一种6G中基于CCN的新节点价值和内容流行度缓存方法

技术领域

本发明涉及一种6G中基于CCN的新节点价值和内容流行度缓存方法，属于通信技术领域。

背景技术

随着6G(6G-IoV)中汽车互联网的快速发展，新兴的广泛网络应用，面向内容和个性化的信息服务已成为网络发展的主流趋势。由于现有的传输控制协议 /互联网协议(TCP/IP)体系结构是基于端点寻址的，因此频繁的会话连接无法有效地保证信息的可靠交换，这就带来了网络资源浪费、数据冗余、传输拥塞等紧迫问题。目前解决上述问题的典型方案是在应用层构建覆盖网络即内容分发网络(CDN)和对等网络(P2P)方案。这些解决方案虽然能在一定程度上缓解内容分发和共享的问题，但难以适应网络层的各种功能，满足高速传输的要求。

此外，由于常规自组网(Vehicular Ad-hoc networks,VANETs)提供的连接距离短、延迟低，TCP/IP组网方式难以满足这些要求，采用内容中心组网 (content-centricnetworking,CCN)可以克服其缺点，特别是在6G网络中。以信息为中心的网络集中在内容，打破了传统的“主机到主机”通信模式。具体来说，由信息提供者驱动的“端到端”通信将转换为由接收者驱动的内容检索。CCN 作为新型以信息为中心网络的典型代表，其以内容为传输的焦点和基本单位，取代IP地址为沙漏结构的腰部，收到极大的关注和成为了下一代互联网体系结构的研究热点。与Web、CDN和P2P不同，CCN的主要特点是网络内缓存。当前关于CCN的研究，即RFC 8569，主要包括分配和共享，放置策略，替换策略和利用率等内容，其中，内容放置用于确定一个节点是否放置内容，以及当节点的缓存空间饱和时，使用内容替换策略将旧内容替换为新内容。在CCN中，当用户发送的请求在内容路由器上找到相应的内容时，内容将直接发送给用户，而不将请求转发给源服务器。通过这种方式，传输延迟和传输压力将大大降低，改善用户体验。因此，缓存策略的制定对CCN的性能有重大影响，特别是对于缓存位置和缓存内容的选择。通过对缓存位置和内容的合理选择，可以使用户更有效地从内容路由器获取内容。

现有技术中的到处保留副本(Leave Copy Everywhere，LCE)是CCN的默认缓存策略，它要求用户和服务器之间的传递路径上的内容路由器缓存每个传递的内容。这就导致了网络中大量的内容冗余和较少的内容多样性。概率(p)，每个内容路由器缓存内容的概率为p，非缓存概率为1-p。当内容路由器收到数据包后，会随机生成一个从0到1的数字。如果数量小于或等于p，则缓存内容，否则直接转发到下一跳。ProbCache根据概率将内容缓存在内容路由器中，其中每个内容路由器的概率不同，该概率和路由器与用户的距离成反比。因此，离用户越近，将缓存内容的可能性越大。保留命中(leave copy down，LCD)仅在缓存命中时才在下一跳内容路由器中缓存内容。但是，内容需要经过多个请求才能到达网络边缘，并且将产生大量的内容冗余。另外，当缓存命中时，向下移动复制(move copy down，MCD)会将缓存的内容从命中节点移动到下一跳内容路由器(服务器除外)，这减少了缓存冗余。另一方面，当请求来自不同路径上的用户时，内容缓存位置会发生变化，而这种动态性将产生更多的网络开销。尽管 MCD和LCD的工作方式相似，但MCD会删除缓存命中节点(服务器除外)上的缓存内容，从而减少了内容冗余，但同时，缓存节点的动态性会增加网络开销。此外还提出了一种基于中心性的缓存策略，该策略利用节点中心性的中间性来提高缓存命中率。即便如此，仅中心节点处的缓存内容会导致其他内容路由器闲置，并且内容将被频繁替换。虽然现有考虑了来自内容流行度的缓存问题，其中内容的流行度，缓存内容被归类为高流行度。因此，网络中仅存在具有较高流行度的内容，其余的将被忽略，从而导致较低的内容多样性。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种6G中基于CCN的新节点价值和内容流行度缓存方法，解决了传统缓存策略频繁替换或大量内容冗余的问题，显着减少了缓存冗余和内容替换频率，提高了内容的多样性。在本文中，我们还考虑了选择缓存节点时相邻节点的影响，而不将内容放置在相邻节点中。仿真结果表明，NVCP在缓存命中率、平均跳数和平均传输延迟方面都优于LCE、 prob(0.5)和MPC。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种6G中基于CCN的新节点价值和内容流行度缓存方法，CCN的通信包括两个数据包：兴趣数据包包括内容名称，选择器和随机数，以通过CCN节点转发用户的请求；由内容名称，签名，签名信息和数据组成的数据包，沿着兴趣包的反向路径发送给满意的用户； CCN使用内容名称作为标识和传输的唯一标识符；包括以下操作步骤；

步骤一：首先可以将内容缓存在CCN中以支持各种功能，包括内容分发和多播；节点在兴趣包请求过程中记录相应的状态和接口信息，并根据这些信息将数据包跳回给用户；由于内容存储库CS，转发信息库FIB和未决兴趣表PIT被保持在CCN节点内部；

步骤二：当兴趣包到达内容路由器时，将首先查询CS是否已缓存内容；如果是，请直接将数据包返回给用户，否则查询PIT；

步骤三：如果内容有输入请求，则将相应的到达面添加到PIT，否则，根据 FIB的信息，在FIB中进行最大匹配查询；然后，兴趣包被转发到下一跳，并且将建立新的PIT表；

步骤四：当数据包被发回时，请检查请求的内容条目是否在PIT中存在，如果存在，则根据到达接口信息将数据包转发给用户，并删除PIT中的条目，缓存放置策略确定CS是否缓存内容；

步骤五：评估合适的连通性、中间中心性以及特征向量中心性三个节点属性；

步骤六：通过测量过程中的内容请求计数来估计内容的流行度进一步提高缓存空间的利用率并在CCN中实现更好的缓存性能；

步骤七：在CCN/NDN中，PIT记录未满足的请求，包括内容名称和对应的到达接口，以确保返回的响应包沿反向路径返回给内容请求者；请求的来源通过 PIT来识别；当用户请求内容时，将计算并归一化交付路径上节点的介数中心度和特征向量中心度；

步骤八：设计了一个变量

步骤九：提议的缓存策略由NDN-SIM模拟器进行评估，该模拟器是一个基于 NS-3的NDN模拟模块，实现了NDN的基本功能；通过修改代码，可以实现上述提出的缓存策略，并将结果导入到MA TLAB中以提供现有缓存策略之间的性能比较；

步骤十：仿真结果分析。

进一步的，所述步骤一中的内容存储库CS，转发信息库FIB和未决兴趣表 PIT被保持在CCN节点内部，因此每个节点都将上述三种类型的数据结构用于内容分发；对于这三种数据结构，CS用于缓存通过节点的内容副本，以满足后续的内容请求；PIT的作用是记录未满足的兴趣包，包括内容名称和相应的到达接口，目的是聚合相同的内容请求，避免重复发送相同的兴趣包；对于FIB，它将下一跳接口信息保存到提供程序以进行兴趣数据包路由。

进一步的，所述步骤五中通过三个节点属性评估节点值，考虑了采用命名数据链路状态路由协议(NLSR)来查询最短路径信息；给定有n个顶点和m条边的无向图G＝(V,E)，其中V＝{v

进一步的，所述步骤五中反应连通性、中间中心性以及特征向量中心性三个节点属性的方式为；

连通性：不同的转发策略导致所请求内容的路由路径不同，缓存节点将在这些策略中扮演不同的角色；不同的转发策略导致所请求内容的路由路径不同，缓存节点在这些策略中扮演不同的角色；因此，我们将请求内容通过缓存节点的路径数视为该节点的连接性；而且，随着路径的增加，请求内容变得更加重要；

定义请求内容k通过v

中间中心性：如果内容路由器位于相应内容路由器之间的最短路径上，则认为该内容路由器处于重要位置；这是合理的，因为位于此位置的内容路由器可以通过控制或误读信息的传输来影响整个网络；描述内容路由器控制信息传输特性的能力是中间中心性(也称为节点中位数)；将σ

式中，n表示内容路由器的数量

特征向量中心性：实际上，内容路由器的影响不仅与其自身的位置有关，而且还与其相邻的影响有关；如果内容路由器被一个非常流行的参与者选择，相应的影响也会增加；在另一方面，有影响节点上的影响对，很明显，在使用特征向量中心性来表征影响的情况下，影响会更大；我们将C

M(v

这里α,β,γ表示连通度、介度中心性和特征向量中心性的权重，它们的和为1；值得注意的是，在我们提出的方案中，提到的三个属性对缓存位置的选择有不同的影响；基于此，当使用不同的属性评估同一网络中节点的重要性时，将获得相应的不同结果；因此，综合属性M(v

进一步的，所述步骤六中可以通过测量过程中的内容请求计数来估计内容的流行度，内容请求计数越多，内容被请求的流行度和概率就越大；假设在v

进一步的，所述步骤八中设计了一个变量

其中

(1)

(2)

进一步的，所述步骤八中所提出的NVCP的主要思想在算法1和2中给出，考虑到内容路由器的位置不变，我们有一个固定的网络拓扑；因此，网络可以看作是一个无向图，需要使用相应的算法如Brande算法和幂迭代法预先得到C

进一步的，所述步骤九中该仿真使用随机生成的网络拓扑，该拓扑由50个节点和150个链接组成；网络中有一个源服务器，它随机连接到一个节点，边缘节点连接到用户；按照Zipf-Mandelbrot分布a＝0.7生成内容请求；网络中将请求的不同内容总数为10,000；进一步假设每个用户的兴趣是按照泊松分布以λ＝100/s产生的。

进一步的所述步骤九中仿真技术在缓存命中率，平均跳数和平均传输延迟方面，将提议的NVCP策略与LCE，Prob0.5和MPC进行了比较。

进一步的步骤十中仿真结果分析当高速缓存节点的大小从100变为2,000，并且索引a表示的内容浓度从0.1变为1时，系统性能将发生相应的变化。

本发明的有益效果是：本文研究了一种新颖的基于NVCP的6G-CCN协同缓存策略，解决了传统缓存策略频繁替换或大量内容冗余的问题，显着减少了缓存冗余和内容替换频率，提高了内容的多样性。在本文中，我们还考虑了选择缓存节点时相邻节点的影响，而不将内容放置在相邻节点中。仿真结果表明，NVCP在缓存命中率、平均跳数和平均传输延迟方面都优于LCE、prob(0.5)和MPC。

在NVCP中，节点的值是根据连通性，中间性和特征向量中心性来确定的。内容的重要性由内容的流行度决定，与此同时，缓存位置和缓存内容的选择取决于节点的值和内容的流行度。不同值的节点缓存流行度不同的内容，其中，它们是成正比的。

NVCP一方面利用了内容流行度的差异，确保缓存的内容均匀分布，同时减少了内容冗余，增加了内容的多样性。另一方面，从多个属性评估节点的值，利用内容路由位置之间的差异，可以显著提高节点利用率、缓存命中率、减少内容获取跳点和延迟，并改善用户体验。

从高速缓存命中率，平均跳数和平均传输延迟三个方面比较了NVCP与LCE， Prob(b)和MPC，仿真结果表明，所提出的NVCP在所有方面均优于其他高速缓存策略。

附图说明

图1为本发明的网路拓扑结构示意图；

图2为本发明的算法一示意图；

图3为本发明的算法二示意图；

图4为本发明的仿真参数表。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术术语和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同，本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

如图1、图2和图3所示，一种6G中基于CCN的新节点价值和内容流行度缓存方法，CCN的通信包括两个数据包：兴趣数据包包括内容名称，选择器和随机数，以通过CCN节点转发用户的请求；由内容名称，签名，签名信息和数据组成的数据包，沿着兴趣包的反向路径发送给满意的用户；CCN使用内容名称作为标识和传输的唯一标识符；将包括以下操作步骤；

步骤一：首先可以将内容缓存在CCN中以支持各种功能，包括内容分发和多播；节点在兴趣包请求过程中记录相应的状态和接口信息，并根据这些信息将数据包跳回给用户；由于内容存储库CS，转发信息库FIB和未决兴趣表PIT被保持在CCN节点内部；

所述步骤一中的内容存储库CS，转发信息库FIB和未决兴趣表PIT被保持在CCN节点内部，因此每个节点都将上述三种类型的数据结构用于内容分发；对于这三种数据结构，CS用于缓存通过节点的内容副本，以满足后续的内容请求； PIT的作用是记录未满足的兴趣包，包括内容名称和相应的到达接口，目的是聚合相同的内容请求，避免重复发送相同的兴趣包；对于FIB，它将下一跳接口信息保存到提供程序以进行兴趣数据包路由。

步骤二：当兴趣包到达内容路由器时，将首先查询CS是否已缓存内容；如果是，请直接将数据包返回给用户，否则查询PIT；

步骤三：如果内容有输入请求，则将相应的到达面添加到PIT，否则，根据 FIB的信息，在FIB中进行最大匹配查询；然后，兴趣包被转发到下一跳，并且将建立新的PIT表；

步骤四：当数据包被发回时，请检查请求的内容条目是否在PIT中存在，如果存在，则根据到达接口信息将数据包转发给用户，并删除PIT中的条目，缓存放置策略确定CS是否缓存内容；

步骤五：评估合适的连通性、中间中心性以及特征向量中心性三个节点属性；

由于缓存的局域性对CCN的性能有很大的影响，因此如何选择缓存的局域性仍然是一个悬而未决的问题。在本小节中，定义了三个节点属性以评估节点的值，这些属性基于图论进行了描述。此外，我们还考虑了采用命名数据链路状态路由协议(NLSR)来查询最短路径信息。给定有n个顶点和m条边的无向图G＝(V,E)，其中V＝{v

1)连通性：不同的转发策略导致所请求内容的路由路径不同，缓存节点将在这些策略中扮演不同的角色。不同的转发策略导致所请求内容的路由路径不同，缓存节点在这些策略中扮演不同的角色。因此，我们将请求内容通过缓存节点的路径数视为该节点的连接性。而且，随着路径的增加，请求内容变得更加重要。定义请求内容k通过v

2)中间中心性：如果内容路由器位于相应内容路由器之间的最短路径上，则认为该内容路由器处于重要位置。这是合理的，因为位于此位置的内容路由器可以通过控制或误读信息的传输来影响整个网络。描述内容路由器控制信息传输特性的能力是中间中心性(也称为节点中位数)[10]。将σ

式中，n表示内容路由器的数量。

3)特征向量中心性：实际上，内容路由器的影响不仅与其自身的位置有关，而且还与其相邻的影响有关[11]。如果内容路由器被一个非常流行的参与者选择，相应的影响也会增加。

在另一方面，有影响节点上的影响对，很明显，在使用特征向量中心性来表征影响的情况下，影响会更大。我们将C

根据已有的研究[12]，网络是按幂律分布的，节点在不同位置起着不同的作用。连通度和介数中心性考虑了请求内容路由路径中节点的个数，特征向量中心性考虑了相邻的影响。选择缓存位置时，NVCP同时考虑以上三个属性。将M(v

M(v

这里α,β,γ表示连通度、介度中心性和特征向量中心性的权重，它们的和为 1。值得注意的是，在我们提出的方案中，提到的三个属性对缓存位置的选择有不同的影响。基于此，当使用不同的属性评估同一网络中节点的重要性时，将获得相应的不同结果。因此，综合属性M(v

步骤六：通过测量过程中的内容请求计数来估计内容的流行度进一步提高缓存空间的利用率并在CCN中实现更好的缓存性能；

由于是否缓存通过内容路由器每个内容是CCN的另一个问题，因此流行度是提取内容的一个因素。可以通过测量过程中的内容请求计数来估计内容的流行度，这意味着内容请求计数越多，内容被请求的流行度和概率就越大。假设在v

步骤七：在CCN/NDN中，PIT记录未满足的请求，包括内容名称和对应的到达接口，以确保返回的响应包沿反向路径返回给内容请求者；请求的来源通过 PIT来识别；当用户请求内容时，将计算并归一化交付路径上节点的介数中心度和特征向量中心度；设计了一个变量

其中

所提出的NVCP的主要思想在算法1和2中给出，如图2和图3所示。在我们提出的方案中，考虑到内容路由器的位置不变，我们有一个固定的网络拓扑，参照图1。因此，网络可以看作是一个无向图，需要使用相应的算法(如Brande 算法和幂迭代法)预先得到C

步骤九：提议的缓存策略由NDN-SIM模拟器进行评估，该模拟器是一个基于 NS-3的NDN模拟模块，实现了NDN的基本功能；通过修改代码，可以实现上述提出的缓存策略，并将结果导入到MA TLAB中以提供现有缓存策略之间的性能比较；该仿真使用如图1所示随机生成的网络拓扑，该拓扑由50个节点和150个链接组成。网络中有一个源服务器，它随机连接到一个节点，边缘节点连接到用户。按照Zipf-Mandelbrot分布(a＝0.7)生成内容请求。网络中将请求的不同内容总数为10,000。进一步假设每个用户的兴趣是按照泊松分布以λ＝100/ s产生的。为了简单和公平起见，综合考虑了节点的各种属性，在本文中，在给出的仿真结果中，等效地给出了α(连接性)，β(介数中心性)和γ(特征向量中心性)的比重值：1/3。采用最近最少使用(The Least Recently Used， LRU)[14]作为高速缓存替换策略，总仿真时间为100s。更具体地说，已经针对高速缓存大小和a的各种值评估了仿真结果。主要仿真参数如图4所示，步骤九中仿真技术在缓存命中率，平均跳数和平均传输延迟方面，将提议的NVCP策略与LCE，Prob0.5和MPC进行了比较。

其中：

1)缓存命中率：指的是缓存节点而不是服务器满足用户请求的概率。这是一个典型的参数，反映了缓存策略的性能。缓存命中率越高，缓存节点满足用户请求的概率就越大。将缓存节点满足的请求数和用户请求的内容总数分别设为n 和N，缓存命中率可以从n与N的比值中得到。

2)平均跳数：指用户请求到达缓存节点或源服务器的跳数。它反映了缓存节点和用户之间的距离。跳数越小，缓存节点离消费者越近，整个系统的效率就越高。

3)平均传输延迟：指消费者在提供内容请求以获取数据时所经历的延迟。它可以反映网络满足消费者需求的速度。因为缓存节点比源服务器更靠近使用者，因此可以实现更小的传输延迟和更快的请求响应，从而提高服务质量(QoS)。

步骤十：仿真结果分析，当高速缓存节点的大小从100变为2,000，并且索引a表示的内容浓度从0.1变为1时，系统性能将发生相应的变化。

这是可重新密封的，因为LCE要求传递路径上的所有节点都缓存内容而没有差异，这导致大量的内容冗余并经常更换。它是可重用的，因为LCE要求传递路径上的所有节点都无差异地缓存内容，这导致了大量的内容冗余和频繁的替换。另外，Prob(0.5)以固定的概率缓存通过缓存节点的内容。即使减少了缓存空间，它仍然会导致内容冗余和低的内容多样性。

MPC不会将所有内容存储在路径上的每个节点上，而是仅缓存流行内容。相反，NVCP综合考虑了节点价值和内容流行度，将流行度较高的内容缓存在价值较高的节点中，同时将流行度较低的内容缓存在价值较低的节点中，大大减少了替换频率，提高内容多样性，并减少内容冗余。与LCE，Prob(0.5)和MPC方案相比，提出的NVCP缓存命中率提高了11％至15％。第二和第三子图显示，随着节点缓存容量的增加，平均跳数和平均传输延迟逐渐减小。而且，NVCP的性能优于其他方案。这是由于LCE不加选择地缓存内容，Prob(0.5)进行了概率缓存，而MPC仅缓存最受欢迎的内容，而对节点没有任何要求。相反，NVCP从连通性，介数中心度和特征向量中心性全面评估节点值，并根据不同要求分配不同的权重，从而提高了对内容请求的响应速度，并减少了网络开销。与传统的 CCN缓存策略相比，NVCP的平均跳数和平均传输延迟都有很大的提高。与LCE， prob(0.5)和MPC相比，NVCP的平均跳数减少了

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。