一种减小移动内容中心网络中内容获取时延的解决方法与流程

本发明属于通信技术领域，涉及一种移动内容中心网络中内容目标的预取操作策略。

背景技术：

内容中心网络(content-centricnetworks，ccn)是一种以内容为中心的网络，是未来网络架构的重要组成部分。内容中心网络以内容为中心而不再以主机为中心，即整个网络的核心是内容，并且通过命名的方式来对不同的内容进行标识。ccn的主要职责在于对整个网络中的内容进行有效缓存和高效分发，从而快速地将正确的内容返回给用户。ccn网络最主要的特点之一是网络内置缓存，由于对网络中的内容采用基于名字的命名方式，ccn缓存路由器可以识别内容并对其进行标识和转发等操作，因此，部分内容可缓存在网络中具有缓存功能的路由器上，而不仅仅缓存于服务器，这将加快内容分发速度，减轻服务器负载。

ccn中内容对象可以被划分为细粒度分块，因此可以基于分块进行数据传输，ccn中存在两种典型包：interest包(兴趣包)和data包(数据包)，两种包的类型结构如图1所示。请求者通过发送interest包来请求内容，节点收到该包时，若缓存中存有相应内容则进行响应，否则将该包转发至下一跳节点。ccn中interest包和data包都与位置无关，因此，用户发送的请求能被其他对此内容感兴趣的请求者共享。ccn中缓存节点对data包的处理与ip中类似，具体地，当interest包到达路由器端口时，路由器利用interest包中带有的名字进行最长前缀匹配，根据匹配结果做出相应的操作：返回相应的data包或继续转发interest包。移动ccn网络即ccn网络的无线场景模型如图2所示，在该网络模型中，一个区域由一个站点提供内容分发服务。其中，每个站点由多个无线接入点(accesspoint，ap)覆盖，称缓存流行内容的站点为ch(ch：clusterhead)。如果站点内的用户请求内容，并且ch已经缓存了相应内容，则ch将通过快速wi-fi连接将其发送给用户。否则，请求将被转发到远程服务器(外部互联网)，远程服务器保持有所有内容的副本。

移动ccn网络中，站点处的用户由ap接入ccn网络请求内容，网络中用户可以在不同ch之间移动，很显然，用户的移动性会导致内容请求中断，用户移动性的加入还将会导致如下问题：

从运营商的角度来看，当移动用户转移到其他缓存节点时，网络中其他缓存节点都没有缓存移动用户请求的内容，这将极大地降低网络服务质量，导致客源流失。从用户的角度来看，当移动用户请求中断后，用户需要重新发送对相同内容的请求，这将会增加用户获取内容的时延，严重降低用户体验。

根据上述分析可知，ccn中用户移动性的加入会对运营商和用户产生严重影响。针对上述问题，为了保证用户在移动后依然能够很快地请求到内容，现有的解决方法主要有三种：(1)反应型：当用户移动后，其旧接入点继续保持对请求内容的缓存，等用户到达新接入点后，新接入点将从旧接入点请求内容。反应型的优点是缓存冗余度较低，因为反应型方法是在旧接入点进行内容缓存，所以比主动型及持久订阅的缓冗余度都要低。但用户获取的内容需要从旧接入点传输到新接入点，因此内容的获取时延相对较长。(2)持久订阅：无论用户是在线还是离线状态，代理都会保持对用户感兴趣内容的订阅，同时代理会一直缓存与订阅匹配的内容。由于必须维持用户的订阅和持久缓存，因此会造成内存使用成本很高。(3)主动型：在用户移动之前，将用户请求的内容提前主动缓存在新接入点，用户在连接到新接入点后可马上请求到想要的内容。主动型的优点是内容获取时延较低，因为主动型是在新接入点进行内容的缓存，但同时也带来了缓存冗余度较高的缺点。

上述三种方法各有优缺点，由于上述方法都是基于缓存策略来减少用户获取内容的时延，并没有结合预取操作来进一步降低用户获取内容时延，因此，本发明提出一种基于预取操作的缓存方法。基于预取操作的缓存方法指，建立预取模型，对预取模型中给定内容的后续分块进行预取并缓存，因此，本方案能够减小用户获取内容的时延。此外，本方案中引入拥塞控制策略，能有效解决预取操作中经常引起的网络拥塞问题，同时拥塞控制策略的引入也能有效提高网络资源利用率。ccn网络中从内容源获取内容时，内容会经过网络中多个缓存节点，但是具体对哪些内容进行预取缓存以及如何设计具体的预取操作，才能使得网络性能最佳，这是基于预取操作的缓存方法需要解决的问题。

基于预取操作的缓存方法对流行度较高的内容进行提前预取，保证移动用户到达新缓存节点后能尽快获取到自己请求的内容。ccn预取的目标是充分利用有限的缓存容量，在保证不造成网络拥塞的情况下减少用户获取内容的时延。以前的研究工作大多集中在预取模型的建立，并没有对预取操作的具体方式进行研究。本发明在结合预测模型及预取控制的基础上执行具体的预取操作，来最终达到ccn预取的目标，即尽最大努力减少用户获取内容的时延。

技术实现要素：

本方法提出了流行度列表-预取列表-拥塞控制-预取具体操作的一整套完善的预取机制，保证对流行度较高的内容进行提前预取，同时结合缓存空间的有限性以及内容的公平性建立预取列表，执行预取操作的同时会带来网络拥塞的问题，拥塞控制策略的加入可保证在不造成网络拥塞的前提下对内容进行预取。在预取具体操作中，设计基于请求命中触发模式和数据触发模式的预取模式，这使得整个预取操作“不盲目”预取，这样不仅可以降低不必要的网络流量，同时也有效地利用缓存空间，这也是本方案的优点之一。

本发明分为四个部分(整体方案流程图如图3所示)，即：流行度列表、预取列表的建立，显式拥塞控制策略的动态调整以及预取具体操作流程。综合考虑ccn节点缓存容量、网络状态和保护内容公平性的原则，提出基于预取操作的缓存策略。四个部分具体操作如下：

其一：流行度列表的建立(如图4)，依据内容流行度的大小对内容进行排名，得到流行度列表，其中流行度列表中的内容分为两种：一种是已经存在于缓存节点当中的内容，另一种是未存在于缓存节点当中的内容，需要预取的则是未存在于缓存节点当中的内容。同时，进行预取内容标志位的设计，即未存在于缓存节点当中的内容的预取内容标志位被设置为1，存在于当前缓存节点的内容的预取内容标志位被设置为0。

ccn网络中路由器需要以线速缓存和转发到达的内容分块，这将限制缓存路由器能够支持的缓存大小。由于缓存容量的限制，系统并不能将流行度列表当中的内容全部缓存，因此，需要设计一条流行度截止线对流行度进行分割，流行度截止线的选取如图5所示。假设流行度列表中排名为k的内容的流行度为p(k)，同理排名为k-1和k+1的内容的流行度分别为p(k-1)和p(k+1)，内容流行度分布大致遵循zipf分布，当流行度越来越低时，流行度曲线相对平缓，也就是说流行度之间的差值越来越小，因此期望设计找到流行度最为相似的地方为截止线，计算方式如下：

[p(k-1)-p(k)]²-[p(k)-p(k+1)]²＜ε

式中ε是一个趋近于无穷小的数。得到流行度截止线x＝k，当内容流行度的排名大于k时，系统对内容进行缓存，反之，则不缓存。

其二：预取列表的建立(如图6)，流行度其实是对用户请求行为的真实反映，因此采用流行度越高的内容被预取比例越大的概念来进行预取数量的设计。对内容预取数量的设计不能仅由内容流行度与内容大小来决定，因为可能会存在流行度较小，但是内容大小较大的情况发生，这样将会导致内容流行度较低的内容预取后在路由器中占据较大缓存空间，所以为了使流行度越高的内容预取比例越大，系统通过流行度、内容大小系数来进行了内容预取率的设计，从而得到预取列表。其中，内容大小系数由类似于zipf的分布来确定，用于保证流行度排名越低的内容的内容大小系数越小。

其三：拥塞控制(拥塞控制模型如图7所示)，图7中，r1和r2是两个中间路由器，u是用户，s是内容源节点。r1将兴趣包转发给r2，q1是r1上发出的从r1到r2的兴趣包队列，q2是r2相应返回的从r2到r1的数据包队列。r1通过监测q1兴趣队列的平均队列长度qave来定期监测链路r1-r2的拥塞状态，然后通过interestreturn包(固定包头部如图8所示)将拥塞状态信息反馈给u，u收到interestreturn包后，会调整其兴趣包发送速率，从而间接减少数据包队列q2的长度，使网络拥塞得以缓解。在这种控制模式下，用户不再需要“猜测”(隐式估计)网络拥塞状态，可以准确地调整兴趣包发送率。缓存路由器通过动态调整预取窗口，从而避免预取对网络造成拥塞。图8是interestreturn包的固定头部，packettype值为2，表示该包为interestreturn包，即返回的兴趣包信息。不同的returncode值表示不同的返回类型，此处由于网络拥塞而返回兴趣包，返回类型为“congested”，故包头部中returncode根据规定被设置为“6”。

对于拥塞控制中预取窗口的设置(如图3)，需要根据网络链路状况动态调整，以保证在网络不拥塞的状态下充分利用网络资源。系统使用qfree，qave，qbusy三个指标判断链路拥塞状况，其中，qave表示兴趣包的平均队列长度，通过计算兴趣包队列加权值而得到，qfree和qbusy是用于指示拥塞水平的阈值参数，且qbusy受限于链路队列的容量。当qave＜qfree，链路状况良好，预取窗口被设置为cwnd(t+rtt)＝cwnd(t)*(1+ε)以充分利用链路空闲带宽；当qfree＜qave＜qbusy，链路介于忙与闲之间，此时需要平滑增加预取窗口以避免可能的拥塞，故预取窗口被设置为cwnd(t+rtt)＝cwnd(t)+α；当qave＞qbusy，说明链路发生拥塞，此时需要迅速减少预取窗口以保证正常通信，故预取窗口被设置为cwnd(t+rtt)＝cwnd(t)*β。其中，t表示当前时刻，rtt表示往返时间，ε，α和β均为比例系数。值得注意的是，当网络极度拥塞时，为了保证正常通信将不再进行预取操作，故此时β取值将趋近于0。

其四：预取具体操作流程(如图9)，其中记预取操作标志位为fpre，预取操作的具体方式如下：

(1)用户发送interest[1]请求内容的第1个分块，interest[1]将被转发到服务器，即(1,1)。

(2)节点a收到data[1]后，将进行缓存并向下转发，data[1]返回路径与interest[1]发送路径相反，故未在图中画出。此时，data[1]包头中的跳数是1，则fpre＝1，因此，数据触发模式使节点a向服务器发起预取请求interest[2]，即(2,2)，进行内容第2块的预取。节点a收到data[2]后将进行缓存，但不进行转发，因为interest[2]还没有发送到节点a。

(3)因为在步骤(2)进行了预取，所以interest[2]将在节点a处命中，即(3,2)，节点a将返回data[2]给用户。此外，由于请求命中触发模式，节点a将对内容的下一分块进行预取，即(4,3)。

(4)节点b收到data[2]后，由于fpre＝1，节点b将发送预取请求interest[3]，即(5,3)。由于在步骤(3)进行了预取，interest[3]将在节点a命中，同时请求命中触发模式将使节点a执行(6,4)。

(5)事件(7,3)将在节点b上命中，同时，请求命中触发模式将使节点b执行(8,4)。此外，路由器a将执行(9,5)。

(6)同理，data[3]将在节点c处缓存并执行(10,4)。相应地，请求命中触发模式将使节点b和a依次执行(11,5)和(12,6)。

执行完步骤(6)后，用户将从节点c处直接获得后续的内容分块。同时，请求命中触发模式将触发节点c、b、a分别对第[i+1]、[i+2]、[i+3]个分块进行预取。

上述四个部分完成了流行度列表-预取列表-拥塞控制-预取具体操作一套完整的内容预取机制的建立，从而充分利用有限的缓存容量，在保证不造成网络拥塞的情况下减少用户获取内容的时延。

本发明的优点及有益效果如下：

1.流行度列表以及流行度截止线设计可充分利用有限的缓存容量，同时能尽可能多地缓存流行度较高的内容。

2.预取列表使流行度越高的内容被预取的比例越大，并同时能保护内容的公平性。

3.拥塞控制策略的设计不仅能保证预取操作不会对网络造成拥塞，同时能够充分利用网络资源。

4.通过对内容进行预取，将内容逐步推送到离用户较近的缓存节点，能有效减少内容获取的平均时延。

附图说明

图1ccn数据包类型；

图2ccn网络的无线场景模型；

图3整体方案流程图；

图4流行度列表；

图5流行度截止线；

图6预取列表；

图7拥塞控制模型；

图8interestreturn包固定头部；

图9预取具体操作流程。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

图3为本发明所述的一种减小移动内容中心网络中内容获取时延的解决方法工作流程图，如图所示，该方案包括流行度列表、预取列表、拥塞控制和预取具体操作四个部分。其中流行度列表、预取列表部分主要用于确定提前预取的内容对象，拥塞控制、预取具体操作则是对给定预取内容进行具体的操作过程。

下面参照附图9，说明一种减小移动内容中心网络中内容获取时延的解决方法的具体步骤：

步骤801：缓存节点c根据初始内容流行度进行排名，得到内容流行度列表，根据内容是否存在于缓存节点c，设置预取内容标志位，即未存在于节点c当中的内容的预取内容标志位被设置为1，存在于节点c当中的内容的预取内容标志位被设置为0。

步骤802：结合调整因子、内容预取率、内容大小、预取内容标志位在缓存节点c处建立内容预取列表；其中内容预取率由类似于zipf分布的函数进行设计。

步骤803：当没有user请求时，缓存节点c根据预取列表对内容进行预取，图9中黑色箭头表示由user发出的兴趣包，红色箭头表示预取操作发出的兴趣包，其中箭头上的数字分别表示请求过程发生的序号和请求内容的分块号，(1,1)表示user首先对内容的第一块内容发起请求。预取列表中的内容将被缓存到缓存节点c。

步骤804：当有user请求时，对user请求的内容进行预取，如果user请求的内容是预取列表中的内容，那么将被预取到缓存节点c；如果user请求的内容不在预取列表中，内容可能被预取到a、b、c上，当没有后续user请求时，预取的内容存储一段时间后将被删除。

步骤805：方案同时会结合拥塞控制策略，根据网络状态动态调整预取窗口，当网络处于空闲状态时，user会适当增加兴趣包的发送速率以提高链路资源利用率；当网络处于拥塞状态时，user会降低兴趣包的发送速率，减少预取的内容，从而保证正常的网络通信。

步骤806：当缓存节点a、b、c满足请求命中触发模式或者数据触发模式时，缓存节点a、b、c将会发送预取兴趣包，继续执行内容的预取操作，如图9中(2,2)、(4,3)等，同时会根据网络状态动态调节预取窗口。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。