一种基于中心控制的机会网络内容分发方案

摘要

本发明公开了一种基于中心控制的机会网络内容分发模型，利用中心服务器、蜂窝网络和机会网络构成的三层结构，提出一种基于中心控制的机会网络内容分发模型；中心服务器通过蜂窝网络收集机会网络的运行状态，确定辅助转发节点；移动节点根据从中心服务器获得的辅助转发节点信息，确定内容分发策略并基于直连链路完成数据传输。本发明改进了单纯基于设备对等直连的机会网络内容分发模型，克服了现有机会网络中依据节点局部信息做出的转发决策难以达到全局最优的问题，可以避免不必要的网络开销，改善转发节点的存储利用率，显著提高机会网络中数据投递的成功率。本发明适用于蜂窝网络的数据分流、基于设备直连的内容分发以及其它类似的应用场景。

说明书

技术领域

本发明属于移动互联网技术领域，具体涉及一项基于中心控制的机会网络内容分 发方案。

背景技术

随着移动互联网应用的普及，大量的图片、视频信息进入人们的日常生活，然而有 限的wifi热点和带宽以及蜂窝网络过高的流量费用已经无法满足人们对于大数据量资源 的需求。与此同时，蜂窝网络已经处于超负荷的状态，视频网站也要支付高昂的带宽费用。 机会网络是利用节点移动带来的相遇机会实现通信的自组织网络，有通信需求的节点对之 间并不要求完整的通信链路。可以利用机会网络进行大数据量内容的转发，移动设备自身 携带这些大数据量内容，在移动的过程中利用相遇机会进行通信，将数据转发给目标设备， 这种以移动自组织网络形式进行的数据传输不仅速度快，而且不会产生额外的计费流量， 同时能够减轻带宽压力，是一种非常有前景并值得推广的内容分发模式。

机会网络采用“存储-携带-转发”的工作模式进行多跳的消息投递，数据分发节点 如果无法与目标节点实时连通就会先缓存数据，在移动过程中等待转发机会，直到遇到合 适的中继节点或目标节点。机会网络内容分发机制中最核心的部分是内容分发策略的制 定，目的是使得整个网络能够以尽可能少的开销完成可接受成功率的内容分发任务。当前， 比较有代表性的机会网络内容分发策略包括基于历史数据预测的内容分发策略、基于副本 拷贝的内容分发策略和基于社会属性的内容分发策略。

现有的机会网络内容分发策略，均由终端节点自主独立地完成转发决策，不需要 特定的网络基础设施予以支持。但由于节点自身的计算和存储能力有限，所掌握和维护的 历史信息有限，做出的转发决策难免有局限和陷于片面，难以达到全局最优。事实上，随着 移动互联网技术的普及，绝大多数移动终端均同时具备3G/4G蜂窝网络、WiFi无线局域网， 以及BlueTooth、WiFiDirect对等直连等多种联网能力。充分利用各种网络接口的通信能 力，发挥好机会网络传输速度快、不产生额外计费流量的优势，实现蜂窝网络、WiFi网络和 机会网络的有效协同，在提高用户满意度的同时，降低网络基础设施的带宽压力，减轻用户 的计费流量负担，成为移动互联网技术发展中的现实需求，也是机会网络内容分发机制研 究中亟待解决的问题。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于中心控制的机会网络内容分 发方案，利用中心服务器、蜂窝网络和机会网络构成的三层结构，将控制和传输进行逻辑上 的解耦，由中心服务器通过蜂窝网络收集机会网络的运行状态，确定适当的辅助转发节点； 转发节点则根据从中心服务器获得的控制信息，确定内容分发策略并基于直连链路完成数 据传输。本发明的核心是基于中心控制的机会网络内容分发策略，所采用的具体技术方案 如下：

（1）利用中心服务器、蜂窝网络和机会网络构成的三层结构，将控制和传输进行逻辑上 的解耦，中心服务器负责数据分析和分发控制，蜂窝网络进行小数据量的控制信息传输，机 会网络实现大数据量的内容分发。

（2）中心服务器收集机会网络的运行状态，根据统计分析选择两类节点作为辅助 转发节点：一类是强连通节点，另一类是强移动性节点。

（3）转发节点根据从中心服务器获得的辅助转发节点信息，确定内容分发策略并 基于直连链路完成数据传输：如果内容尚未进入目标节点的位置，则选择强移动节点作为 下一跳转发节点，该类节点有较大几率将内容携带至目标节点所在的位置；如果内容已经 进入了目标节点所在位置，则选择强连通节点作为下一跳转发节点，该类节点有较高几率 与目标节点相遇并完成内容投递。

（4）针对辅助转发节点数量和存储容量的限制，利用目标节点与辅助节点在位置 上的重叠性，加强辅助节点选择时的限制条件，同时加入转发终止机制：当目标节点收到内 容后，其它拥有该内容的节点在与服务器交互时及时获知并清除该内容，以达到缓解存储 压力的目的。

1、中心服务器内容分发模型

在中心服务器内容分发模型中，服务器从终端节点获取并记录网络的全局信息，通过 对全局信息的统计分析控制整个内容分发过程，以提高内容分发效率。通过中心服务器的 辅助，节点只需要负责内容传输，这样就将控制和传输进行了逻辑解耦，在该模型下可以设 置不同的内容分发策略以针对不同的场景。其中的中心服务器主要实现订阅发布、兴趣匹 配和内容分发辅助等功能。

2、基于中心控制的辅助转发节点选择

数据分析发现，在各个位置存在一些节点，这些节点不仅相遇次数多，而且与其相遇的 节点也不少，称之为该位置的强连通节点，这类节点在特定位置具有较强的传播扩散能力， 能够有效提高内容在该位置内的投递成功率。但是，这类节点大多固定在某个位置，它们的 移动性并不强，缺少主动将内容带出所在位置的能力，而数据分析也发现，存在在多个位置 出现，并在若干个位置间移动性较强的节点，这类节点称之为强移动性节点。强移动性节点 可以有效弥补强连通节点的不足，这些节点能够主动地将内容从一个位置传播到另一位 置，使得内容分发的成功率进一步提升。

强连通节点是在某个位置上中心性较大的节点，这类节点的特点是在自己所属位 置上相比其它节点具有较强的连通性，表现为相遇次数多、相遇节点数多。中心性类似于社 会网络理论中心度的概念，用于衡量节点的逻辑重要性，以描述其在社会关系网中的重要 程度。由于中心服务器可以获取全局的历史相遇记录，直接统计计算每个节点在不同时间 片内在某个位置的相遇情况。用v_t,i表示节点i在时间片t内出现的位置，E_t,i表示节点i在时 间片t内在位置v_t,i相遇的节点数量，R_t,i表示节点i在时间片t内在位置v_t,i的相遇次数。

节点i在时间片t内在位置v_t,i的连通性强度C_t,i可以表示为两者乘积，即C_t,i=E_t,i?R_t,i。C_t,i的值越大表示其连通性越强，对于强连通节点集成员，无论是对于内容在位置内 的传播还是位置间的传播都有着重要作用，如果目标节点与拥有内容的强连通节点集成员 位于同一个位置，那么两者有很大概率相遇；如果两者并不位于同一位置，强连通节点集成 员有较大概率遇到本位置的强移动性节点，内容能够被快速带离该位置，以提高投递成功 率。

强移动性节点是在多个位置出现的活跃节点，这类节点虽然在每个位置上的连通 性不一定强，但是利用其移动能力能够将内容从一个位置携带到另一个位置，使得内容能 够在整个网络传播。对于每个位置j，需要选出一定数量的强移动性节点，在时间片t内经过 位置j的节点都要通过比较它们的移动性，最终选取移动性最高的若干节点。要衡量节点i 在时间片t内的移动性，可以统计t时间内节点i在各个位置的出现概率p，用p_i,j的方差σ （p_i,j）衡量移动性强度，方差越小则移动性越强，其中p_i,j表示节点i在位置j的出现概率，即 p_i,j=t_i,j/t_i，t_i,j表示节点i在位置j的出现时长，t_i表示节点i在各个位置的总出现时 长。考虑到方差只能体现节点在各位置的平均活跃程度，一定情况下无法真实反映对网络 的贡献，所以加入总出现时长的影响，即：M_i=σ(p_i,j)*??/t_i。其中??为自定义的适当大 小的常数，用于防止M_i过小导致截断误差，其取值范围没有严格限定，如果部署应用时计算 出的M_i精度足够，可省略??参数。最终比较M_i，M_i越小节点i的移动性越强。

3、基于辅助转发节点的内容分发策略

在实际内容分发过程中，节点在不同时间片出现的位置较为固定，根据位置信息可以 判断两个节点是否出现在相同位置，当节点与中心服务器交互时，会注册自己的位置信息， 同时获取当前位置的辅助节点集和目标节点实时物理位置信息，如果目标节点当前并未出 现在任何位置，则用历史数据预测其在该时间片内所属位置。用V_i表示节点i在某时间片的 所属位置，S_i表示V_i位置上的强连通节点集，M_i表示V_i位置上的强移动性节点集。如果目标 节点属于位置V_i，那么S_i中的节点有较大概率与目标节点相遇，同时S_i中的节点也有较大概 率与M_i中的节点相遇，所以强连通节点集是首选的转发节点。假设当前节点为i，相遇节点 为j，目标节点为k，具体的内容分发策略如下：

1）如果i?S_i，j∈S_i，那么i将内容转发给j，否则不转发；

2）如果V_i≠V_k，i?M_i，且j∈M_i，那么i将内容转发给j，否则不转发。

通过上述内容分发策略，内容能够在整个网络快速传播扩散，如果内容已经进入 了目标节点所在位置，那么强连通节点集中的节点会有较高几率与目标节点相遇，如果内 容尚未进入目标节点的位置，通过强移动性节点集仍有较大几率将内容携带至目标节点所 在的位置。该内容分发策略为，每个内容设置初始副本数量L，以二分散发的方式即每次转 发将L/2份副本交给转发节点，自己保留L/2份副本（L取2的幂），最后1份副本保留直至遇到 目标节点。

本发明的方案利用中心服务器、蜂窝网络和机会网络的三层结构，改进单纯基于 设备对等直连的机会网络内容分发模型，其中中心服务器负责数据分析和分发控制，蜂窝 网络进行小数据量的控制信息传输，机会网络实现大数据量的内容分发。该方案适用于蜂 窝网络的数据分流、基于设备直连的内容分发以及其它类似的应用场景。发明避免了现有 机会网络中完全依靠终端节点制定内容分发策略的不足，根据中心服务器掌握的全局信息 进行优化转发决策，能够有效提高机会网络中的内容分发成功率，避免不必要的网络开销； 并在内容成功投递后，由中心服务器及时进行转发终止通告，进一步提高各个节点的存储 利用率和机会网络内容分发效率。

本发明的方案避免了现有机会网络中完全依靠终端节点制定内容分发策略的不 足，根据中心服务器掌握的全局信息进行优化转发决策，节点只在遇到强移动性节点或者 强连通节点才分发数据，能够有效提高机会网络中的内容分发成功率，避免不必要的网络 开销；在内容成功投递后，由中心服务器及时进行转发终止通告，能够为转发节点及时地腾 出存储空间，提高各个节点的存储利用率和机会网络内容分发效率。

附图说明

图1为机会网络的“存储-携带-转发”示意图，图中S和D分别是源节点和目标节点。

图2为本发明提出的基于中心控制的内容分发模型图。

图3为本发明提出的辅助内容分发过程图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例说明本发明的具体实施方式。

实施例1

一种基于中心控制的机会网络内容分发方案，具体步骤如下：

步骤1、兴趣订阅与内容发布：

图1所示为机会网络的“存储-携带-转发”示意图。如图2所示的内容分发模型图，图中 包括中心服务器、源节点、目标节点、转发节点等实体，中心服务器与各类节点之间通过蜂 窝网络进行控制信息的交互，各类节点之间利用机会网络链路进行通信和数据传输，中心 服务器上包含兴趣订阅、内容发布、兴趣匹配和内容分发辅助等功能模块，当内容需求节点 （目标节点）有兴趣请求时，可以通过蜂窝网络链路向中心服务器进行订阅（对应图2的步骤 1），中心服务器将收到的信息进行处理后存入维护的节点订阅表中，表1是节点订阅表中维 护的各个字段，其中兴趣标签值是将节点提出的兴趣标签进行处理后得到的值，此数值用 于后续的兴趣匹配；有效次数用于标识感兴趣内容需求次数，有的内容节点可能只需要一 次（例如某一段视频），有的则是持续需求（例如亚洲杯集锦）。同样，当内容提供节点（源节 点）有新的内容时，也要向中心服务器进行注册和发布(对应图2的步骤2)。

表节点订阅表各字段说明

字段名 列名 说明 节点ID UserID 唯一标识用户 兴趣标签值 Interest_Lable 用于描述一个兴趣 兴趣时间 Interest_Time 用户提出该兴趣的时间 有效时间 TTL 表示兴趣的生命周期 有效次数 Flag 1表示一次有效，0表示在TTL范围内持续有效

步骤2、兴趣匹配：每当有新的兴趣或内容在中心服务器注册时都会触发兴趣匹配模 块，兴趣匹配的主要方法是相似度匹配，即将兴趣和内容分别用一组向量表示，并设定一个 阈值ΔL，通过计算向量的相似度确定是否匹配，如果相似度超过阈值ΔL则认为相似，否则 认为不相似。常用的相似度计算方法主要有夹角余弦、欧式距离、Manhattan距离和 Minkowski距离等。也可采取基于标签或数值的精确匹配进行兴趣匹配，本发明将其看作基 于相似度匹配方法的特例。兴趣匹配完成后，中心服务器向源节点发出通知，告知其待分发 内容的ID和目标节点信息（对应图2的步骤3）。

步骤3、辅助内容分发过程：源节点和转发节点通过与中心服务器的辅助内容分发 模块进行交互，完成待分发内容从源节点到目标节点的端到端逐跳转发（对应图2的步骤4- 9）。如图3所示的辅助内容分发过程图，图中各类节点向中心服务器的辅助内容分发模块报 告节点位置信息和相遇信息，辅助内容分发模块记录并维护这些信息，根据节点位置、相遇 记录和移动规律，确定适当的辅助转发节点集，并作为控制信息告知转发节点。

辅助转发节点包括强移动节点和强联通节点，采用如下方式定义：

强连通节点是在某个位置上中心性较大的节点，这类节点的特点是在自己所属位置上 相比其它节点具有较强的连通性，表现为相遇次数多、相遇节点数多。中心性类似于社会网 络理论中心度的概念，用于衡量节点的逻辑重要性，以描述其在社会关系网中的重要程度。 由于中心服务器可以获取全局的历史相遇记录，直接统计计算每个节点在不同时间片内在 某个位置的相遇情况。用v_t,i表示节点i在时间片t内出现的位置，E_t,i表示节点i在时间片t 内在位置v_t,i相遇的节点数量，R_t,i表示节点i在时间片t内在位置v_t,i的相遇次数。节点i在 时间片t内在位置v_t,i的连通性强度C_t,i可以表示为两者乘积，即C_t,i=E_t,i?R_t,i。C_t,i的值越 大表示其连通性越强，对于强连通节点集成员，无论是对于内容在位置内的传播还是位置 间的传播都有着重要作用，如果目标节点与拥有内容的强连通节点集成员位于同一个位 置，那么两者有很大概率相遇；如果两者并不位于同一位置，强连通节点集成员有较大概率 遇到本位置的强移动性节点，内容能够被快速带离该位置，以提高投递成功率。

强移动性节点是在多个位置出现的活跃节点，这类节点虽然在每个位置上的连通 性不一定强，但是利用其移动能力能够将内容从一个位置携带到另一个位置，使得内容能 够在整个网络传播。对于每个位置j，需要选出一定数量的强移动性节点，在时间片t内经过 位置j的节点都要通过比较它们的移动性，最终选取移动性最高的若干节点。要衡量节点i 在时间片t内的移动性，可以统计t时间内节点i在各个位置的出现概率p，用p_i,j的方差σ （p_i,j）衡量移动性强度，方差越小则移动性越强，其中p_i,j表示节点i在位置j的出现概率，即 p_i,j=t_i,j/t_i，t_i,j表示节点i在位置j的出现时长，t_i表示节点i在各个位置的总出现时 长。考虑到方差只能体现节点在各位置的平均活跃程度，一定情况下无法真实反映对网络 的贡献，所以加入总出现时长的影响，即：M_i=σ(p_i,j)*??/t_i。其中??为自定义的适当大 小的常数，用于防止M_i过小导致截断误差，其取值范围没有严格限定，如果部署应用时计算 出的M_i精度足够，可省略??参数。最终比较M_i，M_i越小节点i的移动性越强。

转发节点采取如下策略完成数据内容分发：

对于强连通节点，可以根据不同位置的实际情况动态分配节点数量。同时考虑目标节 点可能出现的位置，假设当前节点为i，目标节点为k，内容的有效生命周期为TTL，目标节点 k从当前时间t到t+TTL可能出现位置集合为V_k,t+TTL，S_i表示V_i位置上的强连通节点集，如果i ∈S_i，i转发后副本数量为1且V_i,t+TTL∩V_k,t+TTL为空，则删除该副本，此时认为节点i遇到目标 节点的期望很低，不如腾出存储用于其它内容的转发。

对于强移动性节点，它们的实际出现位置是有限的，针对目标节点可能出现的位 置选择合适的强移动性节点不仅能够提高投递成功率，同时可以减少强移动性节点集无效 的内容转发，提高其存储利用率。假设当前节点为i，目标节点为k，节点i所在位置为V_i，位 置V_i的强移动性节点记为M_i，内容的有效生命周期为TTL，目标节点k可能出现位置集合为 V_k,t+TTL，相遇节点j∈M_i,k当且仅当j∈M_i且V_j,t+TTL∩V_k,t+TTL不为空。出于对辅助节点集节点 的负载考虑，优化后的内容分发策略中M_i,k代替上一节中的M_i，同时加入转发终止机制，即 当目标节点收到所需内容后通知中心服务器，服务器能够在与拥有该内容节点的后续交互 过程中告知其停止对该内容的转发。改进后的内容分发策略在保证效率的同时，进一步加 强辅助转发节点选择的条件，减少不必要的网络开销，具体如下：

1）如果i?S_i，j∈S_i，那么i将内容转发给j，否则不转发；

2）如果V_i≠V_k，i?M_i，j∈M_i且V_i,t+TTL∩V_k,t+TTL不为空，那么i将内容转发给j，否则不转 发；

3）如果i∈S_i，i转发后副本数量为1且V_i,t+TTL∩V_k,t+TTL为空，删除该副本；

4）如果j就是目标节点k，j收到i转发的内容后通知中心服务器以便尽快终止该内容对 于节点j在网络中的转发。

内容能够在整个网络快速传播扩散，每个内容设置初始副本数量L，以二分散发的 方式即每次转发将L/2份副本交给转发节点，自己保留L/2份副本（L取2的幂），最后1份副本 保留直至遇到目标节点。

中心服务器的辅助模块保存了整个网络的历史信息，同时记录与其通信过的节点 的位置，通过统计分析网络的全局数据为每个物理位置选取合适的活跃节点作为辅助转发 节点。当节点位于某一物理位置且具有内容分发任务时，可以通过中心服务器获取该位置 的辅助转发节点集信息和目标节点所在位置信息，当前节点采用本发明提出的内容分发策 略，根据目标节点位置信息选择辅助转发节点集中合适的节点进行转发。当目标节点获取 所需内容后，中心服务器能够快速地响应，并在后续的交互中告知拥有这些内容的节点停 止相应内容的转发，这样不仅能够减少网络开销，还能够改善节点的存储利用率，提高整体 的投递成功率。

本发明可以有多种实施方式，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领 域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于 本发明所附的权利要求的保护范围。