节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法
【专利摘要】本发明涉及一种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法，属于机会网络分布式协作缓存【技术领域】。该方法针对当前节点缓存效率较低的问题，通过感知消息扩散状态，动态估计消息的权重值，采用相遇概率估计方法，预测节点与消息目标节点的相遇概率；然后，基于消息源节点的不同将消息分类缓存，赋予不同的缓存优先级，采用协作分区缓存替换机制，以协作的方式将节点缓存内的消息进行替换，以此提高节点的缓存效率；最后，针对传统的缓存管理机制中盲目删除消息导致消息投递率下降的问题，采用分布式协作缓存转移机制，通过预先动态选取节点的top-k协作节点集，在节点缓存将存满时把节点缓存内的消息转移至通信范围内的协作节点，从而提高消息的投递概率。
【专利说明】节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机会网络分布式协作缓存【技术领域】，涉及一种节点与消息状态联合感 知的分布式协作缓存方法。
【背景技术】
[0002] 随着普适计算技术的发展和移动应用环境的逐渐成熟，机会网络得到了广泛的关 注。机会网络是无线移动自组网中的一种特殊场景，网络中的节点分布比较稀疏并且频繁 的移动造成了节点之间间歇性的连接，源节点和目的节点之间可能不存在端到端的路径。 在这种情况下，人们提出了使用"存储-携带-转发"的异步路由方式来传送消息，即节点 在缓存中存储需要发送的消息，利用随机运动过程中与其他节点的相遇机会，将消息副本 转发给合适的节点，重复这样的动作，直到将消息成功传递给目标节点。但是由于节点移动 频繁且范围较大，使得消息端到端的延时较长，导致消息在网络中滞留较长时间，中继节点 的存储空间消耗较快，显然，对于节点处理能力、存储空间等比较有限的情况下，合理高效 的节点协作缓存机制能够提高网络整体性能。
[0003] 由于机会网络的间断时间往往比连接时间还长，节点间不能实时建立连接通路， 相比端到端连接的传统网络而言，机会网络对节点有限缓存资源的合理利用更敏感。因为 现有的机会网络路由协议中大多采用"存储-携带-转发"机制，在节点缓存有限的情况下， 节点携带信息量大，常常发生节点缓存溢出，盲目删除消息，直接导致消息投递率急剧下降 和网络负载急剧增加，因此对机会网络中缓存的管理尤为重要。由于机会网络中节点的社 会属性会使彼此之间存在或强或弱的关系，节点之间可以进行协作缓存，在当前节点缓存 已满的情况下，可以进一步利用协作节点的缓存空间。然而机会网络的移动性和资源的有 限，因此有线网络中的协作缓存机制并不适用于机会网络。
[0004] 目前，国内外研究人员已提出多种基于无线环境下的协作缓存机制。 Honglong Chen, Wei Lou 在"GAR:Group aware cooperative routing protocol for resource-constraint opportunistic networks，TComputer Communications，vol. 48,pp. 20-29, 2014】中利用幽灵消息和消息投递前后的差值赋予消息不同的传输优先级和存储优 先级，以此在有限的相遇持续时间内最大限度地转发消息。同时以消息副本数为参数，衡量 消息的重要程度，避免删除重要的消息。GaoW, Cao G, Iyengar A在"Cooperative caching for efficient data access in disruption tolerant networks" [IEEE Transactions on Mobile Computing, vol. 3, no. 13, pp. 611-625, 2014】中根据消息的转发概率来确定网 络中心节点范围，并基于历史相遇信息动态选取最优缓存节点，进而协调多个缓存节点之 间消息有效传输，以确保节点缓存效率与缓存开销之间的均衡。Zhuo X，Li Q，Cao G在 "Social-based cooperative caching in DTNs:a contact duration aware approach，' [Proceedings of the 8th IEEE International Conference on Mobile Ad-hoc and Sensor Systems (MASS 2011)，Valencia, Spain, pp. 92-101，2011 】中利用社区结构中节点 间的社会关系估计节点的缓存能力，从而确定消息的协作缓存节点，并利用边际缓存机制 自适应控制消息副本数。Wang T，HuiP, Kulkarni S R 在"Cooperative Caching based on File Popularity Ranking in Delay Tolerant Networks" 【Proceedings of the 4th Extreme Conference on Communication, Zurich, Switzerland, 2012]中构建了基于DTN特 点的网络模型，验证了消息的知名度服从齐普夫定律分布，并对消息进行排名，从而制定了 基于消息排名的协作缓存机制。
[0005] 在稀疏间断的机会网络中，由于链路的持续时间有限，导致消息在大部分时间内 被存储在节点有限的缓存中，缓存空间消耗较快。而且研究表明，消息的扩散状态及节点的 活跃程度与消息被投递成功的概率相关，扩散程度较高的消息通过活跃程度较高的节点携 带，与目标节点相遇的机会较多，从而大大提高了消息的投递概率。再加上网络节点之间存 在较强依赖关系，在节点缓存资源有限的情况下，携带多余的消息将导致当前节点缓存迅 速饱和，无法存储后续到来的消息，因此可以充分利用当前节点的协作节点来存储消息，从 而改善消息的投递概率及节点的缓存效率。然而上述文献中所提出的协作缓存机制均没有 考虑节点的活跃程度和消息的扩散状态，也没有将节点的相遇持续时间和相遇概率同时反 映在协作节点的选取上，特别是没有根据消息源节点的不同将消息分类缓存，可见，这些机 制存在一定程度的局限性。
[0006] 目前，大部分协作缓存机制的当前节点缓存效率较低，均没有考虑节点的活跃程 度及消息的扩散状态与划分节点缓存，在当前节点缓存已满的情况下，盲目删除消息导致 消息的投递概率下降；而且当选取协作节点时，没有综合考虑节点的相遇持续时间和相遇 概率，使得协作节点集选取不当，从而占用其他节点有限的缓存资源。
【发明内容】
[0007] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓 存方法，该方法针对当前节点缓存效率较低的问题，通过感知消息扩散状态，动态估计消息 的权重值，并提出相遇概率估计方法，预测节点与消息目标节点的相遇概率；然后，基于消 息源节点的不同将消息分类缓存，赋予不同的缓存优先级，从而设计了协作分区缓存替换 机制，以协作的方式将节点缓存内的消息进行替换，以此提高节点的缓存效率；最后，针对 传统的缓存管理机制中盲目删除消息导致消息投递率下降的问题，采用分布式协作缓存转 移机制，通过预先动态选取节点的t〇p-k协作节点集，在节点缓存将存满时把节点缓存内 的消息转移至通信范围内的协作节点，从而提高消息的投递概率。
[0008] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0009] -种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法，包括估计消息权重值、估 计节点间相遇概率、基于消息源节点缓存分区、选取协作节点集、分布式协作缓存替换及转 移机制；
[0010] 查询本地相遇状态矩阵SM得到给定消息在目标社区中的扩散程度Sd(t)和在 任意其他社区的扩散程度St (t)，获取给定消息的扩散程度S (t)，从而估计消息的权重值 W(t)；
[0011] 通过获取的网络信息、当前节点与网络中其他节点的相遇次数Iii (t)及全网节点 相遇总次数N(t)估算节点活跃程度Li (t)及针对消息目标节点的定向活跃程度01id(t)，并 结合节点与目标节点在仁内相遇的概率Fid(tJ估计出节点的相遇概率Pid(t);
[0012] 继而根据消息源节点的不同对节点缓存进行分区，划分为本地缓存区和协作 缓存区Qf.,同时，估算出节点本地缓存区的最大队列长度和协作缓存区的最小队列 长度Q Crain ^ 分类存储消息；
[0013] 根据节点间的相遇概率Fid(t,)与相遇持续时间S u推导出归一化协作系数亡,(， 选取前k个协作系数最大的节点作为节点i的top-k协作缓存节点集? i ;
[0014] 当相遇节点j有剩余缓存空间时，采用协作缓存替换机制，分别计算节点i和节 点j与消息目标节点d间相遇概率Pid(t)和Pjd(t)，并比较大小，若Pid(t) <Pjd(t)时， 将节点i本地缓存区中节点j有较高相遇概率的消息复制到节点j的协作缓存区内；若 Pid(t) > Pjd(t)时，节点i接收节点j发送的节点i有较高相遇概率的消息，存储在节点i 的协作缓存区；当节点缓存满时，则采用协作缓存转移机制，依据节点间的协作系数从 通信范围内选取合适的协作节点，并将节点本地消息转移至协作节点，如果没有合适的协 作节点，则按照消息的权重值优先删除节点本地缓存区的消息；至此，重复以上步骤，直至 网络中消息全部投递完毕。
[0015] 进一步，通过查询节点i的相遇状态表项信息MTp相遇状态矩阵SM和消息存储状 态信息BMm，计算消息m在目标社区的扩散程度：
【权利要求】
1. 一种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法，其特征在于：包括估计消息 权重值、估计节点间相遇概率、基于消息源节点缓存分区、选取协作节点集、分布式协作缓 存替换及转移机制； 查询本地相遇状态矩阵SM得到给定消息在目标社区中的扩散程度Sd (t)和在任意其 他社区的扩散程度S, (t)，获取给定消息的扩散程度S (t)，从而估计消息的权重值W(t); 通过获取的网络信息、当前节点与网络中其他节点的相遇次数Hi (t)及全网节点相遇 总次数N(t)估算节点活跃程度Li (t)及针对消息目标节点的定向活跃程度01id(t)，并结合 节点与目标节点在仁内相遇的概率F id(tJ估计出节点的相遇概率Pid(t); 继而根据消息源节点的不同对节点缓存进行分区，划分为本地缓存区Qi和协作缓存 区Qp同时，估算出节点本地缓存区的最大队列长度和协作缓存区的最小队列长度 ?!-， 分类存储消息； 根据节点间的相遇概率Fid(tJ与相遇持续时间Su推导出归一化协作系数?;?，选取 前k个协作系数最大的节点作为节点i的top-k协作缓存节点集Θ i ; 当相遇节点j有剩余缓存空间时，采用协作缓存替换机制，分别计算节点i和节点j与 消息目标节点d间相遇概率Pid(t)和Pjd(t)，并比较大小，若Pid(t) <Pjd(t)时，将节点i本 地缓存区中节点j有较高相遇概率的消息复制到节点j的协作缓存区内；若P id(t)彡P#(t) 时，节点i接收节点j发送的节点i有较高相遇概率的消息，存储在节点i的协作缓存区； 当节点缓存满时，则采用协作缓存转移机制，依据节点间的协作系数从通信范围内选取 合适的协作节点，并将节点本地消息转移至协作节点，如果没有合适的协作节点，则按照消 息的权重值优先删除节点本地缓存区的消息；至此，重复以上步骤，直至网络中消息全部投 递完毕。
2. 根据权利要求1所述的一种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法，其特 征在于：通过查询节点i的相遇状态表项信息MTp相遇状态矩阵SM和消息存储状态信息 BMm，计算消息m在目标社区的扩散程度：
与在任意其他社区的扩散程度：
从而估计出消息在全网中的扩散程度：
进而完成消息m的权重值的计算，即W(t) = 1-〇 tS (t)。
3. 根据权利要求1所述的一种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法， 其特征在于：以当前节点与网络中其他节点的相遇次数作为评估节点活跃程度的关键参 数；根据全网节点信息，计算节点间相遇次数叫⑴=NumiMTJ和全网节点相遇总次数 估算节点活跃程度 和节点定向活跃度 同时结合节点与
9 ，
目标节点在^内相遇的概率 估计出节点间的相遇概率Pid(t)= f LiWOKOFidUr)。
4. 根据权利要求1所述的一种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法，其特 征在于：针对消息源节点的差异，将节点缓存划分为本地缓存区Q,:和协作缓存区对消 息采取有区分的缓存；假设消息的产生时间间隔服从强度为α的指数分布，消息的死亡时 间服从强度为β的指数分布，则根据节点本地缓存区队列长度/ = 1%1有限状态的"生灭过
程"的性质推算出节点的本地缓存区平均队列长度 由此得到节点本地缓存区的最 J 大队列长度和协作缓存区的最小队列长度= M -
5. 根据权利要求1所述的一种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法，其特 征在于：在节点缓存资源有限的情况下，综合考虑节点间的相遇概率和相遇持续时间选取
合适的协作节点集，具体包括：首先计算节点间相遇持续时间 归一化后为
V 同时考虑节点间相遇持续时间的偏移状态，即
继而得出节点间的归一化协作系数& =4(〇夂<^.依据计算出的归一化协作系数，选取 前k个协作系数最大的节点加入节点i的top-k协作缓存节点集Θ i，若在节点的通信范围 内存在属于消息的目标社区的节点，则也将该节点并入节点i的协作缓存节点集?i中，最 终选取出合理的协作节点集：
6. 根据权利要求1所述的一种节点与消息状态联合感知的分布式协作缓存方法，其特 征在于：在分布式协作缓存替换及转移机制中，根据估计的消息权重值和节点间的相遇概 率，选择最优的中继节点存储传输消息，且当节点缓存已满时选取合适的协作节点协作完 成消息的投递，主要执行过程如下： StepL若相遇节点为消息的目标节点，直接将消息发送给对方节点； Step2.若相遇节点都有空余缓存空间，则按照前述的缓存替换方法进行缓存内消息的 替换； Step3.当节点缓存将满时采用所提出的分布式协作缓存转移机制进行节点本地缓存 内消息的转移： Step4.若在节点的通信范围内未找到合适的协作节点时，将根据消息权重值优先删除 节点本地缓存区内权重值较低的消息； Step5.协作缓存消息的回传，节点与存储该节点所转移消息的协作缓存节点相遇后， 若本地节点此时有剩余缓存空间，将比较双方节点与消息的目标节点的相遇概率；若对方 较小时，则将消息重新转移至节点本地，对方节点将该消息从其缓存内删除；反之，则不作 任何操作。
【文档编号】H04L29/08GK104394236SQ201410792346
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月18日 优先权日:2014年12月18日
【发明者】王汝言, 杨慧娉, 谢毅, 张炎, 吴大鹏, 张洪沛 申请人:重庆邮电大学, 重庆电信研究院