本发明涉及一种基于社团的ICN二步缓存方法。
背景技术：
当下互联网产业迅猛发展，新型网络应用层出不穷，对网络传输效率的要求越来越高。然而，以TCP/IP协议栈为主的现有互联网架构不断暴露出一系列缺陷，包括结构固化、扩展性较差、移动性支持受限、安全性先天不足等问题，无法适应当前互联网发展的需求。为了彻底地解决以上问题，学术界提出了软件定义网络(SDN)和以信息为中心的网络(ICN)。为了进一步优化网络，降低用户请求内容的响应时延，ICN引入缓存机制，将内容缓存在更靠近用户的地方，从而降低用户的访问时延，减少网络带宽的消耗和服务器的负载。但是，当前已提出的众多缓存机制中，依然存在“缓存无效”、“缓存同质化”等问题需要解决。
缓存放置策略用于确定内容的缓存位置，可分为沿途缓存与旁路缓存两类机制。沿途缓存是指内容对象被缓存在它所在沿路返回途中所经过的节点上的缓存机制，包括处处缓存、选择性缓存等。沿途缓存的不足之处是，容易造成缓存冗余，较容易造成无效缓存，浪费资源。旁路缓存机制通过事先收集网络状态信息，再计算缓存放置的全局最优化方案。例如葛国栋等提出基于最大内容活跃因子的路径缓存策略，首先根据内容活跃因子在转发路径上找到最大热点请求区域，然后采用一致性Hash协同缓存选择区域内的缓存节点。刘外喜等利用链路的空闲带宽将内容缓存到相邻节点，并根据转发端口数的比例、下游节点的链路利用率和内容的生命周期等调整内容对象在节点上的缓存概率。
与现有工作不同，本文按社团区域缓存内容对象，在全网范围内合理分散缓存对象，将内容对象按其流行度缓存在各社团内具有不同重要度的节点上，一方面可以实现负载均衡，另一方面可以提高各社团内各节点缓存内容的多样化。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于社团的ICN二步缓存方法。该方法ICN中引入SDN的思想和复杂网络的社团理论，提出基于社团特性的ICN缓存策略，通过社团分析，识别出ICN中的社团边界，再通过“二步缓存”机制将内容对象合理地缓存在每个社团中的合适节点上，为ICN缓存机制的进一步优化提供一种有效的途径。
为了达到上述目的，本发明一种基于社团的ICN二步缓存方法，主要包括以下步骤：
第一步、SDN控制器基于信息描述长度压缩技术识别ICN网络中的社团结构，对ICN网络进行社团划分；
第二步、计算出各节点的节点社团重要度；
第三步、SDN控制器基于openflow协议收集各社团中的节点的状态信息；
第四步、计算各社团的节点的一步缓存优先级；
第五步、用户发起兴趣请求，向网络请求感兴趣的数据内容；
第六步、ICN交换机负责路由及搜索用户的兴趣包数据；
第七步、SDN控制器根据重新计算的流行度来计算新的缓存信息，制定二步缓存策略，并向ICN交换机下发二步缓存策略；
第八步、各节点根据SDN控制器下发的规则，执行二步缓存策略。
优选地，所述第三步中的状态信息包括有剩余存储空间，存储容量、节点社团重要度和内容流行度等。
优选地，所述第六步中，当内容对象初次被网络中的节点请求时，SDN控制器下发流表，将内容对象引流到各社团一步缓存优先级最高的节点中，并由指定节点缓存该内容。
作为上述方案的进一步改进，所述内容对象被引流到各社团一步缓存的过程中会被判断一步缓存是否超时，如果未超时则继续等待超时。
作为上述方案的进一步改进，所述内容对象被引流到各社团一步缓存的过程中，当暂存时间达到给定周期T时，SDN控制器重新计算各暂存内容的全局流行度和局部流行度，并据此计算各内容对象的二步缓存位置，以实现缓存内容空间分布的合理化。
在第一步中采用基于信息描述长度压缩技术解决ICN网络的社团划分问题。以路由器/交换机为节点，以它们之间的物理连接为边构建复杂网络，以网络模块度公式(1)为目标函数，优化算法将网络划分为不同的社团：
其中Nc表示网络中社团的数目，M表示网络中连接的总数，mc表示社团c内节点之间的连接数，dc表示社团c内所有节点度数之和。
所述第二步中，节点社团重要度是指节点在其所在社团中的重要度。其定义如下：
其中，c为网络中的社团数目，vi表示以网络中的路由器为节点，路由器之间的物理链路为边构建的邻接矩阵的第i个特征向量，vik表示特征向量vi中的第k个元素。
所述第四步中，在内容对象产生的最初阶段，其流行度(包括全局流行度和局部流行度)较难计算，且不准确。为此，本发明专利提出二步缓存机制来解决流行度计算不准确衍生的问题。首先，根据社团中节点的状态信息(如缓存容量、利用率及节点社团重要度等)计算一步缓存内容对象的优先级，当内容对象生产并被网络中的节点请求时，该内容对象暂时缓存在社团中一步缓存优先级最高的节点中；其次，当内容对象暂存在社团中达到某一给定的时间周期T时，SDN控制器根据全网以及各社团节点对该内容对象的请求情况计算全局流行度和局部流行度，并据此重新计算对内容对象的二步缓存位置。增加二步缓存可以让一步缓存中的内容对象在缓存位置以及时间上的分布更趋于合理化。节点k的一次缓存优先级Sk定义为：
在全局流行度方面，在一定时间周期内，统计内容c被用户请求的次数，用Popu(c)表示在当前统计周期内的对于内容c的访问频率，用R(c)表示本周期内对内容c的访问次数，则内容c的流行度计算如下：
在局部流行度方面，针对ICN内容的局部流行度较难确定的问题，本发明将内容的局部流行度定义在社团结构内部，提出一种基于社团的ICN局部内容流行度确定方法。局部流行度更能体现社团内的用户兴趣，根据局部流行度替换缓存内容，更有利于社团内部节点缓存内容在时空分布上趋于合理。在一定时间周期内，统计内容c在一个社团i内被用户请求的次数，用Popui(c)表示在当前统计周期内的对于内容c的访问频率，用Ri(c)表示本周期内对内容c的访问次数，则内容c的流行度计算如下：
本发明提出一种SDN(软件定义网络)环境下基于网络社团特性的ICN(信息中心网络)二步缓存机制。ICN通过在数据传输过程中将内容对象缓存在网络的节点中，达到降低其他用户请求该数据的传输时延，然而现有的缓存节点选择机制存在同质化和无效缓存等不足之处。为缓解上述问题，更好地发挥ICN缓存机制的优势，本发明专利通过分析ICN网络的社团结构，根据ICN的社团特性选择合理的节点缓存内容对象，不但提高网络中缓存内容的多样化，而且还降低无效缓存的概率，具体包括：一是基于信息描述长度的压缩技术分析ICN的社团结构特性，并分析社团内的节点对于社团的重要程度；二是通过“二步缓存”的机制，基于内容对象的全局流行度和局部流行度将内容对象合理地缓存在每个社团中最佳的节点上。本发明为ICN缓存机制的进一步优化提供一种有效的途径。
附图说明
图1为本发明基于社团的ICN二步缓存方法实施的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
参照图1，本发明实施例一种基于社团的ICN二步缓存方法，主要包括以下步骤：
第一步、SDN控制器基于信息描述长度压缩技术识别ICN网络中的社团结构，对ICN网络进行社团划分；
第二步、计算出各节点的节点社团重要度；
第三步、SDN控制器基于openflow协议收集各社团中的节点的状态信息，该状态信息包括有剩余存储空间，存储容量、节点社团重要度和内容流行度等；
第四步、计算各社团的节点的一步缓存优先级；
第五步、用户发起兴趣请求，向网络请求感兴趣的数据内容；
第六步、ICN交换机负责路由及搜索用户的兴趣包数据；
第七步、SDN控制器根据重新计算的流行度来计算新的缓存信息，制定二步缓存策略，并向ICN交换机下发二步缓存策略；
第八步、各节点根据SDN控制器下发的规则，执行二步缓存策略。
所述第六步中，当内容对象初次被网络中的节点请求时，SDN控制器下发流表，将内容对象引流到各社团一步缓存优先级最高的节点中，并由指定节点缓存该内容。所述内容对象被引流到各社团一步缓存的过程中会被判断一步缓存是否超时，如果未超时则继续等待超时。所述内容对象被引流到各社团一步缓存的过程中，当暂存时间达到给定周期T时，SDN控制器重新计算各暂存内容的全局流行度和局部流行度，并据此计算各内容对象的二步缓存位置，以实现缓存内容空间分布的合理化。
在第一步中采用基于信息描述长度压缩技术解决ICN网络的社团划分问题。以路由器/交换机为节点，以它们之间的物理连接为边构建复杂网络，以网络模块度公式(1)为目标函数，优化算法将网络划分为不同的社团：
其中Nc表示网络中社团的数目，M表示网络中连接的总数，mc表示社团c内节点之间的连接数，dc表示社团c内所有节点度数之和。
所述第二步中，节点社团重要度是指节点在其所在社团中的重要度。其定义如下：
其中，c为网络中的社团数目，vi表示以网络中的路由器为节点，路由器之间的物理链路为边构建的邻接矩阵的第i个特征向量，vik表示特征向量vi中的第k个元素。
所述第四步中，在内容对象产生的最初阶段，其流行度(包括全局流行度和局部流行度)较难计算，且不准确。为此，本发明专利提出二步缓存机制来解决流行度计算不准确衍生的问题。首先，根据社团中节点的状态信息(如缓存容量、利用率及节点社团重要度等)计算一步缓存内容对象的优先级，当内容对象生产并被网络中的节点请求时，该内容对象暂时缓存在社团中一步缓存优先级最高的节点中；其次，当内容对象暂存在社团中达到某一给定的时间周期T时，SDN控制器根据全网以及各社团节点对该内容对象的请求情况计算全局流行度和局部流行度，并据此重新计算对内容对象的二步缓存位置。增加二步缓存可以让一步缓存中的内容对象在缓存位置以及时间上的分布更趋于合理化。节点k的一次缓存优先级Sk定义为：
在全局流行度方面，在一定时间周期内，统计内容c被用户请求的次数，用Popu(c)表示在当前统计周期内的对于内容c的访问频率，用R(c)表示本周期内对内容c的访问次数，则内容c的流行度计算如下：
在局部流行度方面，针对ICN内容的局部流行度较难确定的问题，本发明将内容的局部流行度定义在社团结构内部，提出一种基于社团的ICN局部内容流行度确定方法。局部流行度更能体现社团内的用户兴趣，根据局部流行度替换缓存内容，更有利于社团内部节点缓存内容在时空分布上趋于合理。在一定时间周期内，统计内容c在一个社团i内被用户请求的次数，用Popui(c)表示在当前统计周期内的对于内容c的访问频率，用Ri(c)表示本周期内对内容c的访问次数，则内容c的流行度计算如下：
本发明提出一种SDN(软件定义网络)环境下基于网络社团特性的ICN(信息中心网络)二步缓存机制。ICN通过在数据传输过程中将内容对象缓存在网络的节点中，达到降低其他用户请求该数据的传输时延，然而现有的缓存节点选择机制存在同质化和无效缓存等不足之处。为缓解上述问题，更好地发挥ICN缓存机制的优势，本发明专利通过分析ICN网络的社团结构，根据ICN的社团特性选择合理的节点缓存内容对象，不但提高网络中缓存内容的多样化，而且还降低无效缓存的概率，具体包括：一是基于信息描述长度的压缩技术分析ICN的社团结构特性，并分析社团内的节点对于社团的重要程度；二是通过“二步缓存”的机制，基于内容对象的全局流行度和局部流行度将内容对象合理地缓存在每个社团中最佳的节点上。本发明为ICN缓存机制的进一步优化提供一种有效的途径。
以上已将本发明做一详细说明，但显而易见，本领域的技术人员可以进行各种改变和改进，而不背离所附权利要求书所限定的本发明的范围。