CN110769023A - 一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，所述系统包括：中心云服务器、若干聚簇，所述若干聚簇均与中心云服务器通信连接，每一个聚簇均通过自身的主节点与系统中其余聚簇相互通信连接，所述每一个聚簇包括设定区域内的若干边缘节点，所述边缘节点之间相互通信连接。本发明通过将家庭智能网关为基础，构建基于点对点的内容分发网络系统，充分利用了家庭智能网关的闲置资源，基于聚簇的主节点之间的调度和通信缓解了中心云服务器的访问压力，无须额外部署设备，降低了网络系统部署成本。

Description

一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统

技术领域

本发明涉及内容分发网络技术领域，更具体地，涉及一种基于智能家庭网关 的点对点内容分发网络系统。

背景技术

智慧家庭业务进入深度普及阶段，各类智慧家庭产品层出不穷。在智慧家庭 产品中，智能家庭网关是智慧家庭的核心，一方面可衔接家庭内外的网络，另一 方面也作为整个家庭网络重要的控制中心。除此之外，智能家庭网关支持物联网 协议，实现了家庭网络智能设备的互联互通，为用户打开了便捷组网的大门。

智能家庭网关作为智慧家庭的核心设备，为了保障家庭其他智能设备的互联 互通，会长时间处于正常联网状态。但是在平时的使用中，智能家庭网关并非时 刻为用户提供服务，尤其在用户外出或没有联网需求时，会有大量基于智能家庭 网关的现有资源(如闲置带宽、闲置存储)未被利用。在传统智能家庭网关的工 作模式中，智能家庭网关主要作为用户连接入网的纽带，或作为实现家庭网络互 联互通的智能设备，并未过多考虑其闲置状态的潜在资源。

内容分发网络(Content Delivery Network，CDN)，通过在互联网上增加新的 网络分支来减轻主干网络的压力，内容分发网络改进了传统的内容分发方式，使 用户就近能获取到所需内容，降低网络拥塞。但是内容分发网络主要面向的是传 统的网络结构，需要配置大量服务器、网络设备及存储设备。随着时代的发展， 人们对网络服务要求的不断提高，内容分发网络的规模肯定会越来越庞大，需要 的成本肯定越来越高。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中智能家庭网关闲置资源利用率低，传统分容分 发网络未能有效利用智能家庭网关闲置资源，且传统分容分发网络部署成本高， 中心服务器访问压力大的缺陷，提供一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网 络系统。

本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，所述系统包括：中心云 服务器、若干聚簇，所述若干聚簇均与中心云服务器通信连接，每一个聚簇均通 过自身的主节点与系统中其余聚簇相互通信连接，所述每一个聚簇包括设定区域 内的若干边缘节点，所述边缘节点之间相互通信连接。

优选地，所述聚簇在任意时刻均有一个边缘节点作为主节点，所述主节点用 于对聚簇内的边缘节点进行调度和管理。

优选地，作为主节点的边缘节点在每一个预设周期内根据评分值进行轮换， 即在一个预设周期内评分值最高的边缘节点作为主节点。

优选地，所述评分计算包括的指标有：网络状态、平均通信速率、信誉值， 对于边缘节点i，任一预设周期内评分值C_i具体评分计算公式为：

C_i＝K₁L_i+K₂M_i+K₃N_i

其中，L_i相对网络状态参数，M_i代表边缘节点与聚簇内其他节点的相对 通信速率，N_i为边缘节点的相对信誉值，K₁,K₂,K₃为占比因子，且 K₁+K₂+K₃＝1。

优选地，对于边缘节点i的相对网络状态参数L_i的计算公式为：

其中，t_i表示边缘节点i的在线时长，f_i表示平均闲置计算力，s_i表示平均 闲置存储容量，t_th表示在线时长的预设阈值，f_th平均限制计算力的预设阈值， 表示平均存储容量的预设阈值，α,β,γ表示比例系数，且α+β+γ＝1。

对于边缘节点i与聚簇内其他节点的相对通信速率平均通信速率L_i的计算 公式为：

其中，r_i,j表示边缘节点i与另一边缘节点j之间的通信速率，X表示聚簇内所有 边缘节点数量，r_th为通信速率方面的阈值。

对于边缘节点i的相对信誉值N_i的计算公式为：

其中，R_i表示此时边缘节点的信誉值。

优选地，所述系统向任一边缘节点提供的功能包括：内容存储、内容传输、 内容清除。

优选地，所述内容存储的实现过程为：

任一边缘节点向通过主节点向中心云服务器发出内容存储请求；

中心云服务器通过资源调度查询将能够完成该存储任务的一个或多个聚簇的主节点通信信息返回给内容存储的需求方；

执行存储任务聚簇内的主节点进行一次判断，判断该存储需求是否能够由本聚簇内的若个边缘节点单独完成，如果是，则筛选出一个符合预设条件的边缘节点单 独完成内容存储任务；如果否，即需要本聚簇内的若干个边缘节点共同完成，则 需要聚簇主节点进行二次计算，所述二次计算过程如下：

设定内容存储需求容量为Q，在当前聚簇内，遍历能够提供服务的边缘节点， 记其数量为a_i；寻找能够提供最少存储量的边缘节点，记录其存储容量b_i，若 a_i*b_i≥Q，则主节点将存储需求方的存储量Q均等的分为a_i份，完成存储

优选地，所述内容传输的实现过程为：

第一步：边缘节点发起访问聚簇资源请求，距离该边缘节点通信距离最近的 主节点记为第一响应主节点，所述第一响应主节点响应并在本聚簇内进行资源调 度，判断本聚簇内是否有该节点需要的资源，如果有则直接返回对应的资源信息， 如果没有，则执行第二步；

第二步：第一响应主节点经点对点方式向其他聚簇内的主节点发送资源访问 请求，首先响应该资源访问请求的聚簇承担资源请求任务，并且在其聚簇内，依 据边缘节点的地理位置由近及远完成内容传输，如果没有聚簇主节点响应该资源 访问请求，则执行第三步；

第三步：由第一响应主节点向中心云服务器发送资源访问请求，并由中心云 服务器进行资源调度，同时将内容分发至第一响应主节点，由第一响应主节点按 照层级顺序依次将请求返回的内容分发给发送资源访问的边缘节点，并将请求返 回的内容在第一响应主节点所在聚簇内备份，完成内容传输。

优选地，所述内容清除具体为：若n个主节点轮换预设周期内，其中n为正 整数，聚簇内备份内容，无资源访问请求，由中心云服务器进行判断并下发备份 内容清除指令，主节点依次下发给各个边缘节点，完成备份内容清除操作，释放 聚簇内容存储空间。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过将家庭智能网关为基础，构建基于点对点的内容分发网络系统， 充分利用了家庭智能网关的闲置资源，基于聚簇的主节点之间的调度和通信缓解 了中心云服务器的访问压力，无须额外部署设备，降低了网络系统部署成本。

附图说明

图1为本发明一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统示意图。

图2为内容存储的实现过程示意图。

图3为内容传输过程流程图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具 体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下， 本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并 不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

图1示出了本发明一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统示意 图。

如图1所示，一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，所述系统 包括：中心云服务器、若干聚簇，所述若干聚簇均与中心云服务器通信连接，每 一个聚簇均通过自身的主节点与系统中其余聚簇相互通信连接，所述每一个聚簇 包括设定区域内的若干边缘节点，所述边缘节点之间相互通信连接。

需要说明的是，本发明中以家庭智能网关作为边缘节点来构建点对点的内容 分发网络系统，作为边缘节点的家庭智能网关可以自定义闲置资源的共享量，所 述预设定区域的大小可以是1000平方米，把1000平米区域内所有的家庭智能网 关划分为一个聚簇。

本方案中，所述聚簇在任意时刻均有一个边缘节点作为主节点，所述主节点 用于对聚簇内的边缘节点进行调度和管理。作为主节点的边缘节点在每一个预设 周期内根据评分值进行轮换，即在一个预设周期内评分值最高的边缘节点作为主 节点。聚簇内所有的边缘节点，每隔一段时间向主节点发送一次状态心跳包，状 态心跳包包含了边缘节点的闲置存储、闲置带宽、通信状况等信息，主节点动态 管理本聚簇内的所有边缘节点。

更具体地，所述评分计算包括的指标有：网络状态、平均通信速率、信誉值， 对于边缘节点i，任一预设周期内评分值C_i具体评分计算公式为：

C_i＝K₁L_i+K₂M_i+K₃N_i

其中，L_i相对网络状态参数，M_i代表边缘节点与聚簇内其他节点的相对 通信速率，N_i为边缘节点的相对信誉值，K₁,K₂,K₃为占比因子，且 K₁+K₂+K₃＝1。

其中，对于边缘节点i的相对网络状态参数L_i的计算公式为：

其中，t_i表示边缘节点i的在线时长，f_i表示平均闲置计算力，s_i表示平均 闲置存储容量，t_th表示在线时长的预设阈值，f_th平均限制计算力的预设阈值， 表示平均存储容量的预设阈值，α,β,γ表示比例系数，且α+β+γ＝1。

对于边缘节点i与聚簇内其他节点的相对通信速率平均通信速率L_i的计算 公式为：

其中，r_i,j表示边缘节点i与另一边缘节点j之间的通信速率，X表示聚簇内所有 边缘节点数量，r_th为通信速率方面的阈值。

对于边缘节点i的相对信誉值N_i的计算公式为：

其中，R_i表示此时边缘节点的信誉值。

需要说明的是，每个边缘节点在入网时均有初始信誉值，对一次网络请求及 响应过程中，有贡献的边缘节点都会按设定比例分得一定的信誉值，如果未按规 则执行操作，将会扣除一定分数的信誉值。

优选地，所述系统向任一边缘节点提供的功能包括：内容存储、内容传输、 内容清除。

如图2所示，所述内容存储的实现过程为：

任一边缘节点向通过主节点向中心云服务器发出内容存储请求；

中心云服务器通过资源调度查询将能够完成该存储任务的一个或多个聚簇的主节点通信信息返回给内容存储的需求方；

执行存储任务聚簇内的主节点进行一次判断，判断该存储需求是否能够由本聚簇内的若个边缘节点单独完成，如果是，则筛选出一个符合预设条件的边缘节点单 独完成内容存储任务；如果否，即需要本聚簇内的若干个边缘节点共同完成，则 需要聚簇主节点进行二次计算，所述二次计算过程如下：

设定内容存储需求容量为Q，在当前聚簇内，遍历能够提供服务的边缘节点， 记其数量为a_i；寻找能够提供最少存储量的边缘节点，记录其存储容量b_i，若 a_i*b_i≥Q,则主节点将存储需求方的存储量Q均等的分为a_i份，完成存储。

如图3所示，所述内容传输的实现过程为：

第一步：边缘节点发起访问聚簇资源请求，距离该边缘节点通信距离最近的 主节点记为第一响应主节点，所述第一响应主节点响应并在本聚簇内进行资源调 度，判断本聚簇内是否有该节点需要的资源，如果有则直接返回对应的资源信息， 如果没有，则执行第二步；

第二步：第一响应主节点经点对点方式向其他聚簇内的主节点发送资源访问 请求，首先响应该资源访问请求的聚簇承担资源请求任务，并且在其聚簇内，依 据边缘节点的地理位置由近及远完成内容传输，如果没有聚簇主节点响应该资源 访问请求，则执行第三步；

第三步：由第一响应主节点向中心云服务器发送资源访问请求，并由中心云 服务器进行资源调度，同时将内容分发至第一响应主节点，由第一响应主节点按 照层级顺序依次将请求返回的内容分发给发送资源访问的边缘节点，并将请求返 回的内容在第一响应主节点所在聚簇内备份，完成内容传输。

优选地，所述内容清除具体为：若n个主节点轮换预设周期内，其中n为正 整数，聚簇内备份内容，无资源访问请求，由中心云服务器进行判断并下发备份 内容清除指令，主节点依次下发给各个边缘节点，完成备份内容清除操作，释放 聚簇内容存储空间，保障了内容分发网络系统的流动性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非 是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明 的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施 方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进 等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，所述系统包括：中心云服务器、若干聚簇，所述若干聚簇均与中心云服务器通信连接，每一个聚簇均通过自身的主节点与系统中其余聚簇相互通信连接，所述每一个聚簇包括设定区域内的若干边缘节点，所述边缘节点之间相互通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，所述聚簇在任意时刻均有一个边缘节点作为主节点，所述主节点用于对聚簇内的边缘节点进行调度和管理。

3.根据权利要求2所述的一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，作为主节点的边缘节点在每一个预设周期内根据评分值进行轮换，即在一个预设周期内评分值最高的边缘节点作为主节点。

4.根据权利要求3所述的一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，所述评分计算包括的指标有：网络状态、平均通信速率、信誉值，对于边缘节点i，任一预设周期内评分值C_i具体评分计算公式为：

C_i＝K₁L_i+K₂M_i+K₃N_i

其中，L_i相对网络状态参数，M_i代表边缘节点与聚簇内其他节点的相对通信速率，N_i为边缘节点的相对信誉值，K₁,K₂,K₃为占比因子，且K₁+K₂+K₃＝1。

5.根据权利要求4所述的一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，对于边缘节点i的相对网络状态参数L_i的计算公式为：

其中，t_i表示边缘节点i的在线时长，f_i表示平均闲置计算力，s_i表示平均闲置存储容量，t_th表示在线时长的预设阈值，f_th平均限制计算力的预设阈值，表示平均存储容量的预设阈值，α,β,γ表示比例系数，且α+β+γ＝1。

对于边缘节点i与聚簇内其他节点的相对通信速率平均通信速率L_i的计算公式为：

其中，r_i,j表示边缘节点i与另一边缘节点j之间的通信速率，X表示聚簇内所有边缘节点数量，r_th为通信速率方面的阈值。

对于边缘节点i的相对信誉值N_i的计算公式为：

其中，R_i表示此时边缘节点的信誉值。

6.根据权利要求1所述的一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，所述系统向任一边缘节点提供的功能包括：内容存储、内容传输、内容清除。

7.根据权利要求6所述的一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，所述内容存储的实现过程为：

任一边缘节点向通过主节点向中心云服务器发出内容存储请求；

中心云服务器通过资源调度查询将能够完成该存储任务的一个或多个聚簇的主节点通信信息返回给内容存储的需求方；

执行存储任务聚簇内的主节点进行一次判断，判断该存储需求是否能够由本聚簇内的若个边缘节点单独完成，如果是，则筛选出一个符合预设条件的边缘节点单独完成内容存储任务；如果否，即需要本聚簇内的若干个边缘节点共同完成，则需要聚簇主节点进行二次计算，所述二次计算过程如下：

设定内容存储需求容量为Q，在当前聚簇内，遍历能够提供服务的边缘节点，记其数量为a_i；寻找能够提供最少存储量的边缘节点，记录其存储容量b_i，若a_i*b_i≥Q,则主节点将存储需求方的存储量Q均等的分为a_i份，完成存储。

8.根据权利要求6所述的一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，所述内容传输的实现过程为：

第一步：边缘节点发起访问聚簇资源请求，距离该边缘节点通信距离最近的主节点记为第一响应主节点，所述第一响应主节点响应并在本聚簇内进行资源调度，判断本聚簇内是否有该节点需要的资源，如果有则直接返回对应的资源信息，如果没有，则执行第二步；

第二步：第一响应主节点经点对点方式向其他聚簇内的主节点发送资源访问请求，首先响应该资源访问请求的聚簇承担资源请求任务，并且在其聚簇内，依据边缘节点的地理位置由近及远完成内容传输，如果没有聚簇主节点响应该资源访问请求，则执行第三步；

第三步：由第一响应主节点向中心云服务器发送资源访问请求，并由中心云服务器进行资源调度，同时将内容分发至第一响应主节点，由第一响应主节点按照层级顺序依次将请求返回的内容分发给发送资源访问的边缘节点，并将请求返回的内容在第一响应主节点所在聚簇内备份，完成内容传输。

9.根据权利要求8所述的一种基于智能家庭网关的点对点内容分发网络系统，其特征在于，所述内容清除具体为：若n个主节点轮换预设周期内，其中n为正整数，聚簇内备份内容，无资源访问请求，由中心云服务器进行判断并下发备份内容清除指令，主节点依次下发给各个边缘节点，完成备份内容清除操作，释放聚簇内容存储空间。

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