CN113783779B - 命名数据网络中分级随机缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了命名数据网络中分级随机缓存方法，在兴趣包中添加兴趣包路由跳数字段，在数据包中添加数据包路由跳数字段和数据包缓存标志位字段；将传输路径上的路由器分为多级缓存路由器，当数据请求节点在不同次请求相同内容的数据包时，从不同级缓存路由器中读取数据包，并缓存至下一级路由器中。从而降低网络中数据冗余，提高网络内数据内容多样性，提升网络性能。

Description

命名数据网络中分级随机缓存方法

技术领域

本发明涉及计算机网络分布式缓存领域，具体涉及命名数据网络NDN(Named DataNetworking)中分级随机方法。

背景技术

命名数据网络NDN(Named Data Networking)是一种以命名数据为主要通信对象的网络体系，是信息中心网络的一种特例。在NDN中，通过给数据命名并根据数据包的名字信息进行通信，改变了目前网络基于IP地址的通信方式，在鲁棒性和扩展性等方面相对于TCP/IP网络表现尤为突出。NDN中的通信由内容请求者驱动，即内容请求者首先需要发送数据请求，数据发布节点再根据数据请求将相应的数据发送给内容请求者。NDN中包含两种格式包，兴趣包(Interest Packet)和数据包(Data Packet)，其中interest包是用户为请求数据而发送的包含名字信息的请求包，而data包中则包含用户要请求的真正数据，其中data包和Internet包的名字信息相同。所有的包均被路由器以逐跳转发的方式进行转发处理，每个路由器包含三种表结构，分别为信息转发表FIB(Forwarding Information Base)、待定请求表PIT(Pending Interest Table)和内容存储器CS(Content Store)。CS中存储的是数据发布节点发送而来的数据，PIT表存储的是已经被当前节点转发出去的interest包的名字信息及其对应的“上游”(Up Stream)接口；FIB表记录的是对应名字信息的interest包可以被转发的“下游”(Down Stream)接口集合，用来将interest包转发到匹配的下一接口，如果没有匹配到接口，则这个interest包将被丢弃。

NDN中的data包存储方法为NDN领域研究热点。目前所提出的路由方法包括：泛在式缓存(Cache Everything Everywhere,CEE)方法，NDN中的每个路由器在接收到数据包时，都对数据内容进行缓存操作，随着数据内容的增多，网络中会存在大量数据冗余，同时网络内数据多样性低，当新的数据包到达网络中时，将产生数据替换，频繁发生数据替换导致全网缓存命中率低，降低网络性能；一种缓存副本(Leave Copy Down,LCD)方法，该方法将数据内容缓存在返回路径上命中路由器的直接下一跳节点内，这种缓存方法能够将高频请求的数据内容缓存在距离数据请求节点更近的路由器内，提升网络性能，这种方法随着网络中请求的数据内容增多，数据冗余也随之提升，同时网络中缓存替换会降低全网缓存命中率；一种基于概率缓存(ProbCache)方法，该方法通过计算路由器对数据内容的缓存概率，将数据内容缓存在概率值最高的路由器上，通过这种方法降低网络内数据冗余，但基于概率缓存方法存在一定的随机性，对于高频请求的数据内容的针对性不高，这种缓存方法造成距离数据请求节点近的路由器缓存替换率高，缓存命中率低。

虽然这些方法达到了对数据内容的缓存目的，但在网络性能方面没能实现更大的提升。因此必须提出一种可以降低网络中数据冗余，提升网络数据多样性，提高全网缓存命中率、降低网络延迟的缓存方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提出命名数据网络中分级随机缓存方法，能够有效降低网络中数据冗余，提高全网缓存命中率，提升网络性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

命名数据网络中分级随机缓存方法，包括以下步骤：

步骤1、数据请求节点兴趣包时，在兴趣包中添加兴趣包路由跳数字段IntPassHop，数据发布节点发送数据包时，在数据包中添加数据包路由跳数字段DataPassHop和数据包缓存标志位字段CacheTag；

步骤2、传输路径上的路由器共分为三级，分别为一级缓存路由器、二级缓存路由器和三级缓存路由器，传输路径中路由器总数为T，记传输路径中一级缓存路由器数为C1，传输路径中二级缓存路由器数为C2，传输路径中三级缓存路由器数为C3，

步骤3、当数据请求节点第一次请求内容名为data1的数据包时，数据发布节点将对应数据信息封装成数据包并发送到命名数据网络中，并为数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值减一，并且数据包缓存标志位字段CacheTag减至0时，数据包到达三级缓存路由器，当数据包缓存标志位字段CacheTag为0时将数据包缓存在当前缓存路由器中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作。

当数据请求节点第二次请求名为data1的数据包时，数据包从当前缓存路由器发出，并为数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值减一，并且数据包缓存标志位字段CacheTag减至0时，数据包到达二级缓存路由器并将数据包缓存在当前缓存路由器中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作；

当数据请求节点第三次请求名为data1的数据包时，数据包从当前缓存路由器发出，并为数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值减一，并且数据包缓存标志位字段CacheTag减至0时，数据包到达一级缓存路由器并将数据包缓存在当前缓存路由器中，当数据包缓存时，数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作；

当数据请求节点第四次请求名为data1的数据包时，如果当前缓存路由器是距离数据请求节点最近的路由器，则当前缓存路由器向数据请求节点转发数据包，如果当前缓存路由器不是距离数据请求节点最近的路由，则数据包从当前缓存路由器发送，并为数据包缓存标志位字段CacheTag赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag＝T-M，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值减一，当数据包缓存标志位字段CacheTag为0时将数据包缓存在距离数据请求节点最近的路由器中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包。

如上所述的步骤2中，当前传输路径中路由器总数为T；当前传输路径中一级缓存路由器数C1 floor(T/3)；当前传输路径中二级缓存路由器数C2＝floor(T/3)；当前传输路径中三级缓存路由器数C3＝floor(T/3)+T％3，其中，floor()为取整符号，T％3为T除以3的余数。

如上，所述的步骤3中，数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值设为K，

K∈(0,C3], M＝0

K∈[C3-M+1,C2+C3-M], 0<M≤C3

K∈[C2+C3-M+1,T-M],C3<M≤C2+C3

K＝T-M,C2+C3<M≤T

本发明相对于目前NDN中所采用缓存方法具有的优势就在于：

通过对传输路径上的路由器进行分级，同时对数据包中CacheTag字段值进行定义，确定数据包在传输路径上具体的缓存位置，传输路径中对同一数据内容最多缓存三次，从而降低网络中数据冗余，提高网络内数据内容多样性，提升网络性能。

附图说明

图1为本发明的兴趣包(Interest包)和数据包(Data包)格式。

图2为本发明的传输路径的路由器分级示意图(级数可扩展到三级以上)。

图3为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量比R＝C/N＝0.01且Zipf系数α＝0.7时四种方法的缓存命中率比对图。

图4为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量比R＝C/N＝0.01且Zipf系数α＝0.7时四种方法的平均路由跳数对比图。

图5为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量比R＝C/N＝0.01且Zipf系数α＝0.7时四种方法的平均请求时延对比图。

图6为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N在(0.01,0.05)之间且Zipf系数α＝0.7时四种方法的缓存命中率对比图。

图7为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N＝0.01且Zipf系数α在(0.4,1.4)之间四种方法的缓存命中率对比图。

图8为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N在(0.01,0.05)之间且Zipf系数α＝0.7时四种方法的平均路由跳数对比图。

图9图9为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N＝0.01且Zipf系数α在(0.4,1.4)之间四种方法的平均路由跳数对比图。

图10为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N在(0.01,0.05)之间且Zipf系数α＝0.7时四种方法的平均请求时延对比图。

图11为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N＝0.01且Zipf系数α在(0.4,1.4)之间四种方法的平均请求时延对比图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

命名数据网络中分级随机缓存方法，包括以下步骤：

步骤1、对兴趣包(interest包)和数据包(data包)格式进行修改；

数据请求节点发送一个兴趣包到命名数据网络中，在兴趣包中添加兴趣包路由跳数字段IntPassHop，用来记录兴趣包路由跳数。数据发布节点发送数据包时，在数据包中添加数据包路由跳数字段DataPassHop和数据包缓存标志位字段CacheTag，CacheTag作为缓存标志位字段，初始值为0。

步骤2对网络中的传输路径进行分级；

传输路径上的路由器共分为三级，分别为一级缓存路由器、二级缓存路由器和三级缓存路由器。

根据兴趣包中的兴趣包路由跳数字段IntPassHop的字段值L和缓存在路由器中的对应的数据包中的数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M可计算出：

当前传输路径中路由器总数：T＝L+M。

当前传输路径中一级缓存路由器数：C1＝floor(T/3)，

当前传输路径中二级缓存路由器数：C2＝floor(T/3)，

当前传输路径中三级缓存路由器数：C3＝floor(T/3)+T％3，

Floor()为取整符号，T％3为T除以3的余数。

数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值设为K，则K值计算公式为：

K∈(0,C3], M＝0

K∈[C3-M+1,C2+C3-M], 0<M≤C3

K∈[C2+C3-M+1,T-M],C3<M≤C2+C3

K＝T-M,C2+C3<M≤T

步骤3对数据包进行转发；

数据发布节点收到兴趣包后，将对应数据内容封装成数据包并发送到命名数据网络中，其中，数据包中包括内容名称字段Content Name、数据内容Data、数据包路由跳数字段DataPassHop和数据包缓存标志位CacheTag字段，并沿此兴趣包所经过路径的反向路径，原路回送到数据请求节点。

当数据请求节点第一次请求内容名为data1的数据包时，数据发布节点将对应数据信息封装成数据包并发送到命名数据网络中，并为数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag的随机赋值范围是(0,C3)，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值减一，当数据包缓存标志位字段CacheTag＝0时将数据包缓存在最近经过的路由器A(当前缓存路由器)中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作。

当数据请求节点第二次请求名为data1的数据包时，数据包从当前缓存路由器发出，即从路由器A发送，并为数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值范围是(C3-M+1,C2+C3-M)，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值减一，当数据包缓存标志位字段CacheTag＝0时将数据包缓存在路由器B(当前缓存路由器)中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作。

当数据请求节点第三次请求名为data1的数据包时，数据包从当前缓存路由器发出，即从路由器B发送，并为数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值范围是(C2+C3-M+1,T-M)，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值减一，当数据包缓存标志位字段CacheTag＝0时将数据包缓存在路由器C(当前缓存路由器)中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作。

当数据请求节点第四次请求名为data1的数据包时，如果当前缓存路由器是距离数据请求节点最近的路由器，即路由器C是距离数据请求节点最近的路由器，则路由器C向数据请求节点转发数据包，并更新数据包data1的存储。如果路由器C不是距离数据请求节点最近的路由，则数据包从路由器C发送，并为数据包缓存标志位字段CacheTag赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag＝T-M，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段CacheTag的字段值减一，当数据包缓存标志位字段CacheTag＝0时将数据包缓存在距离数据请求节点最近的路由器D中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段DataPassHop的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包。

最后，将对本发明方法(Hierarchical random cache，HRC)进行性能仿真分析。采用的仿真平台为ndnSIM，ndnSIM是基于ns-3网络仿真软件用C++编写实现CCNx协议的NDN仿真模块，实现了基本的网络协议、路由转发策略以及数据包节点缓存等功能。网络拓扑结构包含10个数据请求节点，一个数据发布节点和489个路由器以及10条链路。设置每条链路的带宽为10Gbps，各条链路的时延为10秒，缓存容量为(0.01，0.05)，Zipf分布：α＝0.7。

图3、图4和图5分别为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量比R＝C/N＝0.01且Zipf系数α＝0.7时四种方法的缓存命中率、平均路由跳数和平均请求时延对比图，由图可以看出，在相同情况下，本发明方法(Hierarchical random cache，HRC)缓存命中率最高，平均路由跳数和平均请求时延都低于其他三种缓存方法。

图6为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N在(0.01,0.05)之间且Zipf系数α＝0.7时四种方法的缓存命中率对比图。由图可以看出，随着缓存容量比R＝C/N的增大，四种缓存方法的缓存命中率都有所提高，本发明提出的HRC方法在缓存容量比值变化范围内缓存命中率最高，增加幅度也最大。

图7为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N＝0.01且Zipf系数α在(0.4,1.4)之间四种方法的缓存命中率对比图。由图可以看出，四种方法的缓存命中率随着Zipf参数的增大而提升。其中LCD方法的缓存命中率只有在Zipf系数α＝0.5时小于ProbCache方法的缓存命中率，本发明提出的HRC方法在Zipf系数α值变化范围内缓存命中率对比其他三种方法具有明显优势。

图8为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N在(0.01,0.05)之间且Zipf系数α＝0.7时四种方法的平均路由跳数对比图。由图可以看出，随着缓存容量比R＝C/N的增大，四种方法的全网平均路由跳数呈现下降趋势。当路由器的缓存容量增大时，网络中数据多样性增加，因此平均路由跳数降低。本发明提出的HRC方法的平均路由跳数减少最多，且在缓存容量比值变化范围内平均路由跳数最低。

图9为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N＝0.01且Zipf系数α在(0.4,1.4)之间四种方法的平均路由跳数对比图。由图可以看出，随着Zipf参数α的增大，四种方法的平均请求时延趋于相同，在Zipf系数α值变化范围内HRC方法的平均路由跳数始终小于其他三种缓存方法。

图10为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N在(0.01,0.05)之间且Zipf系数α＝0.7时四种方法的平均请求时延对比图。如图所示，当缓存容量比增大时，四种缓存方法的平均请求时延都明显降低，其中本发明提出的HRC方法减少幅度最大，且在R＝C/N在(0.01,0.05)变化范围内平均请求时延一直最低。

图11为泛在式缓存方法、基于概率缓存方法、缓存副本方法和本发明的分级随机缓存方法，在缓存容量R＝C/N＝0.01且Zipf系数α在(0.4,1.4)之间四种方法的平均请求时延对比图。由对比图可以看出，四种缓存方法的平均请求时延随着Zipf系数α的增大而降低，且随着Zipf系数α的增大，四种缓存方法的平均请求实验趋于相等。其中在Zipf系数α＝0.4时，本发明提出的HRC方法的平均请求时延最小。在Zipf系数α的变化范围内，HRC方法的平均请求时延一直小于其他三种缓存方法。

如上所述，本发明的技术方案首先对NDN网络中的路由器进行分级，并对interest包和data包格式进行了改进以记录interest包和data包经过的跳数，之后根据数据包中的CacheTag字段值决定数据内容缓存在传输路径的哪一个路由器上，使NDN网络能够在路由器有限的条件下缓存更多的数据内容，提高网络中数据多样性，提升网络性能。

以上所述的具体实施方式仅仅是对本发明精神作说明，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.命名数据网络中分级随机缓存方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、数据请求节点发送兴趣包时，在兴趣包中添加兴趣包路由跳数字段，数据发布节点发送数据包时，在数据包中添加数据包路由跳数字段和数据包缓存标志位字段；

步骤2、传输路径上的路由器共分为三级，分别为一级缓存路由器、二级缓存路由器和三级缓存路由器，传输路径中路由器总数为T，记传输路径中一级缓存路由器数为C1，传输路径中二级缓存路由器数为C2，传输路径中三级缓存路由器数为C3，

步骤3、当数据请求节点第一次请求内容名为data1的数据包时，数据发布节点将对应数据信息封装成数据包并发送到命名数据网络中，并为数据包缓存标志位字段随机赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag的随机赋值范围是（0，C3），传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段的字段值减一，并且数据包缓存标志位字段减至0时，数据包到达三级缓存路由器，当数据包缓存标志位字段为0时将数据包缓存在当前缓存路由器中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作；

当数据请求节点第二次请求名为data1的数据包时，数据包从当前缓存路由器发出，并为数据包缓存标志位字段随机赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值范围是（C3-M+1，C2+C3-M），0＜M≤C3，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段的字段值减一，并且数据包缓存标志位字段减至0时，数据包到达二级缓存路由器并将数据包缓存在当前缓存路由器中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作；

当数据请求节点第三次请求名为data1的数据包时，数据包从当前缓存路由器发出，并为数据包缓存标志位字段随机赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag随机赋值范围是（C2+C3-M+1，T-M），C3＜M≤C2+ C3，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段的字段值减一，并且数据包缓存标志位字段减至0时，数据包到达一级缓存路由器并将数据包缓存在当前缓存路由器中，当数据包缓存时，数据包路由跳数字段的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包并且在其他路由器上不再进行缓存操作；

当数据请求节点第四次请求名为data1的数据包时，如果当前缓存路由器是距离数据请求节点最近的路由器，则当前缓存路由器向数据请求节点转发数据包，如果当前缓存路由器不是距离数据请求节点最近的路由，则数据包从当前缓存路由器发送，并为数据包缓存标志位字段赋值，数据包缓存标志位字段CacheTag=T-M，C2+C3＜M≤T，传输过程中数据包每经过一个路由器时数据包缓存标志位字段的字段值减一，当数据包缓存标志位字段为0时将数据包缓存在距离数据请求节点最近的路由器中，数据包缓存时，数据包路由跳数字段的字段值M为数据包缓存时自数据发布节点已经跳转的路由数，缓存完毕继续向数据请求节点转发数据包。

2.根据权利要求1所述的命名数据网络中分级随机缓存方法，其特征在于，所述的步骤2中，当前传输路径中路由器总数为T；当前传输路径中一级缓存路由器数C1=floor（T /3）；当前传输路径中二级缓存路由器数C2 = floor（T / 3）；当前传输路径中三级缓存路由器数C3 = floor（T / 3）+T%3，其中，floor（）为取整符号，T%3为T除以3的余数。

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