CN101741732A

CN101741732A - 容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法

Info

Publication number: CN101741732A
Application number: CN200910227058A
Authority: CN
Inventors: 吴纯青; 虞万荣; 胡晓峰; 黄杰; 赵峰; 时向泉
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2029-11-30
Also published as: CN101741732B

Abstract

本发明公开了一种容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，它包括如下步骤：当拥塞节点收到新的报文保管请求后，拥塞节点首先在其节点存储器中筛选出待转移报文、查找用于存储该待转移报文且转移成本最低的目标节点，然后将上述待转移报文转移至该目标节点，重复上述步骤直到拥塞节点拥有足够的空闲节点存储器空间存放新报文为止；最后拥塞节点接收新报文，并在节点存储器资源得到缓解后依次向各目标节点取回被转移报文。本发明可以有效缓解拥塞节点的存储器资源问题、防止由于存储器不足而造成数据丢失问题，具有丢包率低、网络开销比低、报文传输比高、传输可靠的优点。

Description

容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法

技术领域

本发明涉及容延网络的缓存管理方法，具体涉及一种容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法。

背景技术

当前的Internet体系结构及其大量协议无法很好的适用于存在高延迟路径和频繁分裂的网络，当通信节点具有严格的能量和存储限制时，问题将更加恶化。在一些特定的网络环境中，例如功率受限的无线移动网络、传感器网络、卫星和星际通信网络，由于移动性和特殊应用缺乏“常常连接”的基础结构，而且这些网络通常使用它们自己的专有协议而不采用常规的IP协议。因此，要实现这些网络之间的互联，就需要有一种特殊的网络体系结构及其应用接口，满足在端到端连接和节点的资源均受限时的任意异步信息的可靠转发，这就促成了一种新的称为“容延网络”的新型网络结构的兴起。容延网络又叫容迟网络，它不满足端到端路径存在和低延时等传统Internet中的基本假设，它采用了一系列不同于Internet的设计：数据束代替报文分组、可靠安全的逐跳路由(hop-by-hop)传输代替终端到终端(end-to-end)、基于名称的路由代替基于地址的路由、部分连接网络图代替全连接网络图。同时，它的协议在不改变原有网络协议体系结构的基础上，在传输层和应用层之间添加了一个“束(Bundle)层”，使用面向信息的“存储一转发”模式管理异构网络中的数据束的转发，尤其是采用保管传送(Custody Transfer)机制处理挑战网络间的频繁断开、高延迟、异构性和多相性(不对称性)等问题，保证通信数据在复杂网络环境中的可靠传输。保管传送机制通过逐跳确认实现了数据传输的可靠性，同时能够尽快地释放通信节点的中继存储器资源，提高网络存储资源的利用率。但是为了满足持久性的要求，一个通信节点通常不能释放没有完成保管传送的报文，因此它的存储器面临最终被耗尽的危险，而这种情况很容易导致该通信节点没有足够的存储器资源去承担后来的必须要通过它的其他报文，即使这些报文的输出链路当时是可用的也无法让其通过本该通信节点，在某些情况甚至可能造成链路丢弃报文，因此由于通信节点的存储器资源耗尽，必然会导致通信效率的降低、通信质量的下降。

现有的针对容延网络中的存储器被耗尽时的处理办法有：基于滑动窗口的缓冲管理方法、丢弃报文或将报文转移。由于容延网络通信链路连接的间歇性、非对称性和数据传输的长时延等特性，基于滑动窗口的缓冲管理方法极有可能再次导致当前保管者的上游节点发生拥塞；丢弃报文的思想显然是不符合报文可靠性传输要求的，只能作为被动的解决方案加以实施；因此，在研究容延网络的缓冲管理时应重点考虑转移报文的方法以保证通信的可靠性。如果网络的所有信息都预先知道(如通信量、缓冲器状态、拓扑变化)，可以使用一个线性方程计算最佳的传输方案，通过使用没有发生拥塞的存储器或者链路有效地进行数据传输，然而，这个方法实际的计算量相当大，对于部分数据处理能力较弱的容延网络节点而言是不适合的；近年来，相关的研究人员针对容延网络的特点，提出了一些常规路由策略，这些策略使用一些可统计的网络信息，实现数据的可靠传输，但是在这些路由策略中基本上没有涉及到通信节点出现拥塞时的处理方案。因此，在没有端到端连通性保证的容延网络中，一个当网络节点出现拥塞时解决可靠的网络通信的方法对于容延网络完成可靠的通信是非常关键的。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：本发明针对现有技术的缺点，提供一种可以有效防止网络节点拥塞、高网络节点存储器利用率、高报文传输可靠性、高报文传输率、低丢包率和低网络开销、适用于重负荷以及突发负荷的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，它包括如下步骤：当拥塞节点收到新的报文保管请求后，拥塞节点首先在其节点存储器中筛选出待转移报文、查找用于存储该待转移报文且转移成本最低的目标节点，然后将上述待转移报文转移至该目标节点，重复上述步骤直到拥塞节点拥有足够的空闲节点存储器空间存放新报文为止；最后拥塞节点接收新报文，并在节点存储器资源得到缓解后依次向各目标节点取回被转移报文。

作为本发明的进一步改进：

所述拥塞节点在筛选待转移报文时，首先读取节点的路由表信息，然后查找路由路径最迟可用的报文作为待转移报文，如果本次查找结果为空，则重新查找生存期最长的报文作为待转移报文，如果本次查找结果仍然为空，拥塞节点拒绝接收所述新报文；所述拥塞节点在筛选待转移报文时，首先列出其节点存储器中所有比新报文大的报文作为待筛选报文集合，如果此集合为空，则将全部报文作为待筛选报文集合，然后在待筛选报文集合中查找待转移报文；

所述拥塞节点采用扩展环搜索法查找目标节点，查找目标节点的跃点范围为1～3；

所述拥塞节点与目标节点之间通过转发记录来管理被转移报文，每一条转发记录都带有报文的唯一ID、拥塞节点信息、目标节点信息和转发状态信息，原拥塞节点在节点存储器资源得到缓解后读取被转移报文的目标节点信息，并向该目标节点发送取回被转移报文的请求，如果目标节点不存在则将报文视为发送完成，否则目标节点将被转移报文发送回原拥塞节点；

所述目标节点在接收存储待转移报文后、收到原拥塞节点的取回请求之前，主动根据路由表信息对上述报文进行传送，如果上述报文的生存期满则主动删除这些报文，原拥塞节点向该目标节点发送取回被转移报文的请求时，目标节点将该报文已经被传送的消息或者生存期满被删除的消息发送回原拥塞节点；

所述拥塞节点在接收报文后、筛选待转移报文之前，拥塞节点首先将新报文与存储器中的所有报文进行比较，如果新报文的优先级比节点存储器中的所有报文优先级都低，或者新报文的路由路径比节点存储器中的所有报文的路由路径都更迟可用，拥塞节点拒绝接收该新报文。

本发明具有以下优点：本发明通过将拥塞节点的节点存储器中的报文扩展转移到其周边的目标节点来为接收新报文提供存空闲的存储器空间，扩展延伸了节点存储器的资源、合理调配网络上其他节点的存储器资源，有效地解决了容延网络中的节点拥塞而造成报文丢失的问题，有效提高整个网络的吞吐能力、提高网络的突发承受能力，可以获得更高的报文传输比、更低的丢包比和网络开销比，提高了数据传输的可靠性。在筛选被转移报文的时候，通过对新报文的选择策略和对节点存储器中报文的筛选策略，选择策略可以合理拒绝优先级最低或者可用路径最迟新报文，保证对新报文接收高效、合理，并能获得最大的带宽利用率；筛选策略可以筛选出可用路径最迟的报文或者最长生存期的报文，如果筛选失败则拒收新报文，因此整个网络中被丢弃的报文最少，最大限度的保证报文传输。此外，目标节点接收转移报文以后，会根据路由信息主动对转移报文进行转发、生存期满则主动删除，因此可以有效提高整个网络中所有节点的协同处理能力，有效提高整个网络的吞吐能力。

附图说明

图1是本发明实施例的基本处理流程示意图；

图2是本发明实施例中选择策略和筛选策略的流程示意图；

图3是本发明实施例中查找目标节点的流程示意图；

图4是本发明实施例中原拥塞节点取回被转移报文的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，在容延网络中，当某个拥塞节点接收到一个新的报文的保管请求时，本发明实施例的实施步骤如下：当拥塞节点收到新的报文保管请求后，拥塞节点首先在其节点存储器中筛选出待转移报文、查找用于存储该待转移报文且转移成本最低的目标节点，然后将上述待转移报文转移至该目标节点，重复上述步骤直到拥塞节点拥有足够的空闲节点存储器空间存放新报文为止；最后拥塞节点接收新报文，并在节点存储器资源得到缓解后依次向各目标节点取回被转移报文。

如图2所示，本发明的拥塞节点v接收到一个新的报文m的保管请求后，首先针对新报文m实施选择策略：拥塞节点v读取报文m的请求信息，如果报文m的优先级比节点存储器中的所有报文优先级都低，或者报文m的路由路径比节点存储器中的所有报文的路由路径都更迟可用，则拒绝保管新报文m，否则就代表通过选择策略。

然后拥塞节点v开始为存储新报文m实施待转移报文Wi的筛选策略：拥塞节点v首先列出节点存储器内占用空间大于或等于报文m的报文集合W，如果集合W为空，则将节点存储器中的所有报文作为集合W。在确定集合W后，拥塞节点v读取路由表信息，首先在集合W中查找路由路径最迟可用的报文Wi，如果本次查找结果为空，再在集合W中查找生存期最长的报文Wi，如果本次筛选结果仍然为空，拥塞节点拒绝接收该新报文m，否则就进入用于存储待转移报文Wi的目标节点选择阶段。其中，Wi代表待转移的报文，当i＝1的时候，Wi代表第一个待转移的报文，Ci代表第一个待转移报文转移存储的目标节点；当i＝2的时候Wi代表第二个待转移的报文，Ci代表第二个待转移报文转移存储的目标节点，依此类推。

筛选策略通过对节点存储队列中的报文(片段)的逐层筛选，这能够保证优先级较高且在较短时间内完成转发的报文被保管，优先级最低、最晚才能够建立转发链路、生存期最长的报文被转移，保证了数据传输的可靠性。而首先通过对比报文大小生成集合W，一方面可以缩小对存储队列中报文的筛选范围，减少被转移报文选择算法的运算量和系统资源占用率，另一方面还能避免完成筛选并将报文转移到目标节点后，拥塞的保管者节点仍然没有足够的存储空间保管发出请求的报文，该节点还需要多次执行被转移报文选择和目标节点选择操作，导致增加许多无谓的运算开销和处理时延，造成网络性能的下降。在整个选择和筛选过程中，使用优先级保证了最紧急的报文能够得到可靠地传输，最迟可用路由报文的选择使得在具有确定的路由信息和有限的链路资源的容延网络通信中报文得到最合理转发保证，最长生存期确保报文在等待传输链路建立过程中不会过早地因生存期满而丢弃，这些筛选机制能够保证网络通信过程中被丢弃的报文数最少，最大限度的保证报文的传输。

如图3所示，当筛选出报文Wi以后，拥塞节点v为该报文Wi查找转移成本最低的目标节点Ci，拥塞节点v首先找出所有可用存储器空间比报文Wi大的集合C，然后从跃点k＝1开始计算集合C中每一个节点的报文转移成本。

由于在容延网络通信链路中链路的间断性连接和存储器资源的动态性变化，报文传输成本和存储器成本都随时间变化，本发明使用关于存储器成本S和报文的传输成本T的函数和作为目标节点选择时报文转移成本M的度量值，其中存储器成本S用来衡量所选择的节点是否符合该路由算法的要求；传输成本T用来选择最优的满足条件的目标节点，下面分别对其计算方法予以详细说明：

存储器成本S_c(l，t)是节点c用来存储长度为l的报文所需要的存储器的开销，每个节点需要判断它有多少可用的存储器用来存储其他节点发送来的报文，存储器成本S_c(l，t)用函数表示为：

S_{c} (l, t) = \{\begin{matrix} 1 - (A_{c} \div C_{c}), & l \leq A_{c} \\ + \infty, & l > A_{c} \end{matrix}

其中，A_c代表目标节点c在t时间可用的存储器容量；C_c代表目标节点c的固有的存储器容量和，其中A_c≤C_c。

报文传输成本T_v，c(l，t)是节点c完全接收从节点v发送的长度为l的报文所花费的时间总和，传输成本T_v，c(l，t)的函数如下：

T_v，c(l，t)＝log((L_v，c(t))+(l÷B_v，c(t))÷(10^-6))÷10

其中L_v，c(t)是指t时间从拥塞节点v到目标节点c的延迟；B_v，c(t)为拥塞节点v到目标节点c纸件链路的最小带宽；l为被转移的报文长度。因此，报文传输成本T依赖传输链路的延迟、带宽、报文长度和链路连通(开/关)时间表。

由于一个链路上的延迟和最小带宽没有被限定，为了规范化，将1μsec作为最小的传输成本，把1000sec作为最大的传输成本，凡是低于1μsec的传输成本被认为是0，凡是高于1000sec的传输成本被作为1处理，如果两个节点之间没有链路，其传输成本为无穷大。所以正常情况下的传输成本应当满足：0≤T_v，c(l，t)≤1，运用对数公式是为了突出计算值的差异。因此，在t时刻从拥塞节点v向目标节点c转移报文的成本M_v，c应当满足0≤M_v，c(l，t)≤1，并且可以表示为：

M_v，c(l，t)＝T_v，c(l，t)α+S_c(l，t)(1-α)

其中l是被转移的报文的长度，单位为byte；S_c(l，t)是存储器成本；T_v，c(l，t)是传输成本；α是一个增益常数，用来权衡传输成本和存储器成本哪个被更优先考虑。当α＞0.5时，报文转移成本中报文传输成本所占的比较较大，在考虑开销的时候需要更多地考虑报文传输成本；相反当α≤0.5时，报文转移成本中存储器成本所占的比较较大，在考虑开销的时候需要更多地考虑存储器成本。

拥塞节点v在跃点数1＜k＜3的范围内计算集合C中每一个节点的报文转移成本，最终所有节点的最小报文转移成本表示为：

M_{\min} (k) = \min_{c &Element; N_{v} (k)} M_{v, c} (l, t),

则目标节点的集合C为满足M_min(k)的节点的集合T＝{c|M_v，c(l，t)＝M_min(k)}。如果集合C包含多个目标节点，则说明存在多个报文转移成本最小的节点，需要通过报文中的端点标识符信息进行筛选，在容延网络中，每个节点的节点标识符包含两部分内容，分别为所属通信域和域内实体编号，格式如下{<region ID>，<entity ID>}，如果集合C包含多个目标节点，则拥塞节点优先选择regionID与拥塞节点v的region ID相同的目标节点，否则就任选一个目标节点作为目标节点Ci，将待转移报文Wi转移存储于目标节点Ci中；如果目标节点的集合C为空，则拥塞节点v终止寻找目标节点Ci，并丢弃筛选出来的待转移报文Wi。

为了实现拥塞节点v与每一个目标节点Ci的联系，拥塞节点v和目标节点Ci之间通过转发记录来交换信息，每一条转发记录都带有报文的唯一ID以示区别，并且设有可以用于区别是转移报文节点(拥塞节点)还是存储被转移报文节点(目标节点)的字段、被转移报文的优先级、生存期、报文大小以及Push-Pull状态信息等，转发记录的Push-Pull状态信息如下表所示：

保管	完成转发	转发	生存期满删除
保管	完成转发	转发	生存期满删除	00	01	10	11

拥塞节点v每转移一个Wi则生成一条转发记录，目标节点Ci每接收一个报文则产生一条记录。拥塞节点v收到报文以后，处于保管状态，状态标记为00，拥塞节点v每转移一个Wi则生成一条转发记录，并将状态标记为10，目标节点Ci每接收一个Wi则生成一条转发记录，并将状态标记为10。在保管被转移报文Wi的期间，目标节点Ci会根据路由表信息判断是否具有转发被转移报文Wi的路径，如果找到可用路径，目标节点Ci依据网络的路由策略转发该报文，并将转发记录状态标记为01。如果被转移报文Wi的生存期满，原拥塞节点仍未取回被转移报文Wi，则目标节点Ci会删除被转移报文Wi，并将转发记录状态标记为11。

在执行转移或者丢弃报文Wi以后，拥塞节点v将可用的节点存储器空间与新报文m的大小相比较，如果节点存储器空间不足以存储新报文m，则继续筛选待转移报文、查找用于存储该待转移报文的目标节点并将该报文存储器中，直到拥塞节点v的节点存储器空间足以存储新报文m。然后，拥塞节点v存储新报文m并对存储器中的所有报文进行发送。

如图4所示，当原拥塞节点v的存储器资源得到缓解以后，原拥塞节点v会首先读取其存储的转发记录，按顺序向转发记录中标记的目标节点发出取回报文请求。目标节点接收到取回报文的请求后，读取它的转发记录，根据转发记录状态采取不同的处理：如果转发记录状态为10，则将报文发送给原拥塞节点；如果转发记录状态为01或者11，则目标节点发送“完成转发”或“生存期满被删除”信息给原拥塞节点v，说明该报文已在收到取回请求之前找到可用路径被成功转发或由于长时间得不到取回响应导致生存期满在网络中丢失。原拥塞节点v会根据目标节点返回的信息不同进行相应的处理：如果顺利取回报文，则等待转发路径的建立完成报文的转发；如果收到“完成转发”信息，则将转发记录状态标记为01；如果收到“生存期满被删除”信息，则视为转发失败，将转发记录状态标记为11，并根据网络情况向源节点发出重传指令。如果由于容延网络拓扑的时变性，原拥塞节点v找不到先前转移的报文的目标节点，则必然无法完成取回被转移报文操作，这种情况原保管者将以报文被成功的转发对待，则将转发记录状态标记为01。

Claims

1.一种容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于它包括如下步骤：当拥塞节点收到新的报文保管请求后，拥塞节点首先在其节点存储器中筛选出待转移报文、查找用于存储该待转移报文且转移成本最低的目标节点，然后将上述待转移报文转移至该目标节点，重复上述步骤直到拥塞节点拥有足够的空闲节点存储器空间存放新报文为止；最后拥塞节点接收新报文，并在节点存储器资源得到缓解后依次向各目标节点取回被转移报文。

2.根据权利要求1所述的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于：所述拥塞节点在筛选待转移报文时，首先读取节点的路由表信息，然后查找路由路径最迟可用的报文作为待转移报文，如果本次查找结果为空，则重新查找生存期最长的报文作为待转移报文，如果本次查找结果仍然为空，拥塞节点拒绝接收所述新报文。

3.根据权利要求2所述的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于：所述拥塞节点在筛选待转移报文时，首先列出其节点存储器中所有比新报文大的报文作为待筛选报文集合，如果此集合为空，则将全部报文作为待筛选报文集合，然后在待筛选报文集合中查找待转移报文。

4.根据权利要求1、2或3所述的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于：所述拥塞节点采用扩展环搜索法查找目标节点，且查找目标节点的跃点范围为1～3。

5.根据权利要求1、2或3所述的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于：所述拥塞节点与目标节点之间通过转发记录来管理被转移报文，每一条转发记录都带有报文的唯一ID、拥塞节点信息、目标节点信息和转发状态信息，原拥塞节点在节点存储器资源得到缓解后读取被转移报文的目标节点信息，并向该目标节点发送取回被转移报文的请求，如果目标节点不存在则将报文视为发送完成，否则目标节点将被转移报文发送回原拥塞节点。

6.根据权利要求4所述的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于：所述拥塞节点与目标节点之间通过转发记录来管理被转移报文，每一条转发记录都带有报文的唯一ID、拥塞节点信息、目标节点信息和转发状态信息，原拥塞节点在节点存储器资源得到缓解后读取被转移报文的目标节点信息，并向该目标节点发送取回被转移报文的请求，如果目标节点不存在则将报文视为发送完成，否则目标节点将被转移报文发送回原拥塞节点。

7.根据权利要求5所述的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于：所述目标节点在接收存储待转移报文后、收到原拥塞节点的取回请求之前，主动根据路由表信息对上述报文进行传送，如果上述报文的生存期满则主动删除这些报文，原拥塞节点向该目标节点发送取回被转移报文的请求时，目标节点将该报文已经被传送的消息或者生存期满被删除的消息发送回原拥塞节点。

8.根据权利要求6所述的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于：所述目标节点在接收存储待转移报文后、收到原拥塞节点的取回请求之前，主动根据路由表信息对上述报文进行传送，如果上述报文的生存期满则主动删除这些报文，原拥塞节点向该目标节点发送取回被转移报文的请求时，目标节点将该报文已经被传送的消息或者生存期满被删除的消息发送回原拥塞节点。

9.根据权利要求1、2或3所述的容延网络中网络节点存储器的扩展管理方法，其特征在于：所述拥塞节点在接收报文后、筛选待转移报文之前，拥塞节点首先将新报文与存储器中的所有报文进行比较，如果新报文的优先级比节点存储器中的所有报文优先级都低，或者新报文的路由路径比节点存储器中的所有报文的路由路径都更迟可用，拥塞节点拒绝接收该新报文。