CN102868782A - 一种物理实体连接网络的命名分析方法 - Google Patents

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刘江
黄韬
肖禄
方超
王国卿
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Abstract

本发明提出了一种基于物理拓扑的DHT分析系统，采用了DHT的逻辑网络与实际物理网络良好结合的设计思想。该系统不仅可以通过立体化、拓扑化的嵌入结构能够有效解决ONS解析系统低延时、负载不均衡和效率问题，也可以通过较全面的反应底层的物理网络拓扑结构解决当前解析系统中数据的回传效率低的问题，从而确保了网络的路由本地性，提高了物联网解析效率。此外，该系统还可以为立体化和平面化命名空间提供了统一的分析架构，解决了目前解析系统不能正确分析非层次化命名空间的问题。

Description

一种物理实体连接网络的命名分析方法
技术领域
物理实体连接网络是利用数据采集技术和传感技术，按照标准化的协议，进行物品与网络连接，以实现对物品的可识别、定位、跟踪、监控和管理等智能化的网络系统。物理实体连接网络作为新一代网络技术的重要组成部分，需通过一套完整的机制实现全球物品的定位与分析，且这套机制应具有良好的开放性和可扩展性。命名分析机制的核心如何将对象编码与相应的对象信息进行匹配，即如何通过对对象ID进行分析，将对象ID转换成网络可以识别的IP地址，从而使网络“认识”物品。命名分析方法可以作为一个自动的网络服务系统，类似于DNS(域名分析服务)——将一台计算机定位到互联网上的某一具体地点的服务。物理实体连接网络依托现有互联网，利用各种信息技术实现“物物相联”，就需要建立专门的、类似于DNS的物品编码分析系统，其中命名分析方法就成为物品编码分析系统建立的关键问题之一。
背景技术
物理实体连接网络的命名分析机制是建立可靠高效的物理实体连接网络公共服务基础设施和信息共享机制的核心问题之一。在该领域的研究与实践中，目前应用比较广泛的是EPCglobal组织提出的基于DNS(DomainName System，域名系统)架构的对象命名分析系统，即ONS系统。
ONS是EPC系统中的命名分析模块，类似于互联网DNS，是一个分布式的立体结构系统。ONS由映射信息、根ONS(Root ONS)、ONS服务器、ONS本地缓存(ONS Cache)、本地ONS解算器(Local ONSResolver)5个部分组成，其基本功能是将一个物品的产品电子代码(Electronic Product Code，EPC码)映射到一个或者多个EPCIS(EPC Information Services，EPC信息服务器)的URI(Uniform Resource Identifier，网络通用资源标识符)。类似于DNS将域名地址转换成IP地址，ONS首先把一个EPC码映射到一个或者多个NAPTR(Naming Authority Pointer，统一资源标识URI的一种定义格式)，然后这些NAPTR在本地DNS中转换成对应的一个或者多个URI，最后通过这些URI就可以查询分析到在EPCIS(或Web)服务器上关于此产品的详细信息，图1是一个典型的ONS查询过程演示。
然而，这种ONS分析系统，在物品的地址空间迅速增长的物理实体连接网络中，进行信息对象的详细信息定位查找、命名分析时，会出现根ONS瓶颈问题，甚至导致查询时延过大，查询效率过低以及单点失效等问题。
为了解决以上提到的ONS分析系统存在的问题，部分研究开始采用基于DHT(Distributed Hash Table，分布式哈希表)的P2P(Peer-to-Peer，点对点)技术。但是，平面结构的DHT分析结构并未能考虑到网络中节点的异构性，随着网络规模不断扩大，弱节点将严重地制约P2P网络的性能，导致网络整体性能急剧下降。于是，针对平面DHT分析结构存在的问题，研究人员提出了立体化DHT网络方案，如：HIERAS、Structured Superpeers、Canon原则等。但这些方案依然存在不足之处，如HIERAS和Structured Superpeers的立体化设计中没有考虑网络拓扑结构，因此存在路由复杂、查询效率过低等问题；Canon原则虽然可以反映拓扑结构，但是只适用于特定的网络拓扑(对数型网络)。
此外，当前物理实体连接网络命名问题存在众多标识方案，且同类标识方案也存在不同的编码技术，同时，物理实体连接网络是否采用立体化的命名空间仍未确定，目前也还没有统一的可兼容的物理实体连接网络命名分析系统，能够满足对多种标识同时进行正确的查询分析和路由转发，并能够兼容立体化和非立体化的命名空间。
综上所述，命名分析方法是物理实体连接网络中的关键技术问题之一，该发明不仅能够解决以上ONS及单/多层分析系统存在的问题，而且可以为立体化和非立体化命名空间提供统一的分析架构，提出并建立一套统一的可行且可兼容的物理实体连接网络分析系统尤为重要。
发明内容
本发明分析了目前EPC-ONS存在瓶颈问题，甚至会导致查询时延大，查询效率低以及单点失效等问题，单/多层DHT-ONS命名分析系统即使反映拓扑结构，也未能与实际物理拓扑结合，导致分析数据回传效率降低。为了解决这些问题，一个合理的出发点是：建立一套统一的可行且兼容性强的物理实体连接网络分析系统方案，本发明提出一种分析方法。
这种方法可以解决现有物理实体连接网络分析系统所存在的问题，有效提高分析数据的回传效率，并为立体化命名空间和非立体化命名空间分析提供统一的分析架构。
分析系统包含两大步骤来处理以ID标识的信息对象的查询分析。在第一步，即分析阶段中，ID标识被分析成一个位置列表，这一列表指向所需要查找的数据对象的副本。在第二步，即数据转发阶段，根据配置参数(如网络状况等)从位置列表中选择出最佳位置信息，从而实现数据对象以最佳路径从源端发送到请求端。
如图2所示，是分析架构组织形式：
(1)DHT域按照嵌入式、立体化的结构组织建立一个DHT树结构，用来反映底层网络拓扑结构，
适应网络和拓扑需求，可以有效解决查询分析过程中的路由低效问题。
(2)具有相同属性的多个互联的DHT域构成一个AD(Autonomous Domain，自治区域)，例如具有相同的信息提供商的DHT域可以实现聚合，形成一个大型的AD。
(3)每个DHT域代表不同拓扑层级的网络，例如，AS(Autonomous System，自治系统)层级、POP(Point ofPresence，入网点)层级和AN(Access Nodes，接入点)层级。
(4)AN位于该系统最底层，用户/主机节点通过AN与分析系统建立联系。从用户角度米看，AN层级就类似于互联网中的本地DNS服务器。
(5)每个DHT域的内部节点要按照P2P的模式组织，可以使用自己独立的DHT机制，例如使用Pastry或Chord算法进行数据对象的查询。
该系统可以从ONS的边缘节点开始组织，逐渐增长，形成更大规模，甚至全球性的分析系统，这样在实际部署中会更加容易。例如：该系统可以首先部署在一个小型的网络中，然后与大型的系统建立联系，最终形成一个单一的、更大规模的分析系统。
通常情况下，分析系统中的每个节点不仅参与自己的DHT域的内部操作，也会参与部分或所有的高层DHT域的操作，即该系统高层级的DHT域是通过汇聚底层较小的DHT域节点，来建立一个单一的、更大规模的DHT域，因此，此处定义这个新型的分析系统为“物理拓扑化嵌入式的层级化分析系统”分析系统。系统中每个节点可以自由选择加入DHT域的范围。
在分析系统中进行物品信息注册与查询分析时，会涉及到两大主要原语-put和get原语。首先，通过put(ID，metadata)可以将新的信息对象的Hash值ID注册入网，如图2所示，然后，当有客户节点发送查询请求时，就通过get(ID)在系统中进行查询分析，最终获得信息对象的详细信息。
按照所采用的命名空间的不同，本发明的具体注册和查询分析模式主要有以下两种模式：
第一，若未来物理实体连接网络中采用平面化的名字空间，则该系统采用自底向上的查询分析方式。这种情况下，GNR系统将作为一个行政管理实体，而不是用来执行具体的分析本身。该系统建立在全球层级上，只用来管理信息对象的注册、更新和绑定聚合任务。这些绑定信息会自适应地缓存在对应的DHT域内，通过域间路由协议可以实现域间查询请求，整个过程在底层AD域内/域间执行，不转发到GNR系统。
第二，若未来物理实体连接网络中采用立体化的名字空间，例如EPC编码中包含对象信息的地址字段，则将GNR层与底层的DHT域相结合，可以进一步改进立体化命名分析过程。此时，我们采用类似于两层P2P-ONS中的自顶向下查询分析方式，GNR只存储从信息对象关键字到物理实体连接网络中按地域划分的每个门户提供商的映射重定向信息，而不是关键字到存储信息对象地址的信息。所以，GNR可以将信息对象ID重定向到特定域名字段所管辖AD DHT域内。
以平面式命名空间条件下的自底向上的查询分析模式为例，如下图2所示，注册过程如下：
(1)在分析系统中注册用户设备的标识ID TK；
(2)在用户AN处，TK映射为存储对象信息的本地地址K(例如，EPCIS的地址)，这个映射信息对于用户接入点可以是私有的；然后，信息对象就可以在用户AN处注册，使得连接到同一AN的本地用户都可以访问所注册的信息；
(3)注册过程中会同时创建一个新的DR，用来存储对象X的标识ID映射到用户设备标识ID TK的间接绑定信息。DR中可以注册两种类型的绑定信息：本地直接绑定信息(将对象/节点的标识ID映射到具体的网络位置)和间接绑定信息(将对象/节点的标识ID映射到其他的节点ID)。
(4)将新信息对象的注册请求广播到树结构中，沿着AN到根节点AS的传播路径向上层级传播对象X的DR存储信息。这样，在所有层级的DHT域中，除最高层级GNR(Global NameResolution，全球命名分析)之外，hash(对象ID)的值均作为DHT域内存储及查询分析信息对象的关键字。
如图3所示，具体查询分析过程如下：
(1)用户(如主机T0)发出信息对象X的查询请求，该请求首先在离该用户最近的接入点ANA处进行查询分析处理。
(2)若查询分析到需要查找的信息对象则停止查询分析过程，返回响应信息(例如EPCIS的IP地址)；
(3)若在ANA处没有获得信息对象标识ID的对象信息而分析失败时(例如还没有将数据对象的副本在该DHT分析域内注册时)，就将该请求逐层向上广播到更高的DHT域中，直到在最高层级的DHT域中查询分析到信息对象，则停止查询分析过程，返回响应信息(例如EPCIS的IP地址)；
(4)若直到最高层级的DHT域中也未能分析到所查询的信息对象时，则停止查询分析过程。返回失败响应信息(例如Not Find！)。
具体查询分析流程图如图4所示。该注册和查询分析过程保证了物理实体连接网络请求可以实时处理，并且提高了物理实体连接网络分析得到数据的回传效率，满足了物理实体连接网络对命名分析系统的性能需求。
附图说明
图1一个典型的ONS查询过程
图2系统架构及对象X注册示意图
图3信息对象X的查询和分析示意图
图4信息对象X的查询分析流程图
实施方式
本发明的具体查询分析流程是采用自底向上的方式，具体流程如图4所示：
A.主机T0发出get(X)请求，以Hash(对象X的ID)＝K1作为关键字进行查询分析；
B.主机T0与最近的接入点ANA连接，以关键字K1开始在接入点ANA所在DHT域内进行查询分析；
C.查询判断ANA所在DHT域内是否存储有K1的相关信息，即DR(记录字典项)，如果有，则转到H；如果没有，就转到G；
D.查询判断该层级DHT域内是否存储有K1的相关信息，即DR(记录字典项)，如果有，则转到H；如果没有，则转到E；
E.判断该层是否到达最高层级，即顶层AS级别的DHT域。若果是最高层级，则转到F；若果不是最高层级则转到G；
F.若是最高层级，则返同失败信息“Not Find！”；
G.将关键字K1广播到上一层级DHT域，继续查询分析过程D；
H.停止查询分析过程，返回相应响应信息，即K1在记录字典项中的映射信息；
该基于物理拓扑的DHT物理实体连接网络分析机制的查询分析流程有效提高了分析数据的回传效率，并采用不同分析方式，可以为立体化命名空间和非立体化命名空间分析提供统一的分析架构。

Claims (5)

1.一种关于物理实体连接网络的命名分析方法，其特征在于：
A.按照嵌入式、立体化的方式组织建立一个立体化与平面化相结合的物理实体连接网络分析架构，同时根据要结合节点间实际物理距离，保证临近节点分布在同一个小型分布式哈希表(DHT)域内；
B.将物理实体连接网络分析架构划分为四个拓扑层级，分别是接入点(AN)层级、入网点(POP)层级、自治系统(AS)层级和全球命名分析(GNR)层级；
C.每个层级中节点，根据拓扑需求又聚合成很多小型的DHT域，在AN层级，多个实际物理距离临近的接入点ANo、ANA、ANB等，可以实现聚合，形成一个小型的AN层级的DHT1域，该DHT1域可由上层的一个服务器节点来管理，超级节点如POPA，类似的ANz、ANQ、ANw等邻近节点也可以聚合成一个AN层级的小型DHT2域；同样，在其他层级上，也可以根据实际的物理拓扑结构实现类似的聚合，POPA、POPB和POPc形成一个POP层级的DHT3域；
D.每个DHT域的内部节点按照P2P的模式组织，域内可使用自己独立的DHT机制，如使用Pastry或Chord算法。
2.如权利要求1所述的方法，上述架构针对不同的命名空间采用不同的分析方式进行分析，对于立体化的命名空间，采用自顶向下查询分析方式；对于采用平面化的命名空间，则该系统采用自底向上的查询分析方式。
3.如权利要求2所述的方法，物理实体连接网络中查询分析的方法，其特征在于通过两个步骤来处理以信息对象的查询分析，第一步，分析阶段中，将标识分析为一个位置列表，这一列表指向存储服务器的位置信息，这些服务器中存储有所需要查找数据对象的相关信息，第二步，数据转发阶段，根据配置参数从位置列表中选择出最佳位置信息，从而实现数据对象以最佳路径从源端发送到请求端。
4.如权利要求2或3所述的方法，对于平面式的命名空间，自底向上的注册步骤如下：
(1)在分析系统中注册用户设备的标识TK；
(2)在用户AN处，TK映射为存储对象信息的本地地址K，然后信息对象就可以在用户AN处注册，使得连接到同一AN的本地用户都可以访问所注册的信息；
(3)注册过程中会同时创建一个新的记录字典DR，用来存储对象X的标识映射到用户设备标识TK的绑定信息；
(4)将新信息对象的注册请求广播到树结构中，沿着AN到根节点AS的传播路径向上层级传播对象X的DR存储信息，这样，在所有层级的DHT域中，除最高层级之外，对象标识的Hash值均作为DHT域内存储及查询分析信息对象的关键字。
5.如权利要求2或3所述的方法，对于平面式的命名空间，自底向上的查询分析步骤如下：
(1)用户发出信息对象X的查询请求，该请求首先在离该用户最近的接入点ANA处进行查询分析处理；
(2)若查询分析到需要查找的信息对象则停止查询分析过程，返回响应信息；
(3)若在ANA处没有获得信息对象标识的对象信息而分析失败时，就将该请求逐层向上广播到更高的DHT域中，直到在最高层级的DHT域中查询分析到信息对象，则停止查询分析过程，返回响应信息；
(4)若直到最高层级的DHT域中也未能分析到所查询的信息对象时，则停止查询分析过程，返回失败响应信息。
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