CN107547625A - 内容中心网络用户需求响应调度系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内容中心网络用户需求响应调度系统及其方法，所述内容包括中心网络信息采集单元，边缘存储服务器信息采集单元，用户节点信息采集单元连接数据处理单元，所述数据处理单元连接用户需求合同响应单元，所述用户需求合同响应单元连接用户合同响应调度单元。方法包括根据内容中心网络节点和边缘存储服务器的特征信息，计算得到用户所属类型，然后计算得到用户获取内容的时延，最后计算得到用户获取内容和内容提供商提供内容的效用；根据约束条件的单调性，对约束条件进行简化；在最大化各用户和资源供应商收益的前提下，生成各用户需求响应列表，然后内容提供商将内容调度到各用户节点。

Description

内容中心网络用户需求响应调度系统及方法

技术领域

本发明属于内容中心网络技术领域，尤其涉及一种内容中心网络用户需求响应调度系统及方法。

背景技术

由于互联网不断发展，基于TCP/IP协议的现有互联网逐渐暴露出许多的不适应性问题主要有：安全性差，不支持移动，不可靠，缺乏灵活性，有效性限制，对新应用僵化等。针对这些问题，国内外研究机构提出了多个未来互联网架构。其中，采用名字路由的内容中心网络架构，能够通过路由器来缓存内容，从而有效促进数据传输，并且提高内容的检索效率。内容中心网络(Content Centric Network,CCN)是一种新的网络架构，被设计成与当今基于TCP/IP协议的网络相匹配，既能与当今网络协议并行运行，也能够独立运行，而且不会破坏现有的网络架构。

在内容中心网络中，随着数据流量的快速增长和智能移动设备的快速普及，用户之间的数据服务(从端对端通信模式转变成以内容为中心的通信模式)可以通过增加数据访问接入点来改善服务质量。但是该方法由于用户对主干网负载的极大需求，造成了内容提供商的运营成本快速增加。将内容缓存到基站或者用户终端是新的有效途径来缓解主干网的负载需求。用户可以从基站或相邻的用户终端直接获取需要内容，而不需要连接到主干网，用户的服务质量的到提高。因此，将内容缓存到本地存储服务器能够有效减小用户获取内容的时延和网络拥塞。

在内容中心网络中，内容可以在网络中各个路由节点中缓存。用户获取内容有两种方式：一方面，如果用户获取的内容在边缘存储服务器节点上，用户从本地的边缘节点直接获取，获取内容的时延较小；另一方面，当用户需求的内容不在本地的边缘节点中的时候，用户可以从CCN中的路由节点中获取，由于经过了多跳的中继路由节点，获取内容的时延较大。将内容缓存到边缘存储服务器能够有效地将请求的数据包进行分流，缓解网络传输压力，同时给用户提供更快更好的网络服务。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种内容中心网络中用户需求响应的数据传输系统，降低了服务运营商的运营成本，提高了数据传输速度。

此外，本发明还提供了一种内容中心网络中用户需求响应的数据传输方法，降低了网络资源冗余，提高了网络性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种内容中心网络用户需求响应调度系统，所述系统包括：内容中心网络信息采集单元、用户节点信息采集单元、边缘存储服务器信息采集单元、数据处理单元、用户需求合同响应单元、用户需求合同调度单元；所述内容中心网络信息采集单元，边缘存储服务器信息采集单元，用户节点信息采集单元连接数据处理单元，所述数据处理单元连接用户需求合同响应单元，所述用户需求合同响应单元连接用户需求合同调度单元。

其中内容中心网络信息采集单元，用于采集内容中心网络中的路由节点的特征信息；用户节点信息采集单元，用于采集内容中心网络中用户的特征信息；边缘存储服务器信息采集单元，用于采集边缘服务器的特征信息；数据处理单元，用于根据所述内容中心网络中路由节点的特征信息，用户节点特征信息，边缘存储服务器中的特征信息计算得到用户所属类型，用户获取内容所需时延，内容提供商通过提供内容获得的效用以及用户所得的效用；用户需求合同响应单元，用于根据所述用户节点类型，用户获取内容所需时延和内容提供商通过提供内容获得的效用生成用户需求合同列表；用户需求合同调度单元，用于根据所述用户合同列表调度资源到用户节点。

此外，所述系统还包括反馈单元，所述反馈单元分别与所述用户需求合同调度单元，用户需求合同响应单元连接，组成闭环系统。用户需求合同响应单元还用于判断内容提供商提供的合同是否满足单调性约束条件的要求；是，则进入用户需求合同调度单元；否，则通过反馈单元调节内容容量和价格来重新配置其需求响应合同，使得用户可以找到符合其利益的合同，同时满足单调性约束条件。

所述数据处理单元包括用户所属类型计算单元，用户时延计算单元，效用分析单元，约束条件优化单元；其中用户所属类型计算单元，根据用户节点的特征信息计算得到各个用户类型；用户时延计算单元根据边缘存储服务器和内容中心网络的特征信息计算得到用户从内容中心网络和边缘存储服务器获取内容的时延；效用分析单元，用于根据用户时延计算单元提供的用户获取内容的时延计算得到用户获取内容的效用和内容提供商的效用；约束条件优化单元，用于根据单调性约束原则对用户个人理性约束和激励约束条件进行化简。所述用户所属类型计算单元和用户时延计算单元连接，用户时延计算单元与效用分析单元连接，所属效用分析单元与约束条件优化单元连接。

一种内容中心网络用户需求响应调度方法，包括如下步骤：

S100.通过内容中心网络信息采集单元采集内容中心网络中各节点所提供的网络资源的特征信息；

S200.通过用户节点信息采集单元采集内容中心网络中用户节点的特征信息；

S300.通过边缘存储服务器信息采集单元采集边缘存储服务器的特征信息；

S400.根据所述内容中心网络节点的特征信息，用户节点的特征信息，边缘存储服务器的特征信息计算得到用户类型，用户获取内容时延，内容提供商和用户的效用；

S500.根据步骤S400得到的用户类型，通过用户需求合同响应单元生成各用户需求合同列表；

S600.根据用户需求合同列表，内容提供商将内容调度到各用户节点。

在步骤S500之后还可包括S500A：判断用户得到的合同是否满足单调性约束条件；是，则进行步骤S600；否，则通过反馈单元调整内容容量和价格来对合同进行调整。

所述步骤S400的具体步骤为：

S410：根据用户节点的特征信息计算得到用户所述类型；

S420：根据边缘存储服务器和内容中心网络的特征信息计算得到用户获取内容的时延；

S430：根据用户获取内容的时延得到用户获取内容的效用和内容提供商提供内容的效用；

S440：对用户个人理性约束和激励约束条件进行简化。

所述步骤S500的具体步骤为：

S510.对所有用户的需求按照用户的所属类型排序；

S520.对所有不同类型用户，在没有单调性约束的条件下计算得到用户的合同。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

内容中心网络能够在现有的基于物理地址的网络中运行，其中基于名字的搜索策略，提供了快速的搜索机制，减少了用户在打开网页和获取内容的等待时间；同时内容中心网络中的网络节点包含有内容存储器，方便了用户在最短时间内从内容中心网络获取内容。

借助边缘存储服务器的时延小，速度快的特点，本发明内容中心网络用户需求响应调度系统及方法，设计了一个包含内容中心网络和边缘存储服务器的异构通信网络，能够允许用户向本地的存储服务器请求数据包，节省了等待时间，提高了用户的服务质量。同时，如果在本地存储服务器没有响应数据包的时候，用户能够向内容中心网络发送内容兴趣包，最终获取内容数据包。

调度系统根据用户所属类型，用户从CCN中以及边缘存储服务器获取内容的时延，针对每一个用户设计一系列的合同；利用合同理论最终针对每个用户设计出一个最优的合同，能够在满足用户收益和服务运营商收益最大化的原则的同时，使得服务运营商对资源的调度具有更强的灵活性，为内容中心网络中用户提供更优质的服务。

附图说明

图1为本发明开环的内容中心网络用户需求响应调度系统的示意图。

图2为本发明闭环的内容中心网络用户需求响应调度方法的示意图。

图3为图1或图2中数据处理单元的具体示意图。

图4为本发明开环的内容中心网络用户需求响应调度方法的流程图。

图5为本发明闭环的内容中心网络用户需求响应调度方法的流程图。

图6为图4或图5中步骤S400的具体流程图。

图7为图4或图5中步骤S500的具体流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的说明。

在开环的内容中心网络用户需求响应调度系统中，如图1所示，一种内容中心网络用户需求响应调度系统，包括内容中心网络信息采集单元100、用户节点信息采集单元200、边缘存储服务器信息采集单元300、数据处理单元400、用户需求合同响应单元500、用户需求合同调度单元600；所述内容中心网络信息采集单元100，用户节点信息采集单元200，边缘存储服务器信息采集单元300分别与数据处理单元400连接，所述数据处理单元400连接用户需求合同响应单元500，所述用户需求合同响应单元500连接用户需求合同调度单元600。

内容中心网络信息采集单元100，用于采集内容中心网络中路由节点的特征信息。具体地，通过分布在内容中心网络中各节点的监测器或者其他信号采集设备采集网络节点信息。本实施例中，所采集的网络节点信息包括内容中心网络中节点的缓存容量，路由节点之间的带宽，路由节点与宏基站之间的带宽，网络中存储内容的流行度。

用户节点信息采集单元200，用于采集内容中心网络中用户节点的特征信息。具体地，通过分布在用户节点终端的各种传感器、监测器或者其他信号采集设备采集用户节点信息。所采集的用户节点信息包括，用户请求内容兴趣包大小，内容数据包大小，路由节点和用户之间的带宽。

边缘存储服务器信息采集单元300，用于采集边缘存储服务器的特征信息。具体地，通过分布在边缘服务器的各种传感器、检测器或者其他信号采集设备采集边缘服务器特征信息。所采集的特征信息包括边缘存储服务器和用户之间的带宽，边缘存储服务器中各个内容的流行度。

数据处理单元400，用于根据内容中心网络信息采集单元100采集的网络节点的特征信息，用户节点信息采集单元200采集的用户节点信息和边缘存储服务器信息采集单元300采集的边缘存储服务器的特征信息计算得到用户的类型，用户获取内容的时延，用户和运营商的效用以及简化的约束条件。具体地，根据用户从边缘存储服务器及内容中心网络获取内容的大小计算得到用户的类型，结合内容中心网络，边缘存储服务器的特征信息得到用户获取内容的时延；结合用户获取内容的时延计算得到用户和内容提供商的效用；结合用户和内容提供商的效用对约束条件进行优化。

进一步，如图3所示，数据处理单元400包括用户所属类型计算单元401，用户时延计算单元402，效用分析单元403，约束条件优化单元404。所述用户所属类型计算单元401与用户时延计算单元402连接，所述用户时延计算单元402与效用分析单元403连接，所述效用分析单元403和约束条件优化单元404连接。

用户所属类型计算单元401，用于根据用户节点的特征信息计算得到各个用户所属类型。具体地，用户所述类型计算单元401根据内容中心网络信息采集单元100和边缘存储器采集单元300获取到用户分别从内容中心网络和边缘存储服务器获取内容的大小，将用户从边缘存储获取的内容的大小和用户获取内容的总大小进行比值，作为用户所属类型。

用户时延计算单元402，用于根据边缘存储服务器和内容中心网络采集的特征信息，确定用户从内容中心网络和边缘存储服务器获取内容的时延。具体地，

用户从边缘存储服务器获取单位内容u的时延d₁为：

第k个流行的内容被请求的概率为：

第k个流行的内容的平均请求速率为：q(k)＝q·p(k)

第k个流行内容的缓存命中率近似为：

内容中心网络节点缓存容量C为：

路由节点中N个内容的平均命中率为：

当内容中心网络没有缓存用户请求的内容的时候，用户获取内容的时延为：

数据包在路由节点n_m中逗留的时间为：

其中，

采用LRU缓存策略，用户在路由节点n_m(CS容量为C_m)的CS中获取内容的概率为hit(C_m)，所需要的时延为：

兴趣包在路由节点n_m的内容存储器的缓存命中的概率为：

因此，用户从内容中心网络获取内容的时延为：

效用分析单元403，用于根据用户时延计算单元402计算得到的用户时延，计算得到用户获取内容以及内容提供商提供内容之后的效用。具体地，通过设定函数计算得到用户获取内容的效用。

用户类型获取内容的满意度为：

用户的效用函数为：U_θi＝v(q(θ_i))-T(θ_i)

运营商的效用函数为：

其中，用户节点i的类型为θ_i，b₁为用户和边缘存储服务器之间的无线带宽，α为Zipf分布参数，q为用户对N个内容的平均请求速率，T_C为两个不同用户对同一个内容k请求的最大时间间隔，为用户到基站的兴趣包传输时间，为宏基站与第一个路由节点之间兴趣包的传输时间，为路由节点之间的兴趣包传输时间，为路由节点n_M与(假设数据包传输路径为n₁,n₂,…,n_M)内容提供商之间的兴趣包传输时间，为路由节点与内容提供商之间的数据包传输时间，为路由节点中根据PIT转发数据包时间，为路由节点之间的数据包传输时间，为路由节点1到宏基站的数据包传输时延，为宏基站到用户的数据包传输时间。路由节点对数据包的传输过程可以看作是M/M/1/L_m过程，数据包到达过程可以看作是服从参数为λ的泊松分布，路由节点的服务时间服从参数为μ_m的指数分布。假设有I个类型的用户，并且θ₁＜…＜θ_i＜…＜θ_I,i∈{1,…,I}。v(q(θ_i))表示获取q(θ_i)的内容容量给类型为θ_i的用户带来的满意度。我们可以发现，v(q(θ_i))是随着q(θ_i)的增加而增大的，因为获取越多的内容，用户的满意度越高。同时，v(q(θ_i))是随着时延的增大而减少的，因为时延越大，用户的满意度越低。T(θ_i)是获取内容q(θ_i)所支付的代价。w是一个给定的调节参数。与从内容中心网络获取内容的时延相比，从边缘存储服务器获取内容的时延小，因此可以保证满意度函数v(q(θ_i))是随着用户类型θ_i而递增的。c₁表示边缘存储服务器提供内容缓存的单位损耗，c₂表示内容中心网络提供内容缓存的单位损耗。

约束条件优化单元404，用于根据个人理性约束条件的单调性，对满足用户效用和运营商效用最大化的约束条件进行化简。具体地，约束条件优化单元404根据效用分析单元403提供的用户和内容提供商的效用以及规则A对约束条件进行化简。

对应用户i的请求响应规则A如下：

1、用户类型θ_i得到的内容套餐为(q(θ_i),T(θ_i))时获得的收益不为负值(个人理性约束)，即：

2、用户类型为θ_i的用户采用合同(q(θ_i),T(θ_i))时所获得的收益最大(激励约束)，即：

由此，我们将有I(I-1)个约束条件，简化为I个约束条件，减少了运算资源的消耗，提高了网络性能。

用户需求合同响应单元500，用于根据所述用户节点类型及优化后的约束条件生成各个用户合同列表。具体地，用户需求合同响应单元500根据数据处理单元400得到的用户类型，用户和内容提供商的效用和约束条件，从而得到用户合同生成列表。

其中，用户类型θ_i的合同中的内容容量为：

其中，

Δ_i＝[(a_i+a_i+1)(c₁θ_i+c₂(1-θ_i))-wa_ia_i+1]²p_i ²-

4p_i(c₁θ_i+c₂(1-θ_i))a_ia_i+1(p_i(c₁θ_i+c₂(1-θ_i))-wβ_ia_i+wβ_i+1a_i+1)

用户需求合同调度单元600，用于根据需求合同列表，将内容调度到各用户节点。具体地，内容提供商根据用户合同响应单元500生成的合同列表，按照不同用户所属类型，调度内容到各用户节点。在满足内容中心网络中的各用户节点的内容需求的同时，有效地减少了用户请求内容的时延，提高了内容中心网络的网络性能。

在闭环的内容中心网络用户需求响应调度系统中，如图2所示，与开环的内容中心网络用户需求响应调度系统的区别是：该内容中心网络用户需求响应系统还包括反馈单元700，所述反馈单元700分别与用户需求响应调度单元600、用户需求合同响应单元500连接。具体地，该用户需求合同响应单元还用于判断合同中的容量和价格是否能够满足单调性约束条件的要求；是，则进入用户需求合同调度单元；否，则通过反馈单元700将调节容量和价格来对合同参数进行重新配置，使得用户可以找到符合其利益的合同，同时满足单调性约束条件：如果θ_i＞θ_j，那么q(θ_i)＞q(θ_j)。

基于上述内容中心网络用户需求响应调度系统，提供了一种内容中心网络用户需求响应调度方法。如图4所述，具体步骤如下：

S100，内容中心网络信息采集单元用于采集内容中心网络中各节点的特征信息。

S200，通过用户节点信息采集单元采集内容中心网络中用户节点的特征信息。

S300，通过边缘存储服务器信息采集单元采集边缘存储服务器的信息。

S400，用于根据内容中心网络中各节点的特征信息，用户节点的特征信息和边缘存储服务器的特征信息计算得到用户的类型，用户获取内容的时延，用户和运营商的效用以及简化之后的约束条件。

进一步，结合图6，步骤S400包括如下步骤：

步骤S410：用于根据用户节点的特征信息计算得到各个用户所属类型；

步骤S420：用于根据内容中心网络和边缘存储服务器采集到的特征信息，确定用户从内容中心网络和边缘存储服务器获取内容的时延；

步骤S430：用于根据用户时延计算单元402计算得到的用户时延，计算得到用户获取内容以及内容提供商提供内容以后获取的效用；

步骤S440：用于根据个人理性约束条件的单调性，对满足用户效用和运营商效用最大的约束条件进行化简。

步骤S500：用于根据所述用户节点类型及优化后的约束条件生成各个用户合同列表。

进一步，结合图7，步骤S500包括如下步骤：

步骤S510：对所有用户的需求按照用户的所属类型排序；

步骤S520：对所有不同类型用户，在没有单调性约束的条件下，计算得到用户的合同列表。

步骤S600：用于根据需求合同列表，将内容调度到各用户节点。

在闭环的内容中心网络用户需求响应调度系统中，如图5所示，与开环内容中心网络调度方法的实施区别在于，步骤S500之后还包括：

S500A：判断内容提供商提供的合同是否能够满足单调性约束条件，是，则进入步骤S600；否，则进入步骤S700。

步骤S700：将单调性约束条件考虑到用户合同中，从而改变用户合同配置。具体地，通过调节容量和价格来对合同参数进行重新配置，使得用户可以找到符合其利益的合同，从而满足单调性约束条件(如果θ_i＞θ_j，那么q(θ_i)＞q(θ_j))。

Claims (7)

1.一种内容中心网络用户需求响应调度系统，其特征在于，包括内容中心网络信息采集单元（100），用户节点信息采集单元（200），边缘存储服务器信息采集单元（300），数据处理单元（400），用户需求合同响应单元（500），用户需求合同调度单元（600）；所述内容中心网络信息采集单元（100），用户节点信息采集单元（200），边缘存储服务器信息采集单元（300）分别与数据处理单元（400）连接，所述数据处理单元（400）连接用户需求合同响应单元（500），所述用户需求合同响应单元（500）连接用户需求合同调度单元（600）。

2.根据权利要求1所述的内容中心网络用户需求响应调度系统，其特征在于，还包括反馈单元（700）；所述反馈单元（700）分别与所述用户需求合同调度单元（600）、用户需求合同响应单元（500）连接，组成闭环系统。

3.根据权利要求1或2所述的内容中心网络用户需求响应调度系统，其特征在于，所述数据处理单元（400）包括用户所属类型计算单元（401），用户时延计算单元（402），效用分析单元（403），约束条件优化单元（404）；所述用户所属类型计算单元（401）与用户时延计算单元（402）连接；所述用户时延计算单元（402）与效用分析单元（403）连接，所述效用分析单元（403）与约束条件优化单元（404）连接。

4.一种内容中心网络用户需求响应调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100.通过内容中心网络信息采集单元（100）采集内容中心网络中各节点的特征信息；

S200.通过用户节点信息采集单元（200）采集内容中心网络中用户节点的特征信息；

S300.通过边缘存储服务器信息采集单元（300）采集边缘存储服务器的特征信息；

S400.根据所述内容中心网络节点的特征信息，用户节点的特征信息，边缘存储服务器的特征信息通过数据处理单元（400）计算得到用户类型，用户获取内容时延，内容提供商和用户的效用及简化后的约束条件；

S500.根据步骤S400得到的用户类型，通过用户需求合同响应单元（500）生成各用户需求合同列表；

S600.根据需求响应列表，内容提供商节点将内容调度到各用户节点。

5.根据权利要求4所述的内容中心网络用户需求响应调度方法，其特征在于，在步骤S500之后还包括步骤S500A：判断用户得到的合同是否满足单调性约束条件；是，则进行步骤S600；否，则通过反馈单元（700）利用用户需求合同响应单元（500）对合同中的内容容量和价格进行调整，直到用户合同中的参数满足单调性约束条件。

6.根据权利要求4或5所述的内容中心网络用户需求响应调度方法，其特征在于，所述步骤S400的具体步骤为：

S410.根据用户节点的特征信息计算得到用户所属类型；

S420.根据边缘存储服务器和内容中心网络的特征信息计算得到用户获取内容的时延；

S430.根据用户获取内容的时延得到用户获取内容的效用和内容提供商提供内容的效用；

S440.对用户个人理性约束和激励约束条件进行简化。

7.根据权利要求4或5所述的内容中心网络用户需求响应调度方法，其特征在于，所述步骤S500的具体步骤为：

S510.对所有用户的需求按照用户的所属类型排序；

S520.对所有不同类型用户，在没有单调性约束的条件下，计算得到用户的合同列表。