[发明专利]一种基于簇内智能共享的边缘主动缓存方法

权利要求书

1.一种基于簇内智能共享的边缘主动缓存方法，其特征在于：该方法在一个由移动客户端、移动通信蜂窝网以及内容供应网共同组成的系统中依次按照以下步骤实现的：

步骤1，系统构建：

移动通信蜂窝网，简称蜂窝网，设立在支持节点协作缓存服务的通信模型中，内部设置有：基站和缓存服务器，其中：

基站又称节点有多个，根据在网络中的地位和功能性差异，划分为中心节点和边缘节点两种，每个边缘节点都设有为移动客户端提供内容服务的传输信道以及节点间共享缓存内容的协作链路，由所述蜂窝网为各节点统一配置，边缘缓存节点的数量为N，N＝1，2，3，…，N，每个边缘节点的存储容量为S，每个边缘节点都对应一个向量表示Bif＝{b_i1，b_i2，…,b_iF}。其中，b_ij∈{0，1}，i＝1，2，…，N，j＝1，2，…，F，b_ij＝1表示边缘节点i中缓存文件f_j；b_ij＝0表示没有缓存该内容。每个缓存节点存储的内容总大小不能超过存储容量S，即所述的中心节点与星型拓扑结构中的中央节点不尽相同，体现在：中心节点不需要控制边缘节点和移动客户端之间的通信链路，根据边缘节点的资源利用率、请求相似度、通信距离三个特点，决定是否建立边缘节点之间的协作链路，将若干个满足条件的边缘节点组建节点簇，节点簇随链路拥塞程度、下载码率变化动态形成和消失；

缓存服务器，受控于其所属节点的主控制器，存储有：本地用户上一个周期的历史请求数据的流行度预测内容，以便在本周期内供移动客户端下载使用；还存储有：与所述节点共同组成节点簇的其他节点的名称和网址。所述节点簇是指根据边缘节点的资源利用率、请求相似度、通信距离三个特点与所述节点建立协作缓存关系的那些节点，彼此之间建立协作链路实现内容共享；

内容供应网中设有一个内容服务器，以中心辐射的形式控制所有的内容提供商，并通过中心节点分别与蜂窝网中各边缘节点通信，存储有系统中移动客户端所需的所有内容，共有F个文件，文件目录为C＝{f1，f2，…，fF}，每个内容大小相同，均为d；

移动客户端，在移动中实现请求的快速响应，系统中有K个移动客户端，K＝1，2，…，K；

步骤2系统初始化：步骤2.1，在蜂窝网控制下，各边缘节点一致服从以下要求：

各边缘节点周期性地对其关联用户的请求数据集进行分析和处理，数据集中主要包括内容类别、内容名称、播放量、评论零、用户IP、服务节点IP，所述内容类别分为政治、娱乐、文艺、体育、军事、搞笑、时尚、科技、运动等大类，利用这些数据进行内容流行度预测，并根据预测结果对缓存内容进行周期性更新，从而使得每个节点中存储有下一个周期最容易被用户请求的内容；其中，每个移动客户端由距离最近的边缘节点所服务，使移动客户端能够就近获取所需内容，降低网络堵塞，从而提高访问的响应速度和成功率，将这种就近服务的关系称之为关联；

步骤2.2，移动客户端发出内容请求，当该请求内容缓存在所述移动客户端的关联节点中时，可以直接从关联节点中下载该内容的数据包；

步骤2.3，组建节点簇：

步骤2.3.1，当两个边缘节点满足资源利用率互补、请求相似度高、通信畅通三个条件，中心节点便打开所述边缘节点之间协作链路，将所述边缘节点组建成节点簇；簇内节点数视具体情况而定；将簇内每个节点的缓存资源都划分为两部分，分别为：共享缓存区和自身缓存区；将节点簇中计算能力最强的边缘节点设置为所属节点簇的簇内管理者EM，EM承担统筹管理簇内资源的责任；

步骤2.3.2，若执行步骤2.2失败，即所述移动客户端的关联节点中未存储有该请求内容，则由簇内管理者依次检索所属边缘节点所在的节点簇内其他边缘节点的共享缓存区，如果检索存在，则将该内容的数据包传输给所述关联节点，并通过关联节点下载所述内容的数据包；

步骤2.4，若执行步骤2.3.2失败，即组成节点簇后的本地内容云中未存储有该请求内容，则由所述关联节点经由回程链路从内容供应网中下载所述内容的数据包，并将数据包传输给所述移动客户端。

2.根据权利要求1所述的一种基于簇内智能共享的边缘主动缓存方法，其特征在于：步骤2.3.1中，考虑到边缘节点的分布特性、通信需求的动态性，可能随时有边缘节点想要加入或退出一个簇，引起簇内边缘缓存资源的动态变化，因此需要重新评估簇内边缘节点的能力，以产生新的管理者；

a..节点簇内缓存区的内容分配规则，是配置在EM上的功能，具体规则：分别取簇内每两个边缘节点的内容流行度预测结果的交集，以流行度排名更高为标准将它们的交集内容分成两部分，分别得到所述边缘节点的共享缓存内容；以此类推，便会得到簇内每个边缘节点的共享缓存区的存储内容；剩余的预测内容分别由所述边缘节点存储在其自身缓存区；簇内边缘节点的共享缓存区内，内容共享，从而提高本地内容云的内容多样性；

b.任何一个组成节点簇的边缘节点，自身缓存区和共享缓存区的交集为空，即不存储重复内容；在周期性更新缓存内容的过程中，当EM指示一个边缘节点在共享缓存区存储某个内容，若该内容已经存储于其自身缓存区，则只在共享缓存区存放相应提取地址。

c.在组建节点簇以及确定簇内缓存内容后，边缘节点在非高峰期预取不同分辨率的热门内容，从而提高用户请求命中率，降低用户请求的等待时延；其中，缓存命中率定义为用户请求能够在本地内容云中得到服务的概率，即本地内容云的请求命中数与用户请求总数的比率；缓存命中率越高，则用户请求能够在缓存中找到，网络性能越好；所述网络时延，是指用户获取请求内容的时间，与用户体验质量直接相关，由三部分组成，分别是从关联节点到用户的无线传输时延、边缘节点之间的协作链路传输时延以及源站到关联节点的回传时延；

d.由于移动客户端的移动特性，边缘节点的关联用户可能会发生变化，因此每个边缘节点的负载压力可能动态改变，从而导致节点簇的动态形成和消失。