一種智慧緩存系統及其區分用戶喜好相關性的方法
2023-07-23 04:48:26 1
一種智慧緩存系統及其區分用戶喜好相關性的方法
【專利摘要】本發明公開了一種智慧緩存系統，其主要包括內容分類單元，用戶分類單元，緩存建立單元，緩存維護單元，緩存決定策略單元和緩存替換策略單元，其中，內容分類單元通過分析數據包對網絡中的資源內容進行分類；用戶分類單元通過分析數據包對網絡中的用戶進行分類；然後通過緩存建立單元的分析建立起了內容類別與用戶類別的緩存映射結構；緩存維護單元對已經建立好的緩存映射結構進行維護；緩存決定策略單元和緩存替換策略單元用於對網絡內容進行限制和管理。本發明使路由器能區分網絡中的流量和區域用戶，並通過制定的智慧緩存策略合理地管理緩存內容，更加符合不同區域的用戶對網絡資源的不同需求，提高資源利用率，優化用戶體驗。
【專利說明】一種智慧緩存系統及其區分用戶喜好相關性的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於計算機網絡通信領域，特別涉及一種網絡緩存系統及其緩存管理方法。
【背景技術】
[0002]網絡緩存技術是用來提高網際網路的用戶響應速度和優化網絡性能的關鍵技術。隨著人們越來越依賴網際網路獲取資源和信息，網際網路所承受的壓力也與日俱增。從系統角度來講，由於網絡資源更多集中在少量伺服器端，而用戶訪問的急劇增多使得伺服器的負載過重，不能及時響應每一個用戶的請求，而且有限的網絡帶寬造成了網際網路高峰時期的網絡擁塞，嚴重影響著網際網路的使用效果和用戶體驗。如果簡單地通過提高網絡設備硬體性能來滿足大量用戶的需要，將花費很大的成本和代價，而且不會從根本上解決問題。另外從用戶角度來講，用戶在網絡數據傳輸上存在著地域相關性，比如當區域中的某個用戶在某一時刻訪問某個數據後，該區域的其他用戶也很有可能再次訪問該數據，如果後來的每個用戶都要繼續從很遠的伺服器端獲取數據，那麼將造成資源的重複傳輸，不但浪費網絡帶寬，而且極大地增加了用戶獲取數據的時間，嚴重影響著用戶體驗。為了能有效解決上述問題，網絡緩存技術應運而生。網絡通過把用戶經常訪問的資源內容暫時地保存起來，並置於靠近用戶的一端，來減少響應用戶請求的時間，使得用戶對內容的獲取更加方便快捷。
[0003]近些年隨著人們對網絡的認識由基於主機位置(IP位址)到基於網絡內容的逐漸轉變，網絡緩存的重要性逐漸地凸顯。因為在以信息和內容為主的網絡結構中(例如CCN, CDN)，緩存技術對於提高整個信息網絡性能起到了至關重要的作用。
[0004]網絡緩存技術研究的主要內容是怎樣把特定的內容存儲到合適的緩存中。近些年國內外學者在緩存管理技術方面做了大量的研究，大多數以研究緩存更新算法為基礎，經典的緩存更新算法有LRU，LFU和FIFO等，後續研究主要是以此為基礎進行擴展。〈〈Leveraging ca ching for Internet-scale content-based publish/subscribenetworks》提出一個通用的服務模型，能夠無縫支持基於內容的資源檢索與分發，並通過大量的模擬實驗比較了當前六種緩存策略下，消費者的滿意度和帶寬使用率，結果表明該通用服務模型只有輔以合適的緩存管理策略才能適應大規模的資源檢索和分發。((Packet-level caching for information-centric networking》提出了一種能夠完全實現數據包級高速緩存的方案，並可作為一種網絡組件直接實現，該方案實現了數據包的高速緩存，但是缺少緩存更新策略來更新緩存內容。《Advertising cached contents in thecontrol plane !Necessity and feasibility》提出了一種在控制層進行全局資源緩存尋址的方法，通過生成緩存公告，劃分公告範圍，進行公告匯聚與公告更新，有效提高了用戶發現和獲取資源的效率，但是該方案缺少策略來控制網絡性能和由緩存公告交互引起的大量網絡開銷之間的平衡。綜上所述，隨著緩存技術的不斷發展，網絡的性能和用戶體驗得到了一定程度的提高，但是在緩存管理方面仍然有許多問題需要解決。
[0005]通過分析現有網絡緩存技術不難發現，現有緩存方案普遍忽視了用戶請求的區域相關性和用戶喜好的相似性等行為特徵，導致了緩存結構相對單一，緩存管理比較僵硬，缺乏智慧特性，不能動態地適應用戶對資源內容的需求變化，難以滿足不同區域和不同愛好的用戶多樣化需求。另外現有的緩存技術更多的是在研究緩存替換策略，即當同時滿足以下兩個條件時:(1)新內容到達，需要緩存節點進行緩存；(2)緩存空間已滿，緩存節點應該選擇哪些內容被替換。目前尚缺少研究緩存節點的緩存決定策略，即應該選擇緩存哪些有用的內容，進而影響緩存的性能和用戶體驗。
[0006]本發明基於以上問題提出了一種通過實時分析用戶行為特徵建立緩存映射結構的方案，並基於此緩存映射結構制定了一種包含緩存決定策略和緩存替換策略的緩存解決方案。用戶的行為特徵包括:用戶請求的地域相關性，區域內用戶喜好的相似性，內容熱度和用戶感興趣的內容類別。該方案的提出旨在提高資源利用效率，優化用戶體驗。
[0007]《Age-based cooperative caching in information-centric networks》提出了一種基於生存時間的合作緩存方案。緩存中的每一個內容都有一個生存時間(lifetime)，該生存時間的大小是由內容在路由器中的年紀大小(所允許存儲的最大時間大小)決定的。一個內容對象被添加到新的緩存裡時獲得其年紀大小，當內容在緩存中所存儲的時間達到年紀大小時刪除該內容。內容的生存時間大小與內容的熱點程度和離伺服器的距離成正相關，即內容的熱點程度越高，離伺服器距離越遠，生存時間越長。該緩存方案通過輕量級協作機制，將熱點資源傳播到網絡邊緣，將熱點程度越低的內容傳輸到離邊緣越遠的區域。同時充分利用中間節點的存儲容量進行低熱點資源緩存，減少網絡延遲和網絡負載。當同時滿足以下兩個條件時，緩存中的一個內容將被另一個內容替換:(1)內容在緩存中的存儲時間達到生存時間大小；(2)節點的緩存空間已滿。
[0008]該技術在用戶體驗等方面存在著不足，具體表現在:
[0009](I)把資源推向網絡的邊緣，更加靠近用戶，但沒有區分用戶請求的地域相關性，導致用戶體驗和資源利用率較低。
[0010](2)該緩存替換策略的制定以靜態地分析緩存中內容的歷史熱度和離伺服器的距離為依據，無法實時感知網絡中用戶的行為特徵，導致緩存相對靜態僵化，無法動態適應用戶需求的變化。
[0011](3)功能僅限於ICN(信息中心網絡)，無法應用於現有網絡類型，擴展性較差。
[0012]《基於分光技術的CACHE緩存系統原理和實現》一文提出了基於分光技術的CACHE緩存系統解決方案，該方案通過在網絡入口處捕獲用戶的TCP請求，然後把用戶的請求重定向到緩存伺服器來獲取內容，其具體的實現過程是:在數臺寬帶接入伺服器(BroadbandAccess Server,簡稱BAS)和全業務路由器(Service Router,簡稱SR)至城域網核心路由器的上行鏈路上加裝分光器，該分光器的作用是通過分光技術實現不影響用戶體驗的情況下，將用戶請求複製到分析重定向伺服器(RedirectServer,簡稱RDS)。RDS對數據進行處理和分類，將TCP請求存儲至信息控制伺服器(Information Control Server,簡稱ICS)。ICS對TCP請求進行記錄和比對，把符合存儲要求的請求發送到相關應用的加速緩存伺服器(Accelerate Cache Server,簡稱ACS)。ACS如果沒有該資源,就根據從用戶請求中解析出來的目的地址向資源站點請求資源，並緩存到加速緩存伺服器中；如果本地緩存有資源，利用ARP技術，將用戶的TCP請求重新定位到ACS，將ACS的資源分發到各個用戶。
[0013]該方案針對新的需求，仍有不足之處，主要表現在:[0014](I)支持分析的應用層協議類型有限，影響了系統的實用性。
[0015](2)缺乏緩存策略的管理，一旦需要緩存的內容急劇增多，緩存伺服器將面臨崩潰的危險。
[0016](3)應用於傳統IP網絡，不能支持以信息為中心的新型網絡。
[0017](4)沒有建立資源和用戶的映射關係，所以緩存的內容不能表徵用戶請求的地域相關性，導致用戶體驗不高。
[0018]在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術中的網絡緩存均無法區分用戶喜好的地域相關性，因而也就無法很好的為用戶提供服務，亟需要一種可以區分用戶喜好地域相關性的網絡緩存方案，以滿足不同用戶的需求。
【發明內容】
[0019]針對現有網際網路路由器緩存結構單一，未能充分考慮到不同區域用戶喜好的相關性以及智慧性不足的問題，本發明實施例提供了一種智慧緩存系統和區分用戶喜好相關性的方法。為了實現智慧管理策略來合理管理緩存內容，本發明通過分析用戶行為特徵，建立一個表徵不同區域用戶總體需求的緩存映射結構，並在此緩存映射結構的基礎上提出了緩存更新策略，主要包括緩存決定策略和緩存替換策略。所述技術方案如下:
[0020]一種智慧緩存系統，包括內容分類單元，用戶分類單元，緩存建立單元，緩存維護單元，緩存決定策略單元和緩存替換策略單元，其中:
[0021]所述內容分類單元，用於對資源內容進行分類，該處理單元通過解析到達緩存節點的數據包，提取出關鍵字，然後用關鍵字查詢已經建立好的內容特徵分類庫，最後返回所屬內容類別；
[0022]所述內容分類單元，進一步包括內容特徵分類信息庫，用於存儲關鍵字與內容類別的對應關係；
[0023]所述用戶分類單元，用於對網絡用戶進行分類，該處理單元通過解析到達緩存節點的數據包，提取出關鍵字，然後用關鍵字查詢已經建立好的用戶位置特徵分類庫，最後返回所屬用戶類別；
[0024]所述用戶分類單元，進一步包括用戶位置特徵分類信息庫，用於存儲關鍵字與用戶類別的對應關係；
[0025]所述緩存建立單元，用於建立用戶集和內容類別的緩存映射結構；
[0026]所述緩存維護單元，用於對已建立好的緩存映射結構進行維護，通過對已建立好的緩存映射結構進行周期性地檢查，合併具有相同喜好的不同用戶集；
[0027]所述緩存決定策略單兀是緩存決定策略的執行單兀，用來決定內容是否應該被緩存；
[0028]所述緩存替換策略單元是緩存替換策略的執行單元，用來選擇緩存中應該被替換的內容，然後用新內容替換。
[0029]所述智慧緩存系統包括組件層、策略層以及物理存儲層。其中，所述內容分類單元、用戶分類單元、緩存建立單元、緩存維護單元屬於組件層，用於建立和維護緩存映射結構；
[0030]所述緩存決定策略單元、緩存替換策略單元屬於策略層，作用於緩存映射結構，對內容進行限制和管理；
[0031 ] 所述物理存儲層，用於實現對組件層和策略層處理後的數據進行存儲。
[0032]一種區分用戶喜好地域相關性的方法，應用於如上所述的智慧緩存系統，包括:
[0033]通過內容分類單元解析到達緩存節點的數據包，提取出關鍵字，然後用關鍵字查詢已經建立好的內容特徵分類庫，最後返回所屬內容類別；
[0034]通過用戶分類單元解析到達緩存節點的數據包，提取出關鍵字，然後用關鍵字查詢已經建立好的用戶位置特徵分類庫，最後返回所屬用戶類別；
[0035]通過緩存建立單元，對經過內容分類單元和用戶分類單元得到的用戶集和內容類別進行聚類分析，建立緩存映射結構；
[0036]緩存映射結構建立完成後，緩存決定策略和緩存替換策略作用於該緩存映射結構，包括:
[0037]通過緩存決定策略單元執行緩存決定策略，決定該內容或數據塊是否應該被緩存；
[0038]通過緩存替換策略單元執行緩存替換策略，選擇緩存中應該被替換的內容，然後用新內容替換。
[0039]本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0040]本發明通過引入各個單元對網絡中的用戶和資源內容進行分類，經過分析分類後的結果建立內容類別與用戶類別的緩存映射結構，並對已經建立好的緩存映射結構進行維護，進而緩存決定策略和緩存替換策略作用於該緩存映射結構，對數據包和緩存中的內容進行處理。採用本發明的實施例提供的方案，使得緩存系統能對網絡中的流量和區域用戶進行區分和管理，更加符合不同區域的用戶對網絡資源的不同需求，能夠支持建立資源類別和用戶類別的緩存映射關係表進行工作，並通過在該緩存映射關係表基礎上建立的策略單元對數據包和緩存中的內容進行限制和管理，提高資源利用率，優化用戶體驗，另外本系統對用戶透明，無須修改客戶端的軟體和配置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0041]為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0042]圖1是本發明實施例提供的一個應用場景示意圖；
[0043]圖2是本發明實施例提供的緩存映射結構圖；
[0044]圖3是本發明實施例提供的智慧緩存系統三層結構示意圖；
[0045]圖4是本發明實施例提供的智慧緩存系統結構示意圖；
[0046]圖5是本發明實施例提供的內容分類單元工作原理圖；
[0047]圖6是本發明實施例提供的用戶分類單元工作原理圖；
[0048]圖7是本發明實施例提供的緩存建立單元工作原理圖；
[0049]圖8是本發明實施例提供的緩存維護單元工作原理圖；
[0050]圖9是本發明實施例提供的緩存決定策略單元工作原理圖；[0051]圖10是本發明實施例提供的緩存替換策略單元工作原理圖；
[0052]圖11是本發明實施例提供的區分用戶愛好區域相關性的原理流程圖；
【具體實施方式】
[0053]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。
[0054]本發明針對現有網際網路路由器緩存結構單一，未能充分考慮到不同區域用戶喜好的相關性以及智慧型不足的問題，提供了一種智慧緩存系統和區分用戶喜好地域相關性的方法。通過這種方法，緩存節點能夠區分區域用戶喜好的相關性，使得緩存節點能夠針對不同區域用戶的整體喜好存儲不同的內容，或者說緩存節點能夠區分用戶喜好的區域相關性。
[0055]本發明主要應用於如下場景。不同區域中的用戶通過各自區域的接入路由器接入網絡，位於網絡邊緣的接入路由器是離用戶最近的緩存節點。路由器緩存中的內容應該區分不同區域內用戶的整體需求。此時需要緩存節點能合理智能地安排和組織緩存內容。
[0056]如圖1為本發明一個應用場景示意圖。
[0057]本發明所建立的緩存映射結構表徵了不同區域內用戶喜好的地域相關性(圖2)。緩存中的內容經過內容分類模塊分為教育，音樂，新聞，體育，科技，軍事，社交，生活，金融等類別，同一類別裡的內容具有相同的資源屬性和特徵。用戶經過用戶分類分為用戶集
A,B, C，D……，單個用戶集表示地理位置在某一區域內的用戶的集合。本緩存結構對內容類別建立了用戶集與內容類別的邏輯映射關係(如圖2中箭頭)，例如下圖中標號①，②的箭頭表示用戶集A對音樂類和體育類比較感興趣。同時考慮到地理位置較近區域之間的用戶可能有著相同的喜好，例如圖中 用戶集A和距離較近的用戶集D都比較喜歡音樂類和體育類的內容，所以在對緩存進行維 護時會把用戶集A和用戶集D合併為一個新的用戶集，因此單個的用戶集也表示具有相同喜好的用戶的集合。
[0058]圖2為本發明所建立的緩存映射結構。
[0059]為實現以上的緩存映射結構，系統中建立了一個表示用戶集與內容類別映射關係的映射表，對應圖2緩存映射結構，其映射表結構如下圖:
【權利要求】
1.一種智慧緩存系統，其特徵在於，包括內容分類單元，用戶分類單元，緩存建立單 元，緩存維護單元，緩存決定策略單元和緩存替換策略單元，其中， 所述內容分類單元，用於對資源內容進行分類，該處理單元通過解析到達緩存節點的數據包，提取出關鍵字，然後用關鍵字查詢已經建立好的內容特徵分類庫，最後返回所屬內容類別； 所述用戶分類單元，用於對網絡用戶進行分類，該處理單元通過解析到達緩存節點的數據包，提取出關鍵字，然後用關鍵字查詢已經建立好的用戶位置特徵分類庫，最後返回所屬用戶類別； 所述緩存建立單元，用於建立用戶集和內容類別的緩存映射結構； 所述緩存維護單元，用於對已建立好的緩存映射結構進行維護，通過對已建立好的緩存映射結構進行周期性地檢查，合併具有相同喜好的不同用戶集； 所述緩存決定策略單元是緩存決定策略的執行單元，用來決定該內容是否應該被緩存； 所述緩存替換策略單元是緩存替換策略的執行單元，用來選擇緩存中應該被替換的內容，然後用新內容替換。
2.如權利要求1所述的智慧緩存系統，其特徵在於，進一步包括內容特徵分類信息庫， 用於存儲關鍵字與內容類別的對應關係。
3.如權利要求1所述的智慧緩存系統，其特徵在於，進一步包括用戶位置特徵分類信 息庫，用於存儲關鍵字與用戶類別的對應關係。
4.如權利要求1?.3任一所述的智慧緩存系統，其特徵在於，所述緩存系統包括組件層、 策略層以及物理存儲層。其中， 所述內容分類單元、用戶分類單元、緩存建立單元、緩存維護單元屬於組件層，用於建立和維護緩存映射結構； 所述緩存決定策略單元、緩存替換策略單元屬於策略層，作用於緩存映射結構，對內容進行限制和管理； 所述物理存儲層，用於實現對組件層和策略層處理後的數據進行存儲。
5.一種區分用戶喜好相關性的方法，應用於如權利要求1所述的智慧緩存系統，其特 徵在於，包括: 通過內容分類單元解析到達緩存節點的數據包，提取出關鍵字，然後用關鍵字查詢已經建立好的內容特徵分類庫，最後返回所屬內容類別； 通過用戶分類單元解析到達緩存節點的數據包，提取出關鍵字，然後用關鍵字查詢已經建立好的用戶位置特徵分類庫，最後返回所屬用戶類別； 通過緩存建立單元，對經過內容分類單元和用戶分類單元得到的用戶集和內容類別進行聚類分析，建立緩存映射結構； 緩存映射結構建立完成後，緩存決定策略和緩存替換策略作用於該緩存映射結構，包括: 通過緩存決定策略單元執行緩存決定策略，決定該內容是否應該被緩存； 通過緩存替換策略單元執行緩存替換策略，選擇緩存中應該被替換的內容，然後用新內容替換 。
【文檔編號】H04L29/08GK103428267SQ201310277092
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年7月3日 優先權日:2013年7月3日
【發明者】關建峰, 張宏科, 許長橋, 何雲航, 權偉, 張曉東, 郝增勇, 李 傑, 曹遠龍 申請人:北京郵電大學