CN115174471B - 一种icn路由器存储单元的缓存管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ICN路由器存储单元的缓存管理方法，所述方法包括：接收网络数据块，将网络数据块缓存在预先建立的第一缓存列表并记录缓存的时间戳；根据第一缓存列表中每个数据块的时间戳得到对应的保留时间；将第一缓存列表中保留时间超过第一时间阈值的数据块转移至预先建立的第二缓存列表；将第一缓存列表或第二缓存列表中被缓存命中的数据块转移至预先建立的第三缓存列表；将第三缓存列表中未被缓存命中时间超过第二时间阈值的数据块转移至第二缓存列表；当ICN路由器存储单元的存储空间不足时，从第二缓存列表中选择未被缓存命中时间最长的数据块并将其删除。本发明提高了缓存数据查询命中率，提高了缓存空间的利用率。
Description
技术领域
本发明涉及通信缓存技术领域，尤其涉及一种ICN路由器存储单元的缓存管理方法。
背景技术
随着互联网的发展，新应用、新服务不断出现，几乎所有东西都能在互联网上找到，网络流量呈爆炸式增长。根据Cisco的预测，未来5年，全球IP流量将增长近3倍，到2022年全球的IP流量预计增长到每月396EB。在大数据时代，内容和内容服务逐渐成为网络应用的主题。
日益增长的内容获取需求促使学术界构思将以主机为中心的通信模式转变为以内容为中心，随即提出了多种以信息为中心的网络(information-centric networking，英文缩写为ICN)架构。ICN是当前互联网架构端到端的通信范例的替代方案，基于发布-订阅模式，侧重于内容的分发和检索。ICN网络架构有两个最重要的特征：一是路由器拥有存储能力，可以实现网内内置缓存；二是内容有全局唯一的命名标识，ICN完全抛弃了IP网络用IP地址为每个主机命名的方式，而是对内容进行命名，路由器根据命名标识进行路由和存储决策。网内缓存减少了用户获取内容的时延、节省网络带宽和缓解网络拥塞；而根据命名对内容传播和路由的方式有助于多源内容检索、内容快速传播和对移动位置的支持。
ICN网内缓存有以下特征:无处不在的缓存节点、统一的缓存平台、有限的缓存容量、缓存容量和网络流量相互影响。ICN缓存新特征在带来挑战的同时也带来了新的机遇,促使国内外学者从不同方面对其进行研究。ICN缓存主要需要研究的内容包括:决定将内容对象放置在网络中哪个路由器的缓存决策策略、决定移除哪些数据对象以放置新到达内容对象的缓存替换策略、确定单个网络或者节点缓存空间大小的容量部署方案、优化缓存网络的拓扑结构四个方面。
现有ICN研究项目及缓存解决方案，其中包括：UC Berkeley提出的DONA，SAIL和其后继项目4WARD，欧盟提出的PSIRP和其后继项目PURSUIT，COMET，美国的CCN项目和其后继项目NDN和MobilityFirst等。这些研究项目先后探索并提出了一系列全新的未来网络体系结构，并从各个方面研究论证了未来网络所应该具备的基本框架和特征，为未来协议体系设计做了充分的理论和技术储备。
DONA允许RH(解析处理器)对内容发现信息进行缓存，因此对于同一内容的不同FIND信息可以被聚合。在缓存方面，DONA支持on-path方式的缓存，其实现方式依赖于RH基础设施。任何RH节点在收到内容并将其回传之前，都可选择是否缓存该内容。PURSUIT既支持on-path方式的缓存，也支持off-path的方式，但是on-path缓存方式在PURSUIT下可能会比较低效，其主要原因是名字解析和路由的解耦使得对于相同的内容的请求未必通过同一条路径。相比较而言，off-path缓存的方式下，通过发布者对缓存的操作，可以将有用的缓存信息通告RENE，从而实现更好的缓存效率。MobilityFirst在缓存方面，支持on-path方式的机会缓存。从安全性的角度考虑，MobilityFirst为名字校验采用了去中心化的信任模型，为此采用了独立的名字机制来将人可读的名字转换为GUID。GUID和所对应的实体可以通过密码机制进行绑定。
虽然关于上述信息中心网络ICN研究以及缓存解决方案，比如DONA、PURSUIT、MobilityFirst等方法都具有各自的优点，但是，目前仍然缺乏一种基于ICN路由器存储单元的缓存管理方法。ICN中路由器缓存容量和网络流量之间相互影响。一方面,路由器上交付的流量会影响容量的部署,网络流量较大的路由器处应该部署足够的缓存容量。另一方面,路由器的缓存功能可以减少向上游节点传输的网络流量,减少用户获取数据的时延。合理地规划缓存容量以及高缓存命中的缓存管理才能处理好缓存研究面临的挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种ICN路由器存储单元的缓存管理方法。
为了实现上述目的，本发明提出了一种ICN路由器存储单元的缓存管理方法，所述方法包括：
接收网络数据块，将网络数据块缓存在预先建立的第一缓存列表并记录缓存的时间戳；
根据第一缓存列表中每个数据块的时间戳得到对应的保留时间；
将第一缓存列表中保留时间超过第一时间阈值的数据块转移至预先建立的第二缓存列表；
将第一缓存列表或第二缓存列表中被缓存命中的数据块转移至预先建立的第三缓存列表；
将第三缓存列表中未被缓存命中时间超过第二时间阈值的数据块转移至第二缓存列表；
当ICN路由器存储单元的存储空间不足时，从第二缓存列表中选择未被缓存命中时间最长的数据块并将其删除。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：
当第三缓存列表中的数据块被缓存命中时，记录该数据块被缓存命中的时间戳；
遍历第三缓存列表中每个数据块的时间戳，判定时间戳是否为该数据块最新一次被缓存命中的时间戳，如果为是，则保留该时间戳；否则清除超出频率统计时间范围的时间戳。
作为上述方法的一种改进，所述方法还包括：
当ICN路由器存储单元的服务负载过重时，根据第三缓存列表中每个数据块的大小以及最近的预设时间段内被缓存命中的频率，计算出每个数据块对应的平均负载流量；
选择平均负载流量符合降低服务负载需求的一个或多个数据块，并迁移至临近的目标ICN路由器。
作为上述方法的一种改进，所述目标ICN路由器的具体确定方法为：
向名字解析系统发送报文请求，所述报文请求包括网络时延和跳数限定参数，接收名字解析系统返回的ICN路由器网络地址列表；
与ICN路由器网络地址列表中的ICN路由器进行信息的交互，所述信息包括剩余存储空间和负载状态；
根据交互的信息确定目标ICN路由器。
作为上述方法的一种改进，所述第一时间阈值根据ICN路由器存储单元的大小、第二缓存列表的长度以及第三缓存列表的长度计算得到
与现有技术相比，本发明的优势在于：
本发明的方法可以提高ICN路由器中的缓存查询命中率，提高了缓存空间的利用率。
附图说明
图1是本发明的ICN路由器存储单元的缓存管理方法流程图；
图2是本发明的缓存管理方法数据块在三个缓存列表中流转的示意图；
图3是本发明的缓存管理方法在ICN路由器存储不足以及服务负载过重时的方法流程图。
具体实施方式
本发明的技术方案如下：
(1)路由器收取数据报文且组装网络数据块；
(2)路由器组装好网络数据块后，缓存到本节点
(3)缓存到该存储路由器的网络数据块缓存管理包含三个数据块缓存列表，数据块被缓存时，被记录在第一缓存列表中，第一缓存列表中的数据块保留时间超过第一时间阈值后，数据块被转移到第二缓存列表中记录；
(4)第一缓存列表或第二缓存列表中的数据块被缓存命中后，数据块被转移到第三缓存列表中记录，第三缓存列表中记录的数据块会记录数据块被缓存命中的次数和频率；
(5)第三缓存列表中的数据块未被缓存命中时间超过第二时间阈值时，数据块被转移到第二缓存列表中记录；
(6)ICN路由器存储单元存储空间不足时，从第二缓存列表中选择未被缓存命中时间最长的数据块删除；
(7)ICN路由器存储单元服务负载过重时，从第三缓存列表中选择最近一段时间内被缓存命中频率符合降低服务负载需求的数据块，然后通过名字解析系统查询临近的其它ICN路由器，将数据块迁移到其它ICN路由器。
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，为本发明的ICN路由器存储单元的缓存管理方法流程图。预先建立了三个缓存列表。ICN路由器缓存管理包含三个数据块缓存列表。具体步骤如下：
(1)数据块被缓存时，记录在第一缓存列表中；
(2)第一缓存列表中的数据块保留时间超过第一时间阈值后，数据块被转移到第二缓存列表中记录；
(3)第一缓存列表或第二缓存列表中的数据块被缓存命中后，数据块被转移到第三缓存列表中记录，第三缓存列表中记录的数据块会记录数据块被缓存命中的次数和频率；
(4)第三缓存列表中的数据块未被缓存命中时间超过第二时间阈值时，数据块被转移到第二缓存列表中记录；
更进一步地，如图2所示，第一缓存列表中的数据块保留时间超过第一时间阈值，在数据块被缓存时，记录下缓存时间的时间戳，然后根据时间戳计算数据块保存时间长度。第一时间阈值的取值可以通过存储空间大小，第二缓存列表长度和第三缓存列表长度等参数计算得出。
更进一步地，第三缓存列表中记录的数据块会记录数据块被缓存命中的次数和频率，第三缓存列表的数据块每次被缓存命中时，都会记录下时间戳，并定期清除已经超出频率统计时间范围的时间戳记录。特殊的，需要始终保留最后一次缓存命中的时间戳。
具体地，本发明中的存储不足以及服务负载的缓存管理方法流程图如图3所示，
当ICN路由器存储单元存储空间不足时，从第二缓存列表中选择未被缓存命中时间最长的数据块删除；
当ICN路由器存储单元服务负载过重时，从第三缓存列表中选择最近一段时间内被缓存命中频率符合降低服务负载需求的数据块，然后通过名字解析系统查询临近的其它ICN路由器，将数据块迁移到其它ICN路由器。
更进一步地，第三缓存列表中选择最近一段时间内被缓存命中频率符合降低服务负载需求的数据块，根据数据块的大小和最近一段时间内被缓存命中频率计算出该数据块所对应的平均负载流量大小，根据降低服务负载需求从第三缓存列表中选择合适的数据块进行迁移，可以选择一个或多个数据块。
更进一步地，通过解析系统查询临近的其它ICN路由器，ICN路由器向名字解析系统请求附近的其它ICN路由器网络地址列表，请求报文中可以包含网络时延、跳数等限定参数，名字解析系统会返回符合限定条件的ICN路由器网络地址列表。
更进一步地，将数据块迁移到其它ICN路由器，ICN路由器可以根据名字解析系统返回的ICN路由器网络地址列表，与列表内的其它ICN路由器交互信息，包括但不限于剩余存储空间、负载状态等信息，根据这些信息选择合适的ICN路由器作为数据块迁移的目标。
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 (4)
1.一种ICN路由器存储单元的缓存管理方法，所述方法包括：
接收网络数据块，将网络数据块缓存在预先建立的第一缓存列表并记录缓存的时间戳；
根据第一缓存列表中每个数据块的时间戳得到对应的保留时间；
将第一缓存列表中保留时间超过第一时间阈值的数据块转移至预先建立的第二缓存列表；
将第一缓存列表或第二缓存列表中被缓存命中的数据块转移至预先建立的第三缓存列表；
将第三缓存列表中未被缓存命中时间超过第二时间阈值的数据块转移至第二缓存列表；
当ICN路由器存储单元的存储空间不足时，从第二缓存列表中选择未被缓存命中时间最长的数据块并将其删除；
当第三缓存列表中的数据块被缓存命中时，记录该数据块被缓存命中的时间戳；
遍历第三缓存列表中每个数据块的时间戳，判定时间戳是否为该数据块最新一次被缓存命中的时间戳，如果为是，则保留该时间戳；否则清除超出频率统计时间范围的时间戳。
2.根据权利要求1所述的ICN路由器存储单元的缓存管理方法，其特征在于，所述方法还包括：
当ICN路由器存储单元的服务负载过重时，根据第三缓存列表中每个数据块的大小以及最近的预设时间段内被缓存命中的频率，计算出每个数据块对应的平均负载流量；
选择平均负载流量符合降低服务负载需求的一个或多个数据块，并迁移至临近的目标ICN路由器。
3.根据权利要求2所述的ICN路由器存储单元的缓存管理方法，其特征在于，所述目标ICN路由器的具体确定方法为：
向名字解析系统发送报文请求，所述报文请求包括网络时延和跳数限定参数，
接收名字解析系统返回的ICN路由器网络地址列表；
与ICN路由器网络地址列表中的ICN路由器进行信息的交互，所述信息包括剩余存储空间和负载状态；
根据交互的信息确定目标ICN路由器。
4.根据权利要求1所述的ICN路由器存储单元的缓存管理方法，其特征在于，所述第一时间阈值根据ICN路由器存储单元的大小、第二缓存列表的长度以及第三缓存列表的长度计算得到。
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