[发明专利]社团感知的ICN缓存方法

摘要

一种社团感知的ICN缓存方法，属于计算机的技术领域，其涉及在存储、传输和处理数字信息。随着新应用的不断涌现，流量产生和传输的方式也将发生根本性变换，其中大部分流量来源于用户驱动的内容获取类应用。本发明为一种社团感知的ICN缓存策略（SCCNC），具有不同节点社团重要度的节点采取不同的缓存决策和缓存替换策略，使缓存内容在时间和空间分布上更加合理。将网络编码引入缓存决策和缓存替换策略，在不增加缓存空间的情况下，提高缓存命中率和缓存多样性。在多种实验条件下对SCCNC策略进行了仿真验证，结果表明该策略与其它三种缓存策略相比，能更好地提升包括缓存命中率、跳数减少率、平均下载时间等在内的网络缓存性能。 1

主权项

1.一种社团感知的ICN缓存方法，其特征是将基于节点局部重要度—节点社团重要度确定ICN网络中内容的缓存位置，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，这些特征值可以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：其中λ₁,λ₂,…,λ_c表示邻接矩阵特征值中按降序排列的前c个特征值。当节点k离开网络时，整个网络的社团结构和邻接矩阵特征值都将随之变化，即所以，节点k对网络社团特性的重要度为P_k＝P‑P′，利用摄动理论可得节点社团重要度的近似解，如式(1)：

其中，c为网络中社团数目，v_i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，v_ik表示特征向量v_i中的第k个元素，P_k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个节点，c个社团的网络，有为使测量参数的和为1，定义I_k＝P_k/c，满足在应用I之前，需预先知道网络中社团数目c的值，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，可以直接描述节点对社团的重要度。由公式(1)，计算每个节点的社团重要度，只需求出表示网络节点连接关系的邻接矩阵的所有特征值和特征向量，而现实中的大部分网络为稀疏网络，利用Lanczos算法和QL算法，求稀疏对称矩阵的所有特征值和特征向量的时间复杂度为O(nm)，其中n和m分别表示网络的节点数和边数，计算量比较低，适合于实际应用。

2.根据权利要求1所述的社团感知的ICN缓存方法，其特征是Interest包和Data包转发机制，在SCCNC中，Interest记录其转发路径上的每个社团中节点社团重要度的最大值，即{I_1max,I_2max,…,I_imax}，其中I_imax表示Interest转发路径上第i个社团中节点重要度的最大值。当Data沿Interest转发路径返回用户时，中间节点通过对比自己的节点重要度I_ij及Data携带的该社团的节点重要度最大值，I_imax，制定对应的缓存方案。本发明设计一种Interest合并机制，用于合并节点收到的多个Interest，目的是减少Interest包和Data包的通信开销，当节点N_j收到Interest时，将自己的节点重要度I_ij与Interest中携带的当前社团的重要度最大值I_imax进行对比，如果I_ij>I_imax，则令I_imax＝I_ij，当Interest被转发到一个新的社团i时，遇到的第一个节点N_i1(记为FN)，记录下游社团的节点重要度最大值，即I_(i‑1)max，这样Interest只需携带当前社团的节点重要度最大值，以减少Interest的通信开销，当社团2中的节点N₂₁收到Interest(p,p₁,I₄)时，用自己的节点社团重要度I₂₁替换Interest中节点社团重要度最大值，I₄，然后将新的Interest，即Interest(p,p₁,I₂₁)，转发给上游节点，同时新建一条PIT条目记录Interest(p,p₁,I₄)；

当节点N_j从接口k收到Interest时，首先检查其PIT表。每个PIT表项为一个五元组，如表1所示：

<ContentName,ChunkID,Faces,I_imax,I_(i‑1)max>

其中，“ContentName”是内容名，“ChunkID”是内容块的名字，“Faces”是收到Interest的接口号，“I_imax”是Interest转发路径上当前社团c_i的节点重要度的最大值，“I_(i‑1)max”是Interest转发路径上下游社团c_i‑1的节点重要度最大值，只有当前社团c_i中的FN记录I_(i‑1)max，如果PIT中已有对应的表项，则将新到的Interest与其合并，同时丢弃该Interest；否则，新建一条PIT表项，算法1描述了Interest的转发过程。

3.根据权利要求1所述的社团感知的ICN缓存方法，其特征是基于网络编码的缓存机制，以社团为单位，在同一社团内，根据Interest转发路径上各节点的社团重要度制定不同的缓存策略：重要度最高的节点缓存原始内容块，这是因为重要度高的节点更容易被其它节点访问；重要度低的节点缓存编码块，以节省缓存空间，提高缓存多样性。当节点N_j收到Data包，且Data包中携带的是内容p的原始内容块D时，将自己的节点重要度I_ij与Data中携带的当前社团的重要度最大值I_imax进行对比，如果I_ij＝I_imax，将该内容块存储到本地缓存中，否则，查看本地缓存CS中是否有内容p的内容块D′，若存在，则对D和D′进行随机网络编码，生成新的编码块D″，并用D″替换D′，将网络编码应用到缓存中，一个编码块包含多个内容块的信息，可以响应多个内容块的请求，该缓存机制实现了缓存在网络空间上的合理分布，减少了网络延迟，提高网络的传输效率。

4.根据权利要求1所述的社团感知的ICN缓存方法，其特征是基于网络编码的缓存替换策略，在SCCNC中，以社团为单位，同一社团内根据各节点的节点社团重要度不同，执行不同的缓存替换策略，节点社团重要度大的节点，流行度低的缓存内容被替换的概率大；而节点社团重要度小的节点，流行度高的缓存内容被替换的概率大，这样可以实现缓存在时间和空间上的合理分布，假设社团i的节点N_j

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