边缘缓存网络能量消耗计算方法、系统、装置与流程

本发明属于网络能耗计算领域，具体涉及了一种边缘缓存网络能量消耗计算方法、系统、装置。

背景技术：

在现有的集中式内容分发网络(cdn，contentdeliverynetwork)中，数据服务器往往离终端用户较远。为了提高用户体验，分布式的边缘缓存网络开始得到应用。但是大量的边缘缓存服务器的部署，会导致整个网络能耗的管理难度增大。

现有的基于边缘缓存的网络节能方法和系统，首先构建基于边缘缓存的目标网络模型，然后基于目标网络模型，构建目标网络中isp的第一功耗模型以及cp的第二功耗模型，并基于第一功耗模型和第二功耗模型，确定目标网络的网络功耗模型；最后，以目标网络的网络功耗最小为目标、以目标网络中边缘缓存单元中缓存的网络内容大小小于边缘缓存单元的容量为约束条件，确定网络功耗最小时边缘缓存单元内缓存的网络内容以及缓存的网络内容的数量。从isp与cp合作的角度出发，同时考虑了缓存大小、网络内容的流行度分布、网络拓扑结构以及不同内容的数量等因素的影响，达到网络节能的效果[1]。

然而，该方案仅考虑了网络节能，并没有对边缘缓存网络的能耗进行研究和阐述。一方面边缘缓存服务器(ecs，edgecachingserver)的正常工作需要消耗一定电能，另一方面，由于边缘缓存的存储容量有限，需要对缓存的内容进行频繁的更新，这些更新会导致额外的网络传输能耗。因此，为了正确计算边缘缓存网络的能耗，不仅需要考虑服务器正常工作的耗能，还需要考虑内容更新所导致的网络传输能耗。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1]方超、翟梦荻、刘昌通、张梦雨、许胜、王朱伟、温鑫岩，基于边缘缓存的网络节能方法及系统，201910.

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术仅考虑边缘缓存网络节能而不能计算网络能量消耗的问题，本发明提供了一种边缘缓存网络能量消耗计算方法，该能量消耗计算方法包括：

步骤s10，获取cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗；获取ecs服务器的工作功率、存储能力；

步骤s20，基于所述cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗，计算设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗；基于所述ecs服务器的工作功率、存储能力，计算所述ecs服务器的单位存储能耗；

步骤s30，基于所述ecs服务器的单位存储能耗，计算设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗；

步骤s40，基于所述设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗、设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗，获取边缘缓存网络总能耗。

在一些优选的实施例中，所述设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗，其计算方法为：

etransport＝(ncec+neee+ebng+esw)×cf

其中，nc、ne分别为传输文件所经过的核心路由器、边缘路由器的数量，nc、ne、nbng、nsw分别代表核心路由器、边缘路由器、宽带网络网关、以太网交换机的单位能耗，cf代表文件大小。

在一些优选的实施例中，所述ecs服务器的单位存储能耗，其计算方法为：

pcaching＝ps/cs

其中，ps为边缘缓存服务器的工作功率，cs为边缘缓存服务器的存储容量。

在一些优选的实施例中，所述设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗，其计算方法为：

ecaching＝pcaching×cf×t

其中，pcaching代表边缘缓存服务器的单位存储能耗，cf代表文件大小，t为设定的缓存时间。

在一些优选的实施例中，所述边缘缓存网络总能耗，其计算方法为：

etotal＝etransport+ecaching

其中，etranspor代表设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗，ecaching代表设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗。

本发明的另一方面，提出了一种边缘缓存网络能量消耗计算系统，该能量消耗计算系统包括输入模块、传输能耗计算模块、单位存储能耗计算模块、缓存能耗计算模块、总能耗计算模块、输出模块；

所述输入模块，配置为获取cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗以及获取ecs服务器的工作功率、存储能力并输入；

所述传输能耗计算模块，配置为基于所述cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗，计算设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗；

所述单位存储能耗计算模块，配置为基于所述ecs服务器的工作功率、存储能力，计算所述ecs服务器的单位存储能耗；

所述缓存能耗计算模块，配置为基于所述ecs服务器的单位存储能耗，计算设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗；

所述总能耗计算模块，配置为基于所述设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗、设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗，获取边缘缓存网络总能耗；

所述输出模块，配置为输出获取的边缘缓存网络总能耗。

本发明的第三方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的边缘缓存网络能量消耗计算方法。

本发明的第四方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的边缘缓存网络能量消耗计算方法。

本发明的有益效果：

(1)本发明边缘缓存网络能量消耗计算方法，通过研究边缘缓存网络和传统集中式cdn的存储方式上的差异，不仅考虑了服务器正常工作的能耗，还考虑了内容更新导致的网络传输能耗，边缘缓存网络能量消耗计算方法计算出的能耗可以更加全面、更加准确地反映边缘缓存网络的能耗特性。

(2)由于边缘服务器需要在一定的时间间隔上更新缓存的内容，利用本发明边缘缓存网络能量消耗计算方法，可以看出每次更新内容的多少和更新的频率对整体能耗产生的直接影响，每次更新的内容越多以及更新频率的增加，都会导致整体能耗的增加。在为了提升用户体验，不得不频繁的替换边缘缓存服务器上的内容时，可以通过本发明的能耗计算方法，对内容替换策略进行优化。

(3)本发明提出的方法在不同类型边缘缓存的架构有所不同，相对应的网络传输链路有所差异时，可以通过调整传输链路上设备的参数(比如设备的数量和能耗等参数)从而适应于不同类型的边缘缓存网络(例如：5g移动通信边缘缓存、广播电视网络边缘缓存、有线局域网边缘缓存等)，应用范围广泛。

(4)本发明方法可以有效计算不同边缘缓存内容更新策略的网络能耗，从而调整网络运行机制，合理节省能耗。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明边缘缓存网络能量消耗计算方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种边缘缓存网络能量消耗计算方法，除了服务器存储的能耗外，还考虑了内容更新导致的网络传输能耗，可以更加全面评估边缘缓存网络的能耗，从而对边缘缓存网络能耗的分布有全面的认识。基于本发明方法对边缘缓存网络进行能耗计算，可以合理配置边缘服务器内容更新的频率，从而对边缘缓存网络能耗进行管理。另外本发明方法还有利于设计有效的方法在保证用户体验的同时，根据本方法计算出的结果有效调整网络运行机制，达到节省能量的目的。

本发明的一种边缘缓存网络能量消耗计算方法，该能量消耗计算方法包括：

步骤s10，获取cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗；获取ecs服务器的工作功率、存储能力；

步骤s20，基于所述cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗，计算设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗；基于所述ecs服务器的工作功率、存储能力，计算所述ecs服务器的单位存储能耗；

步骤s30，基于所述ecs服务器的单位存储能耗，计算设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗；

步骤s40，基于所述设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗、设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗，获取边缘缓存网络总能耗。

为了更清晰地对本发明边缘缓存网络能量消耗计算方法进行说明，下面结合图1对本发明方法实施例中各步骤展开详述。

本发明一种实施例的边缘缓存网络能量消耗计算方法，包括步骤s10-步骤s40，各步骤详细描述如下：

步骤s10，获取cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗；获取ecs服务器的工作功率、存储能力。

在5g移动通信网络中，由于无线基站能提供较高的带宽，为了缓解骨干网络的传输压力，提出了边缘缓存架构。在这种架构下，原有集中式的内容存储服务器被分散部署在更靠近终端用户的网络边缘，但是边缘缓存服务器的容量远远小于集中式的服务器。因此只能在边缘缓存服务器尽可能缓存用户请求较多的文件，由于用户的行为会随时间地点变化，因此需要对边缘缓存服务器的内容进行一定频率的更新。这样相对于传统的cdn服务器存储，在边缘缓存网络中，整体的能耗不仅仅是服务器存储文件的能耗，还包括内容更新所导致的网络传输能耗。也就是从传统的cdn服务器将文件传输到边缘服务器的能耗。

cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗、ecs服务器的工作功率及存储能力，可以通过测量或直接读取相应产品参数的方法获得。

步骤s20，基于所述cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗，计算设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗；基于所述ecs服务器的工作功率、存储能力，计算所述ecs服务器的单位存储能耗。

将一个大小为cf(单位为bit)的文件从cdn服务器传输到ecs服务器，需要经过多个核心路由器、多个边缘路由器、一个宽带网络网关(bng，broadbandnetworkgateway)和以太网交换机等环节，这些网络设备的单位能耗可以根据相关的产品参数或直接测量得到。因此可以计算出传输该文件的网络传输能耗etransport，单位为焦耳(j)，其计算方法如式(1)所示：

etransport＝(ncec+neee+ebng+esw)×cf式(1)

其中，nc、ne分别为传输文件所经过的核心路由器、边缘路由器的数量，nc、ne、nbng、nsw分别代表核心路由器、边缘路由器、宽带网络网关、以太网交换机的单位能耗，cf代表文件大小。

边缘缓存服务器ecs的单位存储能耗可以根据服务器的工作功率以及存储能力计算出来。ecs的单位存储功耗pcaching，单位为瓦特/比特(w/bit)，其计算方法如式(2)所示：

pcaching＝ps/cs式(2)

其中，ps为边缘缓存服务器的工作功率，cs为边缘缓存服务器的存储容量。

步骤s30，基于所述ecs服务器的单位存储能耗，计算设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗。

基于上述获取的ecs服务器的单位存储能耗，可计算出将一个大小为cf(单位为bit)的文件缓存在ecs一定时间长度t(单位为秒，s)的能耗ecaching，单位为焦耳(j)如式(3)所示：

ecaching＝pcaching×cf×t式(3)

其中，pcaching代表边缘缓存服务器的单位存储能耗，cf代表文件大小，t为设定的缓存时间。

步骤s40，基于所述设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗、设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗，获取边缘缓存网络总能耗。

将上述的两部分能耗合起来就可以得到传输和缓存一个文件的总能耗etotal，单位为焦耳(j)，如式(4)所示：

etotal＝etransport+ecaching式(4)

其中，etranspor代表设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗，ecaching代表设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗。

本发明第二实施例的边缘缓存网络能量消耗计算系统，该能量消耗计算系统包括输入模块、传输能耗计算模块、单位存储能耗计算模块、缓存能耗计算模块、总能耗计算模块、输出模块；

所述输入模块，配置为获取cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗以及获取ecs服务器的工作功率、存储能力并输入；

所述传输能耗计算模块，配置为基于所述cdn服务器到ecs服务器的核心路由器、边缘路由器数量及能耗、宽带网络网关能耗、以太网交换机能耗，计算设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗；

所述单位存储能耗计算模块，配置为基于所述ecs服务器的工作功率、存储能力，计算所述ecs服务器的单位存储能耗；

所述缓存能耗计算模块，配置为基于所述ecs服务器的单位存储能耗，计算设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗；

所述总能耗计算模块，配置为基于所述设定大小文件从cdn服务器到ecs服务器的能耗、设定大小文件在ecs服务器中缓存设定时间的能耗，获取边缘缓存网络总能耗；

所述输出模块，配置为输出获取的边缘缓存网络总能耗。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的边缘缓存网络能量消耗计算系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的边缘缓存网络能量消耗计算方法。

本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的边缘缓存网络能量消耗计算方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。