基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略制造技术

本发明专利技术涉及基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略，属于内容中心网络领域。本发明专利技术分析了内容中心网络中缓存内容的放置问题，使用TOPSIS熵权法对用户请求内容的过程进行建模，并合理的计算出路由节点内流行内容的缓存放置位置。另外，本发明专利技术还提出了减少缓存冗余的主动缓存替换策略和基于内容价值的被动缓存替换策略，与传统的LRU替换策略相比提高了缓存利用率。本发明专利技术针对真实拓Tiscali

【技术实现步骤摘要】
基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略


[0001]本专利技术涉及基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略，属于内容中心网络领域。

技术介绍

[0002]随着社会的发展，互联网在我们的生活中发挥着越来越重要的作用，而互联网数据流量在过去几年中呈爆炸式增长。根据思科VNI的预测，到2022年，全球IP视频流量将占所有IP流量(包括商业和用户)的82％，高于2017年的75％。传统的TCP/IP系统在数据包分发方面存在可扩展性差、安全性低、灵活性不足等诸多缺点。为了解决这个问题，近年来研究人员提出了以内容为中心的网络架构(Information Centric Networking，ICN)来提高网络服务质量。内容中心网络(ICN)是一种新型的互联网架构，有可能处理当前IP网络固有缺陷的问题，并有望满足未来的要求，以提高互联网的质量。
[0003]ICN专注于“内容”，不再关心内容的具体位置。ICN的网内缓存可以有效降低流量冗余和源服务器负载。用户、互联网服务提供商(ISP)都可以从网内缓存中获得巨大的收益。此外，网络内缓存还可以与边缘云计算、雾计算、车载自组织网络、物联网、第五代(5G)移动蜂窝网络等相结合，以实现灵活、高效和可扩展的网络服务。因此，针对网内缓存的研究一直是ICN领域关注的热点之一。
[0004]ICN架构中，通信主要依靠两种包：兴趣包和数据包。每个路由器节点包含三种类型的数据结构：待定兴趣表(PIT)、转发信息库(FIB)和内容存储(CS)。路由器节点收到感兴趣的数据包后，会在CS中寻找匹配的数据包。如果查找失败，它将在PIT中检查相同的未决请求。否则，PIT记录接收兴趣包的接口，并通过在FIB中查找名称来转发兴趣包。数据包通过PIT条目返回给消费者。同时，数据包将根据路径上节点的存储空间进行缓存。
[0005]在本专利技术提出之前，ICN缓存策略领域中，有LCE、LCD、ProCache、CL4M等等，用这些缓存策略的缺点有：
[0006](1)没有充分考虑内容流行度以及详细研究缓存放置位置。
[0007](2)没有充分考虑缓存替换策略而使用的LRU缓存替换策略。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就在于克服上述缺陷，研制基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略以提高网络中的整体缓存命中率、降低延迟、降低链路负载以及提高用户体验。
[0009]本专利技术的技术方案如下：
[0010]基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略，其特征在于，包括如下步骤：
[0011](1)对ICN网络中路由器内原始的CS表的数据结构进行改造；
[0012](2)在ICN网络中的路由器内添加节点信息记录表；
[0013](3)对ICN中原始的兴趣包和数据包的数据结构进行改造；
[0014](4)使用TOPSIS熵权法计算出命中节点(非服务器节点)中流行内容的缓存位置；
[0015](5)周期性的执行主动缓存替换策略算法；
[0016](6)根据命中节点类型(服务器节点和非服务器节点)执行不同的缓存放置策略和基于内容价值的被动缓存替换策略算法。
[0017]所述步骤(1)通过改造路由器内原始的CS表的数据结构以合理计算出节点内的流行内容。所述步骤(2)目的是稳定记录节点的剩余空间大小、介数以及缓存替换次数这三类用于后续缓存位置计算的关键信息。所述步骤(3)在兴趣包内添加信息字段和驱逐表字段。信息字段的目的是收集所经过节点的跳数、剩余空间大小、介数以及缓存替换次数这四类信息。驱逐表字段是为了方便执行主动缓存替换策略。在数据包内添加缓存节点字段以记录缓存节点的ID。
[0018]以上三个步骤是算法执行的基础。
[0019]所述步骤(4)中使用的TOPSIS熵权法是一种常用的综合评价方法，能够充分利用原始数据的信息，其结果能够准确反映评价方案中的差距。在ICN中，为了选择缓存对象的最佳缓存节点，基于每个节点的四个指标(节点介数、剩余空间大小、缓存替换次数和距离用户跳数)使用TOPSIS熵权法来建模求解。
[0020]四个指标介绍：
[0021]①
节点介数是衡量网络拓扑中节点重要性的指标。如果一个节点的介数比较大，那么会有更多的路径通过该节点，使得节点面临更大的压力。
[0022]②
节点缓存替换次数表示一段时间内节点缓存替换的频率。节点缓存替换次数越大那么所面临的压力就越大，从而降低了节点的性能。因此平衡节点之间的压力可以有效提高整个网络的性能。
[0023]③
节点剩余空间大小表示节点的缓存利用率，节点的剩余空间大小越小节点的缓存利用率越高。
[0024]④
节点距离用户跳数表示用户和缓存节点之间的距离。如果将内容对象缓存在靠近用户的节点上，那么用户的延迟将大大减少，从而改善消费者的体验。
[0025]因此，为了提高节点的缓存利用率，降低延迟和节点压力，本专利技术的目标是找到具有介数小、剩余空间大小高、缓存替换次数低和距离用户跳数小的节点来缓存内容对象。其中，节点介数、剩余空间大小、缓存替换次数这三个指标均记录在所述步骤(2)中节点信息记录表中，并可由所述步骤(3)中兴趣包经过节点时获取并记录在兴趣包的信息收集表中，另外距离用户跳数可由兴趣包自行获取。
[0026]所述步骤(5)，主动缓存替换策略的目标是驱逐网络内的冗余内容，节省更多的缓存空间。
[0027]所述步骤(6)，执行不同的缓存放置策略可以有效的提高内容的利用率。缓存放置策略和基于内容价值的被动缓存替换策略相结合能够进一步的提升网内缓存的性能。
[0028]进一步的，所述步骤(1)对ICN网络中路由器内原始的CS表的数据结构进行改造：
[0029]原始的CS表仅记录节点内存储内容的名称，并不会实时计算各个内容的命中次数，因此对其进行了改造以统计内容流行度。其中，新的CS表如表1所示
[0030]Interest packet nameNumber of cache hits/net/news/C.txt35/net/videos/A.mp420/net/videos/D.mp418
[0031]表1：改造后的CS表
[0032]如表1所示，第一列Interest packetname为缓存的内容的名称，第二列Numberofcachehits为缓存命中次数。
[0033]进一步的，所述步骤(2)在ICN网络中的路由器内添加节点信息记录表：
[0034]ICN网络中的路由器没有记录节点介数、剩余空间大小、缓存替换次数的信息表，本专利技术在路由器内添加节点信息记录表以记录以上三个信息。其中，信息记录表如表2示：
[0035]IndexesValueBetweenness centrality1.5Number of cache replacements20Size of remaining space18
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略，其特征在于，包括如下步骤：(1)对ICN网络中路由器内原始的CS表的数据结构进行改造；(2)在ICN网络中的路由器内添加节点信息记录表；(3)对ICN中原始的兴趣包和数据包的数据结构进行改造；(4)使用TOPSIS熵权法计算出命中节点中流行内容的缓存位置，该命中节点为非服务器节点；(5)周期性的执行主动缓存替换策略算法；(6)根据命中节点类型执行不同的缓存放置策略和基于内容价值的被动缓存替换策略算法，该节点类型为服务器节点和非服务器节点。2.根据权利要求1所述的基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略，其特征在于，所述步骤(1)通过改造路由器内原始的CS表的数据结构以合理计算出节点内的流行内容；所述步骤(2)目的是稳定记录节点的剩余空间大小、介数以及缓存替换次数这三类用于后续缓存位置计算的关键信息；所述步骤(3)在兴趣包内添加信息字段和驱逐表字段；信息字段的目的是收集所经过节点的跳数、剩余空间大小、介数以及缓存替换次数这四类信息；驱逐表字段是为了方便执行主动缓存替换策略；在数据包内添加缓存节点字段以记录缓存节点的ID。3.根据权利要求1或2所述的基于TOPSIS熵权法的轻量级缓存策略，其特征在于，所述步骤(4)中，在ICN中，为了选择缓存对象的最佳缓存节点，基于每个节点的四个指标使用TOPSIS熵权法来建模求解；所述四个指标为：
①

【专利技术属性】
技术研发人员：桂易琪，陈永康，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：