一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法技术

一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，在软件定义网络和内容中心网络融合架构下，通过控制器对全网拓扑和缓存等信息的感知，对缓存节点的选择和缓存内容的替换进行集中控制和优化。在本发明专利技术中，一条转发路径上的所有节点缓存空间被作为一个整体综合考虑，从而为缓存判决策略和缓存替换策略的协同统一提供了基础。该方法中，控制器周期性收集网内各节点的内容请求，并分别统计各节点所缓存内容的流行度，再根据依据代价的辅助缓存方法，选择虚拟缓存通道中的最不重要的内容即流行度最低的内容替换出去，从而作出对于该通道而言最优的缓存策略。

【技术实现步骤摘要】
一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法
本专利技术涉及计算机网络领域，在软件定义网络和内容中心网络融合架构下的软件定义网络控制器的集中控制和感知全网信息，特别涉及联合优化缓存决策和缓存替换的一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法。
技术介绍
随着互联网的发展，人们对网络的主要应用需求变为进行信息获取和数据传输，而原有的基于IP的点对点的网络通信模式已经不能很好地满足人们的需求。尤其是随着视频类业务的不断增长，人们对于网络进行海量数据传输的能力要求越来越高。网络规模的急速增长和新应用的不断引入，引发了学者们对于未来网络的研究。内容中心网络正是研究者们提出的未来互联网架构之一。高效的内容缓存机制是内容中心网络架构的重要组成部分。当收到兴趣包时，CCN节点首先查找内容存储器。如果有数据的名字和兴趣包的名字形成了匹配，CCN节点直接返回兴趣包请求的内容。CCN节点的内容存储器本质上就是现在路由器中的缓存空间。IP路由器和CCN路由器都可以缓存数据包，但区别是IP路由器的缓存数据不能被重复利用，而CCN路由器的缓存数据是由特定的名字标识的，可以实现重复利用。对于静态数据，CCN几乎能够达到最优化的内容分发，甚至对于动态内容，用户也可以受益于内容的多播机制或者在数据包丢失后简单地采用重新发送兴趣包的方式处理。鉴于缓存的重要性，缓存管理因而成为CCN架构研究的重点之一。软件定义网络(SDN)是一种基于软件的网络技术，它倡导控制与数据的分离。软件定义网络架构将网络分为应用层、控制层、数据层。应用层通过北向接口向控制层提供开放的编程接口和网络视图，控制层包括控制器和网络操作系统，并通过南向接口控制数据层进行数据处理、转发和收集。控制平面与数据平面的解耦、开放的可编程接口、集中化的控制使软件定义网络技术在简化网络基础设施，提升网络管理效率方面具有独特优势。一方面，传统的内容中心网络缺乏对全网感知的能力，捕捉不到网络的动态变化，这样会使得做出的缓存决策结果失去了意义；另一方面，在内容中心网络和软件定义网络融合架构下只关注于缓存决策策略而不考虑缓存替换策略的话，可能会使得上次缓存决策的结果被替换出去，造成缓存命中率降低以及网络资源的浪费。
技术实现思路
为了克服现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，综合考虑缓存决策和缓存替换，并提出依据代价的辅助缓存方法等数学模型进行缓存管理。在研究内容中心网络缓存管理方法的过程中，引入软件定义网络集中控制和全网感知等概念，将两种未来网络的优势结合起来，提出软件定义网络的虚拟缓存通道管理方法，为研究内容中心网络缓存问题提出一种有效的方法。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，利用软件定义网络和内容中心网络融合架构下控制器集中控制和全网感知优势，根据全局网络拓扑和网络内容的信息，考虑不同流行度的内容被消费者持续访问可能性的不同、节点内部已缓存内容的详细信息的局限性、缓存替换策略单独执行因素，采用缓存决策策略和缓存替换策略协同工作的缓存管理方法，其特征在于，为数据层交换机增加相关表项，控制器周期性地收集内容请求信息，并通过内容流行度统计模型和内容流行度修正模型对收集到的信息进行预处理，预处理后的信息在包处理流程中，控制器利用依据代价的辅助缓存方法进行缓存决策，做出对于内容最优的缓存位置选择和对于节点最优的替换选择。所述的数据层交换机增加相关表项，具体为：在数据层交换机的内容存储器数据结构中添加三个表项：内容流行度CP(ContentPopularity)、当前周期访问频次Fr(Frequence)和是否为本节点最不重要内容Flag，其中CP指标为对应内容的历史流行度，Fr指标为一个时间周期T内节点收到对于该内容的请求频次，Flag指标用来标记当前时间周期流行度最低的缓存内容，Flag标识的存在可以避免节点查找最低流行度内容进行重复的比较工作。所述的通过内容流行度统计模型和内容流行度修正模型对收集到的信息进行预处理，具体为：控制器周期性地收集各交换机节点的内容请求信息，各节点收到控制器下发的统计信息的消息后，将自身统计的缓存信息发送给控制器，在时间周期T内，节点收到兴趣包，若节点缓存有兴趣包所请求内容，则该缓存本周期访问频次Fr加1；若缓存中没有该内容，则直接转发兴趣包，不进行流行度更新；在时间周期T结束时，各个交换机节点将自身的缓存信息发给控制器，控制器根据内容流行度统计模型及本交换机节点流行度修正值对所有缓存的流行度CP进行更新，随后通过流表下发的形式将更新后的内容流行度值写入各个节点的CP字段，并且找出本节点流行度最低的内容并置其Flag字段值为1；根据内容流行度修正模型，控制器保存有网络中的各节点根据本节点的位置信息计算出的流行度修正值，当每个流行度统计周期结束进行流行度更新时，控制器都会根据对应节点流行度修正值对更新后的流行度进行修正，使得估计出流行度尽量接近内容的真实流行度。所述的内容流行度统计模型，具体为：控制器在每个时间周期结束时对各节点的所缓存内容的流行度值进行一次更新，更新方法如下：cpnew＝cpold×δ+Fr×(1-δ)式中:cpnew——更新后的CP值；cpold——更新前的CP值；δ——衰减系数，取值范围是0到1。考虑到内容流行度可能随时间变化的因素，并且不同类型的内容流行度随时间变化的速率也会有所不同。流行度更新方法中衰减系数的存在可以很好地解决这个问题。通过设置不同的衰减系数，可以调整历史流行度以及当前周期内容访问频次对内容流行度估计的影响比例。越大代表历史流行度对于内容当前流行度的影响越大，则内容流行度对于内容短时间内的请求频次变化越不敏感，该流行度的计算越不容易受短暂热门内容的影响。越小则代表该流行度的计算更快地适应内容实际流行度的变化。为了避免重复的流行度大小比较工作，节点根据更新后的内容流行度值，找出节点最不重要内容并进行标记，置Flag字段为1进行标记。应用这个模型，网络中的节点分布式地统计节点所缓存内容的的请求频次，控制器再集中计算出各节点内容的流行度值，并对流行度值最低内容的标识位进行更新。更新时只需要找出所有缓存内容的流行度值的最小值，时间复杂度为Ο(n),兴趣包获取最低流行度值的复杂度为Ο(1)，满足CCN对网络节点缓存线性执行速度的要求。所述的内容流行度修正模型具体为：控制器通过内容流行度统计模型计算出的内容流行度属于内容的局部流行度，处于网络中不同位置的节点针对同一个内容统计出的流行度会存在差别。为了尽量消除节点所统计的内容局部流行度之间的差异，方法中考虑到节点在网络拓扑中所处位置的不同，给予节点统计的频次以不同的权重系数，方法如下：考虑用户集合U，一个用户u∈U，f(u,c)用来表示用户u对某内容c的请求频率，那么f(u,c,r)表示节点r统计到用户u对于内容c的请求频率:式中：σu,c,s——用户u向内容服务器s请求内容c的请求路径的数量；σu,c,s(r)——用户u向内容服务器s请求内容c时，经过节点r的请求路径的数量。在下面公式可以看出，位于不同位置的节点r的统计中u对于内容c的请求频率不同。在此基础上，认为所有节点对内容的请求频率本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，利用软件定义网络和内容中心网络融合架构下控制器集中控制和全网感知优势，根据全局网络拓扑和网络内容的信息，考虑不同流行度的内容被消费者持续访问可能性的不同、节点内部已缓存内容的详细信息的局限性、缓存替换策略单独执行因素，采用缓存决策策略和缓存替换策略协同工作的缓存管理方法，其特征在于，为数据层交换机增加相关表项，控制器周期性地收集内容请求信息，并通过内容流行度统计模型和内容流行度修正模型对收集到的信息进行预处理，预处理后的信息在包处理流程中，控制器利用依据代价的辅助缓存方法进行缓存决策，做出对于内容最优的缓存位置选择和对于节点最优的替换选择。

【技术特征摘要】
1.一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，利用软件定义网络和内容中心网络融合架构下控制器集中控制和全网感知优势，根据全局网络拓扑和网络内容的信息，考虑不同流行度的内容被消费者持续访问可能性的不同、节点内部已缓存内容的详细信息的局限性、缓存替换策略单独执行因素，采用缓存决策策略和缓存替换策略协同工作的缓存管理方法，其特征在于，为数据层交换机增加相关表项，控制器周期性地收集内容请求信息，并通过内容流行度统计模型和内容流行度修正模型对收集到的信息进行预处理，预处理后的信息在包处理流程中，控制器利用依据代价的辅助缓存方法进行缓存决策，做出对于内容最优的缓存位置选择和对于节点最优的替换选择。2.根据权利要求1所述的一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，其特征在于：所述的数据层交换机增加相关表项，具体为：在数据层交换机的内容存储器数据结构中添加三个表项：内容流行度CP(ContentPopularity)、当前周期访问频次Fr(Frequence)和是否为本节点最不重要内容Flag，其中CP指标为对应内容的历史流行度，Fr指标为一个时间周期T内节点收到对于该内容的请求频次，Flag指标用来标记当前时间周期流行度最低的缓存内容，Flag标识的存在可以避免节点查找最低流行度内容进行重复的比较工作。3.根据权利要求1所述的一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，其特征在于：所述的通过内容流行度统计模型和内容流行度修正模型对收集到的信息进行预处理，具体为：控制器周期性地收集各交换机节点的内容请求信息，各节点收到控制器下发的统计信息的消息后，将自身统计的缓存信息发送给控制器，在时间周期T内，节点收到兴趣包，若节点缓存有兴趣包所请求内容，则该缓存本周期访问频次Fr加1；若缓存中没有该内容，则直接转发兴趣包，不进行流行度更新；在时间周期T结束时，各个交换机节点将自身的缓存信息发给控制器，控制器根据内容流行度统计模型及本交换机节点流行度修正值对所有缓存的流行度CP进行更新，随后通过流表下发的形式将更新后的内容流行度值写入各个节点的CP字段，并且找出本节点流行度最低的内容并置其Flag字段值为1；根据内容流行度修正模型，控制器保存有网络中的各节点根据本节点的位置信息计算出的流行度修正值，当每个流行度统计周期结束进行流行度更新时，控制器都会根据对应节点流行度修正值对更新后的流行度进行修正，使得估计出流行度尽量接近内容的真实流行度。4.根据权利要求3所述的一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，其特征在于：所述的内容流行度统计模型，具体为：控制器在每个时间周期结束时对各节点的所缓存内容的流行度值进行一次更新，更新方法如下：cpnew＝cpold×δ+Fr×(1-δ)式中:cpnew——更新后的CP值；cpold——更新前的CP值；δ——衰减系数，取值范围是0到1。考虑到内容流行度可能随时间变化的因素，并且不同类型的内容流行度随时间变化的速率也会有所不同。流行度更新方法中衰减系数的存在可以很好地解决这个问题。通过设置不同的衰减系数，可以调整历史流行度以及当前周期内容访问频次对内容流行度估计的影响比例。越大代表历史流行度对于内容当前流行度的影响越大，则内容流行度对于内容短时间内的请求频次变化越不敏感，该流行度的计算越不容易受短暂热门内容的影响。越小则代表该流行度的计算更快地适应内容实际流行度的变化。为了避免重复的流行度大小比较工作，节点根据更新后的内容流行度值，找出节点最不重要内容并进行标记，置Flag字段为1进行标记。应用这个模型，网络中的节点分布式地统计节点所缓存内容的的请求频次，控制器再集中计算出各节点内容的流行度值，并对流行度值最低内容的标识位进行更新。更新时只需要找出所有缓存内容的流行度值的最小值，时间复杂度为O(n),兴趣包获取最低流行度值的复杂度为O(1)，满足CCN对网络节点缓存线性执行速度的要求。5.根据权利要求3所述的一种软件定义网络的虚拟缓存通道缓存管理方法，其特征在于：所述的内容流行度修正模型具体为：控制器通过内容流行度统计模型计算出的内容流行度属于内容的局部流行度，处于网络中不同位置的节点针对同一个内容统计出的流行度会存在差别。为了尽量消除节点所统计的内容局部流行度之间的差异，方法中考虑到节点在网络拓扑中所处位置的不同，给予节点统计的频次以不同的权重系数，方法如下：考虑用户集合U，一个用户u∈U，f(u,c)用来表示用户u对某内容c的请求频率，那么f(u,c,r)表示节点r统计到用户u对于内容c的请求频率:式中：σu,c,s——用户u向内容服务器s请求内容c的请求路径的数量；σu,c,s(r)——用户u向内容服务器s请求内容c时，经过节点r的请求路径的数量。在下面公式可以看出，位于不同位置的节点r的统计中u对于内容c的请求频率不同。在此基础上，认为所有节点对内容的请求频率是相同...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲桦，赵季红，李岩松，赵东旭，李方成，赵建龙，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61