CN107343304A - 内容中心网络的协作缓存方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种内容中心网络的协作缓存方法，包括：对网络节点进行分类获得具有簇ID的节点簇，并对节点簇内的节点进行等级设置；当当前节点接收到用户终端发送的赋有簇ID的兴趣包后，若检测到所述当前节点缓存有内容包，则生成加入有所述兴趣包的簇ID的第一内容包，并将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径返回；当中间节点接收到所述第一内容包，若满足第一预设条件，则所述中间节点缓存所述第一内容包，并在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回。实现在网络范围内利用簇首节点进行缓存，在簇内基于网络内容流行度进行缓存，保证了簇首节点的内容多样性，提高了网络内容的命中率和获取速度。
Description
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种面向无线网格结构内容中心网络的协作缓存方法。
背景技术
内容中心网络(Content-Centric Networking，CCN)是一种新兴的网络架构，CCN将内容代替位置作为通信模型的核心，能够从根本上解决IP网络在可扩展性和内容分发有效性方面存在的问题。内容中心移动自组织网络(Content Centric MANET，CCMANET)是将CCN以内容为中心的思想应用到移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network，MANET)中形成的一种网络架构。随着MANET的快速发展，CCMANET的研究已逐渐成为热点。
将CCN应用于MANET的目的在于提高无线自组网中用户的内容获取效率，其中内置缓存技术能够有效减少网络流量，提高用户通信体验，是CCMANET的重要关键技术。目前，CCMANET的研究尚处于起步阶段，相关研究主要针对CCMANET的可行性研究和有效性验证等方面，对缓存技术的研究相对较少。传统的LCE(Leaving copies everywhere)、LCD(LeaveCopy Down)、ProbCache等缓存机制，虽然算法简单易行，但会使得网络中内容冗余度较高而且节点命中率较低。为了改善网内缓存性能，研究者将内容流行度、节点属性(介数、度数等)等参数加入到缓存机制设计中，实现网络中节点间的协作缓存。
但是这些算法存在一个普遍的问题，即算法延续了CCN网络的技术研究思路，在一个统一的背景下进行技术研究，忽略了不同网络自身的特点。而MANET与有线骨干传输网络不同，由于节点的自主性，存在无线Mesh网络、快速移动网(如车载网)、无线传感网等多种网络形式。不同的网络形式在网络规模、信道带宽、业务量、业务类型、移动性、节点缓存能力、计算能力和能量储备等方面具有很大的差别，这些因素会直接影响缓存技术的可行性和应用效果。如对于车载网，基于介数、度数等节点属性的缓存策略会因为网络拓扑的快速变化，耗费大量的资源用于统计节点属性；无线传感器网络的移动性则较小，但是缓存能力、计算能力和储能较低，无法承载复杂的缓存算法；无线Mesh网络则基本不存在网络拓扑快速变化或节点能力受限的问题，但是作为骨干传输网络，却存在严重的带宽问题，采用基于介数的内容集中缓存的方法将导致严重的路由冲突。因此，针对CCMANET的缓存技术研究必须进行有针对性。
随着移动通信技术的快速发展，各种规模的无线节点(cell、small-cell、micro-cell、pico-cell，Femtocell、wifi AP等)将形成一个巨大的无线覆盖网络，为了实现灵活覆盖，无线接入点之间可以进行无线自组网，形成无线Mesh网络，成为泛在网络的一种重要接入形式。将其与CCN技术相融合，使接入网成为为用户提供内容获取服务的缓存池，能够有效降低核心网的访问压力，大大提高用户的访问体验。当前针对MCCMANT的缓存技术研究还很少，如何在无线Mesh网络结构的CCMANET(后文简称MCCMANET)中合理缓存，对于未来网络的发展具有重要的应用价值。
发明内容
本发明提供一种内容中心网络的协作缓存方法，用于解决现有技术中内容的命中响应时间较长、服务器的访问负载较大，内容的命中率较低的问题。
本发明提供一种内容中心网络的协作缓存方法，包括：
对网络节点进行分类获得具有簇ID的节点簇，并对节点簇内的节点进行等级设置，设置簇首节点等级为0，簇内其他节点的等级按照距离簇首节点的距离设置；
当当前节点接收到用户终端发送的赋有簇ID的兴趣包后，若检测到所述当前节点缓存有内容包，则生成加入有所述兴趣包的簇ID的第一内容包，并将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径返回；
当中间节点接收到所述第一内容包，若满足第一预设条件，则所述中间节点缓存所述第一内容包，并在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回。
可选地，所述第一预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述第一内容包的本地内容流行度等于中间节点的节点等级。
可选地，还包括：
当所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第二预设条件，则所述中间节点缓存所述第一内容包，并在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第二预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID不等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点为簇首节点。
可选地，还包括：
当所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第三预设条件，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第三预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID不等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点非簇首节点。
可选地，还包括：
当所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第四预设条件，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第四预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点的节点等级不等于所述中间节点所属节点簇的内容流程等级。
可选地，还包括：当所述中间节点接收到所述第一内容包，若所述中间节点缓存有所述第一内容包，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回。
可选地，还包括：在确定所述第一内容包不存在于PIT表时，所述中间节点将所述第一内容包丢弃。
可选地，还包括：当当前节点接收到兴趣包后，在检测所述兴趣包簇ID为零或等于所述当前节点所属节点簇的簇ID时，计算获得本地内容流行度，并计算流行度等级；反之，计算获得网络内容流行度。
可选地，还包括：当当前节点接收到兴趣包后，若检测到所述兴趣包未设置簇ID，则将当前节点所属节点簇的簇ID设置为所述兴趣包的簇ID。
可选地，还包括：当当前节点接收到用户终端发送的赋有簇ID的兴趣包后，若检测到所述当前节点未缓存有内容包，则根据FIB表继续转发兴趣包。
由上述技术方案可知，本发明实施例提供的内容中心网络的协作缓存方法，利用无线Mesh网络结构的稳定特点，采用分簇的方法将网络分割为缓存簇，使本地用户请求能够快速从簇内缓存响应，避免了长距离反馈，大大降低了网络内的路由冲突，同时采用本地内容流行度和网络流行度两种流行度进行衡量，在簇内基于本地内容流行度进行缓存判决和更新，保证流行度越高的内容的存储位置越靠近边缘，提高响应效率；在网络范围内利用簇首节点进行缓存，并基于网络内容流行度进行缓存更新，保证了簇首节点的内容多样性，提高了网络内容的命中率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的内容中心网络的协作缓存方法的步骤流程示意图；
图2为本发明实施例提供的网络节点分簇的示意图；
图3为本发明实施例提供的内容流行度计算的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的当前节点的处理流程示意图；
图5为本发明实施例提供的中间节点的处理流程示意图。
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。
图1示出了本发明实施例提供一种内容中心网络的协作缓存方法，包括：
S1、对网络节点进行分类获得具有簇ID的节点簇，并对节点簇内的节点进行等级设置，设置簇首节点等级为0，簇内其他节点的等级按照距离簇首节点的距离设置。
在本步骤中，需要说明的是，在本发明实施例中，每一个节点簇可赋予对应的簇ID。对网络节点的分簇是基于GDS进行网络分簇和节点分级。具体如下：
对于一个给定图G＝(V,E),V指图中的点集合，E指图中的边集合。假设点集合使得v∈Nm(u)，Nm(u)表示一个节点集合，该集合中的节点到达节点u的距离都不会超过m，S被称为图G的m-GDS集。
给定图G，其m-GDS的构建算法如下：
第一步：将所有节点标记为白色。
第二步：计算出每个节点的度数。其中，度数为某一节点连接其他节点的个数。
第三步：将度数最大的节点u标记为黑色，距离黑色节点m跳的节点变为灰色，并放入其Nm(u)。
第四步：计算所有灰色节点v的d(v)，d(v)表示Nm(v)中的节点个数。
第五步：将d(v)最大的节点标记为w，并标记为黑色，其Nm(w)中的节点表为灰色。
重复三、四步，直到图中所有的节点都变为黑色或灰色。所有的黑色节点就组成了m-GDS集合。
在获得m-GDS集合的基础上，对图进行分簇，并基于到达簇首节点的距离对簇内节点进行分级，算法如下：
第一步：将黑色节点的节点等级设为0；
第二步：所有灰色节点计算到达黑色节点的跳数。
第三步：若最短路径对应黑色节点唯一，则选中该黑色节点作为簇首节点，加入该簇，将节点等级设为到达簇首节点的跳数，并设置簇ID。
第四步：若最短路径对应黑色节点不唯一，查看到达黑色节点的上级节点的度数，选择并加入度数较小的节点所在簇，将节点等级设为到达簇首节点的跳数，并设置簇ID。
重复三、四步，直到所有节点都成为簇节点。
如取m＝2时，基于GDS对网络的分簇结果如图2所示。通过分簇，由簇首节点进行网内缓存，能够有效分散用户从内容服务器进行内容访问的访问压力，并降低长距离传输造成的路由冲突和时延。基于m-GDS分簇方式，使簇内缓存获取距离保持在m跳以内，保证了不同位置用户的访问效率。
S2、当当前节点接收到用户终端发送的赋有簇ID的兴趣包后，若检测到所述当前节点缓存有内容包，则生成加入有所述兴趣包的簇ID的第一内容包，并将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径返回。
在本步骤中，需要说明的是，在本发明实施例中，当当前节点接收到用户终端发送的兴趣包后，该兴趣包被检测到已加入簇ID。同时还检测到该当前节点缓存有内容包，该内容包与用户终端或节点发送的兴趣包相匹配。随后将内容包加入兴趣包的簇ID，即第一内容包。将所述第一内容包返回给客户终端。
另外，还需要说明的其他情况如下：
当当前节点接收到兴趣包后，在检测所述兴趣包簇ID为零或等于所述当前节点所属节点簇的簇ID时，计算获得本地内容流行度，并计算流行度等级；反之，计算获得网络内容流行度。
本地内容流行度计算内容i由本地用户(即当前簇中的路由节点覆盖范围内的用户)请求的频率，计算方法如公式(1)所示：
其中，Ni表示内容i在Δt时间段内被本地用户的访问次数；Δt表示统计时间间隔。
网络内容流行度(pi)：计算当前簇首节点收到的所有关于内容i的请求频率，计算方法如公式(2)所示：
pi＝Ni/T (2)
其中，Ni表示在内容i在T时间段内被访问的次数；T表示统计时间间隔，T>Δt。
本地流行度等级(L)：将本地内容流行度分为m个等级，划分方法如公式(3)所示。
其中，k∈[0,m-1]，分别指在给定周期时间内统计得到的最小流行度值和最大流行度值，Pk＝Pmin+k*Δp，Δp＝(Pmax-Pmin)/m。，Pmin和Pmax分别指在给定周期时间内统计得到的最小流行度值和最大流行度值。
另外，当当前节点接收到用户终端发送的兴趣包后，若检测所述兴趣包未设置簇ID，则将所述兴趣包中的簇ID字段设置为所述当前节点所属节点簇的簇ID。
当当前节点接收到用户终端发送的赋有簇ID的兴趣包后，若检测到所述当前节点未缓存有内容包，则根据FIB继续转发兴趣包,即从当前节点向其他节点发送兴趣包。
S3、当中间节点接收到所述第一内容包，若满足第一预设条件，则所述中间节点缓存所述第一内容包，并在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回。
其中，所述第一预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述第一内容包的本地内容流行度等于中间节点的节点等级。
在本步骤中，需要说明的是，由于第一内容包会通过兴趣包的反向路径进行返回。因此，在返回过程中，一般会经过中间节点(除当前节点的其他节点)，最后到达用户终端。
在本发明实施例中，当中间节点接收到第一内容包后，首先会检测中间节点是否存有第一内容包。此时的第一内容包是未加入簇ID的内容包。当检测到中间节点未缓存有第一内容包，则继续检测判断所述第一内容包的簇ID是否等于所述中间节点所属节点簇的簇ID。当检测确定所述第一内容包的簇ID等于所述中间节点所属节点簇的簇ID后，再继续检测所述第一内容包的本地内容流行度等于中间节点的节点等级，当检测确定所述第一内容包的本地内容流行度等于中间节点的节点等级后，所述中间节点缓存所述第一内容包，并在确定所述中间节点存在于预设未决信息表时，将所述第一内容包继续返回。
在本发明实施例中，还需要说明的是，上述步骤S3仅仅是本发明需要处理的一种情况，下面对其他情况进行解释说明。
A、所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第二预设条件，则所述中间节点缓存所述第一内容包，并在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第二预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID不等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点为簇首节点。
B、当所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第三预设条件，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第三预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID不等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点非簇首节点。
C、当所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第四预设条件，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第四预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点的节点等级不等于所述中间节点所属节点簇的内容流程等级。
D、当所述中间节点接收到所述第一内容包，若所述中间节点缓存有所述第一内容包，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回。
对于上述的多种情况，在确定所述中间节点不存在于预设未决信息表时，所述中间节点停止将所述第一内容包继续返回给所述客户终端。
对于上述的多种情况，以图3-图5分别对部分流程进行解释说明：
如图3所示，当当前节点收到一个兴趣包时，检查兴趣包的簇ID是否为全零或者是否等于本地簇ID，若是，计算本地内容流行度和流行度等级；若否，计算网络内容流行度，跳转结束。
如图4所示，当当前节点收到一个兴趣包时，检查兴趣包中的簇ID标识是否已赋值：若是，检查当前节点是否缓存该内容；若缓存该内容，生成内容包，并在内容包中加入兴趣包中携带的簇ID，根据PIT表返回内容包。若不缓存该内容，根据FIB表进行路由转发，转发后跳转结束。
若未赋值，说明当前节点为该用户的访问入口节点，修改兴趣包中的簇ID为当前节点所在节点簇的簇ID，然后检查当前节点是否缓存该内容。
如图5所示，沿途中间节点收到内容包后，查看是否已存储该内容，若存储该内容，查看PIT表是否有该内容的对应项，若有该内容的对应项，则根据PIT表返回内容包，若没有该内容的对应项，则结束。
若不存储该内容，则查看内容包中的簇ID是否等于本地簇ID，若是，查看内容流行度等级是否与节点等级一致；若不是，查看当前节点是否是簇首节点。
若内容流行度等级与节点等级一致，则缓存内容；反之，查看PIT表是否有该内容的对应项，若有该内容的对应项，则根据PIT表返回内容包，若没有该内容的对应项，则结束。
若当前节点是簇首节点，则缓存内容；反之，查看PIT表是否有该内容的对应项，若有该内容的对应项，则根据PIT表返回内容包，若没有该内容的对应项，则结束。
本发明实施例提供的内容中心网络的协作缓存方法，利用无线Mesh网络结构的稳定特点，采用分簇的方法将网络分割为缓存簇，使本地用户请求能够快速从簇内缓存响应，避免了长距离反馈，大大降低了网络内的路由冲突，同时采用本地内容流行度和网络流行度两种流行度进行衡量，在簇内基于本地内容流行度进行缓存判决和更新，保证流行度越高的内容的存储位置越靠近边缘，提高响应效率；在网络范围内利用簇首节点进行缓存，并基于网络内容流行度进行缓存更新，保证了簇首节点的内容多样性，提高了网络内容的命中率。
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 (10)
1.一种内容中心网络的协作缓存方法，其特征在于，包括：
对网络节点进行分类获得具有簇ID的节点簇，并对节点簇内的节点进行等级设置，设置簇首节点等级为0，簇内其他节点的等级按照距离簇首节点的距离设置；
当当前节点接收到用户终端发送的赋有簇ID的兴趣包后，若检测到所述当前节点缓存有内容包，则生成加入有所述兴趣包的簇ID的第一内容包，并将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径返回；
当中间节点接收到所述第一内容包，若满足第一预设条件，则所述中间节点缓存所述第一内容包，并在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述第一内容包的本地内容流行度等于中间节点的节点等级。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第二预设条件，则所述中间节点缓存所述第一内容包，并在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第二预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID不等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点为簇首节点。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第三预设条件，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第三预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID不等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点非簇首节点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述中间节点接收到所述第一内容包，若满足第四预设条件，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回；
其中，所述第四预设条件包括：
所述中间节点未缓存有第一内容包；
所述第一内容包的簇ID等于所述中间节点所属节点簇的簇ID；
所述中间节点的节点等级不等于所述中间节点所属节点簇的内容流程等级。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：还包括：当所述中间节点接收到所述第一内容包，若所述中间节点缓存有所述第一内容包，则在确定所述第一内容包存在于PIT表时，将所述第一内容包通过兴趣包的反向路径继续返回。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：在确定所述第一内容包不存在于PIT表时，所述中间节点将所述第一内容包丢弃。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：当当前节点接收到兴趣包后，在检测所述兴趣包簇ID为零或等于所述当前节点所属节点簇的簇ID时，计算获得本地内容流行度，并计算流行度等级；反之，计算获得网络内容流行度。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：当当前节点接收到兴趣包后，若检测到所述兴趣包未设置簇ID，则将当前节点所属节点簇的簇ID设置为所述兴趣包的簇ID。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括：当当前节点接收到用户终端发送的赋有簇ID的兴趣包后，若检测到所述当前节点未缓存有内容包，则根据FIB表继续转发兴趣包。
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