骤b3，否则，执行步骤b23；

b23、更新本地缓存中的内容O_k，执行步骤b3；

b24、判断所述节点的所述内容信息表是否已满，若是，执行步骤b25，否则，执行步骤b26；

b25、将所述内容信息表中内容流行度最低的内容块逐出，执行步骤b26；

b26、在本地缓存中放入所述内容数据包中的内容O_k。

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