[發(fā)明專利]一種基于簇內(nèi)智能共享的邊緣主動(dòng)緩存方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202111471632.2
• 申請(qǐng)日: 2021-12-06
• 公開（公告）號(hào): CN114245422A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖藹玲;吳勝;趙迎雪;王興辰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北方工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W28/14
• 分類號(hào): H04W28/14
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種基于簇內(nèi)智能共享的邊緣主動(dòng)緩存方法，其特征在于：該方法在一個(gè)由移動(dòng)客戶端、移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)以及內(nèi)容供應(yīng)網(wǎng)共同組成的系統(tǒng)中依次按照以下步驟實(shí)現(xiàn)的：

步驟1，系統(tǒng)構(gòu)建：

移動(dòng)通信蜂窩網(wǎng)，簡稱蜂窩網(wǎng)，設(shè)立在支持節(jié)點(diǎn)協(xié)作緩存服務(wù)的通信模型中，內(nèi)部設(shè)置有：基站和緩存服務(wù)器，其中：

基站又稱節(jié)點(diǎn)有多個(gè)，根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的地位和功能性差異，劃分為中心節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)兩種，每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)都設(shè)有為移動(dòng)客戶端提供內(nèi)容服務(wù)的傳輸信道以及節(jié)點(diǎn)間共享緩存內(nèi)容的協(xié)作鏈路，由所述蜂窩網(wǎng)為各節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一配置，邊緣緩存節(jié)點(diǎn)的數(shù)量為N，N＝1，2，3，…，N，每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量為S，每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)一個(gè)向量表示Bif＝{b_i1，b_i2，…,b_iF}。其中，b_ij∈{0，1}，i＝1，2，…，N，j＝1，2，…，F(xiàn)，b_ij＝1表示邊緣節(jié)點(diǎn)i中緩存文件f_j；b_ij＝0表示沒有緩存該內(nèi)容。每個(gè)緩存節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的內(nèi)容總大小不能超過存儲(chǔ)容量S，即所述的中心節(jié)點(diǎn)與星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的中央節(jié)點(diǎn)不盡相同，體現(xiàn)在：中心節(jié)點(diǎn)不需要控制邊緣節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)客戶端之間的通信鏈路，根據(jù)邊緣節(jié)點(diǎn)的資源利用率、請(qǐng)求相似度、通信距離三個(gè)特點(diǎn)，決定是否建立邊緣節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作鏈路，將若干個(gè)滿足條件的邊緣節(jié)點(diǎn)組建節(jié)點(diǎn)簇，節(jié)點(diǎn)簇隨鏈路擁塞程度、下載碼率變化動(dòng)態(tài)形成和消失；

緩存服務(wù)器，受控于其所屬節(jié)點(diǎn)的主控制器，存儲(chǔ)有：本地用戶上一個(gè)周期的歷史請(qǐng)求數(shù)據(jù)的流行度預(yù)測(cè)內(nèi)容，以便在本周期內(nèi)供移動(dòng)客戶端下載使用；還存儲(chǔ)有：與所述節(jié)點(diǎn)共同組成節(jié)點(diǎn)簇的其他節(jié)點(diǎn)的名稱和網(wǎng)址。所述節(jié)點(diǎn)簇是指根據(jù)邊緣節(jié)點(diǎn)的資源利用率、請(qǐng)求相似度、通信距離三個(gè)特點(diǎn)與所述節(jié)點(diǎn)建立協(xié)作緩存關(guān)系的那些節(jié)點(diǎn)，彼此之間建立協(xié)作鏈路實(shí)現(xiàn)內(nèi)容共享；

內(nèi)容供應(yīng)網(wǎng)中設(shè)有一個(gè)內(nèi)容服務(wù)器，以中心輻射的形式控制所有的內(nèi)容提供商，并通過中心節(jié)點(diǎn)分別與蜂窩網(wǎng)中各邊緣節(jié)點(diǎn)通信，存儲(chǔ)有系統(tǒng)中移動(dòng)客戶端所需的所有內(nèi)容，共有F個(gè)文件，文件目錄為C＝{f1，f2，…，fF}，每個(gè)內(nèi)容大小相同，均為d；

移動(dòng)客戶端，在移動(dòng)中實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求的快速響應(yīng)，系統(tǒng)中有K個(gè)移動(dòng)客戶端，K＝1，2，…，K；

步驟2系統(tǒng)初始化：步驟2.1，在蜂窩網(wǎng)控制下，各邊緣節(jié)點(diǎn)一致服從以下要求：

各邊緣節(jié)點(diǎn)周期性地對(duì)其關(guān)聯(lián)用戶的請(qǐng)求數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析和處理，數(shù)據(jù)集中主要包括內(nèi)容類別、內(nèi)容名稱、播放量、評(píng)論零、用戶IP、服務(wù)節(jié)點(diǎn)IP，所述內(nèi)容類別分為政治、娛樂、文藝、體育、軍事、搞笑、時(shí)尚、科技、運(yùn)動(dòng)等大類，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)容流行度預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)緩存內(nèi)容進(jìn)行周期性更新，從而使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)有下一個(gè)周期最容易被用戶請(qǐng)求的內(nèi)容；其中，每個(gè)移動(dòng)客戶端由距離最近的邊緣節(jié)點(diǎn)所服務(wù)，使移動(dòng)客戶端能夠就近獲取所需內(nèi)容，降低網(wǎng)絡(luò)堵塞，從而提高訪問的響應(yīng)速度和成功率，將這種就近服務(wù)的關(guān)系稱之為關(guān)聯(lián)；

步驟2.2，移動(dòng)客戶端發(fā)出內(nèi)容請(qǐng)求，當(dāng)該請(qǐng)求內(nèi)容緩存在所述移動(dòng)客戶端的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)中時(shí)，可以直接從關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)中下載該內(nèi)容的數(shù)據(jù)包；

步驟2.3，組建節(jié)點(diǎn)簇：

步驟2.3.1，當(dāng)兩個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)滿足資源利用率互補(bǔ)、請(qǐng)求相似度高、通信暢通三個(gè)條件，中心節(jié)點(diǎn)便打開所述邊緣節(jié)點(diǎn)之間協(xié)作鏈路，將所述邊緣節(jié)點(diǎn)組建成節(jié)點(diǎn)簇；簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)視具體情況而定；將簇內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存資源都劃分為兩部分，分別為：共享緩存區(qū)和自身緩存區(qū)；將節(jié)點(diǎn)簇中計(jì)算能力最強(qiáng)的邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)置為所屬節(jié)點(diǎn)簇的簇內(nèi)管理者EM，EM承擔(dān)統(tǒng)籌管理簇內(nèi)資源的責(zé)任；

步驟2.3.2，若執(zhí)行步驟2.2失敗，即所述移動(dòng)客戶端的關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)中未存儲(chǔ)有該請(qǐng)求內(nèi)容，則由簇內(nèi)管理者依次檢索所屬邊緣節(jié)點(diǎn)所在的節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)其他邊緣節(jié)點(diǎn)的共享緩存區(qū)，如果檢索存在，則將該內(nèi)容的數(shù)據(jù)包傳輸給所述關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)，并通過關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)下載所述內(nèi)容的數(shù)據(jù)包；

步驟2.4，若執(zhí)行步驟2.3.2失敗，即組成節(jié)點(diǎn)簇后的本地內(nèi)容云中未存儲(chǔ)有該請(qǐng)求內(nèi)容，則由所述關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)經(jīng)由回程鏈路從內(nèi)容供應(yīng)網(wǎng)中下載所述內(nèi)容的數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包傳輸給所述移動(dòng)客戶端。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于簇內(nèi)智能共享的邊緣主動(dòng)緩存方法，其特征在于：步驟2.3.1中，考慮到邊緣節(jié)點(diǎn)的分布特性、通信需求的動(dòng)態(tài)性，可能隨時(shí)有邊緣節(jié)點(diǎn)想要加入或退出一個(gè)簇，引起簇內(nèi)邊緣緩存資源的動(dòng)態(tài)變化，因此需要重新評(píng)估簇內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)的能力，以產(chǎn)生新的管理者；

a..節(jié)點(diǎn)簇內(nèi)緩存區(qū)的內(nèi)容分配規(guī)則，是配置在EM上的功能，具體規(guī)則：分別取簇內(nèi)每兩個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容流行度預(yù)測(cè)結(jié)果的交集，以流行度排名更高為標(biāo)準(zhǔn)將它們的交集內(nèi)容分成兩部分，分別得到所述邊緣節(jié)點(diǎn)的共享緩存內(nèi)容；以此類推，便會(huì)得到簇內(nèi)每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的共享緩存區(qū)的存儲(chǔ)內(nèi)容；剩余的預(yù)測(cè)內(nèi)容分別由所述邊緣節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)在其自身緩存區(qū)；簇內(nèi)邊緣節(jié)點(diǎn)的共享緩存區(qū)內(nèi)，內(nèi)容共享，從而提高本地內(nèi)容云的內(nèi)容多樣性；

b.任何一個(gè)組成節(jié)點(diǎn)簇的邊緣節(jié)點(diǎn)，自身緩存區(qū)和共享緩存區(qū)的交集為空，即不存儲(chǔ)重復(fù)內(nèi)容；在周期性更新緩存內(nèi)容的過程中，當(dāng)EM指示一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)在共享緩存區(qū)存儲(chǔ)某個(gè)內(nèi)容，若該內(nèi)容已經(jīng)存儲(chǔ)于其自身緩存區(qū)，則只在共享緩存區(qū)存放相應(yīng)提取地址。

c.在組建節(jié)點(diǎn)簇以及確定簇內(nèi)緩存內(nèi)容后，邊緣節(jié)點(diǎn)在非高峰期預(yù)取不同分辨率的熱門內(nèi)容，從而提高用戶請(qǐng)求命中率，降低用戶請(qǐng)求的等待時(shí)延；其中，緩存命中率定義為用戶請(qǐng)求能夠在本地內(nèi)容云中得到服務(wù)的概率，即本地內(nèi)容云的請(qǐng)求命中數(shù)與用戶請(qǐng)求總數(shù)的比率；緩存命中率越高，則用戶請(qǐng)求能夠在緩存中找到，網(wǎng)絡(luò)性能越好；所述網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，是指用戶獲取請(qǐng)求內(nèi)容的時(shí)間，與用戶體驗(yàn)質(zhì)量直接相關(guān)，由三部分組成，分別是從關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)到用戶的無線傳輸時(shí)延、邊緣節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)作鏈路傳輸時(shí)延以及源站到關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)的回傳時(shí)延；

d.由于移動(dòng)客戶端的移動(dòng)特性，邊緣節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)用戶可能會(huì)發(fā)生變化，因此每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的負(fù)載壓力可能動(dòng)態(tài)改變，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)簇的動(dòng)態(tài)形成和消失。