CN108449608A - 双层缓存架构、对应块下载协议和在视频缓存的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双层缓存架构、对应块下载协议和在视频缓存的应用，双层缓存架构包括由若干边缘节点构成的边缘节点层和其上的由若干二级节点构成的二级节点层，二级节点和边缘节点分别设有缓存设备，二级节点用于缓存完整的流行文件，通过概率缓存部署策略将文件分为若干数据块部署到其下边缘节点进行缓存。用户端通过向对应的边缘节点发送文件请求，以使相应二级节点部署数据块到相应边缘节点进行缓存，在数据块被下载后，根据用户端的反馈，对该数据库进行标记、擦除和重写。应用到视频文件缓存，可实现将流行的视频文件提前缓存到二级节点层，进一步在接收到请求时将相应视频文件以数据库形式部署到相应RSU。本发明可大幅缩短下载延迟。

Description

双层缓存架构、对应块下载协议和在视频缓存的应用
技术领域
本发明涉及数据缓存领域，尤其是一种双层缓存架构以及对应的块下载协议和在视频文件缓存上的应用。
背景技术
移动互联网技术的普及阶段已经接近尾声，日益增加的移动联网终端设备和爆炸式的互联网内容量对移动互联网提出了更高的要求。研究预测，2021年月移动数据流量将达到49艾字节，占总IP流量的20％，而78％的全球移动数据流量将会是视频文件。同时，随着高速铁路的发展和车联网概念的提出，用户的移动性有了极大的提高，对传统的移动互联网提出了全新的挑战。为了应对现有的和即将出现的移动互联网问题，边缘缓存，作为一种应对网络流量增长的对策，受到了广泛关注。
通过边缘缓存能够通过一定的缓存部署策略对缓存空间的分布进行设计，灵活应对用户密集的城市核心地区和用户分散的郊区等各种联网需求。目前，针对存什么、存在哪、怎么存的问题，存在以下缓存策略：
1.前缀缓存策略：将大型视频文件按时间轴平均分成数块，缓存每一块的开头数据。这种策略能够降低流媒体文件打开时的响应延迟，达到“即点即看”的视频内容访问体验。同时，用户常常在观看视频时拖动视频进度条.这种方法能够很好地减少在这种情况下的，从暂停到继续播放的等待延时。然而这种方法在视频播放过程中，仍然需要不断从骨干网进行视频内容的下载，并不能从实质上降低骨干网的负载。
2.基于流行度的缓存：计算出内容的流行度，再根据Zipf分布计算出合理的流行度最低门限。在可以公平访问的信息中心型网络中，根据纳什均衡，得到了对于是否需要缓存文件的二极化分布。即所有超出流行度最低门限的数据都应该缓存，所有不超出的都不需缓存。相对于从骨干网下载，能够大幅降低访问延迟，降低区域能耗，提高能源效率。然而，该类缓存策略主要针对固定地点用户的数据请求进行，无法应用到移动的用户对象。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种双层缓存架构以及对应的块下载协议，在解决为移动用户的文件请求进行缓存响应的同时，解决预测极限的限制问题，尽可能利用缓存空间并降低用户的内容访问延迟。
本发明采用的技术方案如下：
一种双层缓存架构，包括边缘节点层和其上级层：二级节点层；所述二级节点层的上级层为骨干网；二级节点层包含若干二级节点，边缘节点层包含若干边缘节点；每一个二级节点下包括若干边缘节点；每一个二级节点和每一个边缘节点均设置有缓存设备；每一个二级节点用于从骨干网下载完整的文件缓存到其缓存设备中，每一个二级节点还包括用于将所述完整的文件分为若干数据块，并为该二级节点对应的边缘节点分配需要缓存的数据块的区域控制器。该数据块为将上述完整的文件进行分割所得到的结果。
上述骨干网为无线信号节点(即二级节点)以上的节点的整体抽象对象，其存储有原始的文件。
通过在传统的骨干网和边缘节点层的架构间设置二级节点层，将文件优先缓存到二级节点层，进一步下发到边缘节点。一方面，通过上层缓存，可提高缓存内容的击中率，同时提高了缓存空间的利用率；另一方面，二级节点层更靠近边缘节点层，双层缓存架构的设置可明显降低从边缘节点下载数据的延迟(原方案为边缘节点从骨干网直接下载文件/文件块，逻辑距离较远)。
作为一种实施方式，上述二级节点根据流行度和/或文件的地理信息，从骨干网下载文件。
根据日常活动可以得到，用户日常访问的数据(请求的文件)具有较高的重复性，即同一文件被大量用户重复访问。通过基于流行度的筛选，将满足要求的流行度的文件提前缓存到二级节点层，进一步用户通过边缘节点层直接实现在二级节点层下载到文件，较从骨干网直接下载，可大幅度降低访问延迟，同时降低访问响应能耗。同时，用户的访问具有较高的地域特性，即同一区域内的用户所访问的文件具有一定的偏好，即趋向于具有相同的行为，通过基于文件的地理信息，将文件提前缓存到具有相应用户偏好和用户行为趋势特征的二级节点层，即根据用户偏好的地理特征，在不同地点的二级节点，根据当地用户的网络访问行为偏好，缓存不同的内容，以保证二级节点层基于流行度的缓存能够达到更高的缓存内容命中率，进而进一步提高缓存内容的命中率，降低访问响应的区域能耗，有利于节约能源。
作为一种实施方式，上述边缘节点为RSU(Road Side Unit)。即路侧单元。
RSU具有以下特点：
1)拥有充足的缓存空间，能够缓存近期的流行内容；
2)向下的无线通信是可定位的，高带宽的，拥有高效率的点对点通信能力；
3)只拥有有限的和核心网的链接速度。
根据常规测试，从RSU下载的速度大于从基站下载的速度，通过合理的分布流行文件，较从基站下载文件而言，可大幅度降低下载延迟(即用户从边缘节点下载文件的延迟)。
作为一种实施方式，上述二级节点的缓存设备的缓存空间大于边缘节点的缓存设备的缓存空间。
根据架构的设置，二级节点层缓存完整的文件，其下的边缘节点层用于缓存该文件的相应数据块，故可设置较小的缓存空间。进而提高缓存空间的利用率，同时节约硬件成本。
作为一种实施方式，上述区域控制器根据预设概率缓存部署策略确定需要缓存所述数据块的边缘节点，和/或确定所述边缘节点分配到的所述数据块。
上述概率缓存部署策略为基于概率的预测模型，用于预测移动用户即将经过的边缘节点，以及在各边缘节点能够下载到的数据块的概率。
概率缓存部署策略可有效预测移动中用户即将经过的边缘节点以及从各(预测的)边缘节点能够下载到的文件数据量。同时通过该种算法可方便地对文件进行分割和下发，保证移动用户在运动过程中低延迟的下载到完整的文件。
作为进一步的实施方式，上述对从骨干网下载文件中，评判文件的流行度为：根据评分、点赞数、播放量、点击量、播放时间、转发量或评论量中的一条或多条确定文件的流行度。
通过综合考虑文件的信息，进而准确地判断文件的流行度，进一步下载到二级节点层进行缓存，可有效提高二级节点层所缓存的文件的被下载频数，从而提高缓存空间的利用率，降低访问响应能耗。
作为一种实施方式，上述区域控制器根据用户的运动情况、文件的尺寸、无线信道情况、边缘节点覆盖能力或其下边缘节点个数中的一条或多条，将上述完整的文件分为若干数据块。即文件数据块分割数量及相应数据量的确定。
通过基于环境因素的综合考虑，对文件进行数据块划分，可保证文件被划分为合适的文件块，以及每个文件块包含合适的数据量。进而在保证对数据块进行合理下发分配的同时，有效降低各边缘节点所缓存的数据块的冗余度。
作为优选方案，上述二级节点和/或边缘节点的缓存设备为非易失性存储器。从而保证缓存文件的稳定性。
为解决上述全部或部分问题，本发明还提供了上述双层缓存架构对应的块下载协议，包括：
A.边缘节点一接收用户端发送的文件请求；
B.边缘节点一将所述文件请求发送给其上层二级节点；
C.二级节点的区域控制器将文件请求对应的完整的文件拆分为若干数据块，并将所述若干数据块分配到其下层若干边缘节点进行缓存；
D.用户端从边缘节点一开始发送下载数据块的请求信息，每下载完成一个数据块，则向其所处的覆盖区域所对应的边缘节点发送下载确认信息，以及下载下一数据块的请求信息；直至下载完成所述完整的文件被拆分成的所有数据块。
上述边缘节点一为用户端首次发出文件请求所接入的边缘节点，并非特指特定的边缘节点。
作为优选，上述若干边缘节点中，每个分配数据块的边缘节点与其相邻的边缘节点缓存有局部重复的数据块，进而保证适应于用户移动的不规律性。通过一请求一接收原则，保证了数据块下载的有序性和连续性，进而保证在各边缘节点边界切换时对数据块下载的无影响性。
进一步的，协议还包括：
E.边缘节点接收到下载确认信息后，标记所述下载确认信息对应的数据块为可擦除数据块。
作为进一步的实施方式，上述标记数据块为可擦除数据块具体为：将所述数据块加入到待擦除队列。
一方面，上述协议的设置可对已被下载的数据块进行标记，便于与未被下载的数据块进行区分，已防止对未被下载的数据块的误操作(如误删除)；另一方面，被标记的数据块仍然可以被请求同样数据块的用户从边缘节点下载，进而提高缓存空间的利用效率，降低重复访问请求的响应流程。
作为进一步的实施方式，上述协议还包括：
F.边缘节点在接收到新的数据块需要缓存时，擦除可擦除数据块并写入为所述新的数据块。即只有当新的数据块需要被缓存在边缘节点时，才擦除被标记的数据块并重写，从而尽量长的保留原缓存的数据块，以备用户重复访问下载，进而尽量提高缓存空间的利用率。
作为进一步的优选方式，上述擦除所述可擦除数据块并写入为新的数据块具体为：擦除可擦除数据块中，数据量总和与所述新的数据块总数据量相等或超出的可擦除数据快，并在擦除的缓存空间中写入所述新的数据块；或者为：擦除所有可擦除数据块，并在擦除的缓存空间中写入所述新的数据块。
上述擦除可擦除数据块中，数据量总和与所述新的数据块总数据量相等或超出的可擦除数据快，即为此类可擦除数据块：可擦除数据块中的若干数据块，该若干数据块的数据量总和相加等于或略超出待写入的新的数据块的总数据量。
上述协议对于数据块的擦除规则，可进一步延长原缓存数据块的保留时长，提高原缓存的数据块的利用率，进而提高缓存空间的利用率。
作为一种实施方式，上述流程C具体包括：
C1.区域控制器根据概率缓存部署策略，预测用户端即将经过的边缘节点以及在各边缘节点能够下载到的数据块；
C2.区域控制器根据C1中的预测结果，将文件请求对应的完整的文件拆分为若干数据块，并将所述若干数据块分配到预测到的边缘节点进行缓存。
基于概率缓存部署策略对边缘节点及相应数据块数据量的预测，可实现数据块的精准下发，从而有效保证在用户移动过程的沿途缓存有其需要的文件数据，降低用户请求响应的延迟。
作为一种实施方式，上述流程C中区域控制器所拆分的所述完整的文件，为所述二级节点的缓存设备所缓存的对应于所述文件请求的文件，或者为二级节点根据所述文件请求从骨干网中下载的对应的文件。
上述方案，实现对用户文件请求的有效响应。
作为进一步的实施方式，上述流程C中区域控制器拆分所述完整的文件前，首先查询所述二级节点的缓存设备缓存的文件中是否缓存有对应于所述文件请求的文件，若存在，则所述区域控制器拆分所述二级节点的缓存设备所缓存的文件，否则，所述二级节点从骨干网中下载对应于所述文件请求的文件，再由所述区域控制器进行拆分。
通过优先在缓存设备中查询是否有满足请求的文件，可有效保证对请求的最小延迟。进一步通过将从骨干网中下载的文件在二级节点层进行拆分，因二级节点层更靠近边缘节点层，可保证对拆分后数据块下发的及时性，进一步的，通过将从骨干网中下载的文件缓存到二级节点层，保证在后续需要调整数据块拆分和/下发规则时，无需再从骨干网重新下载完整文件，直接在二级节点的缓存设备中提取即可，进而提高请求响应速度，降低请求响应延迟，降低骨干网的负荷。
作为进一步优选，上述二级节点的缓存设备缓存的文件为在接收到所述文件请求前，从骨干网中下载的流行度靠前的预定数量或预定数据量的文件。
上述方案中，流行度靠前应理解为：达到流行度门限值之上或者根据流行度排序后排序靠前。
通过基于流行度将文件提前缓存到二级节点层，即提前将最可能被请求的文件缓存到二级节点层，可保证文件被访问的击中率，一方面提高缓存空间的利用率，另一方面，可明显降低用户文件请求的响应延迟，提高用户体验。
更具体的，本发明还提供了上述双层缓存架构以及对应块下载协议在视频文件缓存上的应用，以解决在视频文件领域种存在的上述问题：
一种视频文件缓存方法，该方法运行于上述双层缓存架构，该双层缓存结构配置有上述块下载协议；方法包括以下步骤：
二级节点从骨干网下载流行度靠前的预定数量或预定数据量的视频文件缓存到其缓存设备中；
用户端向边缘节点一发送文件请求；
边缘节点一向其上层二级节点发送所述文件请求；
二级节点的区域控制器从二级节点的缓存设备中查找出对应于所述文件请求的视频文件，并根据概率缓存部署策略预测所述用户端即将经过的边缘节点以及在各边缘节点能够下载到的数据块量，将所述视频文件拆分为若干的数据块，并将拆分的数据块根据预测结果对应发送到边缘节点进行缓存。
通过基于视频文件流行度，将当前流行的视频文件优先缓存到二级节点层，再进一步响应用户端的请求。对于视频文件，用户的请求具有极高的集中度，即对于流行的视频文件，具有极高的请求重复性。因此，优先将视频文件缓存到二级节点层进行缓存，可在用户请求视频文件时，较从骨干网重新下载分配到边缘节点，可极大地降低响应的延迟，且对于视频文件的双层缓存，还具有极高的击中率，即二级节点层的缓存文件会具有极高的重复访问率。
作为一种实施方式，上诉视频文件包括UGC类型和non-UGC类型，骨干网中的视频文件的流行度评判规则为：
若所述视频文件为UGC类型，则根据视频文件的评分、点赞数、播放量、点击量、播放时间、转发量或评论量中的至少一条，以及视频文件的上传时间进行评判；
若所述视频文件为non-UGC类型，则根据视频文件的历史访问量预测出其流行度。
对于上述non-UGC类型的视频文件，其最大的特征在于视频内容版本唯一，例如Netflix、腾讯视频、乐视TV等内容提供商提供的视频文件，且该类视频文件具有较大的时间特性，通过在其更新后预定时间内的访问量，进行加权计算，即可预测出其流行度。
作为一种实施方式，上述骨干网中的视频文件的流行度评判规则为：根据所述视频文件的评分或被点击量评判所述视频文件的流行度。
无论何种格式的视频文件，其流行度均于点击量或评分有极高的相关性，即通过上述方案，即可实现对视频文件流行度的命中率。
作为进一步的实施方式，上述评判所述UGC类型视频文件的流行度评判规则具体为：根据所述视频文件的上传时间，筛选出预定时长内的最新上传的视频文件，根据所述视频文件的评分、点赞数、播放量、点击量、播放时间、转发量或评论量中的至少一条评判所述筛选出的视频文件的流行度。
通过对UGC类型视频文件的跟踪分析发现，UGC类型的视频文件多在一段时间(发行10-20天)后不再流行，因此，先行筛选上传时间较新的视频文件进行流行度评判，可有效提高击中率，进而免除历史流行视频文件的干扰。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
通过本发明的双层缓存架构，在传统的骨干网与边缘节点层之间设置具有缓存设备的二级节点层，以缓存流行的文件，进而在接收到用户的文件请求时，优先从缓存空间中提取文件进行响应，相较于原从骨干网直接下载文件到边缘节点，可极大地降低响应延迟，缩短用户下载时间。进一步的，针对移动用户，根据其移动要素将文件进行拆分，保证了在其移动过程中均能从边缘节点下载到缓存的数据块，进而降低了移动用户的下载延迟。通过基于流行度的文件缓存，提高了二级节点层缓存文件被访问命中率，进而提高了整体文件请求的响应速率。基于地理特性的文件缓存策略，提高了地区缓存文件的针对性，进一步提高了二级节点层所缓存文件被访问的概率，进而进一步提高了文件请求响应速度，提高缓存空间利用率，降低区域能耗。通过针对移动用户利用概率缓存部署策略预测其即将经过的边缘节点及相应的可下载量，可实现有针对性的对文件进行下发和缓存，同时降低各边缘节点缓存数据块的冗余度。进一步的，本发明的块下载协议，可避免边缘节点间，尤其是边界切换时文件请求响应的相互影响，还可实现边缘节点缓存空间的高效利用。进一步的，本发明公开的双层缓存架构在视频文件缓存的应用，可实现对于视频文件的高度命中率，即在二级节点层在先缓存可能高访问量的视频文件，从而极大地缩短用户请求到响应的延迟。进一步的，针对视频文件的类型进行流行性评判，使得对于视频文件在二级节点层的缓存更准确。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是双层缓存架构的构造图。
图2是块下载协议的一个实施例。
图3是概率缓存部署策略部署结果的一个实施例。
图中，C1-1到C1-5为边缘节点，C2-1、C2-2为缓存设备，R2-1、R2-2为二级节点路由设备，P为总下载概率，τ为最低下载概率阈值，Ni边缘节点i，φ为数据块被下载概率。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本实施例一公开了一种双层缓存架构，包括边缘节点层及其上级层：二级节点层；二级节点层的上级层为骨干网；二级节点层包含若干二级节点，边缘节点层包含若干边缘节点；每一个二级节点下包括若干边缘节点；每一个二级节点和每一个边缘节点，均设置有缓存设备；每一个二级节点用于从骨干网下载完整的文件缓存到其缓存设备中，每一个二级节点还包括用于将所述完整的文件分为若干数据块，并为其下边缘节点分配需要缓存的数据块的区域控制器。
骨干网为二级节点层上大型复杂各类网关节网络的抽象，其存储有原始文件。作为优选，上述二级节点和边缘节点的缓存设备为非易失性存储器。
如图1所示，二级节点层缓存完整的文件，属于内容中心(Content Centric)型网络的内容缓存点，以两个二级节点R2-1、R2-2为例，R2-1负责3个边缘节点C1-1、C1-2和C1-3，R2-2负责2个边缘节点C1-4和C1-5；边缘节点C1-1至C1-5的覆盖范围依次为A1-A5；同时二级节点R2-1设置缓存设备C2-1，二级节点R2-2设置缓存设备C2-2，边缘节点设置缓存设备(未示出)，二级节点R2-1和R2-2还分别设置有区域控制器(未示出)，用于将缓存设备内缓存的完整的文件分为若干数据块，并为其下边缘节点分配需要缓存的数据块。
在一个实施例中，上述实施例中，二级节点根据流行度和/或文件的地理信息，从骨干网下载和缓存文件。
大量文献表明，视频、音频、图片、文字和应用五种类型的数据的可缓存性中，约73％的数据和大约30％的回复是“可缓存”的，在可缓存的内容中，大约有9％的数据和大于54％的请求/回复被重复访问。即存在高占比的重复文件请求，故根据历史访问情况，判断出文件流行度，对流行文件加以缓存，可大幅度缩减访问延时。
对于根据流行度筛选和下载的文件，通过建立一个面向信息中心型网络(ICN,Information Centric Network)的，基于流行度Zipf分布的流行性文件筛选、缓存模型，通过如点击量等计算出文件的流行度，再更具根据Zipf分布计算出合理的流行度最低门限(即满足流行度指标要求的最低值)，在可以公平访问的信息中心型网络中，根据设定的流行度最低门限，基于纳什均衡，得到了对于是否需要缓存文件的二极化分布。即所有超出流行度最低门限的数据都应该缓存，所有不超出的都不需缓存。
同时，流行文件的分布具有一定的地理特征，通过社区发现算法，可对用户的偏好进行详细的分类，被分在同一个类别下的用户趋向于有相同的行为。基于社区网络具有明显的地理分布趋势，因此用户偏好和用户行为均具有地理相关的特征，可借此对逻辑位置上的二级节点进行分类，根据用户类型簇对各区域二级节点缓存的流行文件进行地域划分，即结合流行度和地区用户行为偏好，对各二级节点需要缓存的文件进行具体确定。该方案可保证二级节点的缓存能够达到更高的缓存内容命中率。
在一个实施例中，实施例一的边缘节点为RSU(Road Side Unit)，即路侧单元。RSU拥有充足的缓存空间，能够缓存近期的流行内容，同时，其向下的无线通信是可定位的，高带宽的，拥有高效率的点对点通信能力。根据大量文献测试表示，基于从RSU下载的速度大于从基站下载的速度，通过合理地分布流行文件，使得用户尽可能从RSU进行内容下载，可极大的降低用户下载延迟。
在一个实施例中，实施例一的二级节点的缓存设备的缓存空间大于所述边缘节点的缓存设备的缓存空间。具体的，可根据各二级节点下挂的边缘节点数量、各边缘节点覆盖范围确定边缘节点的缓存空间。
在一个实施例中，实施例一的区域控制器根据预设概率缓存部署策略确定需要缓存数据块的边缘节点(即用户可能经过的边缘节点)，和/或确定所述边缘节点分配到的所述数据块。
例如上述例子中，二级节点R2-1的区域控制器将其缓存的文件1通过概率缓存部署策略预测用户即将经过边缘节点C1-1和C1-2，即确定需要缓存数据块的边缘节点为C1-1和C1-2，同时，确定C1-1分到N个数据块，C1-2分到M个数据块。
进一步的，上述边缘节点C1-1和C1-2的数据块优选存在部分数据块重复的情况，例如C1-1分到第1-26号数据块，C1-2分到第11-47号数据块，其中11-26号数据块存在缓存重叠，该设置可保证在边缘节点边界切换时，因用户移动性的不确定性，造成对数据块请求的提前或滞后，均能完整下载到缓存的文件。如用户本应在A1内下载完成1-20号数据块，现因用户加速通过A1，导致其在A1内仅下载完1-15号数据块，在请求第16号数据块时，已进入A2，则根据上述对数据块的冗余设置，可保证用户在A2内仍可进行下载到缓存好的第16号数据块(及之后的数据块)。
在一个实施例中，上述实施例二中文件流行度的判断，可选择根据文件的评分、点赞数、播放量、点击量、播放时间、转发量或评论量中的一条或多条确定所述文件的流行度。例如根据文件的评分和/或点击量确定文件的流行度，评分或点击量越高，流行度越高。
在一个实施例中，上述实施例一中，区域控制器根据用户的运动情况、文件的尺寸、无线信道情况、边缘节点覆盖能力或边缘节点个数中的一条或多条，将完整的文件分为若干数据块。例如上述R2-1对文件的分割，根据其下挂的边缘节点数量(3个)，文件的尺寸(数据量)，边缘节点覆盖能力(C1-1和C1-2覆盖到/可能覆盖到移动用户)，将文件1分割为N+M个数据块。
本实施例公开了上述双层缓存架构的块下载协议，包括：
A.边缘节点一接收用户端发送的文件请求；
B.边缘节点一将所述文件请求发送给其上层二级节点；
C.二级节点将所述文件请求对应的完整的文件拆分为若干数据块，并将所述若干数据块分配到其下层若干边缘节点进行缓存；
D.用户端从边缘节点一开始发送下载数据块的请求信息，每下载完成一个数据块，则向其所处的覆盖区域所对应的边缘节点发送下载确认信息，以及下载下一数据块的请求信息；直至下载完成所述完整的文件被拆分成的所有数据块。
如图2所示，用户端向边缘节点0发送文件请求，以请求文件；边缘节点0将文件请求发送给其上层二级节点；该二级节点将用户请求的文件进行拆分，并对相应边缘节点部署缓存，即依次将文件拆分的数据块分配到其下层边缘节点进行缓存；以两个边缘节点为例：边缘节点0和边缘节点1(多个边缘节点同理，此处不重复说明)，二级节点将数据块部署到边缘节点0和边缘节点1进行缓存；之后用户端从其所处的覆盖区域(边缘节点0覆盖的区域)对应的边缘节点(边缘节点0)开始，请求下载第1号数据块，在下载完第一个数据块后，向边缘节点0发送下载确认信息，以表示下载第1号数据块完成，以及向边缘节点0发送下载下一数据块(第2号数据块)的请求信息；并在下载完成后向边缘节点0发送下载确认信息，后续以此规则请求和下载，至用户移动到后续边缘节点(边缘节点1)覆盖范围内，则继续向边缘节点1发送请求信息及相应下载确认信息，直至下载完成所有数据块。
基于上一实施例，本实施例公开了进一步优选协议：上述协议进一步包括：
E.边缘节点接收到下载确认信息后，标记下载确认信息对应的数据块为可擦除数据块。例如上述用户端下载完成第1号数据块，向边缘节点0发送下载确认信息，则边缘节点0标记第1号数据块为可擦除数据块。具体的，可通过将该数据块加入到待擦除队列中完成对该数据块的标记。
基于上一实施例，本实施例公开了另一种块下载协议：上述协议进一步包括：
F.边缘节点在接收到新的数据块需要缓存时，擦除可擦除数据块并写入为所述新的数据块。
例如上述实施例中，在需要缓存新的数据块时，擦除被标记的可擦除数据块(第1号数据块)，在该擦除的空间存入新的数据块。
本实施例公开了上一实施例的具体方案：上述擦除所述可擦除数据块并写入为新的数据块具体为：擦除可擦除数据块中，数据量总和与所述新的数据块总数据量相等或超出的可擦除数据块，并在擦除的缓存空间中写入新的数据块；或者为：擦除所有可擦除数据块，并在擦除的缓存空间中写入新的数据块。
例如上述实施例中，第1号数据块的数据量为Xbits，待存入的新数据块的数据量为Ybits，若Y<＝X，则仅需擦除第1号数据块即可存入新的数据块；若上述第2号数据块也为可擦除数据块，其数据量为Zbits，且X<Y<＝X+Z，则还需将第2号数据块擦除以存入新的数据块。或者，无论各数据库的数据量，直接擦除所有被标记为可擦除数据块的数据块(本实施例为第1号数据块和第2号数据块)，写入新的数据块。
本实施例具体公开了上述实施例中的流程C，流程C具体包括：
C1.二级节点根据概率缓存部署策略，预测用户端即将经过的边缘节点以及在各边缘节点能够下载到的数据块；
C2.二级节点根据C1中的预测结果，将文件请求对应的完整的文件拆分为若干数据块，并将所述若干数据块分配到预测到的边缘节点进行缓存。
例如上述实施例中，二级节点通过概率缓存部署策略预测到用户端即将通过边缘节点0和边缘节点1，将用户请求的文件拆分为数据块部署到边缘节点0和边缘节点1进行缓存。
本实施例具体公开了上述二级节点所拆分文件的来源：上述流程C中二级节点所拆分的完整的文件，为二级节点的缓存设备所缓存的对应于所述文件请求的文件，或者为二级节点根据文件请求从骨干网中下载的对应的文件。
本实施例具体公开了上一实施例的优选方案：流程C中二级节点拆分所述完整的文件前，首先查询所述二级节点的缓存设备缓存的文件中是否缓存有对应于所述文件请求的文件，若存在，则所述二级节点拆分所述二级节点的缓存设备所缓存的文件，否则，所述二级节点从骨干网中下载对应于所述文件请求的文件，再由所述二级节点进行拆分。
本实施例具体公开了上述协议中，二级节点所缓存的具体文件：上述二级节点所缓存的文件为在接收到文件请求前，从骨干网中下载的流行度靠前的预定数量或预定数据量的文件。此处的流行度靠前，应理解为满足最低流行度门限值要求，或者为根据流行度排序后的排序靠前。
本实施例公开了运行上述实施例协议的上述二层缓存架构在视频缓存中的应用：一种视频文件缓存方法，包括以下步骤：
二级节点从骨干网下载流行度靠前的预定数量或预定数据量的视频文件缓存到其缓存设备中；
用户端向边缘节点一发送文件请求；
边缘节点一向其上层二级节点发送所述文件请求；
所述二级节点的区域控制器从二级节点的缓存设备中查找出对应于所述文件请求的视频文件，并根据概率缓存部署策略预测所述用户端即将经过的边缘节点以及在各边缘节点能够下载到的数据块量，将所述视频文件拆分为若干的数据块，并将拆分的数据块根据预测结果对应发送到边缘节点进行缓存。
上述概率缓存部署策略，用于预测移动用户即将经过的边缘节点，以及在各边缘节点能够下载到的数据块的概率。以为对文件进行的数据块拆分和缓存下发部署提供支撑。
具体的，在一个实施例中，上述概率缓存部署策略构建模型如下：
数字符号及其意义对照表如下：
符号 说明
N 边缘节点数
i 边缘节点索引标记
BWwireless 无线信道带宽
τ 最低下载概率阈值
St 数据块大小
Sf 文件大小
k 数据块索引标记
K 总数据块数
Yi 边缘节点i中被下载的最后一个块号
Xi 边缘节点i中被下载的块数
si 边缘节点i范围内的路径长度
ti 边缘节点i范围内的停留时间
μti 边缘节点i范围内的停留时间均值
σti 2 边缘节点i范围内的停留时间方差
μi 边缘节点i范围内下载的数据块数的均值
σi 2 边缘节点i范围内下载的数据块数的方差
用户能在边缘节点下载的数据量与无线信道带宽正线性相关，根据正态分布的性质，用户在边缘节点能下载的数据量概率P(di)服从以下分布：
P(di)～N(μtiBWwirelesssi,(σtiBWwirelesssi)2)
那么用户在边缘节点能下载的块的数量概率P(ci)服从以下分布：
第k个数据块能在节点i被下载到的概率
Yi＝Yi-1+Xi
车辆在某边缘节点范围内下载的数据块的数量概率P(Xi)服从正态分布。即
Yi＝Yi-1+Xi,Y0＝0
则边缘节点i中最后一个数据块被下载概率P(Yi)为：
P(Yi)＝P(X0)*P(X0)…P(X0)
其中，“*”代表卷积。
由于
所以
若
使得
则意味着时，均无法达到下载概率大于门限概率的要求。
否则
使得
或
成立。
其中，运算符定义为将一组数进行降序排序。
参照附图1，用户端现处于A1，向边缘节点C1-1发送文件请求，C1-1向二级节点R2-1发送文件请求，以请求视频文件，R2-1的区域控制器(未示出)从缓存器C2-1中查找出用户请求的视频文件，并运行概率缓存部署策略预测出用户端即将经过的边缘节点(如预测为C1-1、C1-2和C1-3)；将查找的视频文件以预测结果进行数据块划分，并将数据块部署到边缘节点C1-1到C1-3中进行缓存。进一步的，上述二级节点R2-1所缓存的视频文件，为在骨干网上根据视频文件的流行度进行筛选的视频文件，对于满足预设的最低流行度门限值的视频文件，再优选结合地区用户行为偏好，均缓存到二级节点的缓存空间中。进一步的，在将数据块缓存到边缘节点后，用户端从A1(C1-1覆盖范围)开始下载数据块，在其下载各数据块的过程中，依次向其所处的覆盖范围对应的边缘节点发送下载确认信息和下载下一数据块的请求信息，即在A1时，与C1-1进行交互，运动到A2时，与C1-2进行交互……，当用户端运动到其它二级节点的覆盖范围(如A4、A5)，也同理请求和下载数据块；直至下载完最后一个数据块。
进一步的，在一个实施例中，上述视频文件包括UGC类型和non-UGC类型，骨干网中的视频文件的流行度评判规则为：
若视频文件为UGC类型，则根据视频文件的评分、点赞数、播放量、点击量、播放时间、转发量或评论量中的至少一条，以及视频文件的上传时间进行评判；
若视频文件为non-UGC类型，则根据视频文件的历史访问量预测出其流行度。
对于UGC类型的文件，虽然其种类较多，但流行文件的集中度很高。同时，通过对UGC类型的文件的时间特性分析，发现UGC类型的流行文件，大多会在10至20天后不再流行，即现行对UGC类型文件的上传时间进行筛选，筛选出最新(如最近3-20天内)的视频文件，再根据所述视频文件的评分、点赞数、播放量、点击量、播放时间、转发量或评论量中的至少一条，评判该视频文件的流行度。
而对于non-UGC类型的视频文件，因其发行几乎仅有一个官方版本，且发行时间(如电影、电视剧的更新)通常具有明确时间表，其具有较大的时间特性。通过对其历史点击量/下载量/评分，可预测出后续的下载量/播放量，即通过历史相关数据可预测出其流行度，具体可通过对历史播放/下载/评分进行加权计算，得到其流行度。
通过提前对流行视频文件进行缓存，可增加缓存内容的命中率，即被用户重复访问的概率。
本实施例公开了上述方法中，对视频文件整体上流行度的一种评判方法：骨干网中的视频文件的流行度评判规则为：根据视频文件的评分或被点击量评判所述视频文件的流行度。
无论视频文件为何种格式，其流行度均于其评分、点击量等用户的反馈相关度极高，因此，通过评分或点击量(包括如播放、点赞)评判视频的流行度，具有极高的准确率。
在一个具体实施例中，以用户端在边缘节点以28Km/h的平均速度运动，取σi＝3.8，若文件总尺寸为20,000Mbit，节点覆盖路径长度为1km，边缘节点个数N＝12，最低下载概率阈值τ＝0.9的时候，使用概率缓存部署策略得到的边缘缓存部署结果如图3所示。图中下方每一条钟形曲线为一个边缘节点Ni，表示某个块在该节点能被下载的概率。钟形曲线上分布有黑点，表示黑点所在的钟形曲线对应的边缘节点缓存有该数据块，其对应的纵坐标表示被下载的概率。图中较粗的曲线P表示总下载概率，概率缓存部署策略将其控制在最低下载概率阈值τ以上(纵坐标为0.9)；当所有节点都参与缓存仍然无法达到最低下载概率阈值，则放弃下载该块和其之后的数据块。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种双层缓存架构，包括边缘节点层，其特征在于，还包括所述边缘节点层的上级层：二级节点层；所述二级节点层的上级层为骨干网；所述二级节点层包含若干二级节点，所述边缘节点层包含若干边缘节点；每一个所述二级节点下包括若干边缘节点；每一个所述二级节点和每一个所述边缘节点，均设置有缓存设备；每一个所述二级节点用于从骨干网下载完整的文件缓存到其缓存设备中，每一个所述二级节点还包括：用于将所述完整的文件分为若干数据块、并为所述二级节点对应的边缘节点分配需要缓存的所述数据块的区域控制器。
2.如权利要求1所述的双层缓存架构，其特征在于，所述二级节点根据流行度和/或文件的地理信息，从所述骨干网下载和缓存文件。
3.如权利要求1所述的双层缓存架构，其特征在于，所述区域控制器根据预设概率缓存部署策略确定需要缓存所述数据块的边缘节点，和/或确定所述边缘节点分配到的所述数据块。
4.一种如权利要求1-3任一所述的双层缓存架构对应的块下载协议，其特征在于，包括：
A.边缘节点一接收用户端发送的文件请求；
B.边缘节点一将所述文件请求发送给其上层二级节点；
C.所述二级节点将所述文件请求对应的完整的文件拆分为若干数据块，并将所述若干数据块分配到其下层所述若干边缘节点进行缓存；
D.用户端从所述边缘节点一开始发送下载数据块的请求信息，每下载完成一个数据块，则向其所处的覆盖区域所对应的边缘节点发送下载确认信息，以及下载下一数据块的请求信息；直至下载完成所述完整的文件被拆分成的所有数据块。
5.如权利要求4所述的块下载协议，其特征在于，进一步包括：
E.所述边缘节点接收到所述下载确认信息后，标记所述下载确认信息对应的数据块为可擦除数据块；
F.所述边缘节点在接收到新的数据块需要缓存时，擦除所述可擦除数据块并写入为所述新的数据块。
6.如权利要求4所述的块下载协议，其特征在于，所述流程C具体包括：
C1.所述二级节点根据概率缓存部署策略，预测所述用户端即将经过的边缘节点以及在各边缘节点能够下载到的数据块；
C2.所述二级节点根据C1中的预测结果，将所述文件请求对应的完整的文件拆分为若干数据块，并将所述若干数据块分配到预测到的边缘节点进行缓存。
7.如权利要求4所述的块下载协议，其特征在于，所述流程C中二级节点拆分所述完整的文件前，首先查询所述二级节点的缓存设备缓存的文件中是否缓存有对应于所述文件请求的文件，若存在，则所述二级节点拆分所述二级节点的缓存设备所缓存的文件，否则，所述二级节点从骨干网中下载对应于所述文件请求的文件，再由所述二级节点进行拆分。
8.如权利要求7所述的块下载协议，其特征在于，所述二级节点缓存的文件为在接收到所述文件请求前，从所述骨干网中下载的流行度靠前的预定数量或预定数据量的文件。
9.一种视频文件缓存方法，其特征在于，所述方法运行于如权利要求1-3任一所述的双层缓存架构，所述双层缓存结构配置有如权利要求4-8任一所述的块下载协议；所述方法包括以下步骤：
二级节点从骨干网下载流行度靠前的预定数量或预定数据量的视频文件缓存到其缓存设备中；
用户端向边缘节点一发送文件请求；
边缘节点一向其上层二级节点发送所述文件请求；
所述二级节点的区域控制器从二级节点的缓存设备中查找出对应于所述文件请求的视频文件，并根据概率缓存部署策略预测所述用户端即将经过的边缘节点以及在各边缘节点能够下载到的数据块量，将所述视频文件拆分为若干的数据块，并将拆分的数据块根据预测结果对应发送到边缘节点进行缓存。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述视频文件包括UGC类型和non-UGC类型，所述骨干网中的视频文件的流行度评判规则为：
若所述视频文件为UGC类型，则根据所述视频文件的评分、点赞数、播放量、点击量、播放时间、转发量或评论量中的至少一条，以及所述视频文件的上传时间进行评判；
若所述视频文件为non-UGC类型，则根据所述视频文件的历史访问量预测出其流行度。
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