一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法技术

本发明专利技术涉及网络编码下的缓存管理技术领域，具体涉及一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法，包括：源节点发送数据流，下游节点监听并缓存有效数据包，并将缓存的数据包信息反馈给中间节点；中间节点根据反馈信息选择有编码价值的数据包进行缓存，当出现编码机会时，生成编码包转发给下游节点；下游节点收到编码包后，对其进行解码，成功解码编码包的数据项保留，未能成功解码编码包且缓存时间最长的数据项被检索出的数据项替换；本发明专利技术在进行缓存替换时，节点可将有价值数据包保留，替换没有编解码价值的数据项，该方法可增加节点的编解码概率，替换没有价值且缓存时间较长的数据项，能有效降低节点缓存开销，提高缓存效率。

A cache replacement method based on network coding in wireless networks

【技术实现步骤摘要】
一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法
本专利技术涉及网络编码下的缓存管理
，具体涉及一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法。
技术介绍
传统无线网络中节点仅对信息进行“存储-转发”，难以达到无线网络传输吞吐量上界和高带宽利用率。Ahlswede等人在2000年首先提出网络编码(Networkcoding，NC)的概念，它改变了传统通信网络中信息的处理和传输方式，允许网络中间节点对接收到的信息进行编码处理后再转发。基于网络编码的重传编码包的有效性很大程度上受参与编码的原始包数量(即编码程度)和编码机会的影响。因不同流之间的速率不匹配将大幅度减少网络编码机会，或因路由协议的特性，包丢失和路径延迟的差异等，可能导致中间节点没有足够的数据包参与编码。就下游端而言，由于编码包通常只在部分接收节点处可解，当下游接收到大量不可解编码包，传统方法大多将下游解码失败的编码包视为无用数据包直接丢弃，该方式降低了解码效率的同时浪费了潜在的解码机会。目前相关研究聚焦于合理的节点缓存机制和调度策略，均衡缓存开销和传输成本的同时，在中间节点尽可能的增加参与编码的数据包，获得更多的编码机会。而在下游节点缓存管理暂时不可解编码包，挖掘其潜在的解码机会，最大限度发挥网络编码的优势，有效地提高网络的吞吐量和数据包传输效率。这些缓存管理方案都将节点缓存空间视为无限大的，并没有对缓存的数据包进行有效的替换或者删除操作。造成节点缓存空间存储大量无用的缓存数据包，增加了节点的缓存开销，同时降低了真个缓存系统的缓存效率。针对上诉问题，考虑结合LRU缓存替换算法和网络编码本身的技术特点，合理的对网络节点缓存空间中的数据包进行有效的删除和替换。缓存时间和数据包命中率是LRU算法所关注的指标，而缓存数据包在中间节点被编码生成编码包，在下游节点用来成功解码编码包则是网络编码的技术特点。将两者结合提出一种基于网络编码技术的缓存替换算法。在实际的无线网络节点当中，缓存空间并不是无限大的，中间节点需要根据一定的缓存替换策略决定继续保留哪些数据包，并及时替换一些无用的缓存数据包。缓存替换策略与节点的编码机会和缓存效率有很大的关系，只有通过合理的缓存替换方法，才能充分发挥缓存数据包的作用，凸显网络编码的性能优势，提高无线网络的性能。对于下游节点而言，缓存数据包用于编码包的解码操作，缓存数据包的命中率随着缓存情况发生改变。因此合理的缓存替换策略对于缓存空间命中率的影响很大。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供一种一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法。一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法，包括以下步骤：S1、源节点发送数据流时，先向中间节点和下游节点发送一个构建树的请求，成功构建树后，根据每棵树所遍历的节点来寻找编码节点，编码节点向下游节点发送自己的身份信息和将要流经的数据流数量信息；S2、下游节点根据编码节点发送的信息监听源节点，从源节点发出的数据流中选择有解码价值的数据包进行缓存，给每个缓存的数据包设置一个缓存时间，并将缓存的数据包信息反馈给中间节点；S3、中间节点根据下游节点的反馈信息，从源节点发出的数据流中选择有编码价值的数据包进行缓存，并给每个缓存的数据包设置一个缓存时间，当出现编码机会时，利用缓存的有编码价值的数据包通过XOR运算生成编码包，并将编码包转发给下游节点；S4、当下游节点收到编码包时，使用缓存的有解码价值的数据包对收到的编码包进行解码，当缓存数据包成功解码编码包时被存入队首；当缓存数据包未能成功解码编码包时，将该缓存数据包被存入队尾，监听到新的缓存数据包时将其删除并将新的数据包存入队首。进一步的，中间节点时刻监控缓存空间使用情况，并判断自身缓存空间是否已满，当缓存空间未满时，则执行中间节点的缓存替换操作；当缓存空间已满时，则执行中间节点的缓存删除操作；所述中间节点的缓存替换操作包括：中间节点将已经参与过编码且缓存时间最长的数据包替换为新的有价值数据包，如果没有替换对象则直接缓存新数据包。缓存数据包的作用是让中间节点能够就近的使用数据包，不用再去其他地方请求；缓存替换操作是为了保证缓存数据包的实时更新，提高节点请求时的命中率，减少其他不必要的开销，提高整个系统的效率；此外，中间节点的缓存替换操作考虑了网络编码的编码条件，在中间节点替换参与过编码的数据包，能够保证足够的编码机会并提高节点缓存效率；所述中间节点的缓存删除操作包括：删除部分参与过编码且缓存时间较长的数据包。进行中间节点的缓存删除操作的好处：由于节点的缓存空间是有限的,把一些已经过时不用的数据删除掉，给新的数据腾出缓存空间,保证中间节点有足够的缓存空间维持正常工作。进一步的，下游节点时刻监控缓存空间使用情况，当缓存空间未满时，则执行下游节点的缓存替换操作；当缓存空间已满时，则执行下游节点的缓存删除操作；所述下游节点的缓存替换操作包括：将未能成功解码且缓存时间最长的数据包替换为新的有价值数据包，如果没有替换对象则直接缓存新数据包。缓存数据包的作用是让下游节点能够就近使用数据包，不用再去其他地方请求，提高效率；缓存替换操作在下游节点替换未能成功解码的数据包，是为了保证缓存数据包的实时更新，提高节点请求时的命中率，减少其他不必要的开销，保证节点的解码效率，提高整个系统的效率；所述下游节点的缓存删除操作包括：下游节点将部分未能成功解码且缓存时间较长的数据包直接删除。进行下游节点的缓存删除操作的好处：由于下游节点的缓存空间是有限的,把已经过时不用的数据包删除掉，给新的数据包腾出缓存空间，保证下游节点有足够的缓存空间维持正常工作。进一步的，一个下游节点缓存的有解码价值的数据包包括两类：一类是该下游节点邻域内节点发送的数据包，如果监听到的数据包中存在经过编码节点的流中的数据包，那么该数据包就是有解码价值的数据包将被缓存，其他监听到的数据包为无效数据包；另一类是该下游节点本身发送的数据包，如果该下游节点发送的数据包和经过编码节点的数据流反向，则该类数据包就是有解码价值的数据包，将被缓存；反之为无效数据包。进一步的，中间节点和下游节点判断自身缓存空间是否已满包括：中间节点和下游节点的缓存空间容量为M，节点缓存的数据包容量为U＝∑Pi，当U＜M时，即∑Pi＜M，缓存空间未满，当U＝M时，即∑Pi＝＝M，缓存空间判断为已满，其中，U表示所有缓存数据包所占的容量，Pi表示单个缓存数据包的大小。本专利技术的有益效果：1.本专利技术方法考虑到节点缓存空间是有限大的，根据缓存空间的实际情况执行替换操作，保证节点正常工作，减少缓存开销。2.本专利技术方法基于网络编码的应用场景，替换策略考虑了网络编码的编解码条件，在中间节点替换参与过编码的数据包，保证足够的编码机会并提高节点缓存效率；在下游节点替换未能成功解码的数据包，保证节点的解码效率。3.本专利技术考虑每个缓存数据包的缓存时间，结合网络编码本身特点，提高缓存数据包的命中率。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步详细的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、源节点发送数据流时，先向下游节点和中间节点发送一个构建树的请求，成功构建树后，根据每棵树所遍历的节点寻找编码节点，编码节点向下游节点发送自己的身份信息和将要流经的数据流数量信息；/nS2、下游节点根据编码节点发送的信息监听源节点，从源节点发出的数据流中选择有解码价值的数据包进行缓存，给每个缓存的数据包设置一个缓存时间，并将缓存的数据包信息反馈给中间节点；/nS3、中间节点根据下游节点的反馈信息，从源节点发出的数据流中选择有编码价值的数据包进行缓存，并给每个缓存的数据包设置一个缓存时间，当出现编码机会时，利用缓存的有编码价值的数据包通过XOR运算生成编码包，并将编码包转发给下游节点；/nS4、当下游节点收到编码包时，使用缓存的有解码价值的数据包对收到的编码包进行解码，当缓存数据包成功解码编码包时将该缓存数据包存入队首；当缓存数据包未能成功解码编码包时，将该缓存数据包存入队尾，监听到新的缓存数据包时将队尾的缓存数据包删除并将新的缓存数据包存入队首。/n

【技术特征摘要】
1.一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、源节点发送数据流时，先向下游节点和中间节点发送一个构建树的请求，成功构建树后，根据每棵树所遍历的节点寻找编码节点，编码节点向下游节点发送自己的身份信息和将要流经的数据流数量信息；
S2、下游节点根据编码节点发送的信息监听源节点，从源节点发出的数据流中选择有解码价值的数据包进行缓存，给每个缓存的数据包设置一个缓存时间，并将缓存的数据包信息反馈给中间节点；
S3、中间节点根据下游节点的反馈信息，从源节点发出的数据流中选择有编码价值的数据包进行缓存，并给每个缓存的数据包设置一个缓存时间，当出现编码机会时，利用缓存的有编码价值的数据包通过XOR运算生成编码包，并将编码包转发给下游节点；
S4、当下游节点收到编码包时，使用缓存的有解码价值的数据包对收到的编码包进行解码，当缓存数据包成功解码编码包时将该缓存数据包存入队首；当缓存数据包未能成功解码编码包时，将该缓存数据包存入队尾，监听到新的缓存数据包时将队尾的缓存数据包删除并将新的缓存数据包存入队首。


2.根据权利要求1所述的一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法，其特征在于，中间节点时刻监控缓存空间使用情况，并判断自身缓存空间是否已满，当缓存空间未满时，则执行中间节点的缓存替换操作；当缓存空间已满时，则执行中间节点的缓存删除操作；
所述中间节点的缓存替换操作包括：中间节点将已经参与过编码且缓存时间最长的数据包替换为新的有编码价值的数据包，如果没有替换对象则直接缓存新的有编码价值的数据包；所述中间节点的缓存删除操作包括：删除部分参与过编码且缓存时间较长的数据包。


3.根据权利要求2所述的一种无线网络中基于网络编码的缓存替换方法，其特征在于，中间节点判断自身缓存空间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王练，向欣晨，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50