CN107483630A - 一种基于边缘缓存的isp与cp联合内容分发机制的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制构建方法，获取网络内容请求数据，提取内容相关的信息；分析网络内容流行度特征，设计内容流行度模型；根据内容流行度模型，在网络边缘部署内容；统计CP内容源服务器的负载，计算CP服务成本；分析ISP网络节点的负载与链路传输的流量，计算ISP网络服务成本；根据部署的缓存容量，计算引入缓存所带来的成本；构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型；分析设计模型中各因素之间的关系，仿真验证设计模型的有效性。
Description
技术领域
本发明属于网络通信领域，尤其涉及一种基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法。
背景技术
随着网络通信技术的快速发展，目前互联网流量呈现爆炸式增长的趋势，其中，移动互联网流量增长最为明显，这为内容提供商(Content Provider，CP)与运营商网络(Internet Service Provider，ISP)的内容分发服务带来了严峻的挑战。对于CP来说，希望通过选择合适的内容服务器，使得用户能够快速获取满足其要求的内容，同时降低对内容服务器的负载压力。对于ISP来说，希望在满足CP内容传输需求的同时，最小化网络传输流量。随着网络流量的迅猛增长，在现有网络体系架构下，CP与ISP单独提供内容服务都难以实现各自的目标。当CP与ISP联合提供内容分发服务时，系统能够准确获取网络拓扑、用户请求等信息，指导CP选择最优的内容服务器与ISP实现合理的流量工程，进而提高用户的服务质量。
通过深入分析当前互联网流量，发现网络内容存在严重的冗余传输问题，尤其是音视频、图片等内容分发型应用重复传输问题最为严重。为了在网络通信接入侧尽可能地满足用户的内容请求，避免网络内容跨域或跨网传输，可以在网络边缘(如基站等)部署网内缓存，存储网络热门内容，缩短用户获取内容的距离。因此，本发明提出一种基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制，在ISP与CP协同工作的基础上，借助边缘缓存，最大化地降低网络成本与内容冗余传输问题，提高了网络资源的利用率，为用户提供更为优质的内容服务。
相比当前ISP与CP协同提供内容服务的工作模式，通过在网络边缘部署缓存，可以网络接入侧缓存网络热门内容，使得对热门内容的请求不需要路由到内容源来获取内容，直接从网络边缘请求用户感兴趣的内容。但是，在网络边缘部署缓存会增加额外的成本，如缓存设备成本、缓存能耗等，因此，需要构建科学的网络通信模型，提高网络资源利用率与网络内容分发效率。
发明内容
针对当前ISP与CP协同提供内容服务工作模式存在的问题，本发明提供一种基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，在ISP与CP协同工作的基础上，借助边缘缓存，从最大化网络收益与保障用户服务质量的角度出发，构建全新的网络内容服务模型，提高网络资源利用率与内容分发效率，同时为用户提供更为优质的内容传输服务。
实现本发明方法的主要思路是：获取网络内容请求数据，提取内容相关的信息；分析网络内容流行度特征，设计内容流行度模型；根据内容流行度模型，在网络边缘部署内容；统计CP内容源服务器的负载，计算CP服务成本；分析ISP网络节点的负载与链路传输的流量，计算ISP网络服务成本；根据部署的缓存容量，计算引入缓存所带来的成本；构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型；分析设计模型中各因素之间的关系，仿真验证设计模型的有效性。
一种基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，包括如下步骤：
(1)获取内容请求数据，提取与网络内容相关的信息
对路由到移动通信网络接入侧的每个用户请求，使用深度包检测(Deep PacketInspection，DPI)技术分析请求数据包的相关字段，提取出用户所请求的内容名称及其相关信息，并将这些信息存储在设计的数据库中。
(2)统计内容分布特点，设计内容流行度模型
基于步骤(1)中提取与存储的内容相关信息，统计在某一段时间内容同一内容的请求次数(即内容流行度)。分析网络内容流行度的统计特点，然后设计合适的内容流行度模型来表征内容请求的流行度。
(3)根据内容流行度模型，在网络边缘部署内容
基于步骤(2)中设计的网络内容流行度模型，结合缓存容量大小的限制，在网络边缘部署合适的内容，降低网络内容的冗余传输，进而降低ISP与CP的服务成本。
(4)统计CP内容源服务器的负载，计算CP服务成本
当边缘缓存没有缓存用户请求的内容时，该请求会经ISP网络路由到CP内容源服务器，这增加了CP提供内容服务的成本。因此，可以通过统计CP服务器的负载压力，进而计算出CP为网络用户提供内容服务时的成本。
(5)分析ISP网络节点的负载与链路传输的流量，计算ISP网络服务成本
当边缘缓存没有缓存用户请求的内容时，用户请求会经ISP网络路由到CP内容源服务器，除了会增加CP内容源服务器的负载压力外，还会增加ISP网络节点的负载压力与网络链路的传输流量，进而增加ISP提供内容服务时的成本。因此，可以分析ISP网络节点的负载与链路传输的流量，计算出ISP网络提供内容服务的成本。
(6)根据部署的缓存容量，计算引入缓存所带来的成本
虽然边缘缓存能够降低网络传输流量和节省网络资源，但是引入的边缘缓存也会带来额外的开销，可以根据缓存容量的大小，计算引入缓存所带来的成本开销。
(7)构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型
基于步骤(4)(5)(6)中的成本模型，结合网络用户获取内容服务所缴纳的费用，为了使提供内容服务时的收益最大化，构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型。借助边缘缓存，ISP与CP协同工作为用户提供内容服务。
与现有技术相比，本发明具有以下明显的优势和有益效果：
(1)本发明提出一种基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型，通过在移动通信网络边缘部署缓存与ISP、CP协同工作，降低网络冗余传输，提高了移动通信网络整体服务能力与用户体验。
(2)本发明借鉴当前ISP与CP协同提供内容服务的工作模式，考虑到缓存在降低网络内容冗余传输方面的巨大优势，设计了一种基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制。相比传统基站通信模型，本发明在ISP与CP协同工作的基础上，借助边缘缓存，从最大化网络收益与保障用户服务质量的角度出发，提高网络资源利用率与内容分发效率，同时为用户提供更为优质的内容传输服务。实验表明，运用本发明方法进行仿真实验分析，相比当前ISP与CP协同内容服务机制，能够获得更高的网络收益，同时该方法具有较好的普适性。
附图说明
图1为本发明所涉及的内容请求数据获取与相关信息提取的示意图；
图2为本发明的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制构建方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，以网络视频内容为研究对象，对本发明做进一步的描述。
如图2所示，本发明提供一种基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制构建方法，包括以下步骤：
(1)获取视频内容请求数据，提取与视频内容相关的信息
将移动通信网络接入侧用户视频内容请求镜像到DPI系统，DPI识别不同用户请求协议，提取相应协议中视频内容信息相关的关键字，如请求时间、请求视频内容、请求IP与MAC地址等，按照提取的不同类型关键字信息来构建数据库，并存储每条内容请求信息的相关关键字信息，如图1所示。
(2)统计视频内容分布特点，设计视频内容流行度模型
基于步骤(1)中数据库中存储的视频内容相关信息，计算每种视频内容的内容流行度，并按照齐普夫(Zipf)分布模型来设计网络视频内容的流行度模型。假设视频内容种类数为F，按照从1到F给视频内容编号。在一段时间内，带缓存基站总的请求数为R，那么内容编号为k的视频流行度的分布为：其中，a0为常数，表示归一化的请求率，α表征了流行内容的数量，α取值越大，表明网络流行视频数越多。
(3)根据内容流行度模型，在网络边缘部署内容
基于步骤(2)中设计的网络内容流行度模型，考虑缓存容量大小的限制，按照统计的内容流行度分布情况，在网络边缘部署用户比较感兴趣的网络内容，尽可能地降低网络传输流量，进而节省ISP与CP的内容服务成本。
(4)统计CP内容源服务器的负载，计算CP服务成本
由于缓存空间受限，当用户请求网络冷门内容时，边缘缓存可能无法为用户提供服务，因此必须将请求路由到CP内容源服务器来进行响应。考虑到CP的运营成本与其网络负载相关，在CP为用户提供内容服务时，需要承担的成本代价为其中，M表征了每个AP下接入的移动用户数，A表征了网络AP数，C表征了网络不同内容数，为节点i对内容k的请求率，用来表征节点i向第j个接入点请求内容k，用来表征接入点j是否缓存了内容k，sk为内容k的大小，CCP为CP响应单位流量产生的费用。
(5)分析ISP网络节点的负载与链路传输的流量，计算ISP网络服务成本
由于缓存空间受限，当用户请求网络冷门内容时，边缘缓存可能无法为用户提供服务，因此必须将请求路由到CP内容源服务器来进行响应。这一过程不断会增加CP内容源服务器的负载压力外，还会增加ISP网络节点的负载压力与网络链路的传输流量，进而增加ISP提供内容服务时的成本。因此，通过分析ISP网络节点的负载与链路传输的流量，ISP网络提供内容服务的成本可以表示为其中，Hop(j,CP)为接入点j到CP的路由跳数，Cnode与Clink分别为ISP网络节点、链路处理与传输单位流量所需的费用。
(6)根据部署的缓存容量，计算引入缓存所带来的成本
虽然边缘缓存能够降低网络传输流量和节省网络资源，但是引入的边缘缓存也会带来额外的开销，根据缓存容量的大小，引入缓存所带来的成本开销可以表示为其中，CCache为引入单位大小缓存所产生的费用。
(7)构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型
基于步骤(4)(5)(6)中的成本模型，结合网络用户i获取内容服务所缴纳的费用Pi，为了使提供内容服务时的收益最大化，构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型，该模型可以表示为
(8)分析设计模型中各因素之间的关系，仿真验证设计模型的有效性
对于步骤(7)中设计的基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型，分析不同拓扑、缓存大小、内容流行度等对(4)(5)(6)各部分成本的影响，以及对整体收益(7)的影响。根据分析与实验结果，验证基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的科学性，同时选择合适的参数，对模型进行反馈调节。
为了验证本发明的有效性，以及与当前ISP与CP协同内容服务机制相比性能的优劣，进行了一组对比实验。
表1本发明方法与当前ISP与CP协同内容服务机制在不同内容流行度下的收益比较结果
由表1可以看出，运用本发明方法设计的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制在不同缓存大小、视频内容流行度下，相比当前ISP与CP协同内容服务机制，能够显著增加网络收益。这是因为在网络接入侧部署缓存后，虽然引入的缓存增加了部分网络成本，但是由于网络热门内容存储在网络边缘，能够有效降低网络内容的域内与域间传输，进而降低网络流量传输与处理给ISP与CP带来成本。
表2本发明方法与当前ISP与CP协同内容服务机制在不同网络拓扑下的收益比较结果
由表2可以看出，运用本发明方法设计的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制在不同缓存大小、网络拓扑下，相比当前ISP与CP协同内容服务机制，均能取得较好的网络收益，说明本发明方法具有较强的普适性。
Claims (7)
1.一种基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、获取内容请求数据，提取与网络内容相关的信息；
步骤2、统计内容分布特点，设计内容流行度模型；
步骤3、根据内容流行度模型，在网络边缘部署内容；
步骤4、统计CP内容源服务器的负载，计算CP服务成本；
步骤5、分析ISP网络节点的负载与链路传输的流量，计算ISP网络服务成本；
步骤6、根据部署的缓存容量，计算引入缓存所带来的成本；
步骤7、构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型
基于步骤步骤4、5、6中的成本模型，结合网络用户获取内容服务所缴纳的费用，使提供内容服务时的收益最大化，构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型，同时借助边缘缓存，ISP与CP协同工作为用户提供内容服务。
2.如权利要求1所述的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，其特征在于，步骤1具体为：对路由到移动通信网络接入侧的每个用户请求，使用深度包检测(DeepPacket Inspection，DPI)技术分析请求数据包的相关字段，提取出用户所请求的内容名称及其相关信息，并将这些信息存储在设计的数据库中。
3.如权利要求2所述的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，其特征在于，步骤2具体为：基于步骤1中数据库中存储的视频内容相关信息，计算每种视频内容的内容流行度，并按照齐普夫(Zipf)分布模型来设计网络视频内容的流行度模型；假设视频内容种类数为F，按照从1到F给视频内容编号。在一段时间内，带缓存基站总的请求数为R，那么内容编号为k的视频流行度的分布为：其中，a0为表示归一化的请求率，α表征了流行内容的数量。
4.如权利要求3所述的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，其特征在于，步骤4中，在CP为用户提供内容服务时，需要承担的成本代价为其中，M表征了每个AP下接入的移动用户数，A表征了网络AP数，C表征了网络不同内容数，为节点i对内容k的请求率，用来表征节点i向第j个接入点请求内容k，用来表征接入点j是否缓存了内容k，sk为内容k的大小，CCP为CP响应单位流量产生的费用。
5.如权利要求4所述的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，其特征在于，步骤5中，通过分析ISP网络节点的负载与链路传输的流量，ISP网络提供内容服务的成本可以表示为其中，Hop(j,CP)为接入点j到CP的路由跳数，Cnode与Clink分别为ISP网络节点、链路处理与传输单位流量所需的费用。
6.如权利要求5所述的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，其特征在于，步骤6中，根据缓存容量的大小，引入缓存所带来的成本开销可以表示为其中，CCache为引入单位大小缓存所产生的费用。
7.如权利要求6所述的基于边缘缓存的ISP与CP联合内容分发机制的构建方法，其特征在于，步骤7中，基于步骤4、5、6中的成本模型，结合网络用户i获取内容服务所缴纳的费用Pi，为了使提供内容服务时的收益最大化，构建基于边缘缓存的ISP与CP联合服务的收益模型，该模型可以表示为
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