CN110324175B - 基于边缘缓存的网络节能方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种基于边缘缓存的网络节能方法及系统，首先构建基于边缘缓存的目标网络模型，然后基于目标网络模型，构建目标网络中ISP的第一功耗模型以及CP的第二功耗模型，并基于第一功耗模型和第二功耗模型，确定目标网络的网络功耗模型；最后，以目标网络的网络功耗最小为目标、以目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于边缘缓存单元的容量为约束条件，确定网络功耗最小时边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。本发明实施例中从ISP与CP合作的角度出发，同时考虑了缓存大小、网络内容的流行度分布、网络拓扑结构以及不同内容的数量等因素的影响，达到网络节能的效果。

Description

基于边缘缓存的网络节能方法及系统
技术领域
本发明涉及网络节能技术领域，更具体地，涉及基于边缘缓存的网络节能方法及系统。
背景技术
目前，移动互联网流量呈爆炸式增长趋势。由于移动通信网络的通信量负担沉重，网络功效问题越来越受到人们的重视。随着无线网络流量的快速增长，网络运营商(Internet Service Provider，ISP)和内容提供商(Content Provider，CP)都在尝试使用大规模的网络设备来改善他们的网络服务。这不但导致了高成本的投入，还没有带来令用户满意的网络性能。此外，他们改善网络服务的动机是不同的，ISP关注的是流量工程问题，以使网络堵塞的概率达到最小，而CP的目标是解决服务器选择问题，通过减少延迟来满足用户需求，实现服务器的负载均衡。因此，ISP和CP有意愿通过合作共同为用户提供更好的内容交付服务。
通过对互联网流量的深入分析发现：由于传统互联网具有终端用户之间通信的特点，使传统互联网缺乏对内容交付服务的内在支持，目前迫切需要研究新的解决方案来消除网络内容的冗余传输问题。如果在网络通信接入侧上缓存流行内容，则可以明显减少域内和域间的流量。因此，各界研究人员都致力于在网络中部署缓存来降低网络功耗，以减轻ISP和CP的沉重负担。
各界研究学者们围绕这一思路做出了许多初步尝试：点对点(P2P)和内容分发网络(Content Delivery Networks，CDNs)通过在网络中部署广泛的分布式缓存来提高内容分发效率。为了在网络层实现上述功能，以信息为中心的网络(Information-centricnetworking，ICN)体系结构被提出。在ICN中，每个路由器设备能够缓存网络内容，从而缩短终端主机请求的传输距离。虽然广泛的网络内缓存功能可以获得有效的数据创术，但广泛的缓存部署以及基于内容复制的最近邻路由比不一定能够带来更好的网络性能，而且这可能会消耗更多的网络功耗。
近年来，一些学者从无线网络的功效角度对边缘缓存这一新领域进行了研究。在基站(Base Station，BS)场景下，有研究学者提出了一种能量延迟权衡模型来降低无线接入网络。也有研究学者提出了一个高效节能的缓存布局问题，最小化地降低具有缓存能力的异构小单元的能量。此外研究学者还设计了一种在单多用户缓存辅助的BS环境下的缓存和卸载策略，用于降低网络能量。最后，研究学者提出了一种基于编码的缓存算法，并试图讨论它对无线接入网络能量消耗的影响。
虽然这些研究工作充分利用了边缘缓存的思想来提高能源效率，但能源消耗问题主要在接入网中进行研究，缺乏从服务行为的变化以及ISP与CP之间的合作角度进行深入分析，难以从网络整体降低能耗。
发明内容
为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供了一种基于边缘缓存的网络节能方法及系统。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于边缘缓存的网络节能方法，包括：
构建基于边缘缓存的目标网络模型，所述目标网络模型包括服务子模型、内容流行度子模型以及网络结构子模型；
基于所述目标网络模型，构建目标网络中网络运营商ISP的第一功耗模型以及内容提供商CP的第二功耗模型，并基于所述第一功耗模型和所述第二功耗模型，确定所述目标网络的网络功耗模型；
以所述目标网络的网络功耗最小为目标、以所述目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于所述边缘缓存单元的容量为约束条件，确定所述网络功耗最小时所述边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。
优选地，所述内容流行度模型基于齐普夫分布模型构建。
优选地，所述第一功耗模型基于所述目标网络中的基站电源功耗、网络传输电源功耗以及边缘缓存单元电源功耗构建。
优选地，所述第一功耗模型具体通过如下公式表示：
Figure BDA0002073747090000031
其中，P1为所述ISP的功耗，PBS,i为所述目标网络中第i个基站的电源功耗，PT,i为所述目标网络中第i个基站的网络传输电源功耗，PCa,i为所述目标网络中第i个基站的对应的边缘缓存单元的电源功耗；N为所述目标网络中的基站数量。
优选地，所述第二功耗模型基于所述CP的静态功耗和处理所述边缘缓存单元中未满足网络请求的网络内容的动态功耗构建。
优选地，所述第二功耗模型具体通过如下公式表示：
Figure BDA0002073747090000032
其中，P2为所述CP的功耗，PS为所述静态功耗，
Figure BDA0002073747090000033
为所述动态功耗，N为所述目标网络中的基站数量，F为所述目标网络中的网络内容的种类数量，Xik为所述目标网络模型中第i个基站第k种网络内容对应的布尔变量，
Figure BDA0002073747090000034
为所述目标网络中第i个基站中关于第k种网络内容的网络请求，PD为每个网络请求的平均检索功耗。
优选地，所述目标为：
min(P1+P2)
所述约束条件为：
Figure BDA0002073747090000041
Figure BDA0002073747090000042
其中，P1为所述ISP的功耗，P2为所述CP的功耗，(P1+P2)为所述目标网络的网络功耗，F为所述目标网络中的网络内容的种类数量，N为所述目标网络中的基站数量，Xik为所述目标网络模型中第i个基站第k种网络内容对应的布尔变量，sk为第k种网络内容的大小。Ci为第i个边缘缓存单元的容量，所述边缘缓存单元与所述目标网络中的基站一一对应。
第二方面，本发明实施例中提供了一种基于边缘缓存的网络节能系统，包括：网络模型构建模块、功耗模型构建模块和参数确定模块。其中，
网络模型构建模块用于构建基于边缘缓存的目标网络模型，所述目标网络模型包括服务模型、内容流行度模型以及网络结构模型；
功耗模型构建模块用于基于所述目标网络模型，构建目标网络中网络运营商ISP的第一功耗模型以及内容提供商CP的第二功耗模型，并基于所述第一功耗模型和所述第二功耗模型，确定所述目标网络的网络功耗模型；
参数确定模块用于以所述目标网络的网络功耗最小为目标、以所述目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于所述边缘缓存单元的容量为约束条件，确定所述网络功耗最小时所述边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。
第三方面，本发明实施例中提供了一种电子设备，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，
所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行第一方面提供的基于边缘缓存的网络节能方法。
第四方面，本发明实施例中提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行第一方面提供的基于边缘缓存的网络节能方法。
本发明实施例提供的一种基于边缘缓存的网络节能方法及系统，首先构建基于边缘缓存的目标网络模型，然后基于目标网络模型，构建目标网络中ISP的第一功耗模型以及CP的第二功耗模型，并基于第一功耗模型和第二功耗模型，确定目标网络的网络功耗模型；最后，以目标网络的网络功耗最小为目标、以目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于边缘缓存单元的容量为约束条件，确定网络功耗最小时边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。本发明实施例中从ISP与CP合作的角度出发，将ISP和CP的功耗问题表示为一个集中式模型，同时考虑了缓存大小、网络内容的流行度分布、网络拓扑结构以及不同内容的数量等因素的影响，实现了最优的缓存分配和有效的内容分配，在异构无线网络条件下，不考虑边缘缓存部署情况，可以有效提高网络功效，达到网络节能的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于边缘缓存的网络节能方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于边缘缓存的网络节能方法中不同策略在边缘缓存单元不同容量下的网络功耗示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于边缘缓存的网络节能方法中不同内容受欢迎程度下各模型的网络功耗示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于边缘缓存的网络节能方法中网络拓扑变化时不同模型的网络功耗示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于边缘缓存的网络节能方法中不同模型的网络功耗随网络内容数量F的变化情况示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于边缘缓存的网络节能系统的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于边缘缓存的网络节能方法，包括：
S1，构建基于边缘缓存的目标网络模型，所述目标网络模型包括服务子模型、内容流行度子模型以及网络结构子模型；
S2，基于所述目标网络模型，构建目标网络中网络运营商ISP的第一功耗模型以及内容提供商CP的第二功耗模型，并基于所述第一功耗模型和所述第二功耗模型，确定所述目标网络的网络功耗模型；
S3，以所述目标网络的网络功耗最小为目标、以所述目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于所述边缘缓存单元的容量为约束条件，确定所述网络功耗最小时所述边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。
具体地，本发明实施例中提供的一种基于边缘缓存的网络节能方法，目的是为了对于一个基于边缘缓存的目标网络，使目标网络达到节能的效果。
首先，构建出目标网络模型。
由于一个目标网络包括结构、服务以及内容三个层次，因此本发明实施例中构建出的目标网络模型包括服务子模型、内容流行度子模型以及网络结构子模型。其中，服务子模型可以包括网络运营商(Internet Service Provider，ISP)、内容提供商(ContentProvider，CP)以及移动客户端(Mobile Client，MC)三个参与者。在传统的互联网中，ISP只负责将所有的内容请求从CP传输到MC，这使得ISP和CP的功耗更高。然而，在基于边缘缓存的网络中，ISP可以在接入网中部署网络内缓存，同时提供网络支持和内容交付服务。显然，边缘缓存的采用改变了现有的网络服务模型，可以通过满足网络边缘的大部分内容请求来降低功耗，进一步提高服务质量和终端用户体验质量。本发明实施例中边缘缓存通过边缘缓存单元实现，目标网络中的基站与边缘缓存单元一一对应，即每个基站均对应一个边缘缓存单元。
本发明实施例中，内容流行度子模型可以根据齐普夫(Zipf)分布模型来进行设计，以网络内容为网络视频内容为了进行说明，并设目标网络中的网络内容的种类数量为F，按照1到F为每种网络内容进行编号。在一段时间内，带有边缘缓存单元的基站总的网络请求数量为R，则编号为k的网络内容(即第k种网络内容)的流行度分布为：
Figure BDA0002073747090000071
其中，Rk为第k种网络内容对应的网络请求数量，R为带有边缘缓存单元的基站总的网络请求数量，α为R中流行内容的数量，α的取值越大，表明R中的流行内容越多。
网络结构子模型是在无线网络场景下构建的，用于描述MC、ISP以及CP之间的连接关系。
边缘缓存单元被放置在ISP下的每个基站(Base Station，BS)中，ISP和CP提供协同的内容交付服务，以提高数据分发的效率。在网络结构子模型中，Xik是一个布尔变量，用于指示部署在ISP下第i个BS上的边缘缓存单元中是否缓存有第k种网络内容。如果第i个BS上的边缘缓存单元中缓存了第k中网络内容，则Xik取值为1，否则取值为0。根据网络内容的受欢迎程度排序，用户感兴趣的受欢迎网络内容可以在基站上的边缘缓存单元中进行缓存，满足大多数移动客户端用户的需求。虽然引入的边缘缓存单元将为ISP带来额外的缓存能力，但它们可以显著降低整个目标网络的流量负担。进而降低整个目标网络的功耗，可以明显提高ISP和CP的总功率效率。
构建出目标网络模型后，根据构建的目标网络模型，构建目标网络中ISP的第一功耗模型以及CP的第二功耗模型，即确定出ISP的功耗和CP的功耗，然后基于第一功耗模型和第二功耗模型，确定目标网络的网络功耗模型，即确定出目标网络的网络功耗。此处，功耗为功率消耗量。
最后，以目标网络的网络功耗最小为目标、以目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于边缘缓存单元的容量为约束条件，确定网络功耗最小时边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。此时得到的目标网络的各参数均是网络功耗最小时对应的参数，实现了目标网络的节能。
本发明实施例中提供的基于边缘缓存的网络节能方法，首先构建基于边缘缓存的目标网络模型，然后基于目标网络模型，构建目标网络中ISP的第一功耗模型以及CP的第二功耗模型，并基于第一功耗模型和第二功耗模型，确定目标网络的网络功耗模型；最后，以目标网络的网络功耗最小为目标、以目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于边缘缓存单元的容量为约束条件，确定网络功耗最小时边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。本发明实施例中从ISP与CP合作的角度出发，将ISP和CP的功耗问题表示为一个集中式模型，同时考虑了缓存大小、网络内容的流行度分布、网络拓扑结构以及不同内容的数量等因素的影响，实现了最优的缓存分配和有效的内容分配，在异构无线网络条件下，不考虑边缘缓存部署情况，可以有效提高网络功效，达到网络节能的效果。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于边缘缓存的网络节能方法，所述第一功耗模型基于所述目标网络中的基站电源功耗、网络传输电源功耗以及边缘缓存电源功耗构建。
具体地，本发明实施例中，ISP的功耗可以包括目标网络中的基站电源功耗、网络传输电源功耗以及边缘缓存单元电源功耗。
对于基站电源功耗，目标网络中第i个基站的电源功耗可以基于M/G/1处理器共享模型确定，具体为：
PBS,i＝P0+ΔPPt,i (2)
其中，PBS,i为所述目标网络中第i个基站的电源功耗，P0为每个基站正常工作时的固有功耗，ΔP为所述目标网络中每个BS的斜率参数，用来指明BS流量负载对BS功耗的影响，Pt,i为所述目标网络中第i个基站的发射功耗。
假设第i个基站的服务容量或服务速率为每秒xi位，传输功耗与第i个基站处理的数据流量数相匹配。因此，发射功率Pt,i可以表示为：
Figure BDA0002073747090000091
g为每个基站的通道增益，B为目标网络的带宽，N0是目标网络的功率密度，与噪声有关；η为常数，与误码率相关；
Figure BDA0002073747090000092
是第i个基站中关于第k种网络内容的网络请求，sk是第k种网络内容的大小。
待参数细化后，公式(2)可表示为：
Figure BDA0002073747090000093
然而，当移动客户端的网络请求到达第i个基站时，将会通过第i个基站的边缘缓存单元来部分处理这些网络请求，因而可以有效地降低网络功率。假设第i个基站不满足网络请求的数量用
Figure BDA0002073747090000094
表示，具有边缘缓存单元的第i个基站的电源功耗可以定义为：
Figure BDA0002073747090000095
对于网络传输电源功耗，在ISP中，网络请求的传输功率主要由网络请求经过的网络节点(如路由器、交换机等)的功率Pn和网络链路功率Pl组成。为了方便确定网络传输电源功耗，在不损失通用性的情况下，使用第i个基站和网络内容源之间的平均跳数来简化网络传输电源功耗的计算。因此，网络请求到达第i个基站所消耗的传输功率(即网络传输电源功耗)可以表示为：
Figure BDA0002073747090000101
其中，PT,i为所述目标网络中第i个基站的网络传输电源功耗，
Figure BDA0002073747090000102
为第i个基站和网络内容源之间的平均跳数。
对于边缘缓存单元电源功耗，边缘缓存单元电源功耗包括：缓存检索能力和内容缓存能力，缓存检索能力与移动客户端的网络请求数量有关，内容缓存能力与缓存的内容数量有关。假设Pr表示缓存检索能力，并且内容缓存能力与其缓存的内容数量相适应。因此边缘缓存单元电源功耗可以定义为：
Figure BDA0002073747090000103
其中，PCa,i为所述目标网络中第i个基站的对应的边缘缓存单元的电源功耗；Ci是第i个基站的对应的边缘缓存单元的容量。
Figure BDA0002073747090000104
为功率效率参数，由高速缓存硬件技术决定，如动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)、高速固态磁盘(SolidState Drive，SSD)和静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，SRAM)等。
由此，根据公式(5)、(6)、(7)可知，第一功耗模型具体表示为：
Figure BDA0002073747090000111
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的基于边缘缓存的网络节能方法，所述第二功耗模型基于所述CP的静态功耗和处理所述边缘缓存单元中未满足网络请求的网络内容的动态功耗构建。
具体地，本发明实施例中，CP的功耗具体可以包括CP的静态功耗和处理所述边缘缓存单元中未满足网络请求的网络内容的动态功耗，因此，CP的第二功耗模型可以表示为公式(9)：
Figure BDA0002073747090000112
其中，P2为所述CP的功耗，PS为所述静态功耗，
Figure BDA0002073747090000113
为所述动态功耗，N为所述目标网络中的基站数量，F为所述目标网络中的网络内容的种类数量，Xik为所述目标网络模型中第i个基站第k种网络内容对应的布尔变量，
Figure BDA0002073747090000114
为所述目标网络中第i个基站中关于第k种网络内容的网络请求，PD为每个网络请求的平均检索功耗。
最终，得到目标网络的网络功耗模型可以通过如下公式(10)表示：
Figure BDA0002073747090000121
在上述实施例的基础上，本发明实施例中，以所述目标网络的网络功耗最小为目标、以所述目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于所述边缘缓存单元的容量为约束条件，确定所述网络功耗最小时所述边缘缓存单元的容量、网络内容的流行度分布、网络拓扑结构以及不同网络内容的数量时，目标具体如公式(11)所示，约束条件如公式(12)所示。
Figure BDA0002073747090000122
Figure BDA0002073747090000123
其中，P1为所述ISP的功耗，P2为所述CP的功耗，(P1+P2)为所述目标网络的网络功耗，F为所述目标网络中的网络内容的种类数量，N为所述目标网络中的基站数量，Xik为所述目标网络模型中第i个基站第k种网络内容对应的布尔变量，sk为第k种网络内容的大小。Ci为第i个边缘缓存单元的容量，所述边缘缓存单元与所述目标网络中的基站一一对应。
也就是说，本发明实施例中提供的基于边缘缓存的网络节能方法的目标是将整个目标网络的网络功耗降到最低，以便在由ISP和CP组成的边缘缓存环境下有效地分配数据。公式(12)中的约束要求第i个边缘缓存单元中缓存的网络内容的大小小于边缘缓存单元的容量Ci，其中布尔变量Xik的取值只能为0或1。
本发明实施例中从理论上分析基于两个假设的集中式模型(即目标网络的网络功耗模型)的最优解。第一个假设是第i个边缘缓存单元中最受欢迎的网络内容，根据每个视频的流行程度排名获得最佳属性。第二个假设是每个基站都有由每秒xi位的服务容量和相同数量的网络请求。因此，最优解可以发挥最优性能指标的作用。
根据上述假设，没有满足用户请求的数量可以写成：
Figure BDA0002073747090000131
然后,可以呈现为一个简单的公式格式：
Figure BDA0002073747090000132
此外,第一个约束条件公式
Figure BDA0002073747090000133
也可以简化为公式：
Figure BDA0002073747090000134
Figure BDA0002073747090000135
表示基站与内容源之间的平均跳数，
Figure BDA0002073747090000136
表示平均内容大小。因此可以将公式(11)改写为公式(13)，将公式(12)改写为公式(14)：
Figure BDA0002073747090000137
Figure BDA0002073747090000138
其中，N、B、γ、xi和
Figure BDA0002073747090000141
均与现实的网络环境相关，R、α、F和
Figure BDA0002073747090000142
均与移动客户端的网络请求和网络内容相关；P0、ΔP、Pn、Pl、Pr、
Figure BDA0002073747090000144
PS、PD均是与功耗相关的给定参数。确定了上述各参数即可确定网络功耗最小时边缘缓存单元的容量、网络内容的流行度分布、网络拓扑结构以及不同网络内容的数量。
以下结合仿真实验结果对本发明实施例中提供的基于边缘缓存的网络节能方法进行性能分析及比较。
(1)仿真设置：
在仿真中，网络拓扑中包含64个网络节点，随机生成网络节点，得到变化的平均跳数
Figure BDA0002073747090000143
并将每个基站的边缘缓存单元大小抽象为不同网络数据量的相对大小。内容流行度子模型在仿真之前Zipf分布偏态系数α的值范围变化从0.6到1.5。最后，可以从实际的网络场景(如ITU测试环境)中得到与网络功率相关的重要变量的值。
为了体现本发明实施例中提供的基于边缘缓存的网络节能方法的优异性能，在不考虑边缘缓存在无线网络中的部署的条件下，将所设计的方案与其集中式解决方案和现有的互联网模型进行了比较。在仿真中分别使用“带缓存的在线”、“带缓存的离线”和“不带缓存的选择”来表示这三种方案。离线使用缓存是简化盈利模型的解决方案，缓存基站i将根据内容流行度排名缓存最受欢迎的N个网络内容。与带边缘缓存的最优解相比，将最近最少使用的内容作为缓存替换策略在线使用，因此得到了较为理想的结果。不带缓存的选择是指解决方案，其中每个请求根据最优路由决策在传统网络中获得相应的内容。
图2为不同策略在边缘缓存单元不同容量下的网络功耗。虽然边缘缓存产生额外的电力，但由于流量负载的显著降低，整个网络的电力效率得到了提高。此外，由于在ISP的BS上部署的边缘缓存可以满足更多用户的内容请求，因此当缓存大小增加时，我们所提出的模型的网络性能可以得到改善。此外，缓存大小越大，离线和在线解决方案之间的差距就越大，然后变得稳定。原因在于，与在线解决方案相比，离线缓存可以在边缘缓存单元中实现最优的内容放置。然而，当缓存达到一定大小时，我们所提议的模型的性能几乎没有变化。这意味着边缘缓存单元不能缓存网络内容，因为边缘缓存带来的能量超过了它们带来的好处。
图3为不同内容受欢迎程度下各模型的网络功耗。正如内容流行度模型中提到的，随着Zipf偏度的增加，目标网络中的MC会要求更多的流行数据，这可以降低网络中的功耗，并且在没有缓存的情况下，我们的解决方案与“不带缓存的选择”之间的差距越来越大。
图4为网络拓扑变化时不同模型的网络功耗。无论网络拓扑结构是什么，本方案的网络性能仍然优于“不带缓存的选择”。这意味着该模型具有通用性，可广泛应用于异构无线网络环境。图4中给出了幂律网络拓扑(Power-Law网络拓扑)、传输存根网络拓扑(Transit-Stub网络拓扑)以及Waxman网络拓扑这三种网络拓扑进行研究。
图5为不同模型的网络功耗随网络内容数量F的变化情况。随着F的增大，模型的功率效率变差。原因是，F的值越大，意味着在一定的缓存大小下，用户对网络中缓存的流行内容的请求就越少，这使得边缘缓存满足的内容请求就越少。
本发明实施例中提供了一种基于边缘缓存的网络节能方法，通过优化缓存资源的分配来实现整个网络的最大功效。本发明首先研究了边缘缓存对网络参与者服务行为的影响，并采用集中式策略将ISP和CP的功耗问题作为最大功率效率模型。其次，从理论上分析支持内容分发应用的最优功效模型，同时考虑缓存大小、网络内容的流行度分布、网络拓扑结构以及不同内容数量的影响。最后进行了大量的仿真来演示本发明提出的解决方案在不同网络场景下的性能。仿真结果表明，在不考虑无线网络边缘缓存部署的情况下，该模型的性能优于传统的互联网解决方案。
图6所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种基于边缘缓存的网络节能系统，包括：网络模型构建模块61、功耗模型构建模块62和参数确定模块63。其中，
网络模型构建模块61用于构建基于边缘缓存的目标网络模型，所述目标网络模型包括服务模型、内容流行度模型以及网络结构模型；
功耗模型构建模块62用于基于所述目标网络模型，构建目标网络中网络运营商ISP的第一功耗模型以及内容提供商CP的第二功耗模型，并基于所述第一功耗模型和所述第二功耗模型，确定所述目标网络的网络功耗模型；
参数确定模块63用于以所述目标网络的网络功耗最小为目标、以所述目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于所述边缘缓存单元的容量为约束条件，确定所述网络功耗最小时所述边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。
具体地，本发明实施例中提供的基于边缘缓存的网络节能系统中各模块的作用与上述方法类实施例中各步骤的操作流程是一一对应的，达到的效果也是一致的，本发明实施例中在此不再赘述。
图7所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种电子设备，包括：处理器(processor)701、存储器(memory)702、通信接口(Communications Interface)703和总线704；其中，
所述处理器701、存储器702、通信接口703通过总线704完成相互间的通信。所述存储器702存储有可被所述处理器701执行的程序指令，处理器701用于调用存储器702中的程序指令，以执行上述各方法实施例所提供的方法。
存储器702中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行上述各方法实施例所提供的方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于边缘缓存的网络节能方法，其特征在于，包括：
构建基于边缘缓存的目标网络模型，所述目标网络模型包括服务子模型、内容流行度子模型以及网络结构子模型；
基于所述目标网络模型，构建目标网络中网络运营商ISP的第一功耗模型以及内容提供商CP的第二功耗模型，并基于所述第一功耗模型和所述第二功耗模型，确定所述目标网络的网络功耗模型；
以所述目标网络的网络功耗最小为目标、以所述目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于所述边缘缓存单元的容量为约束条件，确定所述网络功耗最小时所述边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量；
所述服务子模型包括所述ISP、所述CP以及移动客户端MC；
所述内容流行度子模型基于齐普夫分布模型构建；
所述网络结构子模型在无线网络场景下构建，用于描述所述ISP、所述CP以及所述MC之间的连接关系；
所述第一功耗模型基于所述目标网络中的基站电源功耗、网络传输电源功耗以及边缘缓存单元电源功耗构建；
所述第二功耗模型基于所述CP的静态功耗和处理所述边缘缓存单元中未满足网络请求的网络内容的动态功耗构建；
所述目标为：
min(P1+P2)
Figure FDA0003302031890000021
Figure FDA0003302031890000022
所述约束条件为：
Figure FDA0003302031890000023
Figure FDA0003302031890000024
其中，P1为所述ISP的功耗，P2为所述CP的功耗，(P1+P2)为所述目标网络的网络功耗，F为所述目标网络中的网络内容的种类数量，N为所述目标网络中的基站数量，Xik为所述目标网络模型中第i个基站第k种网络内容对应的布尔变量，sk为第k种网络内容的大小，Ci为第i个边缘缓存单元的容量，所述边缘缓存单元与所述目标网络中的基站一一对应，PBS,i为所述目标网络中第i个基站的电源功耗，P0为每个基站正常工作时的固有功耗，ΔP为所述目标网络中每个BS的斜率参数，用来指明BS流量负载对BS功耗的影响，Pt,i为所述目标网络中第i个基站的发射功耗；
Figure FDA0003302031890000025
g为每个基站的通道增益，B为目标网络的带宽，N0是目标网络的功率密度，与噪声有关；η为常数，与误码率相关；
Figure FDA0003302031890000026
是第i个基站中关于第k种网络内容的网络请求，sk是第k种网络内容的大小；PT,i为所述目标网络中第i个基站的网络传输电源功耗，
Figure FDA0003302031890000027
为第i个基站和网络内容源之间的平均跳数；
Pn为网络请求经过的网络节点的功率，Pl为网络链路功率，Pr表示缓存检索能力，PCa,i为所述目标网络中第i个基站的对应的边缘缓存单元的电源功耗；Ci为第i个基站的对应的边缘缓存单元的容量，
Figure FDA0003302031890000031
为功率效率参数；
PS为所述静态功耗，
Figure FDA0003302031890000032
为所述动态功耗，N为所述目标网络中的基站数量，F为所述目标网络中的网络内容的种类数量，Xik为所述目标网络模型中第i个基站第k种网络内容对应的布尔变量，
Figure FDA0003302031890000033
为所述目标网络中第i个基站中关于第k种网络内容的网络请求，PD为每个网络请求的平均检索功耗。
2.一种基于边缘缓存的网络节能系统，其特征在于，包括：
网络模型构建模块，用于构建基于边缘缓存的目标网络模型，所述目标网络模型包括服务子模型、内容流行度子模型以及网络结构子模型；
功耗模型构建模块，用于基于所述目标网络模型，构建目标网络中网络运营商ISP的第一功耗模型以及内容提供商CP的第二功耗模型，并基于所述第一功耗模型和所述第二功耗模型，确定所述目标网络的网络功耗模型；
参数确定模块，用于以所述目标网络的网络功耗最小为目标、以所述目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于所述边缘缓存单元的容量为约束条件，确定所述网络功耗最小时所述边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量；
所述服务子模型包括所述ISP、所述CP以及移动客户端MC；
所述内容流行度子模型基于齐普夫分布模型构建；
所述网络结构子模型在无线网络场景下构建，用于描述所述ISP、所述CP以及所述MC之间的连接关系；
所述第一功耗模型基于所述目标网络中的基站电源功耗、网络传输电源功耗以及边缘缓存单元电源功耗构建；
所述第二功耗模型基于所述CP的静态功耗和处理所述边缘缓存单元中未满足网络请求的网络内容的动态功耗构建；
所述目标为：
min(P1+P2)
Figure FDA0003302031890000041
Figure FDA0003302031890000042
所述约束条件为：
Figure FDA0003302031890000043
Figure FDA0003302031890000044
其中，P1为所述ISP的功耗，P2为所述CP的功耗，(P1+P2)为所述目标网络的网络功耗，F为所述目标网络中的网络内容的种类数量，N为所述目标网络中的基站数量，Xik为所述目标网络模型中第i个基站第k种网络内容对应的布尔变量，sk为第k种网络内容的大小，Ci为第i个边缘缓存单元的容量，所述边缘缓存单元与所述目标网络中的基站一一对应，PBS,i为所述目标网络中第i个基站的电源功耗，P0为每个基站正常工作时的固有功耗，ΔP为所述目标网络中每个BS的斜率参数，用来指明BS流量负载对BS功耗的影响，Pt,i为所述目标网络中第i个基站的发射功耗；
Figure FDA0003302031890000051
g为每个基站的通道增益，B为目标网络的带宽，N0是目标网络的功率密度，与噪声有关；η为常数，与误码率相关；
Figure FDA0003302031890000052
是第i个基站中关于第k种网络内容的网络请求，sk是第k种网络内容的大小；PT,i为所述目标网络中第i个基站的网络传输电源功耗，
Figure FDA0003302031890000053
为第i个基站和网络内容源之间的平均跳数；
Pn为网络请求经过的网络节点的功率，Pl为网络链路功率，Pr表示缓存检索能力，PCa,i为所述目标网络中第i个基站的对应的边缘缓存单元的电源功耗；Ci为第i个基站的对应的边缘缓存单元的容量，
Figure FDA0003302031890000054
为功率效率参数；
PS为所述静态功耗，
Figure FDA0003302031890000055
为所述动态功耗，N为所述目标网络中的基站数量，F为所述目标网络中的网络内容的种类数量，Xik为所述目标网络模型中第i个基站第k种网络内容对应的布尔变量，
Figure FDA0003302031890000056
为所述目标网络中第i个基站中关于第k种网络内容的网络请求，PD为每个网络请求的平均检索功耗。
3.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，
所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行如权利要求1所述的基于边缘缓存的网络节能方法。
4.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1所述的基于边缘缓存的网络节能方法。
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