一种基于PopBetw策略的网络装置及其协作路由缓存方法与流程

本发明属于移动通信领域，具体涉及中心无线网络与sdn相结合的新网络构架下的缓存方法。

背景技术：

随着互联网的发展，人们的需求不断的增大，据统计全球流量已突破100ebs的规模，而ip网络的局限性也逐渐的暴露出来。内容中心网络作为一种革命性的新型的网络架构，其不仅能在终端用户附近放置缓存，还能在路由器上放置缓存。但也因其缓存分布的广阔，如何合理解决内容副本冗余，替换频繁等问题，保证优良的缓存性能也成为急待解决的问题。基于此问题，

popbetw策略是基于egobetw策略提出的，是对于egobetw策略的延伸。egobetw策略主要是节点中介中心度的表述。其指的是，当网络中的请求者发出请求后，请求沿各路由节点进行寻找内容，找到内容后，再沿路由节点返回，有的路由节点此时可以被多个路由节点返回，并存储资源，故这些路由节点的中介中心度大于其他的路由节点。

而popbetw策略中的内容热门程度，则是根据某一周期中，某个内容的请求频率来进行划分，若其请求频率越高，则该资源的热门度越高。

在目前已有的缓存替换策略有lru策略、lfu替换策略、fifo缓存策略以及popbetw策略，其中，lru策略(leastrecentlyused,最近最少使用算法)是目前最为常见，使用最为广泛的替换策略，利用请求模型的时间局部性概念，当插入一个新数据块到节点缓存表时，lru策略会将最近最少被请求的内容项踢出表外。在某一时段中，当资源请求数目多时，踢出的资源再次申请的可能性增大，当被请求时重新存储资源，资源存储抖动次数增多，资源开销增大。lfu替换策略(leastfrequentlyused,最不经常使用算法)是为每一个缓存表中的缓存项内容设置一个计数器，一旦收到请求，对应的内容引用计数器值加一。当发生替换时，查询计数器队列，历史统计中请求次数最少的资源为替换项。lfu虽然性能好于lru，当其实现的代价较高，且不适合用于大规模的缓存环境。fifo缓存策略(firstinfirstout,先进先出算法)：当一个新内容添加进cs时，需要剔除的是最先添加进去的项。其虽然操作起来简单，但在具体的应用中，效率并不高，而且资源开销过大，特别当某个先进去的资源热门程度保持在前列时。popbetw策略是在egobtew策略上进行的内容热度的改进，将内容热度提了出来，以解决egobtew方法中，因无内容替换的方法，导致内容替换频繁，从而影响运行时延和造成资源的浪费。但其方法是属于非协作缓存，仅仅改进了单个路由的性能和替换策略，并没有对整体的路由或多个路由进行改进，并且单个路由的处理时间过长，当多个路由的处理策略相同时，一个一个路由的进行处理，不仅导致时延增长，并且还会使得计算资源消耗过大。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于popbetw策略的网络装置及其协作路由缓存装置及方法，提出了整体路由的整合，设置两层网路架构，控制层网络单独对路由转发策略进行计算，路由层只负责转发，不仅可以缩短时延，并且可以避免相同的路由转发策略进行多次计算，从而节省计算资源。

为达到上述目的，本发明所述一种基于popbetw策略的协作路由缓存方法，确定转发层中所有路由节点的中介中心度，将各路由节点按照其中介中心度由大到小排序，将排列后的结果发送至控制器，形成一个虚拟的路由节点排列位置；将中介中心度最大的路由节点放置在第一层，然后依次在上层放置其他路由节点；

按照内容热门程度对内容从大到小进行排列，将排列结果发送至控制器中，并存储在基于popbetw策略网络装置的内容缓存表cs中；将资源优先缓存在第一层的路由节点中，当第一层的路由缓存溢出时，将溢出资源依次缓存在第二层路由节点至第n层路由节点中，n为路由节点的数量；并将改变的资源位置与接受的路由节点信息由控制层发送到转发层上；

当内容中心网络中的兴趣包开始请求时，首先将兴趣包发送到距离最近的一个路由节点上，而后该路由节点直接向控制层发送兴趣包请求，控制层接收到兴趣包的请求后直接在按中介中心度排列的逻辑路由中自下而上进行查找，若路由节点储存有用户所请求的资源，则由储存该资源的路由节点将资源转发给用户，路由节点在返回资源的路径中不再储存资源副本；若该资源所在的路由节点已处于休眠状态时，则对设定时间内中该资源的请求频率进行统计，当请求频率达到或者超过请求阈值时，则将该资源所在的路由节点唤醒，否则该资源所在的路由节点继续进行休眠；若未能查到所请求的资源，将请求转发到核心网进行资源请求。

进一步的，所述内容热门程度采用资源的请求访问频率作为衡量标准，访问频率越高，内容热门度越高。

进一步的，将设定时间内不使用的路由节点进行休眠。

进一步的，在休眠状态下的路由节点只进行兴趣包的转发，不进行数据包的转发。

进一步的，所述数据包具有数据内容命名、数据、数字签名、标志信息以及缓存标志位；所述兴趣包具有兴趣包加密内容名、资源探针以及缓存标志位。

一种基于popbetw策略的网络装置，包括控制层和转发层，所述控制层中设置有控制器；所述转发层中设置有若干个路由节点，控制器与所有路由节点连接，两个相邻区域内的路由节点相互连接，所述所有路由节点中存储有内容缓存表cs，待发兴趣表pit，转发信息库fib、内容热度表pt和路由相邻表at；其中，内容缓存表cs用于存储路由节点中的缓存；待发兴趣表pit用于记录待转发的兴趣包，转发信息库fib用于记录转发后的路由路由信息，内容热度表pt用于记录并统计内容的流行度和内容的位置信息，路由相邻表at用于记录本路由能连接到的周围路由节点；

其中，在网络运行开始时，转发层向控制器开始转发所有路由节点中的内容缓存表cs，待处理请求表pit，转发信息表fib、内容热度表pt和路由相邻表at，控制器接收并汇总成整个基于popbetw策略网络装置的内容缓存表cs，待处理请求表pit，转发信息表fib、内容热度表pt和路由相邻表at，并且当路由中的各表更新时，将更新信息上传至控制器；控制器用于还用于接收各路由节点接收到的兴趣包，并根据兴趣包寻找内容，通过基于popbetw策略网络装置的路由相邻表at找出内容所在的路由和请求路由之间的最短路径，控制内容所在的路由节点将内容发送至请求路由节点；

转发层的各路由节点存储有内容。

进一步的，在转发层中，各路由节点只进行路由之间数据包的转发，兴趣包发送到控制层，由控制层的控制器对兴趣包中请求进行查找响应，且各个路由节点的内容缓存表cs和待处理请求表pit不再进行查询操作，也不进行资源包返回用户处途中资源副本复制保存操作。、

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明的装置将网络设置为两层网络架构，一层为控制层，一层为转发层，由控制层集中处理请求，并发送给转发层转发命令，转发层直接执行命令，不再由单个路由进行单独计算查找。这样不仅可以节约重复计算(一个区域中的两个路由可能会接到两个相同请求的兴趣包，进行相同的资源查找)所带来的计算资源的浪费，并且还可以节省存储空间，一个区域中的路由不再存储相同的资源，用户请求的数据包沿途返回时，各沿途返回所经过的路由不再存储副本，将由控制层的控制器通过对汇总的内容热度表pt进行更新，若该资源的热度上升且内容热度排名后热度排名不在当前路由存储空间范围时则需要进行资源位置更替，则对该资源的存储位置进行更替，若更新内容热度表pt后该资源的热度排名仍在该路由的存储空间范围内则不需要进行资源位置的更替，从而节省存储空间，统一的控制层发送命令还可达到降低时延的目的。

进一步的，将区域中的所有路由按照改进后的egobetw策略——popbetw策略整合并按节点中介中心度排列，进行集中化的信息处理，使得节点中介中心度大的路由节点中预存了现阶段较为热门的资源，不仅降低了用户请求的时延，还使得资源的替换率降低，节省资源开销。

本发明的方法提出了一种基于popbetw缓存策略的整合路由内容缓存方法，将popbetw路由运作机制，改进为多路由整体协作模式，从而实现了将popbetw策略由非协作缓存变成了协作缓存，提高了缓存效率，降低了网络时延。

进一步的，将一段时间不使用的路由进行休眠，与一直开放路由相比较可以节省资源，并且设立唤醒阈值，可以防止，路由因某些偶尔请求的资源唤醒而后又休眠造成的不必要的浪费。

附图说明

图1为基于popbetw策略网络装置示意图；

图2为逻辑上的各路由节点位置图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在内容中心网络中，缓存一直都是其重中之重，缓存对内容中心网络中的时延性有着决定性的作用。针对于在降低时延性的目的上，还提出了新的策略来降低资源消耗。

本发明的内容分为基于popbetw策略网络装置和几个部分：

基于popbetw策略网络装置采用sdn网路架构，将内容中心网络分为两个网络层，一层为控制层，一层为转发层。控制层中设置有控制器；转发层中设置有若干个路由节点，控制器与所有路由节点连接，两个相邻区域内的路由节点相互连接。并且，在转发层中的所有路由节点的内容缓存表cs，待处理请求表pit，转发信息表fib、三个基本表的基础上增加内容热度表pt和路由路径表tt。

控制器用于接收所有路由中的内容缓存表cs，待处理请求表pit，转发信息表fib、内容热度表pt和路由路径表tt，并汇总成整个基于popbetw策略网络装置的内容缓存表cs，待处理请求表pit，转发信息表fib、内容热度表pt和路由路径表tt；并接收各路由节点接收到的兴趣包，寻找内容，通过基于popbetw策略网络装置的路由路径表tt找出内容所在的路由和请求路由之间的最短路径，控制内容所在的路由节点将内容发送至请求路由节点。

在控制层中，将转发层中的所有路由节点在逻辑上整合为一个整体路由器。首先使用popbetw缓存策略对各路由节点的中介中心度(中介中心度指兴趣包请求到目标资源后，目标资源将打包成数据包返回给用户，返回路径上各个节点在网络拓扑架构中起到的连接作用的大小)进行衡量，当路由节点邻接路由节点的数量越多，则其中介中心度越大；然后对各路由节点按中介中心度从大到小进行排列；将排列后的结果发送至控制器，形成一个虚拟的路由节点排列位置，路由节点的实际位置并不发生改变。使用拓扑程度最高的路由节点放置在第一层，然后依次在上层放置其他路由节点，主路由放置在控制层的逻辑虚拟位置上。

再按照内容热门程度对内容从大到小进行排列，将排列结果发送至控制器中，并存储在基于popbetw策略网络装置的内容缓存表cs中；内容的热门程度无法给出具体的衡量标准，故采用时间段t内，资源的请求访问频率作为标准，访问频率越高，则视为内容热门度越高。将内容优先缓存在第一层(即最底层)的路由节点(即中介中心度最大的路由节点)中，当最底层的路由缓存溢出时，将溢出资源缓存在第二层路由节点中，当第二层路由节点资源溢出时，依次按照内容热门程度将资源缓存在上一层路由节点中，并将资源位置反馈到所在路由中，更新各路由中的内容热度表pt，后将各路由中的内容热度表pt汇总给控制层中的控制器，更新控制器中总的内容热度表pt。

将整体的路由中没有缓存内容的路由节点或一段时间中无请求的路由进行休眠；当某一个兴趣包在休眠的路由中时，且若后期有该兴趣包的内容请求时，并且请求频率超过设定的阈值p时，则将休眠路由唤醒，否则继续休眠；

在转发层中，各路由节点直接执行控制层的策略，只进行路由之间资源数据包的转发，兴趣包不再发送到路由节点，路由节点也不再接受并处理兴趣包，兴趣包发送到控制层进行处理，且各个路由节点的内容缓存表cs和待处理请求表pit不在进行查询操作，也不进行资源包返回用户处途中资源副本复制保存等其他操作，从而实现低时延。

在控制层中，划分出一个区域，将区域中的所有路由整合为一个整体的路由，通过popbetw策略中的中介中心度计算方法和热门内容度衡量方法对路由分支上的缓存路径上路由节点进行拓扑度的统计，并按照各个分支路由节点的拓扑程度对区域中的路由节点进行顺序排列。将使用拓扑程度最高的路由节点放置在第一层，然后依次在上层放置其他路由节点，各个路由放置在控制层的逻辑虚拟位置上，并不对路由节点的实际位置进行改变。

实施例

参照图1，主机作为控制器构成了控制层，转发层包括路由节点a、路由节点b、路由节点c和路由节点d四个路由节点。其中，路由节点a连接路由节点b、路由节点c以及路由节点d，故路由a的中介中心度为3；路由节点b连接路由节点a，故路由b的中介中心度为1；路由节点c连接路由节点a以及路由节点d，故路由c的中介中心度为2；路由节点d连接路由节点c以及路由节点a，故路由节点d的中介中心度为2；所以路由节点a的中介中心度最大，参照图2，将路由节点a在放置在逻辑位置上的最底层(即第一层)，路由节点c与路由节点d并排排列放置在中间层(即第二层)，路由节点b排在最上层(即第三层)。若有两个或多个路由几点的中介度相同时，将两个或多个路由合并放置于同一层，相当于出于同一级，将两路由合并处理，资源放置随机放置即可。

当用户终端开始发送兴趣包请求所需要的资源时，兴趣包发送到路由节点后，各路由节点不再查找，而是转发到控制层的控制器上去，由控制器在内容热度表pt中就行查找资源位置；当查找到资源位置后，控制层将兴趣包由当前路由直接发送至目标资源所在的路由节点上，由资源所在的路由节点直接将资源发送给用户，资源沿途返回所经过的路由节点不再缓存资源副本；若控制层发现资源所在路由节点处于休眠状态，则将该资源请求保存，控制层并统计设定时间内中该资源请求数是否达到请求阈值p，达到阈值p时则唤醒路由节点，然后控制层将兴趣包由当前路由直接发送至目标资源所在的路由节点上，由资源所在的路由节点直接将资源发送给用户；若未能查到所请求的资源，将资源请求转发到核心网进行资源请求。

在内容中心网络(一种新型寻址方式的网络，内容中心网络不再依靠ip地址进行内容提供者和内容请求者的寻址，而是通过内容名进行寻址)，当用户的终端设备发送兴趣包开始请求时，兴趣包会发送到距离用户最近的一个路由节点上，而后该路由节点直接向控制层发送兴趣包请求，控制层接收到兴趣包的请求后直接在按中介中心度排列的逻辑路由中自下而上进行查找，若区域中的路由节点储存有用户所请求的资源，则由储存该资源的路由节点直接转发给用户，并且路由节点在返回资源的路径中不再储存资源副本，只负责转发；若该资源所在的路由节点已处于休眠状态时，则控制层对最近该时段该资源的请求频率进行统计，当频率达到或者超过请求阈值时，则将该资源唤醒，否则该路由继续进行休眠。在休眠状态下的路由只进行兴趣包的转发，不进行资源数据包的转发，否则，将请求转发到核心网进行资源请求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。