一种基于NDN的卫星网络编码缓存方法

本发明涉及卫星网络缓存，具体为一种基于ndn的卫星网络编码缓存方法。

背景技术：

1、随着6g技术的提出，卫星网络作为其中的重要组成部分逐渐成为当前的研究热点。卫星通信系统已经成为地面通信网络的辅助与拓展，它不仅解决了地面网络不发达地区的通信问题，同时还提升了不同网络应用场景下的用户体验。在卫星通信领域，由于卫星技术的不断发展，使得在低轨卫星节点上部署缓存成为可能。

2、在卫星互联网时代，用户的需求逐步从简单的数据通信转变为大规模的内容获取与分发，同时当前网络中的内容分发方式已经从以内容提供者为主导的方式转变为以内容请求者驱动的方式，传统的基于tcp/ip的通信模式逐渐显得力不从心，因而将ndn思想引入卫星网络，重新设计卫星网络的通信模式以更好地满足互联网用户的业务需求。

3、卫星网络缓存采用基于ndn架构的网内缓存，但传统ndn缓存对内容进行切分时会产生传输相关性问题，即用户必须获得请求文件块上下相关联的数据块才能恢复源数据。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于ndn的卫星网络编码缓存方法，解决了上述背景技术中提出的传统ndn缓存对内容进行切分时会产生传输相关性问题，即用户必须获得请求文件块上下相关联的数据块才能恢复源数据的问题。

2、本发明提供如下技术方案：一种基于ndn的卫星网络编码缓存方法，在传统ndn缓存对内容文件进行切分的基础上，采用编码操作去除数据的传输相关性，同时针对卫星的地理位置进行聚簇来简化对卫星网络的管理以及使得用户在多颗卫星节点覆盖时能够减少卫星下行链路的消耗，然后根据内容流行度的不同并以最小化回程链路负载和链路内容获取时延为优化目标，进行卫星节点不同数量编码包的放置，并通过多种群蚁群算法对优化问题进行求解，最后还实现了高效的内容检索和协作下发机制。

3、一种基于ndn的卫星网络编码缓存方法，包括以下步骤：

4、s1：根据所述的leo卫星的地理位置进行分簇产生多个leo卫星簇；

5、s2：根据所述的内容请求概率计算各内容编码包的放置数量；

6、s3：根据回程链路负载和内容获取时延为优化目标进行所述编码包的位置放置；

7、s4：基于多种群蚁群算法求解卫星编码包放置问题。

8、优选的，所述卫星簇的簇头的选取主要依据节点的连接度，所述卫星簇的产生步骤如下：

9、s1.1初始阶段节点根据公式计算自己的连接度degreei并通过周期性地广播hello包与邻居节点进行信息交互，获取邻居节点连接度degreej以及节点间的距离dij，将以上信息添加至节点的邻居列表中，该列表按照节点间距离升序排列；

10、s1.2每个节点与邻居节点比较连接度，如果发现自身连接度在一跳邻居中最大，且是未聚簇的节点，则自身成为簇头节点并广播成簇消息；

11、s1.3所有节点监听消息，若节点不是簇头且接收到成簇消息，则向连接度最大的簇头节点发送加入请求，由簇头节点根据邻居列表节点由上至下选择节点加入该簇，成功加入簇的节点广播加入消息；如果节点的邻居节点中比其连接度大的节点均已广播加入消息，则该节点成为簇头节点，并广播成簇消息；

12、s1.4上述过程进行多次迭代，直到所有节点均被划入簇结构中，当节点进入一个簇时，该簇的簇头节点会随机为此节点分配一个节点id。

13、优选的，所述节点的连接度计算公式为：其中i表示第i个节点；所述节点间的距离的计算公式为其中θ为卫星间的地心角，且

14、优选的，所述s2具体为：

15、s2.1初始化数据包数量k，内容请求概率内容个数n；

16、s2.2从第一个内容到第n个内容计算各内容的编码包个数；

17、s2.3在以上基于请求概率匹配编码包个数的基础上对编码包的数量进行调整，如果该内容的编码包个数否则该内容的编码包个数

18、s2.4计算得到各内容的编码包个数oi；

19、其中，oi代表第i个内容的编码块个数，pi代表对该内容的请求概率，c为卫星节点的存储空间大小，mmax为最大的内容大小。

20、优选的，所述s3具体为：

21、将卫星编码包数量的放置情况表示为其中代表第s个簇的第t颗卫星上存储的第i个文件的编码包的个数；

22、s3.1设置最小化回程链路负载为优化目标之一

23、s3.2设置最小化内容获取时延为第二个优化目标其中sgn为阶跃函数，当时函数值为1，代表可以在一个卫星簇中获取所需编码块，假设在一个簇中所经过的跳数为h，当时函数值为0，代表此时需要去其它簇或是内容服务器中获取编码块，假设此时所经过的跳数为r，h＜r，t代表星间链路一跳的传输时延；

24、s3.3设置约束之一为内容的存储量不得超过卫星节点的容量

25、s3.4设置第二个约束为卫星上某内容的编码包个数为0至k的正整数，

26、s3.5设置第三个约束为所有卫星节点上存储的编码包个数和不得超过某内容计算所得的编码包个数

27、s3.6将内容按照流行度降序排列，从流行度最高的内容开始依次进行放置，在满足缓存容量约束的基础上，以最小化回程链路负载和内容获取时延为目标进行各节点编码包数量的求解。

28、优选的，所述基于多种群蚁群算法求解卫星编码包放置问题，具体包括：

29、s4.1计算t时刻蚂蚁q从卫星节点wst下的编码块个数节点转移到卫星节点wsr下的编码块个数节点的概率

30、s4.2计算为蚂蚁t时刻从卫星节点wst下的编码块个数节点转移到卫星节点wsr下的编码块个数节点的期望程度

31、s4.3计算回程链路负载和内容获取时延两个优化目标下的信息素增加量

32、s4.4计算路径上的局部信息素更新量

33、s4.5当各个种群都完成一次独立搜索后，根据种群的目标函数对搜索出来的解进行升序排列；

34、s4.6如果此解优于另一个种群搜索出来的最差解且该解不在pareto解中，将此解添加到pareto解集之中，并以进行路径上的信息素更新；

35、s4.7如果此解劣于另一个种群搜索出来的最差解或者此解已在pareto解中，则只进行路径上的信息素更新

36、s4.8输出pareto解集，得到解变量。

37、优选的，所述蚂蚁转移概率的计算公式为：

38、

39、其中为t时刻链路上的信息素浓度；为t时刻链路的启发度；α和β分别表示信息素和启发函数因子的重要程度；allowedq为蚂蚁q在卫星节点wsr下还可以访问的编码块个数节点集合；

40、所述蚂蚁转移的期望程度计算公式如下：

41、

42、所述路径上的信息素更新量计算公式如下：

43、

44、

45、其中和分别为当前搜索完成后两个目标的函数值，umin和tmin分别为当前所找到的两个目标的函数最优值，q为一只蚂蚁一次寻路的信息素总量。

46、与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：

47、1、该基于ndn的卫星网络编码缓存方法，采用编码操作去除数据的传输相关性，为了实现高效的内容分发，以最小化回程链路负载和内容获取时延为优化目标，进行卫星节点编码包的放置，通过多种群蚁群算法对优化问题进行求解，同时实现了对内容的快速检索，并设计一种集群的协作下发机制，简化了对卫星网络管理的同时使得用户在多颗卫星节点覆盖时能够减少内容下发的卫星链路负载。

48、2、该基于ndn的卫星网络编码缓存方法，根据leo卫星的地理位置进行分簇产生多个leo卫星簇，随后根据内容请求概率计算各内容编码包的放置数量，根据回程链路负载和内容获取时延为优化目标进行编码包的位置放置，最后基于多种群蚁群算法求解卫星编码包放置问题。