一种基于节点社团重要度的icn缓存策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电子信息技术领域，设及在信息中屯、网络架构中，内容对象选择缓存 位置的机制和网络节点内内容对象被替换的机制。
【背景技术】
[0002] 为了适应互联网应用由发送者驱动的端对端通信模式向接收者驱动的海量内 容获取模式的转变，同时增强网络对安全性、业务质量、移动性、可扩展性等方面的支持， 研究者们近年来提出了一类W信息为中屯、的新型网络体系架构，统称为信息中屯、网络 (Information-CentricNetworking,简称ICN)，典型的如；DONACCN/NDN,PURSUIT,COMET 和GreenICN项目。在该类ICN网络中，为缓解当前网络流量的快速增长对网络带宽造成的 严峻压力，每个节点都增加了内置缓存功能。虽然缓存机制也是目前互联网中用于提高网 络性能的重要手段之一，缓存理论及相关技术也已经在Web、CDN和P2P中得到了较为广泛 的应用，但目前的缓存策略主要针对于某一具体应用，并需配置成一个覆盖网络。因此，该 些缓存策略与中间节点共享数据时，效率较低。然而，ICN中的缓存是网络架构内在的一部 分（每个节点都具有该功能），与应用无关，具有网络自适应等特性，因而，传统的面向Web、 CDN和P2P缓存算法也就不能直接应用于ICN中。近年来，研究者们对ICN中的缓存优化方 法进行了探索，得出了许多研究成果，主要集中在两个方面：一是判断内容是否被节点缓存 的缓存决策策略；二是单节点缓存内容的替换策略。
[0003] 在缓存决策策略方面JCN原始提案实行的是处处缓存（CacheEve巧thing Everywhere,CE巧策略，即；所有的内容对象被要求缓存于去往目的地途中的所有节 点。该直接降低了缓存系统所能缓存内容的多样性，导致了严重的缓存浪费，因为请求 被任意中间节点响应后而不会再往上游节点转发，其上游某些节点缓存的内容可能根 本没有机会响应后来的请求而因缓存空间受限被替换。最近，Wei等人提出了基于介数 (Betweenness,Betw策略）的选择性缓存机制，只将对象放置于ICN中兴趣包（Interest Packet)沿途中介数最大的节点，即；对象仅缓存于最重要的节点处。与CEE策略相比，该 种策略具有较高的缓存命中率，并且减少了节点的替换次数，但依然存在其局限性，即；大 部分的内容缓存在全网介数相对大的部分节点处，导致内容对象在空间分布上不合理，网 络性能亦随之降低，主要体现在；（1)大部分的网络流量与介数大的节点相关，从而降低了 网络的负载容量；(2)高介数的节点的替换次数大幅增加，增加了节点的计算开销，因而不 能满足ICN节点线速执行的要求；（3)由于网络介数是描述节点网络全局重要度的指标，高 介数的节点处并不一定是网络中大部分用户最容易访问的位置。
[0004] 在缓存替换策略方面；为保证ICN节点运行于高速的网络环境，目前在ICN的诸 多缓存策略中，采用较多的还是简单易运行的LRU(LeastRecentlyUsed)或LFU(Least 化equentlyUsed)。但是，如果在全网中，所有节点都W内容在该节点处被访问的频率大小 或被访问的时间先后为标准，采用相同的替换机制，将直接导致内容对象在时间上分布不 合理。目P，在热口时间里，社团内的每个节点都缓存到相同的对象，该将不利于缓存空间的 合理利用。然而，在热口时间过后，该内容对象在各节点上又几乎同时消失，若需访问该内 容，又会产生比较大的网络时延，抑制网络的整体性能。
【发明内容】
[0005] 本发明应用Internet网络拓扑结构的社团特性一社团内部的节点之间连接相对 紧密，社团之间的节点之间的连接则相对稀疏，提出了一种基于节点社团重要度的缓存位 置确定机制和缓存对象替换机制的缓存策略（简称CSNIC)，在缓存位置确定机制中，由于 在同一社团中，社团重要度大的节点不仅越容易被社团内的节点访问，而且也越容易被社 团外的节点访问，因而把内容分别缓存于其经过的各社团内节点社团重要度最大的节点 处。该样做不仅能提高网络的缓存效率，节约网络的缓存空间，而且能使网络内容在网络空 间上的分布变得更加均匀和合理。
[0006] 在缓存替换策略方面，基于Internet网络拓扑结构的社团特性，在每个社团内， 每一个节点进行内容替换时，不仅考虑内容在该节点处被访问的情况，还考虑到了该节点 在社团中的位置，使同一社团中各节点采用混合的替换机制。即通过节点社团重要度确定 替换节点缓存队列中的内容对象的位置的概率，如节点社团重要度大的节点，在缓存队列 中靠后的位置的内容对象被替换的概率大；而节点重要度度小的节点，在缓存队列中靠前 的位置的内容对象被替换的概率大，W达到内容对象在时间上的合理分布。
[0007] 其技术方案如下；
[000引一种基于节点社团重要度的ICN缓存策略，包括W下步骤：
[0009] 1)首先定义节点社团重要度定义：根据网络邻接矩阵的特征谱能清楚地反映网 络中社团的数目，例如由C个社团组成的网络，则该网络的邻接矩阵将有C个特征值远大 于其它特征值，该些特征值可W作为量化网络社团结构的重要指标。因而，网络社团强度 定义为：
【主权项】
1. 一种基于节点社团重要度的ICN缓存策略，其特征在于，包括以下步骤： 1) 首先定义节点社团重要度定义：根据网络邻接矩阵的特征谱能清楚地反映网络 中社团的数目，由c个社团组成的网络，则该网络的邻接矩阵将有c个特征值远大于其 它特征值，这些特征值作为量化网络社团结构的重要指标；因而，网络社团强度定义为：
节点k对网络社团特性的重要度为Pk=P-P' ；利用摄动理论得节点社团重要度的近似解， 如公式（1);
其中c为网络中社团数目，\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；Pk值越大， 节点k在其所属的社团中越重要，即社团内外的其它节点访问该节点将越容易；对于n个节
用I之前，需预先知道网络中社团数目c的值；本发明利用网络的频谱特性直接确定网络社 团数目；如果c给定，该方法无需对网络进行社团划分，避免了复杂的社团划分的计算量， 直接描述节点对社团的重要度； 2) 缓存位置的确定机制：ICN兴趣包在经过每个社团时，都会记录下其所经过的每一 个社团中节点重要度最大的节点，同时在以数据包的形式返程时将内容对象缓存于这些节 点上； 3) 缓存替换机制：以网络的社团为一个单位，在同一社团内根据各个节点的节点社团 重要度和内容对象在该节点处被访问的时间先后顺序，选择不同的内容对象进行替换；即 通过节点社团重要度确定节点缓存队列中的内容对象被替换的概率，如节点社团重要度大 的节点，在缓存队列中流行度低的内容对象被替换的概率大；而节点重要度度小的节点，在 缓存队列中流行度高的内容对象被替换的概率大，以达到内容对象在时间上的合理分布； 若ICN节点缓存建模为大小为C个对象的队列，以最近最少使用的时间顺序进行排列； 假定第i个社团内节点j的节点社团重要度为I#在该社团内的平均节点社团重要度为 ；当有一内容对象在该节点需缓存时，将按照概率Pu(k)替换该节点缓存队列的第k个 位置的内容（ke[1，C])，Pij(k)定义如公式（2);
【专利摘要】本发明公开了一种基于节点社团重要度的ICN缓存策略，包括以下步骤：1)定义节点社团重要度；2)基于节点社团重要度确定内容缓存位置；3)基于节点社团重要度的节点内容替换机制。本发明提出了一种应用Internet网络拓扑结构的社团特性，基于每个节点在其所属社团的重要度确定内容缓存位置和缓存替换的缓存策略。通过在不同网络环境进行仿真实验，实验结果验证了本发明方法的有效性。
【IPC分类】H04L29-08
【公开号】CN104821961
【申请号】CN201510185732
【发明人】蔡君
【申请人】广东技术师范学院
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月16日