CN111628933A - 一种信息中心网络中基于内容关联性的路径缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息中心网络的缓存决策技术领域，具体涉及一种信息中心网络中基于内容关联性的路径缓存方法。本发明通过找出与历史流行内容相关性最强的内容，发现目标内容与节点存储内容之间的相关性，同时考虑节点在路径中的位置，进行缓存决策。本发明具有较好的缓存命中率性能，可以综合根据节点在转发路径上的位置偏移和内容与当前节点其他流行内容之间的相关性作出缓存决策，能够及时节点频繁访问的内容的改变。本发明具备较好的适应性和弹性，能够适应网络拓扑的改变。

Description

一种信息中心网络中基于内容关联性的路径缓存方法

技术领域

本发明属于信息中心网络的缓存决策技术领域，具体涉及一种信息中心网络中基于内容关联性的路径缓存方法。

背景技术

信息中心网络(ICN)作为一种颠覆性的新型通信网络模型，近几年成为未来网络体系结构研究领域中的热点。ICN以信息为中心，直接使用信息名字实现数据的标识、检索和路由转发。信息中心网络将缓存作为内建结构，节点默认存储所有流经的数据，方便后续请求被尽快响应。在实际的网络中，一个信息的传播与流行趋势随时间不断发生改变，不同时间段内，信息的流行程度不同。已有的一些研究中，要么只考虑了节点的属性、网络结构或者缓存方法本身，而忽略了内容的特点，如经典的LCE、LCD等；要么使用深度学习等方法，分析内容的流行趋势，综合考虑节点的状态和内容的流行趋势等，些研究中提出的缓存方法都没有考虑经过同一节点的兴趣包所请求内容之间的关联，即同一个节点在不同时刻高频访问的内容之间具有一定的相关性。

发明内容

本发明的目的在于提供解决现有技术中对内容之间相关性的忽略的问题，具有较好的缓存命中率性能，可以综合根据节点在转发路径上的位置偏移和内容与当前节点其他流行内容之间的相关性作出缓存决策的一种信息中心网络中基于内容关联性的路径缓存方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括以下步骤：

步骤1：请求节点产生兴趣包，兴趣包中的hop字段初始化为0；请求节点将兴趣包沿路径转发到下一个路由节点；

步骤2：节点收到兴趣包后，将兴趣包中的hop字段加一；

步骤3：若当前节点是内容源节点或者中间缓存节点，则兴趣包到达传输终点，节点将兴趣包中的hop字段值保存到变量maxhop中；节点构建包含变量maxhop的数据包，并将数据包沿原路径返回至请求节点；

若当前节点不是内容源节点或者中间缓存节点，则节点按照FIB从端口将兴趣包转发给下一个路由节点，返回步骤2；

步骤4：数据包从内容源节点或者中间缓存节点返回至请求节点；数据包途径的节点除了要完成数据包的路由转发，还需要判断是否需要存储数据包中的数据，具体判断方法为：

步骤4.1：节点收到数据包后，分析数据包中内容与本地流行内容的关联性，计算目标内容与本地CS中一缓存内容的相关度ξ；

步骤4.2：节点根据数据包中的hop字段，提取当前节点在转发路径上的相对位置信息，通过归一化处理，计算出当前节点相对于请求节点的位置偏移度h；

步骤4.3：计算当前节点在路径上对于目标内容的缓存优先度ψ；

ψ＝ξ+h+p

其中，p为随机因子；

步骤4.4：判断当前节点在路径上对于目标内容的缓存优先度ψ是否小于设定的阈值ψ′；

若ψ＜ψ′，则当前节点不储存数据包中的数据；

若ψ≥ψ′，则当前节点将数据包中的内容存储到本地CS中。

本发明的有益效果在于：

本发明通过找出与历史流行内容相关性最强的内容，发现目标内容与节点存储内容之间的相关性，同时考虑节点在路径中的位置，进行缓存决策。本发明具有较好的缓存命中率性能，可以综合根据节点在转发路径上的位置偏移和内容与当前节点其他流行内容之间的相关性作出缓存决策，能够及时节点频繁访问的内容的改变。本发明具备较好的适应性和弹性，能够适应网络拓扑的改变。

附图说明

图1是本发明的兴趣包和数据包格式示意图。

图2为实验对比分析图。

图3为本发明中兴趣包处理的伪代码图。

图4是本发明中数据包处理的伪代码图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

针对现有研究对内容之间相关性的忽略，利用节点先后访问的内容之间存在可能存在某种相关性的特点，本发明设计了基于内容关联性的路径缓存方法OPCCC(On-PathCaching based on Content Correlation)，找出与历史流行内容相关性最强的内容，通过发现目标内容与节点存储内容之间的相关性，同时考虑节点在路径中的位置，进行缓存决策。

本发明具有较好的缓存命中率性能，可以综合根据节点在转发路径上的位置偏移和内容与当前节点其他流行内容之间的相关性作出缓存决策，能够及时节点频繁访问的内容的改变。系统访问延迟与典型缓存方法LCD等基本相同，缓存命中率有提升。本发明具备较好的适应性和弹性，能够适应网络拓扑的改变。

本发明中兴趣包和数据包沿路径逐跳转发，途径的每个节点都需要执行相关性分析，以获取内容与当前节点的流行内容之间的关联程度。之后由缓存决策方法根据相关度和当前节点在路径上的相对位置，计算内容在当前节点的缓存优先度。通过将缓存优先度与系统设定的阈值进行比较，决定当前节点是否需要存储目标内容。如果缓存优先度大于系统设置的阈值，则将目标内容添加到当前节点的CS中，以备后续兴趣包就近响应；否则，当前节点不存储该内容。

相关度的分析由路由节点中的相关性分析模块实现。在进行关联度挖掘之前，节点需要在本地构建请求记录集R，之后按照Apriori算法生成频繁2项集，利用频繁2项集计算目标内容与节点其他内容的相关度。Apriori算法是一种经典的规则关联挖掘算法，其利用迭代的思想找出频繁项集，然后根据频繁项集产生期望的规则，从而提取出数据之间的关联性，指导决策的制定，已经广泛用于消费市场的购物篮分析、网络入侵检测技术、科研数据分析等领域中。Apriori算法有两个目标：(1)挖掘频繁项集；(2)发现关联规则。在生成频繁项集时，首先根据记录集合生成所有单个内容构成的项集列表，即长度为1的候选集，然后扫描记录集，通过剪枝的方法去掉不满足最小支持度的项集。对剩下的项集进行连接操作生成候选集2-项集。循环上述操作，逐层生成k-频繁项集，直到不能再产生新的候选项集为止。因此，Apriori算法具有频繁扫描整个记录集、产生大量中间结果的缺点。在本发明对内容相关度的分析中，只生成频繁项集进行相关度的计算，不生成关联规则。为了减少算法的迭代操作，减小对整个内容请求记录集的扫描次数，避免生成大量不必要的候选集，本节利用频繁2项集来计算相关度。算法挖掘出2-项频繁项集即可停止，利用频繁2项集进行相关度的计算。

对目标内容和当前节点其他流行内容的相关度分析使系统能够及时感知用户的访问喜好，并调整缓存决策，尽可能准确的挑选相关性大的内容进行存储；同时考虑节点在路径上的位置偏移，选择距离用户更近的节点作为缓存部署节点，理论上具有较好的缓存性能。

当节点从网络中接收到其他节点的兴趣包时，除了要根据NDN中的执行流程、默认路由规则对兴趣包进行处理外，还需要初始化相关性分析模块，包括请求记录集的构建、频繁2项集的生成；同时更新兴趣包中的hop字段，为缓存决策收集节点在路径上的位置信息。

兴趣包中的hop字段由产生兴趣包的请求节点初始化为0。之后兴趣包沿路径每到达一个路由节点，节点将兴趣包中的字段加一，然后按照FIB从端口转发给下一跳节点。节点收到兴趣包时，首先判断是否能够提供兴趣包中的请求的内容。如果兴趣包到达了内容源节点或者中间缓存节点，则兴趣包到达传输终点，此时兴趣包中hop字段值即为兴趣包沿路径传输所经过的节点总数，由内容源节点或中间缓存节点将此时的hop字段值保存到变量maxhop中，在节点构建数据包返回响应时被添加到数据包中。

当数据包从内容源节点或者中间缓存节点返回时，在这个过程中，节点除了要完成数据包的路由转发，还需要根据缓存决策机制决定是否需要存储当前转发的数据。具体包括以下四个步骤：

(a)分析当前转发数据与本地流行内容的关联性，计算目标内容与本地CS中一缓存内容的相关度ξ。

(b)根据兴趣包中的hop字段，提取当前节点在转发路径上的相对位置信息，通过归一化处理，计算出当前节点相对于请求节点的位置偏移度h。

其中，max_1≤i≤pl{hop_i}表示数据包转发的路径中最大的hop值，min_1≤i≤pl{hop_i}表示数据包转发的路径中最小的hop值；pl指的是数据包转发的路径中的节点数目。

(c)根据上述操作计算出的相关度和位置偏移度，计算当前节点在路径上对于目标内容的缓存优先度ψ。

将(c)中计算出的当前节点的缓存优先度ψ与阈值ψ′比较，如果ψ≥ψ′，将当前转发的数据包携带的内容存储到CS中；否则，不在当前节点存储该内容。查询PIT表，将数据包从兴趣包到达的端口转发出去。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种信息中心网络中基于内容关联性的路径缓存方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：请求节点产生兴趣包，兴趣包中的hop字段初始化为0；请求节点将兴趣包沿路径转发到下一个路由节点；

步骤2：节点收到兴趣包后，将兴趣包中的hop字段加一；

步骤3：若当前节点是内容源节点或者中间缓存节点，则兴趣包到达传输终点，节点将兴趣包中的hop字段值保存到变量maxhop中；节点构建包含变量maxhop的数据包，并将数据包沿原路径返回至请求节点；

若当前节点不是内容源节点或者中间缓存节点，则节点按照FIB从端口将兴趣包转发给下一个路由节点，返回步骤2；

步骤4：数据包从内容源节点或者中间缓存节点返回至请求节点；数据包途径的节点除了要完成数据包的路由转发，还需要判断是否需要存储数据包中的数据，具体判断方法为：

步骤4.1：节点收到数据包后，分析数据包中内容与本地流行内容的关联性，计算目标内容与本地CS中一缓存内容的相关度ξ；

步骤4.2：节点根据数据包中的hop字段，提取当前节点在转发路径上的相对位置信息，通过归一化处理，计算出当前节点相对于请求节点的位置偏移度h；

步骤4.3：计算当前节点在路径上对于目标内容的缓存优先度ψ；

ψ＝ξ+h+p

其中，p为随机因子；

步骤4.4：判断当前节点在路径上对于目标内容的缓存优先度ψ是否小于设定的阈值ψ′；

若ψ＜ψ′，则当前节点不储存数据包中的数据；

若ψ≥ψ′，则当前节点将数据包中的内容存储到本地CS中。

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