CN108366089B - 一种基于内容流行度和节点重要度的ccn缓存方法 - Google Patents

一种基于内容流行度和节点重要度的ccn缓存方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法，在内容流行度进行排名的基础上考虑节点的中心度，在请求内容沿原路径返回时，将内容缓存在具有最大节点中心度的节点上，缓存满了之后在该节点内生成内容流行度排名表，然后将新到达内容的流行度分别与节点内最大最小流行度进行比较，然后决定是否在该节点缓存新来的内容。仿真结果表明：该方案提高了路由节点缓存命中率，减小了获取内容的平均跳数。

Description

一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法
技术领域
本发明涉及互联网技术领域，特别是一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法。
背景技术
互联网流量的爆炸式增长给网络的计算、存储与传输能力带来了巨大的挑战。据公司预测，近五年流量增长超过倍，未来五年将会继续增长近三倍。其中，与内容相关的网络视频流量增长尤为迅速。因特网的发展已经远远超出了最初的设想，用户对内容本身的关注与需求，使得当前以主机地址为中心的端对端通信网络的局限性越来越明显。
为了从根本上解决网络在传输控制、资源分配、地址空间可扩展性等的局限性，发展以内容为中心的新型互联网架构成为大势所趋。世界各国学术组织纷纷开始研宄未来网络体系架构及关键技术，主要基于两种思路进行研宄：一是”演进型技术路线，即从现有网络结构平滑演进；二是“革命型技术路线，即构建颠覆架构的全新网络体系结构。“演进型”路线通过修改现有的互联网体系结构以及网络运行体制，增强目前互联网的内容分发能力，如内容分发网络和对等网络等。演进型技术路线延续性强、可操作性高，能够在短内取得良好的效果，但是从长期来看，对现有网络的改造可能会降低整个网络架构的灵活性、可靠性与可管理性，并不能从根本上解决网络发展所面临的问题。针对上述挑战，美国学术界率先提出了面向内容的新型网络体系架构，信息中心网络ICN的概念是近期未来网络研究方向的统称，其中CCN网络是ICN网络最为科学成熟的网络架构。
CCN网络以内容为中心，摒弃了传统TCP/IP网络架构，通过中间路由节点进行数据缓存，解决了海量信息请求问题。内容中心网络(CCN)缓存可以改进系统性能已经被广泛接受，然而，怎样设计一个有效的缓存机制还未达成共识。CCN网络是一个以内容为中心，将信息对象作为架构的网络体系。以内容为中心就是整个网络的需求是内容，而不是主机，即CCN不在关注内容存储在哪里，而仅关心内容本身，如何更快、更准确、更高效的获取数据成为下一代网络研究的热点问题。因此，缓存节点的选取以及如何有效地缓存成为CCN网络中研究的热点。
CCN网络在路由节点对内容进行缓存，使内容接近用户，因而缓存策略研究成为CCN网络的关键技术之一。传统的主流缓存策略Always(处处缓存)、LCD(Leave Copy Down)都会很大程度上造成节点空间的浪费和缓存内容的冗余。改进的Betw(Betweenness)方案仅考虑了节点介数，容易造成两个主要问题：一是导致最流行的内容只缓存在高介数的节点，无法到达最靠近用户的位置；二是导致高介数的节点缓存更换频繁，流行内容缓存时间短。因此如何更快、更准确、更高效的获取数据成为下一代网络研究的热点问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法，本发明提高了路由节点缓存命中率，减小了获取内容的平均跳数。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法，包括以下步骤：
步骤1、针对CCN网络中的节点，计算节点的中心度；
步骤2、计算节点中内容的流行度；
步骤3、在中心度最高的节点放置缓存内容；
步骤4、当步骤3中的中心度最高的节点缓存满了之后，在该节点内生成一张流行度排名表；
步骤5、当有新的内容到达步骤4中的节点时，进入判别比较阶段；判别比较阶段具体如下：
新到达的内容的流行度分别与流行度排名表中具有最大、最小流行度的内容进行比较，将大于最大流行度的内容放在此节点的下一级节点，将小于最小流行度的内容放在此节点的上一级节点，将位于最大最小流行度之间的内容放在此节点内，剔除掉最小流行度的内容；
步骤6、从而将内容在整个网络节点中实现了分布式缓存。
作为本发明所述的一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法进一步优化方案，中心度等于路由器节点的度。
作为本发明所述的一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法进一步优化方案，中心度等于与该路由器节点相关联的链路的条数。
作为本发明所述的一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法进一步优化方案，通过齐普夫定律和内容流行度预测技术，计算节点中内容的流行度。
作为本发明所述的一种基于内容流行度和节点重要度的CCN缓存方法进一步优化方案，流行度排名表为内容流行度排名表。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明既解决了Betw缓存策略重要节点缓存替换频繁的问题，又使流行内容更加靠近用户；综合整个方案，不但可以减少内容的冗余，各处节点也能充分利用，内容流行度越高越靠近用户，从而大大提高缓存性能。
附图说明
图1是CCN网络缓存决策实例的拓扑结构。
图2是网络源端命中率情况对比图。
图3是在图1所示的网络拓扑中获取内容所需要经过的平均跳数随节点缓存大小的折线图。
图4是在网络拓扑中缓存了内容的节点的命中率。
图5是网络拓扑中获取内容的平均跳数随Zipf分布参数的折线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
基于以上方案存在的各种不同的问题，本方案提出在内容流行度进行排名的基础上考虑节点的中心度，将流行度量化为请求频率，比如对内容a的流行度量化为请求频率q(a)，对系统中的命名的内容项都基于全局流行度进行排名。节点的中心度反应节点在网络中的重要性，中心度等于路由器节点的度，即与该路由器相关联的链路的条数。该缓存机制在请求内容沿原路径返回时，将内容缓存在具有最大节点中心度的节点上，缓存满了之后在该节点内生成内容流行度排名表，然后将新到达内容的流行度分别与节点内最大最小流行度进行比较，然后决定是否在该节点缓存新来的内容。以下部分将对所提方案做详细阐述，并对仿真结果进行分析。
该方案主要是针对Betw方案做出的改进。将节点中心度与内容流行度相结合，在节点中心度最高的节点放置缓存内容，当缓存满了之后，对节点内的内容进行流行度排名，在重要节点内生成一张流行度排名列表Popularity Precedence Table(PPT)，新到达的内容的流行度分别与具有最大、最小流行度的内容进行比较，将大于最大流行度的内容放在此重要节点的下一级节点，将小于最小流行度的内容放在此重要节点的上一级节点，将位于最大最小流行度之间的内容放在此节点内，剔除掉最小流行度的内容。这样一来，将内容实现了分布式的缓存，减缓了重要节点的缓存替换率和负荷，又能让最流行的内容逐渐靠近用户，减少内容冗余。
在图1所示的拓扑图中，t＝0时刻，所有的缓存节点均为空。当用户A向内容中心(SEVER)请求内容a时，SEVER向用户A返回内容a所经过的路径为V1→V2→V4→V5，由于在该路径上节点v2的中心度最大，将内容a缓存在v2节点，随后当A、B、C、D中某几个用户请求相同内容时，即可在节点V2命中。但是网络内部内容繁多，v2节点缓存容量有限。于是当V2节点缓存满了之后，我们需要对V2节点内的内容的流行度等级进行排名。当后续一段时间内新内容到达时，将新内容的流行度等分别与节点内最大最小流行度进行比较：若大于最大流行度内容，则将新内容缓存在V2的下一级节点即V3、V4节点，这样流行度很大的内容将更靠近用户；若新到达的内容小于最小流行度内容，则将新到达的内容缓存在V1节点上；若新到达内容的流行度处于最大流行度与最小流行度之间，则将最小流行度内容剔除，替换成新内容，再重新对节点内的内容流行度进行排名。这种缓存策略，不仅能将近来一段时间内的不再流行的内容替换掉、增大缓存中内容的存活时间，又能将近来最流行的内容缓存在靠近用户的网络边缘，减少内容冗余。
内容流行内容流行度通常用来描述网络中用户访问内容的行为特征，通常可以反映出用户对网络资源的访问偏好。以往对于内容流行度的研究，主要集中在缓存替换策略以及网页文件访问情况，大部分都是通过收集内容访问日志，建立数学模型，对用户的请求访问趋向进行预测。关于流行度预测的相关研究，下文会进行简要概述。
本方案提出一种在线计算流行度的算法，根据统计两次访问同一内容之间的时间周期中，用户访问其他内容的次数，利用一种衰减函数，计算下一次用户访问该内容时的内容流行度。衰减函数如下：
fi+1(p)＝fi(P)*2-c/C+1
内容流行度代表用户对内容的喜爱程度，通过在兴趣包和数据包中携带流行度值标签的形式实现内容流行度的记录。当前的内容流行度与历史内容的流行度和衰减系数有关，在过去一段统计时间内包含M个请求内容，在这一段周期内统计出各个请求内容的访问频次。内容流行度值是对内容a在请求周期内的请求次数估计值。以下公式为在第n个时间周期内的内容a的估计值。
Pa[n]＝α×Pa[n-1]+(1-α)×Fa[n-1]
P[n]代表第n个周期内的内容a流行度，P[n-1]代表第n-1个周期内的内容a的流行度，α是衰减系数，Fa(n-1)是第n-1个周期内的内容a的访问频次。
我们将节点中心度量化为节点介数，即Betw介数缓存方法提出的节点介数计算方法，节点介数表征节点的重要程度，也就是与该节点相关联的链路的条数。
在CCN网络中，有多个内容分发路径要经过同一个路径节点，那么这个节点在网络中的重要度就比较高，即中心度高，下式给出了节点介数的定义：
若G(V,E)是一个具有n个节点的无向图向量，n个节点为V＝{v1,v2,......vn},用CB-SP(v)表示节点介数，下式代表节点v的节点介数表达式：
Figure BDA0001541589270000051
在上式中，两个顶点s与t之间的最短路径数用σst表示，σst(v)表示的是经过顶点v的最短路径的数目。在Betw算法中，我们所使用的路由转发算法是最短路径算法，所以本发明中我们只统计节点间最短路径的数目。
对于一些移动的网络、自组织网络等，这些网络拓扑有一定不确定性，在这些网络中很难法获得节点的信息，因此计算节点介数就很难实现。下式提出一种方法：即每个节点基于它的自我中心网络而非整个网络来计算其近似介数，计算方法如下式所示：
设A是自我中心网络G的N×N对称邻接矩阵：
Figure BDA0001541589270000052
自我中心网络节点的介数由矩阵A2[1-A]i,j来确定，1是一个全1矩阵，A2[1-A]i,j中所有元素倒数之和即该自我网络中心节点的中心度。
如表1所示，当重要节点的缓存满了以后，对节点内的内容流行度进行排名，具有最大流行度的内容排在最上面，新到达内容的流行度与表内的最大最小流行度进行比较，判断之后做出相应的判断。
表1内容流行度排名表(PPT)
名字 第n-1个周期流行度 第n个周期流行度
内容a Pa(n-1) Pa(n)
内容b Pb(n-1) Pb(n)
内容c Pc(n-1) Pc(n)
内容d Pd(n-1) Pd(n)
内容e Pe(n-1) Pe(n)
算法描述
Figure BDA0001541589270000053
Figure BDA0001541589270000061
本发明仿真实验的硬件环境是Intel(R)Core(TM)i3-2120CPU@3.30GHZ,6GB内存。操作系统是Ubuntu12.04LTS 64bit。仿真环境是ndnSIM仿真器是基于NS3的一个NDN仿真模块，该模块实现了对NDN基本功能的模拟。通过对其代码进行修改，实现本发明提出的缓存策略。然后将仿真数据导入Matlab软件中处理。
其具体步骤如下：
步骤a：主要参数设置如下：内容源服务器中的内容种类数S＝1000，并且设置内容大小相同，假设单个内容块大小均为一个块(chunk),节点CS的缓存容量Cs_Size＝F,为了模拟网络性能受节点CS缓存大小的影响情况，设置Cs_size为实验参变量，为了使得实验数据更具可读性，CS大小与内容种类数的比例保持在[0.01,0.1]之间。
步骤b：CS的设计规则：影响缓存性能的CS参数包括CS大小、CS采用的缓存决定策略和缓存替换策略。在本发明仿真中，CS的大小是可变参量。
步骤c：本发明缓存替换策略釆用LRU。LTU策略的实现分两个模块：查找模块查找数据包是否存在于CS,替换模块选择内容替换牺牲项。查找模块遍历CS的所有条目，查看兴趣包对应的数据包是否已经在CS中。替换模块实现两个功能，缓存数据的时候，首先通过子函数查询数据包是否已经在CS中，如果该数据包之前已经在中，则需要把命中的数据包放置到CS的最前面，表示该数据包刚被命中；如果数据包之前不在CS中，则需要将最末尾的条目删除，然后将所有条目后移一个位置，再把待缓存的数据放在CS的最前面。本发明就是通过上述查找和替换两个模块实现了LRU策略。
步骤d：本发明将所提方案(Coporate)缓存策略与Always、LCD、Betw缓存放置策略进行比较，分别结合LRU缓存替换策略，通过ndnSIM仿真器，实现CCN仿真模型，得到仿真数据，然后将数据导入matlab软件中进行处理，得到仿真结果图，最后对缓存结果进行评估。
仿真分析：图2，图3是在不同的CS缓存容量下(CS单位为块chunk)，四种缓存策略的性能图。图2是内容源端命中率，由于内容源端命中率越低代表中间节点和边缘节点发挥作用越大，缓存性能越好，由可以看出四种缓存策略在CS逐渐变大的情况下，都会出现源端命中率逐渐递减的结果，说明CS缓存空间的大小对于这个网络缓存性能有非常大的影响。较其他三种策略相比，Coporate策略源端命中率更低，性能更好。图3是获取请求内容所需要经过的平均跳数，可见Coporate策略性能最好，在CS比较小的时候由于该策略较其他策略的优越性，会出现快速递减趋势，随后递减的趋势趋于稳定。
图4，图5是在不同的Zipf分布参数情况下比较四种缓存策略的性能。由图可见，Coporate策略较其他三种缓存策略，无论是在缓存内容命中率还是在获取内容需要经过的平均跳数上都有非常明显的性能提升效果，有力的验证了本发明所提方案的优越性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于内容流行度和节点的中心度的CCN缓存方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、针对CCN网络中的节点，计算节点的中心度；
步骤2、计算节点中内容的流行度；
步骤3、在中心度最高的节点放置缓存内容；
步骤4、当步骤3中的中心度最高的节点缓存满了之后，在该节点内生成一张流行度排名表；
步骤5、当有新的内容到达步骤4中的节点时，进入判别比较阶段；判别比较阶段具体如下：
新到达的内容的流行度分别与流行度排名表中具有最大、最小流行度的内容进行比较，将大于最大流行度的内容放在此节点的下一级节点，将小于最小流行度的内容放在此节点的上一级节点，将位于最大最小流行度之间的内容放在此节点内，剔除掉最小流行度的内容；
步骤6、从而将内容在整个网络节点中实现了分布式缓存。
2.根据权利要求1所述的一种基于内容流行度和节点的中心度的CCN缓存方法，其特征在于，中心度等于路由器节点的度。
3.根据权利要求2所述的一种基于内容流行度和节点的中心度的CCN缓存方法，其特征在于，中心度等于与该路由器节点相关联的链路的条数。
4.根据权利要求1所述的一种基于内容流行度和节点的中心度的CCN缓存方法，其特征在于，通过齐普夫定律和内容流行度预测技术，计算节点中内容的流行度。
5.根据权利要求1所述的一种基于内容流行度和节点的中心度的CCN缓存方法，其特征在于，流行度排名表为内容流行度排名表。
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