一种基于内容价值的缓存替换方法技术

本发明专利技术揭示了一种基于内容价值的缓存替换方法，包括统计内容的流行度、计算每个内容的缓存代价、计算内容最近一次被访问的时间和当前时间的时间间隔、及计算缓存空间中每个内容的价值并替换价值的最小值。本发明专利技术不仅能够将高流行度的内容提前缓存下来，而且对高缓存代价的内容也有很好的响应，从而有效地提高了节点数据替换的准确性，有利于提高内容中心网络的数据传输效率，改善用户的上网体验。

【技术实现步骤摘要】
一种基于内容价值的缓存替换方法
本专利技术涉及一种缓存替换方法，尤其涉及一种基于内容价值的缓存替换方法，属于通信

技术介绍
随着互联网技术的高速发展，网络信息和用户上网接入设备数量剧增，导致网络流量呈指数级增长，这种爆炸式的流量增长给基于端到端的网络之间互连的协议(InternetProtocol,IP)网络体系结构带来了巨大的挑战和压力。为了解决移动网络中巨大的数据流量带来的冲击，研究者们提出了以内容为中心的全新网络架构——内容中心网络(Content-CentricNetworking,CCN)。在内容中心网络中，每一个节点都具有缓存功能，通过将流行内容长时间缓存在距离用户较近的节点上，可以有效的缓解回传链路带宽的压力，降低网络时延从而改善用户的体验质量。然而，每个节点的缓存容量是有限的，当缓存空间被占满后，必须根据一定的替换策略将缓存中价值较小的内容清理出来，存放新的有意义的数据，以提高缓存空间的请求命中率，由此可见，合理地对缓存内容进行管理和置换是影响网络整体性能的关键。传统的缓存替换算法有先进先出算法(firstinfirstout,FIFO)、最近最少使用替换算法(leastfrequentlyused,LFU)、最近最久未使用替换算法(leastrecentlyused,LRU)以及内容大小替换算法(SIZE)等。其中，FIFO根据队列先进先出的规则，将最先进入缓存空间的数据置换出去，这种算法复杂度低，容易实现，但请求命中率较低。LRU算法总是将最久未被访问的资源替换出缓存，认为最近被访问的数据在不久的将来被访问的概率也比较高，该算法仅从最近的请求时间上来考虑置换数据，当内容流行分布发生变化时，适应性能下降。通过统计缓存内容在过去一段时间内的访问频率，LFU替换策略认为频率高的资源其使用价值就越高，因此当缓存空间不足时，总是替换访问频率最低的内容，该算法也存在缓存污染问题，即过去访问频率高的内容即使现在不再被访问依然占据缓存空间，致使缓存空间的利用率降低。SIZE算法根据内容的大小置换数据，优先将字节数大的数据替换出去，但这种算法没有考虑访问时间间隔、缓存命中次数等因素，可能会使价值不高的小字节对象长时间保留在缓存空间中，从而降低命中率。以上算法的设计略显片面，均采用单一目标函数来确定缓存替换对象已经不能满足多样化的网络数据需求。最近最少使用最久未使用替换算法(leastfrequentlyrecentlyused，LFRU)将LRU和LFU算法结合，该算法综合考虑了内容的请求频率和最近访问的时间，但是未考虑内容的全局流行度。基于大小的贪婪对偶算法(Greedy-DualSize，GDS)综合考虑了对象大小、缓存代价以及内容的年龄因子，给缓存空间的每个文件设置权重，每次替换权重最小的对象，但是该算法未考虑缓存对象过去被访问的次数。MaT等人提出了一种改进的基于大小频率的加权贪婪对偶算法(WeightedGreedyDualSizeFrequency，WGDSF)缓存替换策略，该策略在GDS算法的基础上加入了基于时间的加权频率参数和加权文件类型参数，虽然性能有所提升，但是也极大地增加了算法复杂度。基于蚁群算法的缓存替换算法(AntColonyAlgorithmbasedCacheReplacementAlgorithm，ACACRA)算法则是用数据对象大小表示背包重量，对象平均被请求的次数表示存储价值，借鉴0/1求解背包问题的蚁群算法来确定替换内容，但是该算法复杂度高，适用于计算机的应用层。综上所述，如何在缓存空间的有限的情况下，合理地对缓存内容进行置换就本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术的上述缺陷，提供了一种基于内容价值的缓存替换方法，该算法综合考虑了内容的动态流行度、缓存代价以及缓存内容最近被请求的时间来确定缓存对象的存储价值，当缓存空间不足时，将价值最小的数据置换出去。该方案能够有效地提高缓存命中率，减少用户获取数据的平均跳数。本专利技术的技术解决方案是：一种基于内容价值的缓存替换方法，包括如下步骤：S1：统计更新每个周期内容的流行度，根据上个周期内容的流行度以及该周期内缓存内容的命中率来计算当前周期内的内容流行度；S2：根据节点计算每个内容的缓存代价；S3：在缓存空间中设计一个时间标签，并用时间标签记录内容最近一次被访问的时间，然后计算出内容最近一次被访问的时间和当前时间的时间间隔；S4：根据步骤S1中的流行度，步骤S2中的缓存代价及步骤S3中的最近访问时间间隔，计算缓存空间中每个内容的价值，当缓存空间不足时，节点将替换掉价值的最小值。优选地，所述步骤S1中的流行度的计算公式为：pr(t)＝αpr(t-1)+(1-α)hr(t)其中，r为缓存空间中内容的编号，pr(t)表示内容r在当前周期内的流行度，pr(t-1)表示内容r在上一个周期内的流行度，α是衰减因子，为上一个周期的流行度在当前周期所占的比例，0＜α＜1，hr(t)表示内容r在当前周期内的命中率，Nr(t)表示当前周期内内容r被命中的次数，NQ(t)表示当前周期内节点收到的总请求数。优选地，所述步骤S2中的缓存代价包括传输成本与缓存成本，内容的传输成本大于缓存成本；所述缓存代价的计算公式为：其中，Hopr表示内容r距离源服务器的跳数，表示内容r单跳的传输成本，表示内容r的缓存成本。优选地，所述步骤S3中的时间间隔的计算公式为：tinter＝tcur-told其中，tinter表示内容最近一次被访问的时间和当前时间的时间间隔，tcur表示当前时间，told表示内容最近一次被请求的时间。优选地，所述步骤S4中的价值的计算公式为：其中valuer(t)为价值。优选地，所述步骤1、所述步骤2、所述步骤3及所述步骤4中的内容的数据包类型包括兴趣包和数据包；优选地，所述兴趣包包括请求内容的名字，由请求客户发出，被传输到有请求资源的邻近节点或源服务器，并产生相对应的数据包；所述数据包包括数据对象、内容名字以及发布者的签名信息，并沿着兴趣包的反向路径传送给用户。优选地，所述步骤S2、步骤S4中的节点包括内容存储器、转发信息库及未决请求表。优选地，所述内容存储器存储到达节点上的数据，缓存下来的内容满足未来对该数据的请求；转发信息库目标字段为内容名称的前缀；未决请求表记录正在传输的路由状态信息。本专利技术提供了一种基于内容价值的缓存替换方法，该方法可以根据用户的访问行为，动态更新内容的流行度，利用内容的请求时间间隔实时调整内容的流行度和缓存代价在价值函数中所占的比重，不仅能够将高流行度的内容提前缓存下来，而且对高缓存代价的内容也有很好的响应，从而有效地提高了节点数据替换的准确性，有利于提高内容中心网络的数据传输效率，改善用户的上网体验。以下便结合实施例附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步的详述，以使本专利技术技术方案更易于理解、掌握。附图说明图1是本专利技术中实施例的流程图；图2是本专利技术中兴趣包的处理流程图；图3是本专利技术中数据包的处理流程图。具体实施方式一种基于内容价值的缓存替换方法，包括如下步骤：S1：统计更新每个周期内容的流行度，根据上个周期内容的流行度以及该周期内缓存内容的命中率来计算当前周期内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于内容价值的缓存替换方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：统计更新每个周期内容的流行度，根据上个周期内容的流行度以及该周期内内容的命中率来计算当前周期内的内容流行度；S2：根据节点计算每个内容的缓存代价；S3：在缓存空间中设计一个时间标签，并用时间标签记录内容最近一次被访问的时间，然后计算出内容最近一次被访问的时间和当前时间的时间间隔；S4：根据步骤S1中的流行度，步骤S2中的缓存代价及步骤S3中的最近访问时间间隔，计算缓存空间中每个内容的价值，当缓存空间不足时，节点将替换掉价值的最小值。

【技术特征摘要】
1.一种基于内容价值的缓存替换方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：统计更新每个周期内容的流行度，根据上个周期内容的流行度以及该周期内内容的命中率来计算当前周期内的内容流行度；S2：根据节点计算每个内容的缓存代价；S3：在缓存空间中设计一个时间标签，并用时间标签记录内容最近一次被访问的时间，然后计算出内容最近一次被访问的时间和当前时间的时间间隔；S4：根据步骤S1中的流行度，步骤S2中的缓存代价及步骤S3中的最近访问时间间隔，计算缓存空间中每个内容的价值，当缓存空间不足时，节点将替换掉价值的最小值。2.根据权利要求1中所述的一种基于内容价值的缓存替换方法，其特征在于：所述步骤S1中的流行度的计算公式为：pr(t)＝αpr(t-1)+(1-α)hr(t)其中，r为缓存空间中内容的编号，pr(t)表示内容r在当前周期内的流行度，pr(t-1)表示内容r在上一个周期内的流行度，α是衰减因子，为上一个周期的流行度在当前周期所占的比例，0＜α＜1，hr(t)表示内容r在当前周期内的命中率，Nr(t)表示当前周期内内容r被命中的次数，NQ(t)表示当前周期内节点收到的总请求数。3.根据权利要求1中所述的一种基于内容价值的缓存替换方法，其特征在于：所述步骤S2中的缓存代价包括传输成本与缓存成本，内容的传输成本大于缓存成本；所述缓存代价的计算公式为：其中，Hopr表示内容r距离源服务器的跳数，表示内容r单跳的...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋荣方，黄丹，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32