一种面向移动网络的内容缓存及网络协同方法与流程

本发明属于移动网络技术领域，尤其涉及一种面向移动网络的内容缓存及网络协同方法。

背景技术：

近年来，随着大数据、云计算、人工智能及移动互联等新兴技术的大量涌现及不断在移动网络领域应用，当前的移动网络已经很难满足未来多样化服务的需求。面向2020年及未来，移动通信技术和产业将迈入第五代移动通信(5G)的发展阶段。5G将满足人们和超高流量密度、超高连接密度、超高移动性的需求，能够为用户提供高清视频、虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、云桌面、远程游戏等极致业务体验。5G将渗透到物联网等领域，与工业设施、医疗器械、交通工具等深度融合，全面实现“万物互联”，有效满足工业、医疗、交通等垂直行业的信息化服务需要。5G还将大幅改善网络建设运营的能耗与成本效率，全面提升服务创新能力，拓展移动网络产业空间^[2]。未来移动网络将不再以技术为中心，而是采用了以体验为中心的方式，通过集成多种无线接入技术提供极限体验来满足用户不同的需求。以5G技术为代表的未来移动网络主要有连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个应用场景；同时还将具有自适应性、有效性、可扩展性和简洁性这四个最主要的特点。

同时，在传统的移动网络流量方面，随着以智能手机、平板电脑为首的便携智能设备的快速发展，视频、直播、音乐等多媒体服务大量向移动网络倾斜；同时移动APP的迅速发展使得用户对高清图片，高清视频和高品质音乐的需求不断上升，从而使移动网络的流量呈现出爆炸增长趋势。

但与此相对应的是,目前的商用移动网络，即使是LTE网络，采用的仍是高度分化的，基于硬件设计的网络架构。这样的架构在设计之初就已经考虑好了网络中每一个部分的职能，尤其是同时支持数据平面和控制平面的设备，例如服务网关(SGW)和PDN网关(PGW)，而且各个设备之间的交互必须基于一个标准化的接口。所以网络的开放性和灵活性受到了极大的限制，整个系统的开放性和可扩展性十分有限。另外，基于硬件设计的系统设计周期很长，一般以十年为周期，很难使新出现的无线网络技术应用于其中。为了实现未来移动网络的严格要求、满足日益增长的流量需求，要求网络具有快速内容分发能力，因此对现有的移动网络架构进行必要的改进是必不可少的。

为了提高网络的开放性和灵活性，将SDN技术引入5G网络架构是一个趋势。基于SDN技术的5G网络架构已成为一个热点，在众多的文献中，一个典型代表是文献[1]，其设计的基于SDN技术的5G网络架构的基本思路为把传统网络中的数据层和控制层分离，数据层为开放、可编程、虚拟化的架构；控制层主要包含控制工具和为服务商和用户定制的应用。

与此同时，文献[3]通过对移动网络流量的长期观察和分析，发现网络流量中很大的一部分是由少数受欢迎内容的重复下载(如受欢迎的音乐和视频等)引起的。而内容缓存就是减少这种重复传输的重要方法之一。通过在网络节点中设置缓存，可以将受欢迎的内容存储在其中，用户在重复访问这些内容时就可以直接访问缓存，而不必向远端的服务器发出请求，再下载所需的内容，从而减少了整个网络的负载，同时降低了时延，提高用户的使用体验。

与本发明相关的现有技术一：

现有技术一的技术方案参考文献[2]对现有的LTE网络进行改进，提出了在RAN的基站处及因特网的路由器处同时进行缓存，并将两种缓存相结合的方案。在该方案中，RAN缓存利用路由器缓存提供的信息优化自己的缓存内容。针对以下两点：①移动网络及互联网属于不同的运营商，出于技术、商业、隐私及安全的考虑很难实现基站与路由器缓存的完全合作；②互联网的巨大性及复杂性，完全合作是不现实的。提出了一种松散的缓存合作策略，推导了其实现的复杂度并与完全合作及完全不合作的实现方式相对比。得出了如下三个结论：①求出最优解是NP完全问题；②完全合作能够实现2-competitive解；③缺乏路由器缓存信息时解很难求出。最后作者提出了利用部分路由器信息的缓存合作方案(InCan),并给出了具体的算法实现及时间与空间复杂度，最后对InCan的性能进行了仿真。

现有技术一的缺点如下：

1.现有技术一的缓存节点位于无线接入网及因特网中，并没有考虑移动核心网中的节点。此外，目前大多数运营商均拥有移动网络和有线网络，因此技术一的论文中提到的缓存节点分属不同拥有者导致协作缓存较为困难的问题在现实环境中可以得到一定程度的缓解，因此可以考虑将位于无线接入网和移动核心网的缓存进行协作，甚至可以与有线网络中的缓存进行协作。

2.技术一仅仅在目前的LTE网络基础上增加了缓存，其根本上依托的还是现有的网络架构，对网络性能的改善治标不治本。

与本发明相关的现有技术二：

现有技术二的技术方案参考文献[4]利用SDN技术对现有的LTE网络进行改进。系统主要包括SDN节点和三种其他的组成部分。SDN节点包括SDN控制器和SDN交换机。其他的三种组成部分是用来分析路由路径的web代理，缓存及缓存控制器。缓存控制器通过接口与SDN控制器相连，为SDN交换机设置规则。

用户终端发送的请求被首先接收到的交换机送至代理处，代理会得到请求的源、目的服务器地址，之后把它发送至缓存控制器。缓存控制器解析出从代理处得到的主机名，一个主机名或许与多个IP地址相关联。缓存控制器根据源IP地址确定一个缓存节点为其提供服务，之后由SDN控制器设置新的路由规则并广播至所有交换机，使得之后的同样请求直接访问该缓存节点即可。

现有技术二的缺点如下：

1.技术二设置了代理、缓存控制器和SDN控制器三种控制设备，考虑到将控制功能分散会造成传输的时延、增大管理的难度，因此技术二的分散控制是不可取的。

2.技术二对已缓存内容请求的重定向是广播的，也就是更改所有交换节点的路由规则，这种方式灵活性较差，容易出现缓存节点的负载不均衡情况。举例来说，如果用户对于某一个内容的请求量过大，这种广播的方式会将所有的请求都集中到某个缓存节点，这很容易导致单点故障。

参考文献为：

[1]Ian F.Akyildiz,Pu Wang,Shih-Chun Lin,“SoftAir:A Software defined networking architecture for 5G wireless systems”Computer Networks 85(2015),1-18.

[2]Zhongxing Ming,Mingwei Xu,Dan Wang,“InCan:In-network cache assisted eNodeB caching mechanism in 4G LTE networks”Computer Networks 75(2014),367-380.

[3]Xiaofei Wang,Tarik Taleb,Adlen Ksentini,Victor C.M.Leung,“Cache in the Air:Exploiting Content Caching and Delivery Techniques for 5G Systems”IEEE Communications Magazine,February 2014,131-139.

[4]M.Kimmerlin,J.Costa-Requena and J.Manner,"Caching using software-defined networking in LTE networks,"2014IEEE International Conference on Advanced Networks and Telecommuncations Systems(ANTS),New Delhi,2014,pp.1-6.

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种面向移动网络的内容缓存及网络协同方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种面向移动网络的内容缓存及网络协同方法，所述网络架构由SD-RAN、SD-CN和控制器controller三部分组成，由多个软件定义的基站SD-BS共同构成无线接入网SD-RAN，SD-BS与终端通过无线链路连接，每个SD-BS都具有自己的缓存空间，由多个SD-switcher软件定义的路由构成移动核心网SD-CN，SD-CN与因特网相连，每个SD-switcher都具有自己的缓存空间；无线接入网SD-RAN和移动核心网SD-CN通过SD-BS缓存策略和SD-switcher缓存策略的二级缓存方式相互协作；其中，基于二级缓存的用户请求处理流程如下：

①缓存存储于接收请求的SD-BS缓存中：SD-BS首先利用深度报文检测功能，截获终端对内容x的请求报文并分析出内容x的URL，之后暂停向SD-CN传输该请求；SD-BS遍历自己的缓存URL表，如果找到URLx，证明缓存空间中存储有内容x，这样直接把缓存中的内容传送给请求终端即可，同时利用统计功能对x的请求次数Rx加1；

②缓存存储于网络中的其他节点中：SD-BS截获请求并利用DPI功能分析出URLx之后，开始遍历自己的缓URL表；如果没有找到URLx，那么表示在SD-BSa的缓存中没有存储内容x；之后SD-BS发送一个带有URLx的请求报文至网络控制器处，控制器接收到请求报文之后得到URLx，并与自己的全网所有节点缓存内容URL表相对照；如果发现URL表中存在URLx，即表明在网络中的某个节点缓存有内容x，控制器把x的大小S_x通过报文发送给SD-BS，SD-BS使用前文提到的缓存策略，若缓存空间足够则只需等待x即可，若缓存空间不足就要按照缓存策略的计算结果删除R_s最小的内容，直至空间足够存入x；如果网络中只有一个节点缓存有内容x，控制器利用自己缓存中的网络拓扑图和每条链路的度量计算出该节点S5到SD-BS的最佳路由路径，并通过OpenFlow协议在SD-BSa与S5之间建立内容转发路径，之后控制器通知节点S5把内容x发送给SD-BS，再由SD-BS发送至请求终端；如果网络中同时有多个节点缓存有内容x，控制器分别计算各节点至SD-BS的最佳路由路径，选择一条代价最小的路径发送控制报文给该节点；

③网络中所有节点都没有该缓存：如果SD-BS在自己的缓存URL表中没有查找到URLx，发送请求报文至网络控制器，控制器遍历自己的缓存URL表之后同样没有查找到URLx，这就表明整个网络中的所有节点都没有缓存内容x；此时仍有两种情况：①内容x曾经在整个网络中被缓存过，那么控制器中是存储有x的大小S_x的；控制器把带有S_x的报文发送至SD-BS，SD-BS执行缓存策略，对缓存空间进行清理；②内容x对于整个网络来说从未出现过，那么控制器的缓存中不存在x的大小S_x；此时控制器需要根据URLx向内容x的CP发送请求大小S_x的请求报文，收到S_x之后控制器会存储该信息，同时把S_x发送至SD-BS，SD-BS执行缓存策略，对缓存空间进行清理；之后网络控制器会在SD-BSa与内容x的CP之间建立转发路径路径建立完毕后，控制器会通知SD-BSa向内容x的CP发送请求内容x的请求报文，CP接收报文之后通过因特网，SD-CN，SD-RAN把内容x发送至请求终端。

作为优选，SD-RAN中的SD-BS缓存策略采用基于请求数和内容大小两个参数的缓存策略，即，SD-BS的缓存中存储某个内容的数据、与该内容对应的URL和每种内容的访问次数R_x；当一个SD-BS缓存中没有缓存的内容请求到达时，SD-BS会默认把该内容下载到缓存中；SD-BS首先向controller发送请求得到内容大小，如果缓存空间足够，则直接写入缓存；如果缓存空间不够，就要对缓存中已经存储的内容进行删除；

SD-switcher处的缓存策略采用LRU缓存策略，即，当新的内容到来时，如果该内容不存在于缓存空间中，把该内容置于队列首位，其余内容依次后移一位，如果队列已满，则删除队尾的内容；如果该内容已经存储在缓存空间中，同样把该内容置于队列首位，之前的内容依次后移一位，之后的内容不变。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明的缓存策略是基于SDN技术的5G新型网络架构，这种网络架构大大增强了网络的适应性和可扩展性，能够适应未来更加复杂多样性的网络需求。

(2)全网使用统一的网络控制器，提高了控制的有效性，同时使得网络节点的设计得到简化。

(3)本发明的无线接入网缓存与移动核心网缓存相协作的方式，相比于无线接入网缓存与有线网络缓存协作的方式更容易实现，同时效率更高。

附图说明

图1为面向移动网络的内容缓存及网络协同方案的网络架构图；

图2为网络控制器功能图；

图3为SD-BS缓存策略流程图；

图4为LRU缓存策略流程图；

图5为缓存存储于接收请求的SD-BS缓存中的处理流程图；

图6为缓存存储于网络中的其他节点中的处理流程图；

图7为网络中所有节点都没有该缓存的处理流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种面向移动网络的内容缓存及网络协同方法，该方法适用的网络架构如图1所示，在横向上，网络架构主要由SD-RAN，SD-CN和controller三部分组成；而在纵向上，网络架构由网络的数据平面和控制平面组成，数据平面为SD-RAN和SD-CN，控制平面为controller。图中SD-BS代表由软件定义的基站，与终端通过无线链路连接，每个SD-BS都具有自己的缓存空间，所有的SD-BS共同构成了架构的无线接入网部分，称为SD-RAN。位于架构中心的是由众多SD-switcher构成的核心网部分(SD-CN)，其中SD-switcher代表由软件定义的路由，同SD-BS一样，每个SD-switcher都具有自己的缓存空间。SD-CN与因特网相连，CP表示内容提供商。

控制器是上述架构的核心，为了能够提升内容缓存和分发的效率，控制器主要收集维护以下四种信息：

1、全局内容缓存信息(URL)：移动网络中的每个节点，在缓存的内容发生改变时，都及时将缓存状态变更信息发送给控制器，通过这种方式，在控制器中得到了一张全网所有节点缓存内容的动态“目录”。

2、内容大小(Size)信息表：在制定节点中的缓存策略时，考虑到内容的大小是十分必要的。因此在本文提出的面相移动网络的内容缓存及网络协同方案中，设计缓存策略时引入了内容大小这一参数，从而对缓存的存入和删除进行平衡，使较大的内容获得更大的权重，较小的内容获得更小的权重。

3、网络的拓扑结构(Topology)信息:SDN技术的一个重要的特性，就是通过数据平面和控制平面分离，把控制平面的功能整合在一起，从而可以利用全网拓扑对网络进行更有效的控制。对于SDN网络，网络拓扑图只存在于网络控制器中，同时对于本方案的网络架构，在一个自治系统中只需要一个逻辑集中的网络控制器即可。

4、链路的度量(Metric)信息：网络控制器为了在调度缓存时计算出最佳路由，不仅仅需要知道网络的拓扑结构，还需要了解整个网络中每条链路的状态。在这里，链路的状态称为度量(Metric)。在本方案中，链路的度量考虑得较为简单，目前仅仅使用两个参数，时延和带宽。这样，当控制器调度节点间的缓存时，就能根据度量这个参数，使用路由选择算法计算出最佳路由。

(2)缓存策略

①SD-BS缓存策略：在面向移动网络的内容缓存及网络协同方案中，SD-RAN中的SD-BS缓存策略采用了一种全新的、基于请求数和内容大小两个参数的缓存策略。传统的缓存策略，如FIFO，LRU，LFU等，都是仅仅根据请求数这一个参数，即在对某种内容的请求到来之后对缓存队列进行调整。在设计缓存策略时应该把内容大小这一参数考虑进去，利用内容大小这一参数使缓存偏向尺寸较大的受欢迎内容，使其在缓存中存储更长的时间。具体的实现方法如下：

SD-BS的缓存中可以存储某个内容的数据、与该内容对应的URL和每种内容的访问次数R_x。当一个SD-BS缓存中没有缓存的内容请求到达时，SD-BS会默认把该内容下载到缓存中。SD-BS首先向controller发送请求得到内容大小，考虑到缓存空间的有限性，如果缓存空间足够，则直接写入缓存；如果缓存空间不够，那么就要对缓存中已经存储的内容进行删除。对已缓存的所有内容计算下式：

R_s＝R_x*ln(S_x)

其中R_x为单位时间内对内容x的请求数；S_x为内容x的大小。之后对R_s按由大到小的顺序排序，并将最小R_s值所对应的内容从缓存中删除，如果缓存空间仍然不够则把第二小R_s值所对应的内容删除，直到缓存空间足够存储新请求的内容为止。

由计算R_s的公式可以看出，当两种内容的请求数量相同时，尺寸较大内容的R_s值比尺寸较小内容的R_s值大，在排序中的位置更靠前，这样就能够实现在缓存中存储的时间更长，从而提高缓存的性能。SD-BS缓存策略的流程图如图3所示。

②SD-switcher缓存策略：考虑到核心网内的交换机(路由器)要处理巨大的数据吞吐量，路由器中的缓存策略不宜设计的过于复杂；同时由于SDN应用于网络架构中，SD-switcher的结构十分简单，也无法实现过于复杂的计算。故在本方案中SD-switcher处的缓存策略采用传统的LRU缓存策略。

LRU的工作过程如下：当新的内容到来时，如果该内容不存在于缓存空间中，把该内容置于队列首位，其余内容依次后移一位，如果队列已满，则删除队尾的内容；如果该内容已经存储在缓存空间中，同样把该内容置于队列首位，之前的内容依次后移一位，之后的内容不变。需要注意的是，后一种情况不存在缓存内容的删除，只存在缓存的排序变化。

由于使用传统的LRU缓存算法，SD-switcher中的缓存空间只存储内容数据与URL，而不会存储内容的请求数量。LRU缓存策略的流程图如图4所示。

(3)基于二级缓存的用户请求处理流程

①缓存存储于接收请求的SD-BS缓存中：SD-BS首先利用深度报文检测(DPI)功能，截获终端对内容x的请求报文并分析出内容x的URL(即URLx)，之后暂停向SD-CN传输该请求。SD-BS遍历自己的缓存URL表，如果找到URLx，就证明缓存空间中存储有内容x，这样直接把缓存中的内容传送给请求终端即可，同时利用统计功能对x的请求次数R_x加1。该种工作方式是最理想的一种情况，效率最高，时延最低。此种工作方式的流程图如图5所示。

②缓存存储于网络中的其他节点中

如图6所示，SD-BS截获请求并利用DPI功能分析出URLx之后，开始遍历自己的缓URL表。如果没有找到URLx，那么表示在SD-BSa的缓存中没有存储内容x。之后SD-BS发送一个带有URLx的请求报文至网络控制器处，控制器接收到请求报文之后得到URLx，并与自己的全网所有节点缓存内容URL表相对照。如果发现URL表中存在URLx，即表明在网络中的某个节点缓存有内容x，控制器把x的大小S_x通过报文发送给SD-BS，SD-BS使用前文提到的缓存策略，若缓存空间足够则只需等待x即可，若缓存空间不足就要按照缓存策略的计算结果删除R_s最小的内容，直至空间足够存入x。

如果网络中只有一个节点缓存有内容x，控制器利用自己缓存中的网络拓扑图和每条链路的度量计算出该节点(图中的S5)到SD-BS的最佳路由路径，并通过OpenFlow协议在SD-BSa与S5之间建立内容转发路径，之后控制器通知S5把内容x发送给SD-BS，再由SD-BS发送至请求终端。如果网络中同时有多个节点缓存有内容x，控制器分别计算各节点至SD-BS的最佳路由路径，选择一条代价最小的路径发送控制报文给该节点。③网络中所有节点都没有该缓存

如图7所示，如果SD-BS在自己的缓存URL表中没有查找到URLx，发送请求报文至网络控制器，控制器遍历自己的缓存URL表之后同样没有查找到URLx，这就表明整个网络中的所有节点都没有缓存内容x。此时仍有两种情况：①内容x曾经在整个网络中被缓存过，那么控制器中是存储有x的大小S_x的。控制器把带有S_x的报文发送至SD-BS，SD-BS执行缓存策略，对缓存空间进行清理。②内容x对于整个网络来说从未出现过，是一种全新的内容，那么控制器的缓存中不存在x的大小S_x。此时控制器需要根据URLx向内容x的CP发送请求大小S_x的请求报文，收到S_x之后控制器会存储该信息，同时把S_x发送至SD-BS，SD-BS执行缓存策略，对缓存空间进行清理。

之后网络控制器会在SD-BSa与内容x的CP之间建立转发路径(通过OpenFlow协议)，路径建立完毕后，控制器会通知SD-BSa向内容x的CP发送请求内容x的请求报文，CP接收报文之后通过因特网，SD-CN，SD-RAN把内容x发送至请求终端。

本发明的具有如下特点：

(1)包含无线接入网和移动核心网的两级缓存设计方案，通过两级缓存的相互协作，有效减少了网络中冗余内容的传输，提高了网络的性能。

(2)通过网络控制器对全网所有节点进行统一的管理，利用SDN技术分离数据层和控制层，集中控制层对内容分发进行统一管理，同时网络控制器还具有网络管理和路由选择的功能。

(3)基于请求数和内容大小的缓存替换策略，通过引入内容大小这一参数，赋予尺寸较大的数据较大的权重，延长其在缓存中的存活时间。