可配置的移动终端协作缓存方法与流程

本发明涉及移动内容分发网络技术领域，特别涉及一种可配置的移动终端协作缓存方法。

背景技术：

传统互联网中，网络带宽相对于庞大的用户访问量来说远远不够，加之网点分布不均，使得用户常常要经历较长的时延，用户体验难以提升。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种可配置的移动终端协作缓存方法，该方法能够尽量使移动终端从网络边缘获取所需内容，避免访问网络核心，减少线路拥堵，显著提升效率，从而显著增大缓存的利用效率，提升用户体验，具有广泛的适用性和灵活性。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种可配置的移动终端协作缓存方法，包括以下步骤：S1：根据预设时间内的基站的统计信息，确定基站系统的运行参数；S2：所述基站接收到节点对预设文件的请求，为所述节点分配文件请求源节点，并计算所述预设文件的全局效用值；S3：根据所述预设文件的全局效用值和缓存中其他文件的全局效用值进行缓存替换；S4：每经过预设时间间隔，更新基站系统状态和每个节点缓存文件的全局效用值。

另外，根据本发明上述实施例的可配置的移动终端协作缓存方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述S1，进一步包括：S11：所述基站在预设时间内统计系统内节点数量、节点缓存情况和被请求文件数量；S12：获取所有节点的最大上传带宽和最大下载带宽；S13：通过预设参数，确定时延与用户体验对应关系函数；S14：配置每个节点获取资源的候选节点集合；S15：根据每个节点文件请求的排名信息，确定所述节点在下一时间段内请求预设文件的概率；S16：根据所述节点在下一时间段内请求预设文件的概率，选取用户体验和服务器负载权重。

在一些示例中，在所述S13中，所述时延与用户体验对应关系函数为：

其中，t为时延变量，g(t)为用户体验，t为下载单位大小文件的时间，u和a为所述预设参数。

在一些示例中，所述S2，进一步包括：S21：确定所述节点获取所述预设文件的来源；S22：判断所述节点剩余共享缓存空间是否可以容纳所述预设文件，如果是，则直接缓存所述预设文件，并修改节点缓存矩阵的相应位置为x_in＝1，并执行步骤S32，否则进行缓存替换，并执行步骤S23；S23：计算所述节点缓存所述预设文件的全局效用值。

在一些示例中，所述S3，进一步包括：S31：将所述预设文件的全局效用值与缓存中其他文件的全局效用值进行比较，如果其他文件的全局效用值均大于所述预设文件的全局效用值，则不缓存新请求文件，否则，进行缓存替换；S32：在所述预设时间间隔内，如果基站收到新的文件请求，则返回执行所述步骤S21，否则，执行所述步骤S4。

在一些示例中，所述S21，进一步包括：S211：通过y_ij矩阵得到所述节点j可以获取所述预设文件n的源节点集合A_jn，如果节点j可以从节点i获取预设文件n，则节点i必须满足预设条件，其中，所述预设条件包括：节点i是节点j的源节点，以及节点i缓存了预设文件n；S212：如果不存在节点为节点i提供文件n，则节点i通过基站从外部核心网络获取所述预设文件n，其中，获取预设文件n的下载带宽Bw_in为节点i的最大下载带宽S213：如果存在节点可以为节点i提供预设文件n，则节点i从上传带宽最大的节点获取所述预设文件n，其中，获取预设文件n的下载带宽Bw_in为节点i下载带宽和提供预设文件n的节点的上传带宽的最小值。

在一些示例中，所述S23，进一步包括：S231：获取节点i缓存文件n后，所有未缓存文件n的节点访问文件n的平均用户体验及节点i缓存文件n前，其他所有未缓存文件n的节点访问文件n的平均用户体验User_in，并根据所述和所述User_in计算用户效用值增益ΔUser_in；S232：获取节点i缓存文件n后，所有未缓存文件n的节点从内部节点获取文件n占总请求的比重及点i缓存文件n前，所有未缓存文件n的节点从内部节点获取文件n占总请求的比重Server_in，并根据所述和所述Server_in计算服务器效用增益ΔServer_in；S233：根据步骤S16中得到的所述负载权重w，通过公式Utility_in＝ΔUser_in·w+ΔServer_in·(1-w)，计算所述节点缓存预设文件的全局效用值Utility_in。

在一些示例中，所述S231，进一步包括：按照如下公式计算平均用户体验User_in：

其中，B为基站设定单位文件大小，R_jn为预设文件n被访问的概率，Bw_jn，为预设文件n的获取带宽；

根据上述公式得到所述用户效用值增益ΔUser：

在一些示例中所述S232，进一步包括；通过如下公式计算得到所述服务器效用增益Server_in：

通过如下公式计算得到所述服务器效用增益ΔServer_in：

其中，R_jn为预设文件n被访问的概率，访问标记inner_in表示节点i请求文件是否从内部节点获得，如果从内部节点获得，则inner_in＝1，否则，inner_in＝0。

在一些示例中，在所述S31中，所述进行缓存替换，具体包括：如果丢弃全局效用值比预设文件的全局效用值小的一个或多个文件，剩余缓存空间能容纳所述预设文件，则缓存所述预设文件；如果丢全局效用值小于所述预设文件的全局效用值的多个文件，且剩余缓存空间依然不能容纳所述预设文件，则不缓存所述预设文件。

根据本发明实施例的可配置的移动终端协作缓存方法，通过对权重参数的配置，可以使优化结果综合考虑增加用户体验和减少服务器负载两个目标。在实际应用中，每个基站都可根据当前的网络状况确定各自的目标倾向，从而使算法有更广泛的实用性。通过配置用户体验和基站负载权重参数，使系统在满足用户体验良好的前提下，尽可能减少基站外部访问负载，使网络边缘化，从而减少核心网络拥塞，显著提升效率。本方法能够调动移动终端中的为开发资源，具有更好的将网络边缘化，配置的灵活化的特性，利用终端中的应用软件，本方法的操作都可以在基站完成，具有较强的经济性。另外，通过对各节点缓存的合理调度，能够显著增大缓存的利用效率，提升用户体验。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例中移动内容分发网络CDN的架构示意图；

图2是本发明实施例的可配置的移动终端协作缓存方法流程图；

图3是本发明另一个实施例的可配置的移动终端协作缓存方法的详细流程图；以及

图4是本发明一个具体实施例的可配置的移动终端协作缓存方法协作缓存示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图描述根据本发明实施例的可配置的移动终端协作缓存方法。

本发明实施例的可配置的移动终端协作缓存方法的应用环境是服务移动终端的内容分发网络(Content Delivery Network，CDN)，每个基站的范围内，都有众多移动终端，因此在本发明的实施例中，基站充当着一个中心化节点的角色，而其周围一定范围内的所有移动终端，都可当作节点。其中，结合图1所示，CDN是一种具有高性能、可扩展性、及低成本的新型网络内容服务体系。在提高内容传输服务的质量的同时，CDN能够节省骨干网络带宽，显著提高网络的整体效率和用户体验。

由于移动网络的快速发展，服务移动终端的CDN网络的整体优化显得尤为重要，其中，缓存调度是极为重要的一个环节。而在CDN网络的基础下，通过配置，能够尽量使移动终端从网络边缘获取所需内容，避免访问网络核心，减少线路拥堵，显著提升效率。本发明正是基于这一方面考虑，从缓存调度的角度实现了这一目标。本发明通过对各节点缓存的合理调度，能够显著增大缓存的利用效率，提升用户体验。

基于此，图2是根据本发明一个实施例的可配置的移动终端协作缓存方法的流程图。图3是根据本发明另一个实施例的可配置的移动终端协作缓存方法的详细流程图。如图2所示，并结合图3，该方法包括以下步骤：

步骤S1：根据预设时间内的基站的统计信息，确定基站系统的运行参数。换言之，即基站系统参数确定过程。基站根据一段时间(预设时间)内的统计信息，确定系统的运行参数。

具体地，步骤S1进一步包括：

步骤S11：基站在预设时间内统计系统内节点数量、节点缓存情况和被请求文件数量。具体地说，基站可获得系统内节点个数M，系统内文件总数N，设每个文件的体积S₁,S₂…S_N,每个节点的共享缓存容量B₁,B₂…B_M。此外，基站可知每个节点当前缓存哪些文件。基站维护一个节点缓存矩阵x_in,即当节点i缓存文件n时，x_in＝1；否则，x_in＝0。

步骤S12：获取所有节点的最大上传带宽和最大下载带宽。具体地说，基站通过终端应用获得节点的上传和下载能力。通过统计，基站可知所有节点的最大上传带宽和最大下载带宽。基站通过维护上传带宽向量和下载带宽向量并保存。

步骤S13：通过预设参数，确定时延与用户体验对应关系函数。

其中，上述的时延与用户体验对应关系函数为：

其中，t为时延变量，g(t)为用户体验，t为下载单位大小文件的时间，u和a为该函数的参数，即预设参数。此处，基站设定单位文件大小B。u和a为该函数的参数(即预设参数)，基站可以通过当前用户的总体下载时延状况推算出，具体如下：基站确定当前用户优下载带宽Bw_good和差下载带宽Bw_bad，进而可以通过t＝B/Bw求得好时延界限b和坏时延界限c。即b＝B/Bw_good,c＝B/Bw_bad。通过a＝(b+c)/2可确定参数a。基站确定好时延界限用户体验G，代入t＝b,g(t)＝G可求出u，即：

步骤S14：配置每个节点获取资源的候选节点集合。具体地说，基站通过维护y_ij矩阵确定节点j可以获取文件的源节点集合。即，若节点j可以从节点i获取文件，则y_ij＝1；否则，y_ij＝0。

步骤S15：根据每个节点文件请求的排名信息，确定节点在下一时间段内请求预设文件的概率。具体地说，基站为每个节点单独进行文件请求统计，根据这个节点的历史文件请求，可以针对一个节点的文件热度进行排名。基站维护文件热度排名矩阵Rank_jn保存此信息，若Rank_jn＝k表示对节点j而言，文件n热度排名为k。根据文件热度排名Rank_jn，可根据佐夫分布Zipf(q,α)得到该文件被访问的概率R_in。具体如下：

此处，基站需要指定佐夫分布的参数q,α。在一些示例中，例如取q＝0,α＝1.2。

步骤S16：根据节点在下一时间段内请求预设文件的概率，选取用户体验和服务器负载权重w。

步骤S2：基站接收节点j对预设文件n的请求，并计算预设文件的全局效用值。

具体地，步骤S2进一步包括：

步骤S21：确定节点获取预设文件的来源。换言之，即基站决定节点从何处获取预设文件。

具体地，步骤S21进一步包括：

步骤S211：通过y_ij矩阵得到节点j可以获取预设文件n的源节点集合A_jn，如果节点j可以从节点i获取预设文件n，则节点i必须满足预设条件。更为具体地，预设条件包括：节点i是节点j的源节点，即y_ij＝1，以及节点i缓存了预设文件n即x_in＝1。

步骤S212：如果不存在节点为节点i提供文件n，即A_jn＝，则节点i通过基站从外部核心网络获取预设文件n，其中，获取预设文件n的下载带宽Bw_in为节点i的最大下载带宽

步骤S213：如果存在节点可以为节点i提供预设文件n，则节点i从上传带宽最大的节点获取预设文件n，其中，获取预设文件n的下载带宽Bw_in为节点i下载带宽和提供预设文件n的节点的上传带宽的最小值，即

步骤S22：判断节点剩余共享缓存空间是否可以容纳预设文件，如果是，则直接缓存该预设文件，并修改节点缓存矩阵的相应位置为x_in＝1，并执行步骤S32，否则(即剩余空间不足)进行缓存替换，并执行步骤S23。

步骤S23：计算节点缓存预设文件的全局效用值Utility_in。

具体地，步骤S23进一步包括：

步骤S231：获取节点i缓存文件n后，所有未缓存文件n的节点访问文件n的平均用户体验及节点i缓存文件n前，其他所有未缓存文件n的节点访问文件n的平均用户体验User_in，并根据和User_in计算用户效用值增益ΔUser_in。换言之，即计算用户效用值增益ΔUser_in。用户效用值增益ΔUser_in定义为节点i缓存文件n后，所有未缓存文件n的节点访问文件n的平均用户体验减去节点i缓存文件n前，其他所有未缓存文件n的节点访问文件n的平均用户体验User_in。

更为具体地，步骤S231进一步包括：对于除i外的其他节点j，根据步骤S21确定其获取文件n的来源以及获取带宽Bw_jn；对于i节点本身，缓存文件n之前，使用步骤S21方法确定文件n来源，缓存文件n后，其获取文件n的带宽视为无穷大，即Bw_in＝inf。基于此，按照如下公式计算平均用户体验User_in：

其中，B为基站设定单位文件大小，R_jn为预设文件n被访问的概率，Bw_jn，为预设文件n的获取带宽。参数B,R_jn由步骤S14、步骤S15获得。

进而，根据上述公式得到用户效用值增益ΔUser：

步骤S232：获取节点i缓存文件n后，所有未缓存文件n的节点从内部节点获取文件n占总请求的比重及点i缓存文件n前，所有未缓存文件n的节点从内部节点获取文件n占总请求的比重Server_in，并根据和Server_in计算服务器效用增益ΔServer_in。换言之，即计算服务器效用增益ΔServer_in。服务器效用增益ΔServer_in定义为：节点i缓存文件n后，所有未缓存文件n的节点从内部节点获取文件n(相对于节点i从外部核心网络获取文件)占总请求的比重减去节点i缓存文件n前，所有未缓存文件n的节点从内部节点获取文件n占总请求的比重Server_in。

具体地，步骤S232进一步包括：与步骤S231类似，基站只需统计某个节点缓存某个文件前后，系统内节点从内部节点获取文件的比重即可。记访问标记inner_in表示节点i请求文件是否从内部节点获得。若从内部节点获得，则inner_in＝1，否则，inner_in＝0。基于此，可通过如下公式计算得到服务器效用增益Server_in：

进而，通过如下公式计算得到服务器效用增益ΔServer_in：

其中，R_jn为预设文件n被访问的概率，参数R_jn通过步骤S15确定。

步骤S233：根据步骤S16中得到的负载权重w，通过公式Utility_in＝ΔUser_in·w+ΔServer_in·(1-w)，计算节点缓存预设文件的全局效用值Utility_in。

S3：根据预设文件的全局效用值和缓存中其他文件的全局效用值进行缓存替换。

具体地，步骤S3进一步包括：

步骤S31：将预设文件的全局效用值与缓存中其他文件的全局效用值进行比较，如果其他文件的全局效用值均大于预设文件的全局效用值，则不缓存新请求文件(即不缓存预设文件)，否则，进行缓存替换。

具体地，在步骤S31中，进行缓存替换，具体包括：如果丢弃全局效用值比预设文件的全局效用值小的一个或多个文件，剩余缓存空间能容纳预设文件，则缓存预设文件；如果丢全局效用值小于预设文件的全局效用值的多个文件，且剩余缓存空间依然不能容纳预设文件，则不缓存预设文件。

步骤S32：在预设时间间隔Δt内，如果基站收到新的文件请求，则返回执行步骤S21，否则(即达到预设时间间隔Δt)，执行步骤S4。

步骤S4：基站周期性更新。即每经过预设时间间隔Δt，更新基站系统状态和每个节点缓存文件的全局效用值。

具体地，步骤S4进一步包括：

步骤S41：根据步骤S11至步骤S16重新确定相关参数。

步骤S42：根据步骤S23更新每个节点缓存文件的全局效用值，并返回至步骤S2。

综上，本发明实施例的可配置的移动终端协作缓存方法是通过在现有的由众多节点服务器所构成的互联网的基础上增加一层新的网络架构，即CDN。CDN将网络资源进行更优化的配置，尽力缩小用户与其所需网络内容的“距离”，使用户可以就近取得所需的内容，显著减少用户的等待时间。本发明采用内容分发网络的设计旨在尽量避开网络中可能为数据传输的速率及稳定性造成不良影响的环节，使内容传输得更快、更稳定。在CDN的基础上，网络的内容传输能够从整体进行部署，从而使数据传输效率拥有极大的优化空间。

换言之，本发明上述实施例的可配置的移动终端协作缓存方法的主要原理可概述为：在预先设计的移动CDN网络模型的基础上，采用创新算法来最大化用户获取内容的体验和基站外部访问比例的加权平均值。从全局的角度，对每个缓存决策进行多方面的评估，考虑到影响用户体验和基站外部访问核心网络的负载的诸多细节。对基站而言，基站希望用户请求尽可能地在本地满足，以最大程度减小核心网络负载，使强化边缘网络功能；对用户而言，用户希望以最佳体验获取资源。本方法根据网络的实时状态，综合考虑基站外部访问量和用户获取资源的体验。在最终整合出的缓存决策，以用户体验和基站负载的折中为核心的效用函数，利用效用函数，为每个节点缓存某一资源文件赋予一个效用值，据此进行缓存替换。从而综合考虑两个目标，优化网络的整体效率。此外，本发明具有广泛的适用性和灵活性，通过对算法中某些参数的控制可使结果趋向不同的预期目标

为了便于更好地理解本发明，以下结合附图，以具体的实施例对本发明的可配置的移动终端协作缓存方法进行详细具体地描述。

结合图4所示，在本实施例中，该方法的具体应用流程如下：

首先，基站统计系统节点数量、节点缓存情况、被请求文件量等参数。在本实施例中，如图4所示的系统中，共有M＝7个节点，N＝7个文件。设每个节点的共享缓存容量B_m均为1000Mb，每个文件的大小S_n均为333Mb。节点4缓存了文件4、文件5和文件7，则x₄₄＝x₄₅＝x₄₇＝1。

图4中节点图例中标出了上传和下载带宽。对于节点4，

然后，基站确定时延-用户体验对应关系函数。在图4所示的系统中，基站确定单位文件大小B＝1000Kb，优下载带宽Bw_good＝500kbps，差下载带宽Bw_bad＝100kbps。据此，可求得b＝2s，c＝10s，故a＝6s。取G＝0.943，可求得u≈0.7。故图4所示系统中时延和用户体验的关系为：

之后，基站配置每个节点获取资源的候选节点集合，除了节点4，每个节点都可以从其相邻节点获取文件；节点4可以从节点1、2、6、7获取文件。则对于节点4，y₁₄＝y₂₄＝y₆₄＝y₇₄＝1；对于节点3，y₁₃＝y₄₃＝y₆₃＝1，其他节点类似。

基站需要指定佐夫分布的参数q和α。在本实施例中，取q＝0,α＝1.2，设文件1对于不同节点的热度排名为一向量Rank_i1，Rank_i1＝[5,7,6,5,3,4,2]。则其访问频率向量Rank_i1＝[0.145,0.097,0.116,0.145,0.268,0.189,0.435]。

在指定用户体验和服务器负载权重w时。取一折中权重值，如w＝0.5。

当基站接收到某节点的请求后，基站决定该节点从何处获取该文件。

例如，若节点3请求文件2，则基站通过向量可知节点3可以从节点1、4、6获取文件，但只有节点1和节点6缓存了文件2，则节点3只可以从节点1和节点6获取文件2，即A₃₂＝{1,6}。但由于节点1的上传带宽(300kbps)大于节点6的上传带宽(100kbps)，故节点3从节点1获取文件2。

节点4请求文件1之前，系统内节点获取文件1的情况为：节点1从外部获得，速度为600kbps；节点2从节点5获得，速度200kbps；节点3从外部获得，速度400kbps；节点4从节点7获得，速度100kbps；节点6从节点7获得，速度100kbps。采用步骤S14和步骤S15中的参数值，代入平均用户体验计算公式可以求得User₄₁＝0.475518033849。同理，在节点4缓存文件1后，系统内各节点获取文件1的情况为：节点1从节点4获得，速度200kbps；节点2从节点5获得，速度200kbps；节点3从节点4获得，速度200kbps；节点4从本身获得，速度无穷大；节点6从节点7获得，速度200kbps。此时，计算平均用户体验。求得故求得ΔUser＝0.259018718371。此外，求得Server₄₁＝0.622569222537，则ΔServer_in＝0.377430777463。根据所得参数，节点4缓存文件1的全局效用值应为Utility₄₁＝0.306383542008，节点4的缓存文件的全局效用值分别为Utility₄₄＝0.1，Utility₄₅＝0.2，Utility₄₇＝0.3。根据步骤S233中的示例，Utility₄₁＝0.306383542008。因Utility₄₄最小，故节点4应该丢弃文件4，缓存文件1。

综上，本发明实施例的方法相对于传统的缓存调度策略，具有更良好的全局性思考，将优化的中心放在最直观且根本的目标，即提升用户体验上，能够更高效地提高数据传输效率。在建模过程中利用多种数学工具对实际环境进行更为贴切的模拟，保证了算法的高可行性和实用性。

另外，当某节点缓存空间已满，此时收到对不存在于缓存空间中的文件的请求时，则需要利用此算法进行权衡，以决定是否缓存该新文件且应当替换缓存空间中的哪个文件。

进一步地，本发明从全局角度进行缓存优化，通过对某缓存某文件带来的全局收益角度来配置每个节点的缓存空间，能够从更全面的角度提升用户体验并降低服务器负载。且具有可倾向于多个目标的特点，通过对算法中权重参数的设置，可使算法倾向于提升用户体验或减轻服务器负载两个目标。在此策略的作用下，整个网络能够更为灵活地得到总体效率的优化。

根据本发明实施例的可配置的移动终端协作缓存方法，通过对权重参数的配置，可以使优化结果综合考虑增加用户体验和减少服务器负载两个目标。在实际应用中，每个基站都可根据当前的网络状况确定各自的目标倾向，从而使算法有更广泛的实用性。通过配置用户体验和基站负载权重参数，使系统在满足用户体验良好的前提下，尽可能减少基站外部访问负载，使网络边缘化，从而减少核心网络拥塞，显著提升效率。本方法能够调动移动终端中的为开发资源，具有更好的将网络边缘化，配置的灵活化的特性，利用终端中的应用软件，本方法的操作都可以在基站完成，具有较强的经济性。另外，通过对各节点缓存的合理调度，能够显著增大缓存的利用效率，提升用户体验。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。