技术领域
[0001] 本
发明属于未来网络体系结构技术领域，具体涉及一种基于网络编码的命名数据网络中内容缓存的方法。
背景技术
[0002] 命名数据网络NDN(Named Data Networking)，是发展前景最好的未来网络体系结构之一，其只关注数据内容本身而非存储的
位置，主要是由内容名称来标识兴趣报文(即
请求报文)与数据报文，NDN的路由器也均有一定的空间可缓存到达的数据报文以满足后续的对同一内容名称的数据请求，即支持网络内缓存。路由器利用多路径并行转发兴趣报文来寻求数据报文的响应，数据源或已缓存相应内容的路由器收到请求后便可响应兴趣报文的请求。路由器缓存的存在减少了用户
访问数据内容的时延，提高了数据内容的可用性，降低了发生网络拥塞的可能性和远端
服务器的负载。因此，网络缓存的性能对NDN系统性能有着至关重要的影响。
[0003] 然而由于路由器的缓存空间有限，如何提高网络缓存管理的效率是当前研究的重难点。默认的缓存策略LCE会消耗大量的路由器资源却并未得到很好的缓存效果。目前已有的研究提出的策略如选择沿途路径中具有最高中心性路由缓存、考虑数据内容的流行度进行缓存、将缓存内容可达性在一定范围内通告来便于
定位缓存内容等策略都或多或少存在着以下问题：中心度最高的缓存空间被挤满而其他
节点未利用、各节点观测的流行度分布并不一定相同、获取网络拓扑和内容流行度的信息并不容易、NDN缓存系统具有高度动态性的特点等，从而无法充分利用NDN的网络内缓存和多路径转发的优势。
[0004] 近期，有研究提出可将网络编码(NC)与命名数据网络结合。研究表明使用网络编码支持的NDN(NC-NDN)架构可以更有效地结合NDN的网络内缓存和多路径转发。在两者结合的网络中，数据内容被分为多个固定大小的“代(generation)”进行传输，每代的数据内容拥有统一的内容名称标识，数据源会对同一内容名称的数据
块编码，即编码数据块。用户请求数据时，若路径上的路由器有缓存其同一名称的数据编码报文且其数量也不少于用户已有的该代数据内容线性无关编码报文的数量时，则可通过组合已拥有的编码报文进行再编码进行响应，其目的是最大限度避免接收到的编码报文与已有的编码报文线性相关的可能性。用户只要接收到与代大小相同数量的线性无关编码报文，便可以求解得出原始的数据内容。在NC-NDN中，兴趣报文通过多路径转发很大可能一次带回多个线性无关编码报文，所以在结合网络编码的情况下，可以更好的结合NDN网络内缓存和多路径转发的优势。Jonnahtan等人也在NC-NDN的架构下考虑了内容的流行度，提出了PopNetCod缓存策略，但其策略还需要每个节点维护关于不同数据内容的状态信息的多个表格，这大大增加了路由器的处理开销，且其策略也每次只考虑在路径上的一处节点而不是多处缓存数据编码报文，这也存在不便于后续数据编码报文的连续获取等问题。
发明内容
[0005] 发明目的：本发明提供一种基于网络编码的命名数据网络中内容缓存方法，通过引入网络编码，考虑后续到达的编码报文再编码响应用户请求的潜在能
力及多个兴趣报文发出
接口的节点信息，减少节点缓存中的重复编码报文，最终可以在保证网络传输效率的前提下以较小的路由器开销直接从传输路径上带回数据报文，从而达到改善网络能耗，优化缓存资源使用的目的。
[0006] 技术方案：本发明所述的一种基于网络编码的命名数据网络中内容缓存方法，包括以下步骤：
[0007] (1)兴趣报文到达路由器时，路由器根据相应测度计算其所请求的数据内容代在此处的缓存价值并转发兴趣报文；
[0008] (2)返回的编码报文缓存在具有最大缓存价值或多个兴趣报文发出接口的节点处。
[0009] 进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：
[0010] (101)请求者发送兴趣报文请求数据内容，兴趣报文携带Expected Rank值记录请求者已有的该数据内容代线性无关编码报文的数量以及等待响应的兴趣报文的数量；
[0011] (102)路由器接收兴趣报文，检查是否有名称匹配的CS条目且缓存中是否有多于Expected Rank值的线性无关编码报文，若有，转步骤(103)；否则，转步骤(104)；
[0012] (103)将这些编码报文进行再编码，生成新的编码报文，再从到达接口返回该编码报文给请求者，此兴趣报文处理完毕；
[0013] (104)路由器检查兴趣报文是否可以聚合到一个PIT条目中，若可以，转步骤(105)；否则，转步骤(106)；
[0014] (105)聚合兴趣报文到该PIT条目，此兴趣报文处理完毕；
[0015] (106)路由器创建一个PIT条目，并根据相应测度计算其所请求的数据内容代在此处的缓存价值CacheValue；
[0016] (107)若新计算的CacheValue值大于兴趣报文携带的最大CacheValue值，则更新兴趣报文携带的CacheValue值为新计算的CacheValue值，重置HopValue(跳数值，记录了兴趣报文距离具有最大CacheValue值节点的跳数，其会在每个节点更新)值为0；
[0017] (108)路由器检查是否有内容名称匹配的FIB条目，若有，则按照FIB条目所示接口并行转发兴趣报文；
[0018] (109)路由器再从其它可用的接口转发兴趣报文来探索或利用路径外已缓存的编码报文。
[0019] 进一步地，步骤(2)所述的缓存价值的计算方式为：
[0020] CacheValue＝Demand*Avghop*Responsiveness
[0021]
[0022]
[0023] 其中，CacheValue为缓存价值，Demand为节点处用户对同代数据内容编码报文的需求，U为节点处请求同代数据内容编码报文的用户数量,用户i发送的兴趣报文的Expected Rank字段的最大值为ERi,GenerationSize为该代数据内容的代大小；Avghop为从节点到匹配FIB条目记录的数据内容提供者的平均路由跳数；Responsiveness为节点处将缓存该代数据内容的线性无关编码报文数量的期望值，F为兴趣报文的匹配FIB条目记录的下一跳数量,从第j个下一跳转发的请求该代数据内容编码报文的兴趣报文数量为Mj，S为节点处用于搜索该代数据内容缓存编码报文的下一跳接口数量，基于历史统计信息，第k个被搜索的下一跳返回编码报文的概率为Pk,从第k个接口搜索编码报文的兴趣报文数量为Nk，Hc为节点处已缓存的该代数据内容编码报文的数量。
[0024] 进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：
[0025] (201)路由器接收数据源返回的编码报文，其携带从相应兴趣报文拷贝过来的HopValue值；
[0026] (202)路由器检查是否存在名称匹配的PIT条目，若不存在，转步骤(203)，否则转步骤(204)；
[0027] (203)路由器检查CS缓存空间是否未满，若缓存空间未满则缓存新到达的编码报文，转步骤(210)；否则路由器根据置换策略将已缓存的一个编码报文移除并缓存新到达的编码报文，转步骤(210)；
[0028] (204)路由器检查CS缓存空间是否未满，若缓存空间已满则转步骤(205)；否则转步骤(208)；
[0029] (205)路由器检查发出接口数是否大于1，若发出接口数不大于1，转步骤(206)；若大于1则转步骤(207)；
[0030] (206)路由器将编码报文携带的HopValue值减1，然后判断HopValue值是否等于0，若等于0，则转步骤(207)；否则转步骤(209)；
[0031] (207)路由器根据置换策略将已缓存的一个编码报文移除；
[0032] (208)路由器缓存新到达的编码报文；
[0033] (209)根据匹配的PIT条目多路径转发编码报文；
[0034] (210)编码报文返回到用户。
[0035] 进一步地，步骤(102)所述的CS条目主要包括数据内容代名称和缓存的该代数据内容的线性无关编码报文。
[0036] 进一步地，步骤(104)中所述的兴趣报文聚合是指若PIT条目记录的是其他请求者发送的请求相同数据内容代的兴趣报文，且Expected Rank大于等于新到达兴趣报文的Expected Rank值，则将兴趣报文聚合到该PIT条目。
[0037] 有益效果：与
现有技术相比，本发明的有益效果为：1、网络编码的应用充分结合了NDN中网络缓存和多路径传输的特点，简化了节点间的协调，请求者通过多路径获取的线性无关编码报文添加进缓存可响应将来的请求；2、编码报文缓存在有较大需求的节点中，可以增加对已缓存的编码报文重编码之后响应后续兴趣报文的概率。同一代内容的编码报文集中缓存在网络节点的传输路径上，提高了内容分发的性能；3、在保证网络传输效率的前提下，与其他方法相比所需开销较小，可以改善网络能耗，减少网络节点中的缓存替换时间，有效优化缓存资源的使用，提高内容交付性能。
附图说明
[0038] 图1为NDN路由器对兴趣报文的处理
流程图；
[0039] 图2为NDN路由器对编码报文的处理流程图。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0041] 兴趣报文的名称信息不是NDN中具体数据内容的信息，而是所请求的数据内容代的名称信息。另外，除NDN中兴趣报文需要记录的Selector，Nonce，lifetime信息之外，兴趣报文还需要记录以下字段信息：Expected Rank，RID，CacheValue，HopValue。Expected Rank的值为请求者目前已有的线性无关编码报文的数量以及正在等待响应的请求该代数据内容的兴趣报文数量(包括正在发送的兴趣报文)之和，路由器依据该字段决定是否可以用缓存内容响应该兴趣报文以及到达的编码报文是否可以响应该兴趣报文。RID字段用于表明请求者的身份。中间节点可以根据RID字段确定具有相同名称前缀和不同Expected Rank的两个兴趣报文是否是同一请求者发送，还是来自不同的请求者。CacheValue的值是记录转发路径上所请求的数据内容代的最大缓存价值。HopValue的值是记录兴趣报文所到的节点距离拥有最大CacheValue值的节点的跳数，其在每一跳都会进行更新。
[0042] 编码报文即NDN中的数据报文，它除了有数据内容代的名称信息，签名信息和编码内容之外，还需记录以下字段的信息：Rank，Coefficient Vector，HopValue。Rank字段由响应的兴趣报文的Expected Rank字段拷贝而来。当节点收到编码报文时也是根据该字段决定是否响应PIT中名称前缀相匹配的兴趣报文。Coefficient Vector字段记录编码报文的编码向量。路由器需要该字段判断编码报文间的线性相关性，请求者则需要该字段值解码得到原始的数据报文。HopValue的值是是从相应的兴趣报文中复制而来，并且会逐跳地减少。当字段等于0时，就会决定在节点处缓存此编码报文。
[0043] CS表(Content Store，内容存储库)记录缓存数据内容报文的相关信息，每个条目主要包括两部分内容：数据内容代名称以及缓存的该代编码数据块。其中内容名字是查询CS表时所使用的关键字，若该条目记录的缓存编码报文数量多于请求者已有的线性无关编码报文数量，则CS可将缓存的该代编码报文进行再编码生成新编码报文响应请求者的请求。
[0044] PIT表(Pending Interest Table，待定兴趣表)记录已向上游转发但尚未有数据报文返回的兴趣报文的相关信息，每个条目记录兴趣报文的内容名字、Expected Rank值、Nonce字段值列表、RID值、兴趣报文到达的接口列表和兴趣报文转发出去的接口列表信息。
[0045] FIB表(Forwarding Information Base，转发信息库)存储如何转发兴趣报文的决策信息，每个条目记录名称前缀和下一跳接口列表信息。在转发兴趣报文时，当FIB条目记录的内容名称与兴趣报文中所
指定的内容名称相匹配时，才可以依据该FIB条目转发兴趣报文。
[0046] 本发明主要包括两部分，第一步是兴趣报文到达路由器时，路由器根据相应测度计算其所请求的数据内容代在此处的缓存价值并转发兴趣报文，包括以下步骤：
[0047] (1)请求者发送兴趣报文请求数据内容，兴趣报文携带Expected Rank值记录请求者已有的该数据内容代线性无关编码报文的数量以及等待响应的兴趣报文的数量；
[0048] (2)路由器接收兴趣报文，检查是否有名称匹配的CS条目且缓存中是否有多于Expected Rank值的线性无关编码报文，若有，转步骤(3)；否则，转步骤(4)；
[0049] (3)将这些编码报文进行再编码，生成新的编码报文，再从到达接口返回该编码报文给请求者，此兴趣报文处理完毕。
[0050] (4)路由器检查PIT条目中是否记录了其他请求者发送的请求相同数据内容代的兴趣报文，且Expected Rank大于等于新到达兴趣报文的ExpectedRank值，若是，转步骤(5)；否则，转步骤(6)；
[0051] (5)聚合兴趣报文到该PIT条目，此兴趣报文处理完毕。
[0052] (6)路由器创建一个PIT条目，并计算在此路由器节点缓存所请求编码报文的缓存价值CacheValue；缓存价值CacheValue的计算思想是网络节点处某代数据内容编码报文的需求越大，编码报文越应该被缓存；网络节点离数据内容提供者越远，编码报文越应该被缓存；网络节点处再编码响应编码报文请求的潜在能力越强，编码报文越应该被缓存。
[0053] 基于此，本发明定义节点处缓存返回编码报文的价值CacheValue为:
[0054] CacheValue＝Demand*Avghop*Responsiveness
[0055] Ⅰ.兴趣报文被转发的PIT条目建立后，通过对这些PIT条目RID列的观察，统计得到节点处请求同代数据内容编码报文的用户数量为U,用户i发送的兴趣报文的Expected Rank字段的最大值为ERi,该代数据内容的代大小为GenerationSize，则定义Demand为节点处用户对同代数据内容编码报文的需求:
[0056]
[0057] Ⅱ.Avghop为从节点到匹配FIB条目记录的数据内容提供者的平均路由跳数。
[0058] Ⅲ.兴趣报文的匹配FIB条目记录的下一跳数量为F,从第j个下一跳转发的请求该代数据内容编码报文的兴趣报文数量为Mj。假设节点处用于搜索该代数据内容缓存编码报文的下一跳接口数量为S，基于历史统计信息，第k个被搜索的下一跳返回编码报文的概率为Pk,从第k个接口搜索编码报文的兴趣报文数量为Nk，节点处已缓存的该代数据内容编码报文的数量为Hc，则定义节点处将缓存该代数据内容的线性无关编码报文数量的期望值Responsiveness为：
[0059]
[0060] (7)若新计算的CacheValue值大于兴趣报文携带的最大CacheValue值，则更新兴趣报文携带的CacheValue值为新计算的CacheValue值，重置HopValue值为0；
[0061] (8)路由器检查是否有内容名称匹配的FIB条目，若有，则按照FIB条目所示接口并行转发兴趣报文；
[0062] (9)路由器再从其它可用的接口转发兴趣报文以探索、利用路径外已缓存的编码报文。
[0063] 第二步是返回的编码报文缓存在具有最大缓存价值或多个兴趣报文发出接口的节点处。编码报文返回时添加进路径上节点的缓存中可响应将来请求相同数据内容代的兴趣报文，从而保证了在缓存的高命中率
基础上，降低了网络开销，改善了能耗，优化了网络传输性能。第二步包括以下步骤：
[0064] (1)路由器接收数据源返回的编码报文，其携带Rank值以及从相应兴趣报文拷贝过来的HopValue值；
[0065] (2)路由器检查是否有名称匹配的PIT条目，若不存在，表示之前到达的编码报文满足了相应的兴趣报文，节点将直接缓存编码报文，转步骤(3)，否则转步骤(4)；
[0066] (3)路由器检查CS缓存空间是否未满，若缓存空间未满则缓存新到达的编码报文，转步骤(10)；否则路由器根据置换策略将已缓存的一个编码报文移除并缓存新到达的编码报文，转步骤(10)；
[0067] (4)路由器检查CS缓存空间是否未满，若缓存空间已满则转步骤(5)；否则转步骤(8)；
[0068] (5)在节点有多个发出接口时，路由器可以获得多个线性无关的编码报文，因此缓存所有经过的编码报文使节点更有可能响应后续的兴趣报文。所以路由器检查发出接口数是否大于1，若发出接口数不大于1，转步骤(6)；若大于1则转步骤(7)；
[0069] (6)路由器将编码报文携带的HopValue值减1，然后判断HopValue值是否等于0，若等于0，说明此节点CacheValue值最大，缓存在此处更有可能响应后续的兴趣报文，则转步骤(7)；否则转步骤(9)；
[0070] (7)路由器根据相应的置换策略将已缓存的一个编码报文移除，为即将缓存的编码报文腾出空间；
[0071] (8)路由器缓存新到达的编码报文；
[0072] (9)路由器根据匹配的PIT条目多路径转发编码报文；
[0073] (10)编码报文返回到用户。
[0074] 图1为NDN路由器对兴趣报文的处理流程图。若请求编码报文的兴趣报文到达,其Expected Rank为rank，CacheValue值为cachevalue且HopValue值为hopvalue，路由器首先查询CS表，若CS表中有名称匹配的条目，且缓存的该代内容线性无关编码报文数量不少于兴趣报文中的Expected Rank值，则路由器对这些编码报文进行再编码并将新的编码报文返回给请求者。若CS中无匹配条目，路由器则查询PIT表,若有一个匹配的PIT条目其记录的Expected Rank不小于rank，且RID不等于rid，即所记录的兴趣报文与新到达的兴趣报文不是同一请求者发送，则可以将新到达的兴趣报文聚合到该条目中。若PIT表未有匹配的条目，则创建一个PIT条目，根据相应测度计算此节点缓存所请求编码报文的缓存价值CacheValue。计算完成后判断新计算的CacheValue值是否大于兴趣报文携带的CacheValue值，若大于则更新CacheValue值为新的CacheValue值，重置HopValue值为0。例如，兴趣报文在刚被发出时，携带的最大缓存价值字段为0，其到节点1处时，路由器计算得出若所请求编码报文缓存在此处的缓存价值是100，那么其就会将携带的最大缓存价值CacheValue值改为100；到节点2处时，路由器计算得出若所请求编码报文缓存在此处的缓存价值是200，大于所携带的值100，那么兴趣报文就会
修改携带的最大缓存价值为200；到节点3处计算得出的缓存价值150，小于其所携带的值200，那么携带的最大缓存价值不变，仍为200，直至路径上有其他节点计算所得的缓存价值大于200才会改变。接着路由器检查是否有内容名称匹配的FIB条目，若有，则按照FIB条目所示接口并行转发兴趣报文，最后路由器再从其它可用的接口转发兴趣报文以探索、利用路径外已缓存的编码报文。
[0075] 图2为NDN路由器对编码报文的处理流程图。若编码报文到达路由器，其Rank值为rank，以及从相应兴趣报文拷贝过来的HopValue值为hopvalue。路由器首先检查是否有匹配的PIT条目，若不存在，则表示之前到达的编码报文满足了相应的兴趣报文，节点将直接缓存编码报文。若CS空间未满则直接缓存，CS空间已满则根据置换策略将已缓存的一个编码报文移除并缓存新到达的编码报文。若存在匹配的PIT条目，再检查CS空间是否已满，若未满，则直接缓存该报文以提高后续的缓存命中率，然后再根据匹配的PIT条目多路径转发编码报文。若CS空间已满，先将编码报文的HopValue值减1，然后若路由器节点发出接口数大于1或者其编码报文HopValue值等于0，都会决定根据置换策略将已缓存的一个编码报文移除并缓存新到达的编码报文。这是因为在节点有多个发出接口时，路由器可以获得多个线性无关的编码报文，因此缓存所有经过的编码报文使节点更有可能响应后续的兴趣报文。若HopValue值等于0，说明此节点缓存价值CacheValue值最大，缓存在此处更有可能响应后续的兴趣报文。最后路由器根据匹配的PIT条目多路径转发编码报文，最终返回给用户。
[0076] 以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明
权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
