CN111314224B - 一种命名数据网络缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种命名数据网络缓存方法，包括下述步骤：路由节点接收数据包；在所述数据包的缓存标识字段是第一标识时，所述路由节点根据所述数据包的内容类型字段的指示以及所述路由节点在所述传输路径中的位置，确定是否在所述路由节点中缓存所述数据包，以及将所述数据包的缓存标识字段设置为第二标识并转发所述数据包；在所述缓存标识字段是第二标识时，所述路由节点将所述数据包的所述缓存标识字段设置为第一标识并转发所述数据包。本发明在命名数据网络架构的基础上，依据内容分类，设计沿途传输路径的隔跳待定选择的概率缓存策略，既能有效降低冗余缓存、无效缓存，又能提供差异化缓存服务，同时实现网络化缓存资源的合理利用。

Description

一种命名数据网络缓存方法

技术领域

本发明属于网络缓存技术领域，具体涉及一种命名数据网络缓存方法。

背景技术

命名数据网络(Named Data Networking，简称NDN)是以内容为中心的全新未来互联网架构，采用名字路由、请求聚合、网络化缓存等机制，实现点到多点的快速内容分发功能。NDN网络默认采用LCE(Leave Copy Everywhere)泛在缓存机制，即内容发送至用户的传输路径上所有路由节点都无差别地对内容副本进行缓存。这种缓存机制存在冗余缓存、无效缓存、高频替换率等诸多问题，导致整个网络化缓存利用率较低。为了减小冗余缓存和无效缓存，研究人员提出LCD(Leave Copy Down)缓存机制，内容响应过程中仅在命中节点的下一跳节点缓存内容副本，随着后续用户相同的请求不断达到，内容副本逐步被拉向用户侧。这种隐式协作缓存方法易于实现，但是随着重复请求增多，沿反向路径上的路由节点缓存多份内容副本，因此存在数据冗余问题。另外，研究人员还基于概率缓存，传输路径上的各路由节点基于一定的概率决定是否缓存内容，从而减少传输路径上的缓存冗余。对于那些共享度低、私有性强的动态内容依旧会进行缓存，然而这类内容缓存是没有意义的。另外，基于节点中心度缓存技术，通过统计节点的中心度值，并以其值作为衡量节点的重要程度，由汇聚能力更强、中心度最高的缓存节点对数据进行缓存。这种方法使得内容过于集中在中心度高的节点上，导致这类节点发生高频缓存替换操作，不利于整个网络化缓存性能的提升。而基于内容热度缓存，用户对同一内容的不同分块的请求具有连续性，根据内容热度决定对该内容不同块的缓存数量，以便减少非热度内容的缓存。然而，这类基于本地视图的缓存策略无法准确感知热度内容，也不能合理规划热度内容的缓存位置。

发明内容

针对现有技术中命名数据网络泛滥式缓存数据的问题，以及上述现有方案存在的不足，本发明提出了一种命名数据网络缓存方法。

为达到以上目的，一方面，本发明提出了一种命名数据网络缓存方法，包括以下步骤：

步骤S1、路由节点接收数据包，其中，所述数据包至少包括数据字段、缓存标识字段、内容类型字段以及路由跳数字段，所述缓存标识字段存储指示将所述数据包待定缓存到本地的第一标识或者不将所述数据包缓存到本地的第二标识，所述内容类型字段指示所述数据包的内容的业务类型；

步骤S2、在所述缓存标识字段是第一标识时，所述路由节点根据所述数据包的内容类型字段的指示以及所述路由节点在所述传输路径中的位置，确定是否在所述路由节点中缓存所述数据包，以及将所述数据包的缓存标识字段设置为第二标识并转发所述数据包；

步骤S3、在所述缓存标识字段是第二标识时，所述路由节点将所述数据包的所述缓存标识字段设置为第一标识并转发所述数据包。

优选地，所述数据包为路由节点根据兴趣包查找到符合内容名称数据后生成；所述兴趣包至少包括路由跳数字段，指示兴趣包转发跳数。

优选地，若在当前路由节点未查找到所述兴趣包内容名称指示的数据，所述兴趣包信息记录在当前路由节点后被转发至下一路由节点。

优选地，所述数据包内容类型包括：动态类、实时类、大数据类和小数据类，其中，所述动态类是动态生成且重复利用率低的内容；所述实时类是静态生成且实时性要求高的内容；所述大数据类是静态生成、实时性要求低且数据量大的内容；所述小数据类是静态生成、实时性要求低且数据量小的内容。

优选地，确定在所述路由节点中缓存所述数据包的规则为缓存概率大于设定阈值。

优选地，所述缓存概率由内容类型和/或兴趣包路由跳数、数据包路由跳数决定：

当内容为动态类，缓存概率为：P＝0；

当内容为实时类，缓存概率为：

当内容为大数据类，缓存概率为：

当内容为小数据类，缓存概率为：

其中，α为请求聚合度，TotalHop为兴趣包路由总跳数IntHop与数据包当前路由跳数DataHop之和。

另一方面，本发明还提供一种命名数据网络缓存系统，至少包括用户、路由节点和内容发布者，所述用户发出兴趣包通过路由节点向内容发布者请求内容数据包时，执行所述方法。

再一方面，本发明提供一种电子设备，包括中央处理器以及存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令在被执行时使所述处理器执行所述方法。

第四方面，本发明提供一种非易失性存储介质，其中存储有计算机程序，所述计算机程序在执行时实现所述方法。

本发明相对于现有技术取得了如下的技术效果：

本发明所述的方案在命名数据网络架构的基础上，依据内容分类，设计沿途传输路径的隔跳待定选择的概率缓存策略，既能有效降低冗余缓存、无效缓存，又能提供差异化缓存服务，同时实现网络化缓存资源的合理利用。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出本发明实施例的一种命名数据网络缓存方法流程图；

图2示出本发明实施例的对命名数据网络原有兴趣包和数据包协议字段进行扩展示意图；

图3示出本发明实施例的隔跳待定缓存策略流程图；

图4示出本发明实施例的基于内容类型的概率缓存示意图；

图5示出本发明实施例的基于内容类型的命名数据网络兴趣包转发流程图；

图6示出本发明实施例的基于内容类型的命名数据网络数据包流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

为了使本发明的目的、技术方案、设计方法及优点更加清楚明了，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

实施例

根据本发明的一个实施例，为了实现兴趣包和数据包转发，每个命名数据网络路由节点包括：

待定兴趣表PIT：储存了路由节点转发但还没有被满足的兴趣包，每个PIT条目记录了兴趣包中携带的资料名，以及封包进来和出去的界面。

转发信息表FIB：FIB本身由名字前缀的路由协定填充，而且每个前缀可以有多个界面。

内容存储器CS：是用来缓存路由节点收到数据包，因为命名数据网络数据包的来源及转发路径是独立的，它可以被暂存以满足未来的兴趣包。

根据本发明的一个实施例的方法，概括来说，包括由内容类型定义、包格式扩展、缓存算法以及包转发处理过程。

为满足用户、内容发布者、中间路由间对质量服务QoS的要求，首先对不同业务内容进行类型划分，以便支持后续的内容缓存策略。根据业务不同的特征，将缓存内容划分为4类：动态类、实时类、大数据类、小数据类，类型代码例如分别为00、01、10、11。其中，动态类被配置为对于动态生成的内容，例如邮件、即时通讯等，其可重复利用率低，中间路由没有必要浪费宝贵的资源对其缓存，所以把它归为一类，对动态类的业务无需进行缓存。实时类被配置为对于静态的已生成且实时性要求高的内容，例如直播视频，网络电视等，缓存在网络边缘节点比在网络核心节点更好地提供低延时服务。大数据类被配置为对于静态的且对实时性要求不高的大数据内容，例如离线视频等，不必缓存在网络边缘，而是缓存在网络次边缘，既避免占用网络边缘稀缺资源，又节省网络带宽的占用。小数据类被配置为对于静态的且实时要求低的小数据内容，例如网页、共享文件等，缓存在网络核心节点，利于网络化缓存负载平衡。

另外，为支持数据传输过程中基于内容类型的协作缓存策略，在保留NDN原有数据拉取通信模式基础上扩展包格式，如图2所示。兴趣包(Interest Packet)仅增加IntHop字段，用于记录兴趣包转发的路由跳数。数据包(Data Packet)增加3个字段：PendingCache、ContentType、DataHop，其中PendingCache标志是否执行缓存决策，ContentType标识数据包内容的类型，DataHop记录的是数据包沿途返回中经过路由的跳数。

根据本发明的一个实施例，缓存算法由两部分构成，隔跳待定缓存策略和基于内容类型的概率缓存策略。

(1)隔跳待定缓存策略

如图3所示，沿途路由节点先对接收到的数据包进行逐一检查，若数据包的扩展字段PendingCache值标记为1，则待定缓存到本地，并对PendingCache值取反操作，即标记为0；否则，不进行缓存，并对PendingCache值取反操作，即标记为1。从而通过路由节点对数据包进行隔跳待定缓存，避免逐跳地缓存，有效地减半冗余缓存、无效缓存，提高网络化缓存内容的多样性，同时节省对数据包缓存所需的操作开销。

(2)基于内容类型的概率缓存策略

为了进一步减少冗余缓存，基于内容类型的概率缓存策略提供差异化的网络缓存服务。根据上文总结的4种内容类型，分别为其提供无缓存、网络边缘缓存、网络次边缘缓存，网络核心缓存服务。具体来说，针对动态类内容，沿途路由节点不进行缓存，从而节省大量不必要的缓存空间和时间；针对实时类内容，沿路由节点采用基于网络边缘概率缓存策略，如图4(a)所示，即从内容发布者到用户传输路径中，中间路由节点以递增概率缓存数据包，使得实时静态类内容大概率缓存在网络边缘，以满足用户低时延的服务要求；针对大数据类内容，沿途路由节点通过基于递增递减概率缓存方法，如图4(b)所示，即中间路由节点先以递增概率再以递减概率缓存数据包，使得非实时大数据静态类内容大概率缓存在网络次边缘，以节省带宽占用；针对小数据类内容，沿途路由节点通过基于网络核心概率缓存方法，如图4(c)所示，即中间路由节点以递减概率缓存数据包，使得非实时小数据静态类内容大概率缓存在网络核心，避免在网络边缘汇聚过多而造成高频缓存替换操作。

根据本发明的一个实施例，当用户发送兴趣包时，通过兴趣包的上行逐跳传输，依次更新传输路径跳数IntHop，即每当兴趣包抵达下一个节点，传输跳数加1；兴趣包到达内容发布者，记录的就是沿途传输路径节点的数目。当数据包沿回路传输时，沿途节点先判断数据包内容类型，按照如下方式计算缓存概率：

若ContentType为00(即动态类业务)，缓存概率P＝0，则不进行缓存并对数据包进行直接转发；

若ContentType为01(即实时类业务)，则依据PIT表的接口列表统计对应名字的接口数量，即请求聚合度α，计算TotalHop为IntHop与DataHop之和，其表示请求用户与内容发布者的距离，并按照如下计算沿途节点的缓存概率：

若ContentType为10(即大数据类业务)，则依据PIT表的请求聚合度α和TotalHop，计算沿途节点的缓存概率：

若ContentType为11(即小数据类业务)，则依据PIT表的请求聚合度α和TotalHop，计算沿途节点的缓存概率：

下面给出路由节点缓存算法的一个示例：

进一步地，根据本发明的一个实施例，提供一种命名数据网络中包转发处理流程，包括兴趣包和数据包。

其中，兴趣包转发执行如下步骤，如图5所示：

步骤S31、若路由节点匹配到兴趣包内容名称对应缓存内容，则返回数据包，否则，执行步骤S32；

步骤S32、若路由节点待定兴趣表PIT匹配到对应内容名字的记录，则将进入端口号，端口数和路由跳数记录添加至原有流程对应PIT表，否则，将该兴趣包信息新增至当前PIT表，兴趣包路由跳数加1；

步骤S33、若路由节点的转发信息表FIB匹配到兴趣包内容，则转发该兴趣包到下一路由节点直至发布者转发，否则，丢弃该兴趣包。

当数据包的返回时执行如下步骤，如图6所示：

步骤S41：路由节点接收到内容发布者发来的数据包，首先查看数据包PendingCache字段值决定当前数据包是否需要缓存，若PendingCache字段值为0，则执行步骤S44；否则，PendingCache置1，并判断数据包的内容类型，然后执行步骤S42。

步骤S42：根据数据包的跳数DataHop和传输路径总跳数TotalHop，即IntHop与DataHop之和，计算缓存概率：若数据包内容类型字段为00，则执行步骤4；若数据包内容类型字段为01，则采用上文的基于网络边缘缓存策略计算缓存概率；若数据包内容类型字段为10，则采用上文的基于网络次边缘缓存策略计算缓存概率；若数据包内容类型字段为11，则采用上文的基于网络核心缓存策略计算缓存概率，执行步骤S43。

步骤S43：根据概率计算结果决定缓存数据包，若计算得出的概率值P大于门限概率值，则缓存数据包；否则不进行任何操作。执行步骤S44。

步骤S44：对数据包的DataHop增加1，按照路由器的默认流程将数据包依照PIT记录的端口进行转发。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种命名数据网络缓存方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、路由节点接收数据包，其中，所述数据包至少包括数据字段、缓存标识字段、内容类型字段以及路由跳数字段，所述缓存标识字段存储指示将所述数据包待定缓存到本地的第一标识或者不将所述数据包缓存到本地的第二标识，所述内容类型字段指示所述数据包的内容的业务类型；

步骤S2、在所述缓存标识字段是第一标识时，所述路由节点根据所述数据包的内容类型字段的指示以及所述路由节点在传输路径中的位置，确定在所述路由节点中缓存所述数据包的缓存概率，并与设定阈值比较以确定是否在所述路由节点中缓存所述数据包，以及将所述数据包的缓存标识字段设置为第二标识并转发所述数据包,其中，所述缓存概率根据下列公式计算:

当内容为动态类，缓存概率为：P＝0；

当内容为实时类，缓存概率为：

当内容为大数据类，缓存概率为：

当内容为小数据类，缓存概率为：

其中，α为请求聚合度，TotalHop为所述数据包当前路由跳数DataHop与对应兴趣包总路由跳数IntHop与之和；

步骤S3、在所述缓存标识字段是第二标识时，所述路由节点将所述数据包的所述缓存标识字段设置为第一标识并转发所述数据包。

2.根据权利要求1所述的一种命名数据网络缓存方法，其特征在于，所述数据包为路由节点根据兴趣包查找到符合内容名称数据后生成；所述兴趣包至少包括路由跳数字段，指示兴趣包转发跳数。

3.根据权利要求2所述的一种命名数据网络缓存方法，其特征在于，还包括步骤：所述路由节点接收兴趣包；以及在其缓存中查找，若在所述路由节点未查找到所述兴趣包内容名称指示的数据，所述兴趣包信息记录在当前路由节点后被转发至下一路由节点；否则根据查找到的内容返回数据包。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种命名数据网络缓存方法，其特征在于，所述数据包内容类型包括：动态类、实时类、大数据类和小数据类，其中，所述动态类是动态生成且重复利用率低的内容；所述实时类是静态生成且实时性要求高的内容；所述大数据类是静态生成、实时性要求低且数据量大的内容；所述小数据类是静态生成、实时性要求低且数据量小的内容。

5.根据权利要求3所述的一种命名数据网络缓存方法，在所述路由节点未查找到所述兴趣包内容名称指示的数据时，所述方法还包括：

查找PIT表，若所述路由节点的待定兴趣表PIT匹配到对应内容名字的记录，则将进入端口号，端口数和路由跳数记录添加至原有流程对应PIT表，否则，将该兴趣包信息新增至当前PIT表，兴趣包路由跳数加1；以及

若路由节点的转发信息表FIB匹配到兴趣包内容，则转发该兴趣包到下一路由节点，否则，丢弃该兴趣包。

6.一种命名数据网络缓存系统，其特征在于，至少包括用户、支持命名数据网络协议的路由节点和内容发布者，所述用户发出兴趣包通过路由节点向内容发布者请求内容数据包时，执行权利要求1-5中任一项所述的方法。

7.一种电子设备，包括中央处理器以及存储计算机可执行指令的存储器，其特征在于，所述计算机可执行指令在被执行时使所述处理器执行根据权利要求1-5中任一项所述的方法。

8.一种非易失性存储介质，其中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被执行时使处理器执行权利要求1-5中任一项的方法。

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