CN108173903A - 自治系统协作缓存策略在ccn中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了自治系统协作缓存策略在CCN中的应用。该方案将网络划分为多个自治系统，确定各自的控制节点，协调所属系统中各节点之间的通信，在任意网络拓扑结构中，以求得到更好的网络性能。仿真结果表明：对任意的网络拓扑结构上，仿真求解现有策略和基于自治系统的协作缓存策略产生的平均跳数、命中率和延时时间，自治系统协作缓存策略的应用使得网络性能更佳。

Description

自治系统协作缓存策略在CCN中的应用

技术领域

本发明涉及CCN网络的缓存策略技术领域，尤其涉及一种基于自治系统的协作缓存策略，以改善现有策略的网络性能指标。

背景技术

随着信息技术的快速发展，信息量产生了爆炸性的增长。它导致日益增长的信息过载的问题。为了适应互联网技术发展的变化和客户需求的增长，学术界近年来提出了一种面向内容的未来网络架构，称为内容中心网络(CCN)。CCN是一个专注于其内容的网络，而传统的TCP/IP网络专注于其主机。

在CCN的设计中，所有网络节点都支持缓存功能，允许内容请求用户从网络节点获得所需的内容，以最小化重复流量。CCN中的默认缓存布局策略称为LCE(保持缓存无处不在)，这允许传输路径上的所有中间节点缓存内容。该策略简单易行，但缓存资源的利用率较低。如何获得服务器缓存的内容到网络中的适当位置，以使分布式缓存系统的整体性能最佳，是缓存放置策略应该解决的问题。

在这种情况下，学术界已经提出了几种方法来解决这个问题，它们分为两种类型。一种是隐式协作，其中缓存节点不需要与网络中的其他节点通信。缺乏沟通和协作节点，隐式协作会造成一些不必要的资源浪费。另一种是显式协作，其主要特征是网络中的节点彼此通信和协作，以实现透明和协同的缓存。它分析缓存布局策略状态，节点业务和网络拓扑信息，以确定节点缓存内容的位置。由于网络中的节点明确地彼此协作，可以达到高速缓存分发网络最优。所以我们调整策略来提高CCN的性能，这使得网络有效。

在传统的CCN中，缺乏节点之间必要的协作机制使得缓存系统无效。此外，从相邻节点获取内容的成本比从源服务器获取它的成本便宜得多。本发明调整战略以提高CCN性能，是使得缓存节点之间存在有效的协作策略，缓存对象对于使网络无效的其他缓存节点不可见。

发明内容

缓存策略对CCN的性能有决定性的影响。在传统的CCN中，数据包沿返回路径被缓存，并且只有传输路径上的缓存可以用于服务响应，缺乏节点之间必要的协作机制，使得系统缓存效率很低。此外，从相邻节点获取内容的成本比从源服务器获取它的成本便宜得多。为了解决节点之间完全独立的现状，本发明对如何把自治系统的协作策略应用到CCN网络中做了研究。能够实现自治系统内部各节点之间可以互相通信，使得节点收到请求之后，能够更加快速智能地选择存储该请求内容的节点，而不是直接使用最短路径优先策略来决定请求转发路线。以较少的跳数和较小的延时得到请求内容。而本章节所提自治系统的协作缓存策略解决了节点之间缺乏有效协作的问题，使得缓存大小得到更有效利用，以达到提高系统缓存效率的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

自治系统协作缓存策略在CCN中的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：CCN网络的拓扑结构可以表示为无向图G＝(V，E)，其中V是CCN节点的集合，E是节点之间的边集。仿真网络中设有400个节点，两节点间带宽为20Mbps,传播时延t_p＝5×10^-4s，内容大小为1kb。

步骤2)：在该缓存策略中，缓存系统分为几个由控制节点集中控制的自治系统，如图1所示。如图1所示。用于划分自治系统的方法与OSPF相同。

步骤3)：对于每个自治系统，使用基于节点的中间性和缓存替换率的方法来选择控制节点，用于控制各自所属的自治系统。

步骤4)：计算流行度并确定不同内容的缓存策略。由以下两个公式计算内容流行度。本发明按照内容流行度参数将内容分为三类：高流行度内容，中等流行度内容和低流行度内容。不同类型的内容具有由控制节点确定的不同的缓存策略。如果popularity(i)>0.5，则内容i是高流行度度内容。它需要冗余的缓存来提高缓存命中率。如果0.2<popularity(i)<0.5，这意味着内容i是中等流行度内容。中等流行度内容是减少冗余的主要部分。在该发明策略中，这些内容在同一AS中仅会被缓存一次，以减少内容缓存冗余。如果popularity(i)<0.2，则内容i被称为低流行度内容。因为低流行度内容被请求的次数太少，容易被替换。

步骤5)：控制节点和公共节点的结构设计。控制节点除了传统的三个表(CS，PIT，FIB)之外，特别地，每个控制节点维护自己的缓存汇总表(CST)。它记录所属AS中的各节点缓存的内容信息。每个节点周期性地向控制节点报告其本地缓存信息。公共节点保持四个表：CS，PIT，FIB和CST。用于记录内容的名称及其获得的位置。

步骤6)：基本的通信过程。情况1，如果控制节点收到用户请求，首先计算该内容的流行度以确定哪些节点适于缓存该内容，以提高缓存利用率并增加缓存命中率。之后，作为传统的CCN，它应该依次查找CS->PIT->CST->FIB。如果缓存未命中，则控制节点将丢弃兴趣包并发送确认包以通知请求该内容的节点自己处理。情况2，如果接收机是公共节点，则应当搜索其CS->PIT->LCST作为传统CCN来检查其是否具有内容。如果没有匹配，则公共节点将向控制节点转发兴趣包。然后控制节点将像情况1一样处理。公共节点在将兴趣包转发到控制节点之后等待数据包，如果等待超时，则公共节点将发送消息以确认内容是否命中。如果公共节点接收到控制节点的回复，并且被告知内容未命中，则公共节点将如传统CCN那样检查FIB。

步骤7)：对以上过程，在任意网络拓扑上进行数学建模。即将网络的数据传输通过概率论原理，用数学表达式表述,如公式(7)～(12)。考虑CCN网络的请求聚合能力，建立CCN在一般网络拓扑结构下，基于迭代方法的MMAT传输模型。

步骤3)的详细步骤如下：

步骤3.1)：C(v)是与节点v(v∈V)相连接的节点的个数。一旦网络建立，就很容易获得C(v)。Cnor(v)是C(v)的归一化，其可以通过等式(1)求得。

步骤3.2)：关于节点v，被替换的内容k_i的大小由S(k_i)表示，并且节点v的缓存大小由Ca(v)表示。m是单位时间内节点v的缓存内容替换次数。Re(v)是节点v的缓存替换率，Re(v)归一化后的值表示为Renor(v)。

步骤3.3)：M(v)表示网络中每个节点作为控制节点的适应度情况，由下面等式求的。

步骤7)的详细步骤如下：

步骤7.1)：两相邻节点v_i和v_j之间获取内容k的往返时延是：

其中，t_p是相邻节点的传播时延，t_q为请求传输时延，t_c为内容传输时延。

步骤7.2)：节点v按照P_k,v在第j跳节点获取内容c_k的往返时延表示为：

此时，便可得到VT_K,V为T_k,v,j命中概率的加权。

步骤7.3)：设G(V,E)为一个CCN网络，将网络中的每个节点看作由CS、PIT、FIB这三个过滤器组成。节点v收到对内容k的请求率为：

步骤7.4)：计算请求在经过了CS之后的输出流。请求内容在节点v处的概率为：

其中，向量q_k,v表示内容k的请求在节点v处命中的概率。则

假设请求流服从泊松分布，内容k的请求在节点v处未命中的概率为：

m_k,v＝R_k,v(1-q_k,v) (12)

步骤7.5)：请求通过CS，到达PIT之后。PIT过滤被转发之后还未收到回复的请求。则节点v处请求的聚合概率取决于PIT中记录的生存时间T和VT_K,V。当数据在CS中的缓存时间远远小于VT_KV时，则到达PIT的请求也满足泊松分布，因此节点v请求内容k的聚合概率为：其中Δ_k,v＝min(T,VT_k,v)。

步骤7.6)：将步骤7)中的公式联合，所有节点的CS和f_k,v全部清零，然后做迭代，直到两次相邻迭代的平均跳数、命中率和平均时延都小于所设定的阈值。

附图说明

图1是CCN网络在自治系统协作缓存策略的拓扑结构；

图2是CCN节点结构；

图3是命中率随缓存大小的变化情况；

图4是平均往返时延随缓存大小的变化情况；

图5是平均跳数随缓存大小的变化情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明仿真网络中设有400个节点，两节点间带宽为20Mbps,传播时延t_p＝5×10^{- 4}s，内容大小为1KB，10个数据字典，每个数据字典的大小为1TB。为了证明该发明更具普遍性，其用到的网络拓扑为随机生成的任意网络拓扑结构。

其具体步骤如下：

步骤1)：CCN网络的拓扑结构可以表示为无向图G＝(V，E)，其中V是CCN节点的集合，E是节点之间的边集。仿真网络中设有400个节点，两节点间带宽为20Mbps,传播时延t_p＝5×10^-4s，内容大小为1kb。

步骤2)：在该缓存策略中，缓存系统分为几个由控制节点集中控制的自治系统，如图1所示。如图1所示。用于划分自治系统的方法与OSPF相同。

步骤3)：对于每个自治系统，使用基于节点的中间性和缓存替换率的方法来选择控制节点，用于控制各自所属的自治系统。

步骤4)：计算流行度并确定不同内容的缓存策略。由以下两个公式计算内容流行度。本发明按照内容流行度参数将内容分为三类：高流行度内容，中等流行度内容和低流行度内容。不同类型的内容具有由控制节点确定的不同的缓存策略。如果popularity(i)>0.5，则内容i是高流行度度内容。它需要冗余的缓存来提高缓存命中率。如果0.2<popularity(i)<0.5，这意味着内容i是中等流行度内容。中等流行度内容是减少冗余的主要部分。在该发明策略中，这些内容在同一AS中仅会被缓存一次，以减少内容缓存冗余。如果popularity(i)<0.2，则内容i被称为低流行度内容。因为低流行度内容被请求的次数太少，容易被替换。

步骤5)：控制节点和公共节点的结构设计。控制节点除了传统的三个表^[11](CS，PIT，FIB)之外，特别地，每个控制节点维护自己的缓存汇总表(CST)。它记录所属AS中的各节点缓存的内容信息。每个节点周期性地向控制节点报告其本地缓存信息。公共节点保持四个表：CS，PIT，FIB和CST。用于记录内容的名称及其获得的位置。

步骤6)：基本的通信过程。情况1，如果控制节点收到用户请求，首先计算该内容的流行度以确定哪些节点适于缓存该内容，以提高缓存利用率并增加缓存命中率。之后，作为传统的CCN，它应该依次查找CS->PIT->CST->FIB。如果缓存未命中，则控制节点将丢弃兴趣包并发送确认包以通知请求该内容的节点自己处理。情况2，如果接收机是公共节点，则应当搜索其CS->PIT->LCST作为传统CCN来检查其是否具有内容。如果没有匹配，则公共节点将向控制节点转发兴趣包。然后控制节点将像情况1一样处理。公共节点在将兴趣包转发到控制节点之后等待数据包，如果等待超时，则公共节点将发送消息以确认内容是否命中。如果公共节点接收到控制节点的回复，并且被告知内容未命中，则公共节点将如传统CCN那样检查FIB。

步骤7)：对以上过程，在任意网络拓扑上进行数学建模。即将网络的数据传输通过概率论原理，用数学表达式表述,如公式(7)～(12)。考虑CCN网络的请求聚合能力，建立CCN在一般网络拓扑结构下，基于迭代方法的MMAT传输模型。

步骤3)的详细步骤如下：

步骤3.1)：C(v)是与节点v(v∈V)相连接的节点的个数。一旦网络建立，就很容易获得C(v)。Cnor(v)是C(v)的归一化，其可以通过等式(1)求得。

步骤3.2)：关于节点v，被替换的内容k_i的大小由S(k_i)表示，并且节点v的缓存大小由Ca(v)表示。m是单位时间内节点v的缓存内容替换次数。Re(v)是节点v的缓存替换率，Re(v)归一化后的值表示为Renor(v)。

步骤3.3)：M(v)表示网络中每个节点作为控制节点的适应度情况，由下面等式求的。

步骤7)的详细步骤如下：

步骤7.1)：两相邻节点v_i和v_j之间获取内容k的往返时延是：

其中，t_p是相邻节点的传播时延，t_q为请求传输时延，t_c为内容传输时延。

步骤7.2)：节点v按照P_k,v在第j跳节点获取内容c_k的往返时延表示为：

此时，便可得到VT_K,V为T_k,v,j命中概率的加权。

步骤7.3)：设G(V,E)为一个CCN网络，将网络中的每个节点看作由CS、PIT、FIB这三个过滤器组成。节点v收到对内容k的请求率为：

步骤7.4)：计算请求在经过了CS之后的输出流。请求内容在节点v处的概率为：

其中，向量q_k,v表示内容k的请求在节点v处命中的概率。则

假设请求流服从泊松分布，内容k的请求在节点v处未命中的概率为：

m_k,v＝R_k,v(1-q_k,v) (12)

步骤7.5)：请求通过CS，到达PIT之后。PIT过滤被转发之后还未收到回复的请求。则节点v处请求的聚合概率取决于PIT中记录的生存时间T和VT_K,V。当数据在CS中的缓存时间远远小于VT_K,V时，则到达PIT的请求也满足泊松分布，因此节点v请求内容k的聚合概率为：其中Δ_k,v＝min(T,VT_k,v)。

步骤7.6)：将步骤7)中的公式联合，所有节点的CS和f_k,v全部清零，然后做迭代，直到两次相邻迭代的平均跳数、命中率和平均时延都小于所设定的阈值。

Claims (3)

1.自治系统协作缓存策略在CCN中的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)CCN网络的拓扑结构可以表示为无向图G＝(V，E)，其中V是CCN节点的集合，E是节点之间的边集；仿真网络中设有400个节点，两节点间带宽为20Mbps,传播时延t_p＝5×10^-4s，内容大小为1kb；

步骤2)在该缓存策略中，缓存系统分为几个由控制节点集中控制的自治系统，用于划分自治系统的方法与OSPF相同；

步骤3)对于每个自治系统，使用基于节点的中间性和缓存替换率的方法来选择控制节点，用于控制各自所属的自治系统；

步骤4)计算流行度并确定不同内容的缓存策略；由以下两个公式(1)和(2)计算内容流行度；内容流行度参数将内容分为三类：高流行度内容，中等流行度内容和低流行度内容；不同类型的内容具有由控制节点确定的不同的缓存策略；如果popularity(i)>0.5，则内容i是高流行度度内容；它需要冗余的缓存来提高缓存命中率。如果0.2<popularity(i)<0.5，这意味着内容i是中等流行度内容；中等流行度内容是减少冗余的主要部分。在该发明策略中，这些内容在同一AS中仅会被缓存一次，以减少内容缓存冗余；如果popularity(i)<0.2，则内容i被称为低流行度内容；因为低流行度内容被请求的次数太少，容易被替换；

步骤5)控制节点和公共节点的结构设计；控制节点除了传统的三个表CS，PIT，FIB之外，特别地，每个控制节点维护自己的缓存汇总表CST；它记录所属AS中的各节点缓存的内容信息；每个节点周期性地向控制节点报告其本地缓存信息；公共节点保持四个表：CS，PIT，FIB和CST，用于记录内容的名称及其获得的位置；

步骤6)基本的通信过程；情况1，如果控制节点收到用户请求，首先计算该内容的流行度以确定哪些节点适于缓存该内容，以提高缓存利用率并增加缓存命中率；之后，作为传统的CCN，它应该依次查找CS->PIT->CST->FIB；如果缓存未命中，则控制节点将丢弃兴趣包并发送确认包以通知请求该内容的节点自己处理；情况2，如果接收机是公共节点，则应当搜索其CS->PIT->LCST作为传统CCN来检查其是否具有内容；如果没有匹配，则公共节点将向控制节点转发兴趣包；然后控制节点将像情况1一样处理；公共节点在将兴趣包转发到控制节点之后等待数据包，如果等待超时，则公共节点将发送消息以确认内容是否命中；如果公共节点接收到控制节点的回复，并且被告知内容未命中，则公共节点将如传统CCN那样检查FIB；

步骤7)对以上过程，在任意网络拓扑上进行数学建模；即将网络的数据传输通过概率论原理，用数学表达式表述,如公式(7)～(12)；考虑CCN网络的请求聚合能力，建立CCN在一般网络拓扑结构下，基于迭代方法的MMAT传输模型。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤3)详细如下：

步骤3.1)C(v)是与节点v(v∈V)相连接的节点的个数；一旦网络建立，就获得C(v)；Cnor(v)是C(v)的归一化，其通过等式(3)求得：

步骤3.2)：关于节点v，被替换的内容k_i的大小由S(k_i)表示，并且节点v的缓存大小由Ca(v)表示；m是单位时间内节点v的缓存内容替换次数；Re(v)是节点v的缓存替换率，Re(v)归一化后的值表示为Renor(v)；

步骤3.3)：M(v)表示网络中每个节点作为控制节点的适应度情况，由下面等式求得：

3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述步骤7)详细如下：

步骤7.1)两相邻节点v_i和v_j之间获取内容k的往返时延是：

其中，t_p是相邻节点的传播时延，t_q为请求传输时延，t_c为内容传输时延；

步骤7.2)节点v按照P_k,v在第j跳节点获取内容c_k的往返时延表示为：

此时，便可得到VT_K,V为T_k,v,j命中概率的加权；

步骤7.3)设G(V,E)为一个CCN网络，将网络中的每个节点看作由CS、PIT、FIB这三个过滤器组成；节点v收到对内容k的请求率为：

步骤7.4)计算请求在经过了CS之后的输出流；请求内容在节点v处的概率为：

其中，向量q_k,v表示内容k的请求在节点v处命中的概率；则

假设请求流服从泊松分布，内容k的请求在节点v处未命中的概率为：

m_k,v＝R_k,v(1-q_k,v) (12)

步骤7.5)请求通过CS，到达PIT之后。PIT过滤被转发之后还未收到回复的请求。则节点v处请求的聚合概率取决于PIT中记录的生存时间T和VT_K,V；当数据在CS中的缓存时间远远小于VT_K,V时，则到达PIT的请求也满足泊松分布，因此节点v请求内容k的聚合概率为：其中Δ_k,v＝min(T,VT_k,v)；

步骤7.6)将步骤7)中的公式联合，所有节点的CS和f_k,v全部清零，然后做迭代，直到两次相邻迭代的平均跳数、命中率和平均时延都小于所设定的阈值。