一种卫星网络缓存节点的选取与分配方法

1.本发明涉及卫星网络缓存技术领域，具体涉及一种基于topsis的卫星网络缓存节点选取及缓存内容放置方法。


背景技术：

2.卫星网络具有覆盖范围广以及广播通信的特点，可以克服环境因素的影响，为沙漠、海洋、极地等环境恶劣地区以及灾难发生地区提供广泛的数据服务。近年来，随着星上处理能力的增强以及卫星通信技术的日益完善，卫星网络发展迅速，逐步成为传统地面网络的补充和扩展。由于卫星节点始终处于高速运行状态，而且星间链路经常发生周期性的中断，导致卫星节点间缺乏长期稳定的端到端连接。
3.信息中心网络(icn)中的网内缓存技术被认为是解决卫星网络当前问题的有效方案。其核心思想是在卫星网络中所有星上路由器节点上赋予存储内容资源和服务内容请求的功能，若用户发送的内容请求在路由过程中命中缓存则可直接获取内容和服务，而不需要每次从内容源服务器获取内容。通过就近服务的方式，可以提高用户获取信息的效率，降低网络中的冗余流量，缓解服务器负载等。因此，缓存放置方法的设计尤其是缓存位置的选择对于卫星网络中内容分发效率有着至关重要的影响。
4.现有的缓存放置方法依据内容副本的位置与数据包回传路径是否一致可将其分为on-path和off-path两类缓存方法。on-path方法根据内容回传路径上节点的本地特性选出合适的节点存储内容副本。off-path方法允许内容副本存储在服务器向用户回传内容的路径之外的任何节点。但二者均是针对静态网络，没有考虑卫星网络时空演化过程中节点间的耦合关系，不适用于节点高速运动的卫星网络。一个有效的卫星网络缓存放置方法可以适用于动态变化的卫星网络，可以选取最优的卫星节点作为缓存节点，进而设计出高效的缓存放置方法，从而提高卫星网络的缓存命中率，确保用户的体验。
5.优劣解距离法(topsis，technique for order preference by similarity to an ideal solution)是根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法，是多目标决策分析中一种有效的方法。


技术实现要素：

6.本发明为解决现有缓存放置方法没有考虑卫星网络时空演化过程中节点间的耦合关系，不适用于节点高速运行的动态网络，以及没有综合考虑卫星网络拓扑特点和功能特点的缺陷问题，提供一种卫星网络缓存节点的选取与分配方法。
7.一种卫星网络缓存节点的选取与分配方法，该方法由以下步骤实现：
8.步骤一、将卫星网络一个运行周期对应的拓扑状态作为原始快照序列s；
9.将所述原始快照序列s中的任意两个相邻快照进行相似性计算，分别获得相邻快照的or相似性，pcc相似性和asn相似性；
10.步骤二、根据步骤一获得的or相似性，pcc相似性和asn相似性，计算获得相邻快照
的ls相似性；
11.步骤三、将步骤二获得的ls相似性极小值作为分割点，获得卫星网络时隙序列p＝{p1,p2,
…
,pk,
…
,pm}，时隙pk的时长与卫星运行周期的比值为时隙pk的时间权重，时隙序列p对应的时间权重序列为tw＝{tw1,tw2,
…
,twk,
…
,twm}；时隙pk对应的邻接矩阵为a
(k)
；
[0012][0013]
其中，维数为n
×
n，a
st
为节点s与节点t的连边；当节点s与节点t连接时，a
st
为1，否则，a
st
为0；
[0014]
步骤四、将步骤三所述的相邻时隙p
k-1
、pk、p
k 1
对应的邻接矩阵a
(k-1)
、a
(k)
、a
(k 1)
，采用下式，获取时隙pk对应的基于多层网络的扩展邻接矩阵a
′
；
[0015][0016]
其中，i为单位矩阵，ω为可调参数；
[0017]
步骤五、对步骤四所述的扩展邻接矩阵a
′
进行计算，分别获取时隙pk中任意节点的度中心性dc，介数中心性bc和紧密度中心性cc；
[0018]
步骤六、对步骤四所述的扩展邻接矩阵a
′
进行计算，分别获取时隙pk中任意节点的传输能力tc，网络约束系数ncc和效率值ef；
[0019]
步骤七、对步骤四所述的扩展邻接矩阵a
′
进行计算，获取决策矩阵x，用下式表示为：
[0020][0021]
式中，f为多层网络中节点的总数，g为评价指标的总数，x
bc
表示第c个指标针对节点b的评价结果，评价结果包括度中心性dc、介数中心性bc、紧密度中心性cc、传输能力tc、网络约束系数ncc以及效率值ef；
[0022]
步骤八、将步骤七所述的决策矩阵x进行标准化，获取标准化决策矩阵y，并对所述标准化决策矩阵y进行加权计算，获得加权决策矩阵z；
[0023]
步骤九、对所述加权决策矩阵z进行计算，获得相对贴近度cb；
[0024]
步骤十、根据相对贴近度，获取时隙pk中任意节点v的重要度值fv，用下式表示为：
[0025][0026]
其中，n为单层网络中节点的总数，tw
v-1
、twv、tw
v 1
为步骤三所述的相邻时隙对应的时间权重；
[0027]
将所述重要度值fv采用降序排列，选取前t个节点作为卫星网络在时隙pk运行时间
内的缓存节点；
[0028]
步骤十一、对步骤十所述的缓存节点设置路由转发策略；所述路由转发策略包括兴趣包处理和数据包处理两个过程；
[0029]
所述兴趣包处理过程如下：
[0030]
用户根据需求向网络中发送内容请求的兴趣包，在用户节点到星上服务器节点间的最短路径上，兴趣包进行转发并记录到达响应节点过程中经历的跳数hop；
[0031]
当星上路由器节点接收到该兴趣包，在其内容存储表cs中查找是否有与内容名称相同的数据；如果查找成功，则直接将数据包回传给处理该兴趣包的接入端口；否则，在待定兴趣表pit中查找是否存在该内容请求的条目；
[0032]
如果存在对应的pit条目，则丢弃兴趣包，并在现有条目中增加该兴趣包的接入端口；否则，创建一条新的pit条目，并查找待定兴趣表pit中记录的转发端口，将兴趣包转发到下一跳星上路由器节点；
[0033]
所述数据包处理过程如下：
[0034]
星上服务器节点或者具有内容副本的缓存节点响应接收到的兴趣包，并发回与请求内容匹配的数据包，该数据包将沿着兴趣包转发路径进行反向回传，当星上路由器节点接收到数据包时，需要判断该节点是否是选定的缓存节点；
[0035]
如果该节点属于缓存节点集合并且缓存空间未满，则在该节点存储内容副本并转发数据包至下一跳星上路由器节点；
[0036]
如果该节点属于缓存节点集合但是缓存空间已满，则根据lru缓存替换策略进行缓存内容替换并转发数据包至下一跳星上路由器节点；
[0037]
如果该节点不属于缓存节点集合，则直接转发数据包至下一跳星上路由器节点，当用户节点接收到回传的数据包，该过程终止，完成缓存节点放置。
[0038]
本发明的有益效果：本发明所述一种卫星网络缓存节点的选取与分配方法，从低轨卫星网络中动态网络状态获取的角度出发，利用相邻快照相似性和时间演化分析方法，对卫星网络的运行周期进行划分并获取基于多层网络的扩展邻接矩阵，充分考虑卫星网络的拓扑特性和功能特性，设计了缓存节点选择算法，并在缓存节点上设置数据包和兴趣包的缓存内容放置策略，以满足用户对于低时延的需求，提高缓存命中率的同时保障卫星网络稳定运行。此外，本发明所述方法扩展了icn的网内缓存技术在高速动态网络中的应用，有效地解决了卫星网络中星上数据分发困难的难题。
附图说明
[0039]
图1为本发明所述的一种卫星网络缓存节点的选取与分配方法流程图；
[0040]
图2为本发明所述的一种卫星网络缓存节点的选取与分配方法中基于快照的卫星网络拓扑结构示意图；
[0041]
图3为以铱星星座为例，各快照间的ls相似性图；
[0042]
图4为基于ls相似性构建时隙序列示意图；
[0043]
图5为多层网络模型示意图；
[0044]
图6为基于多层网络的扩展邻接矩阵示意图。
具体实施方式
[0045]
具体实施方式结合图1至图6说明本实施方式，一种卫星网络缓存节点的选取与分配方法，本方法中，以铱星星座为实验对象，该星座是目前最为成熟的支持星间链路的低轨卫星网络，该系统包括66颗低轨卫星和6个备用卫星，66颗工作卫星均匀分布在6个轨道高度为780km的圆形轨道平面上，轨道倾角为86.4
°
，运行周期约为6000s。
[0046]
本实施方式中，该方法由以下步骤实现：
[0047]
步骤一、将卫星网络一个运行周期对应的拓扑状态作为原始快照序列s＝{s1,s2,
…
,si,
…
,sn}，快照为卫星网络中某一时刻的静态图，如附图2。
[0048]
步骤二、将步骤一所述的原始快照序列s中的任意两个相邻快照si和sj，按照公式(1)所述方法，获得快照si和sj的or相似性。
[0049][0050]
式中，为快照si中的链路总数，为快照sj中的链路总数，为快照si与快照sj共有的链路总数。
[0051]
步骤三、将步骤一所述的原始快照序列s中的任意两个相邻快照si和sj，按照公式(2)所述方法，获得快照si和sj的pcc相似性。
[0052][0053]
式中，所有快照对应的邻接矩阵的维数均为n
×
n，n2为快照中向量的总数，为快照si中第u个向量，为快照sj中第u个向量，为快照si中所有横向量组合而成的向量，为快照sj中所有纵向量组合而成的向量，和分别为和的平均值，和分别为和的标准差。
[0054]
步骤四、将步骤一所述的原始快照序列s中的任意两个相邻快照si和sj，按照公式(3)所述方法，获得快照si和sj的asn相似性。
[0055][0056]
式中，为快照si中的链路总数，为快照sj中的链路总数，为快照si与快照sj共有的链路总数。
[0057]
步骤五、将步骤二、步骤三、步骤四所述的or相似性、pcc相似性、asn相似性，按照公式(4)所述方法，获得相邻快照si和sj的ls相似性，如附图3。
[0058][0059]
步骤六、将步骤五所述的相邻快照的ls相似性极小值作为分割点，获得卫星网络时隙序列p＝{p1,p2,
…
,pk,
…
,pm}，如附图4。时隙pk对应的邻接矩阵为a
(k)
，维数为n
×
n，如公式(5)，其中，a
st
为节点s与节点t的连边。当节点s与节点t连接时，a
st
为1，否则，a
st
为0。时隙pk的时长与卫星运行周期的比值为时隙pk的时间权重，时隙序列p对应的时间权重序列为
tw＝{tw1,tw2,
…
,twk,
…
,twm}。
[0060][0061]
步骤七、将步骤六所述的相邻时隙p
k-1
、pk、p
k 1
对应的邻接矩阵a
(k-1)
、a
(k)
、a
(k 1)
，按照公式(6)所述方法，获取时隙pk对应的基于多层网络的扩展邻接矩阵，如附图5和附图6。
[0062][0063]
式中，i为单位矩阵，ω为可调参数，本实施方式中ω＝1。
[0064]
步骤八、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(7)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的度中心性dc。
[0065][0066]
式中，为节点v的邻接节点，a
vw
为节点v与节点w的连边。
[0067]
步骤九、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(8)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的介数中心性bc。
[0068][0069]
式中，δ
st
为节点s到节点t的最短路径数，δ
st
(v)为节点s到节点t且经过节点v的最短路径数，v为时隙pk中节点集合。
[0070]
步骤十、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(9)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的紧密度中心性cc。
[0071][0072]
式中，l
vs
为节点v到节点s的最短路径长度，v为时隙pk中节点集合。
[0073]
步骤十一、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(10)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的传输能力tc(v)。
[0074][0075]
式中，《k》为时隙pk的平均度，l
vs
为节点v到节点s的最短路径长度，v为时隙pk中节点集合。
[0076]
步骤十二、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(11)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的邻接度q(v)。
[0077][0078]
式中，为节点v的邻接节点，dc(w)为步骤八所述的节点w的度值。
[0079]
步骤十三、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(12)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的约束力rc(v)。
[0080][0081]
式中，为节点v的邻接节点，节点q为节点v与节点w的共同邻接节点，p
vw
为节点w的邻接度与节点v的邻接节点的邻接度之和的比值，p
vq
为节点q的邻接度与节点v的邻接节点的邻接度之和的比值，p
qw
为节点w的邻接度与节点q的邻接节点的邻接度之和的比值，q(w)和q(h)分别为节点w和节点h的邻接度。
[0082]
步骤十四、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(13)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的网络约束系数ncc(v)。
[0083][0084]
式中，rc(v)为步骤十三所述的节点v的约束力，v为时隙pk中节点集合。
[0085]
步骤十五、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(14)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的效率值ef(v)。
[0086][0087]
式中，为节点v的邻接节点，为节点h的邻接节点，n(v)为节点v的邻接节点的总数，v为时隙pk中节点集合。
[0088]
步骤十六、将步骤七所述的时隙pk的扩展邻接矩阵，按照公式(15)所述方法，获取决策矩阵x。
[0089][0090]
其中，f为多层网络中节点的总数，g为评价指标的总数，x
bc
表示第c个指标针对节点b的评价结果，评价指标依次为步骤八所述的度中心性dc、步骤九所述的介数中心性bc、步骤十所述的紧密度中心性cc、步骤十一所述的传输能力tc、步骤十四所述的网络约束系数ncc、步骤十五所述的效率值ef。本实施方式中f＝198，g＝6。
[0091]
步骤十七、将步骤十六所述的决策矩阵，按照公式(16)所述方法，获取标准化决策矩阵y。
[0092][0093]
其中，f为多层网络中节点的总数，本实施方式中f＝198。
[0094]
步骤十八、将步骤十七所述的标准化决策矩阵，按照公式(17)所述方法，获取加权决策矩阵z。
[0095][0096]
其中，iwc为第c个评价指标的权重，hc为第c个指标对应的熵值，g为评价指标的总数，本实施方式中g＝6。
[0097]
步骤十九、将步骤十八所述的加权决策矩阵，按照公式(18)所述方法，获取正理想解s

和负理想解s-。
[0098][0099]
其中，z
b1
为指标1对于节点b的评价结果，z
b1
是一个列向量，是上述列向量的最大解，也就是指标1对应的正理想解。
[0100]
步骤二十、将步骤十九所述的正理想解和负理想解，按照公式(19)所述方法，获取每个评价指标与正理想解和负理想解的距离。
[0101][0102]
其中，z
bc
为指标c对于节点b的评价结果，和分别为评价指标与正理想解和负理想解的距离，和分别为正理想解和负理想解；
[0103]
步骤二十一、将步骤二十所述的每个评价指标与正理想解和负理想解的距离，按照公式(20)所述方法，获取每个评价指标与理想解的相对贴近度cb。
[0104][0105]
步骤二十二、将步骤二十一所述的每个评价指标与理想解的相对贴近度，按照公式(21)所述方法，获取时隙pk中任意节点v的重要度值fv。
[0106][0107]
其中，n为单层网络中节点的总数，tw
v-1
、twv、tw
v 1
为步骤六所述的相邻时隙对应的时间权重，本实施方式中n＝66。
[0108]
步骤二十三、将步骤二十二所述的时隙pk中任意节点v的重要度值fv，采用降序排列，选取前t个节点作为卫星网络在时隙pk运行时间内的缓存节点，本实施方式中t＝7。
[0109]
步骤二十四、在时隙pk中，卫星网络缓存放置方法的路由转发策略包括兴趣包处理和数据包处理两个过程。其中，兴趣包处理采用以下过程。用户根据需求向网络中发送内容请求的兴趣包。在用户节点到星上服务器节点间的最短路径上，兴趣包进行转发并记录到达响应节点过程中经历的跳数hop。当星上路由器节点接收到该兴趣包，在其内容存储表cs中查找是否有与内容名称相同的数据。如果查找成功，则直接将数据包回传给处理该兴趣包的接入端口；否则，在待定兴趣表pit中查找是否存在该内容请求的条目。如果存在对应的pit条目，则丢弃兴趣包，并在现有条目中增加该兴趣包的接入端口；否则创建一条新的pit条目，并查找待定兴趣表pit中记录的转发端口，将兴趣包转发到下一跳星上路由器
节点。
[0110]
步骤二十五、在时隙pk中，路由转发策略中数据包处理采用以下过程。星上服务器节点或者具有内容副本的缓存节点响应接收到的兴趣包，并发回与请求内容匹配的数据包。该数据包将沿着兴趣包转发路径进行反向回传。当星上路由器节点接收到数据包时，需要判断该节点是否是选定的缓存节点，如果该节点属于缓存节点集合并且缓存空间未满，则在该节点存储内容副本并转发数据包至下一跳星上路由器节点；如果该节点属于缓存节点集合但是缓存空间已满，则根据最近最少使用策略(lru，least recently used)缓存替换策略进行缓存内容替换并转发数据包至下一跳星上路由器节点；如果该节点不属于缓存节点集合，则直接转发数据包至下一跳星上路由器节点。当用户节点接收到回传的数据包，该过程终止。其中缓存节点为步骤二十三所述的缓存节点。
[0111]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0112]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。