CN103200640A - 一种包结构、兴趣包转发、源切换和源代理选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包结构、兴趣包转发、源切换和源代理选择方法，该包结构，用于内容中心网络，该网络被划分成若干个移动管理区域，每个区域至少有一个内容源代理，每个区域为其中的内容源代理或路由器命名，内容源代理接收到兴趣包时，根据移动内容源的位置信息，在兴趣包中加入对应的位置标识，设置代理处理标签，以使该兴趣包根据位置标识被转发到移动内容源，该内容中心网络的兴趣包扩展一个位置标识和代理处理标签，数据包中扩展一个位置标识，位置标识用来表示内容的位置，代理处理标签表示该兴趣包中的位置标识由内容源代理设置。

Description

一种包结构、兴趣包转发、源切换和源代理选择方法

技术领域

本发明涉及互联网技术领域，尤其涉及一种包结构、兴趣包转发、源切换和源代理选择方法。

背景技术

近年来，基于TCP/IP体系结构建立的互联网获得了巨大成功。尽管如此，随着互联网应用和业务的发展，人们使用互联网的方式逐渐转变为对内容的生产，访问和分享。当前已有许多互联网服务已经开始为向用户提供各种内容，并且允许用户分享其内容，例如YouTube，FaceBook和Twitter。TCP/IP体系结构具有先天缺陷，在可扩展性、移动性以及安全可控性等方面存在诸多问题，严重阻碍互联网的发展。因而研究者提出了以信息为中心的网络体系结构(ICN,Information-Centric Networking)。以内容为中心的网络—即内容中心网络(CCN,Content-Centric Networking)是ICN的一个实例，也被称为命名数据网络(NDN,Named Data Networking)。

内容中心网络不再以传统网络中的主机为中心，而是以内容为中心。内容中心网络对所有数据或内容进行命名，数据包采用数据名称寻路。内容中心网络采用分级方式命名内容，使用“/”表示名称的不同组成部分。例如一个北京交通大学网络课程中的教学名称可以为/bjtu/course。内容中心网络中节点可以缓存内容，可以响应内容请求，将缓存的内容返回给用户。内容中心网络有两种基本的数据包类型，兴趣包(Interest Packet)和数据包(Data Packet)，用户发送兴趣包请求内容，其他任意节点收到该兴趣包且有对应的内容则返回数据包。一个兴趣包请求一个数据包。

内容中心网络中的节点主要有三个数据结构，转发信息表(FIB,Forwarding Information Base)，内容缓存(CS,Content Store)，等待兴趣表(PIT,Pending Interest Table)，FIB用于转发兴趣包，每个FIB条目可以有多个转发接口(Face,interface)。CS用于存储网络中传输的数据，通过有效的缓存管理策略，可以减少网络中相同数据的传输。PIT用来保存兴趣包的请求接口(Requesting Face)，数据包根据PIT条目转发。PIT条目被用来转发数据包时，该条目将会被立即删除。当一个兴趣包到达CCN节点时，节点首先检查CS内是否有兴趣包请求的内容。若有则返回数据包；否则根据FIB转发兴趣包，同时在PIT中新建条目存储兴趣包请求的数据名称及请求接口。数据包到达节点时，根据PIT条目向请求接口转发，删除对应PIT条目，同时在CS中缓存数据包内容。

随着无线网络技术的发展，移动设备越来越普及，越来越多的用户使用移动设备访问、分享各种信息。这些移动用户既是移动内容消费者(Consumer)，又是移动内容源(MCS,Mobile ContentSource)。在内容中心网络中，内容消费者移动时可以重传兴趣包来获得请求内容；而内容源移动时，要保证其内容可达性却面临许多问题。内容中心网络并未给出内容源移动支持的具体方法。

在中转兴趣包(Indirection)的方法中，内容源移动时需要将其永久内容名称修改为临时内容名称。中转服务器(Indirection Server)管理移动内容源的永久内容名称与临时内容名称之间的对应关系。移动内容源切换接入位置时，将临时内容名称发送给中转服务器。用户使用永久内容名称请求内容。中转服务器将中转所有发往移动内容源的兴趣包和移动内容源返回的数据包。中转服务器接收所有的兴趣包，并将其中的永久内容名称替换为临时内容名称，修改后的兴趣包将被发往移动内容源的新接入点。移动内容源返回的所有数据包经过中转服务器再转发到用户。当移动内容源在移动时，中转服务器可以缓存兴趣包，直到接收到新的临时内容名称时再发送修改后的兴趣包。中转兴趣包的方法具有较低的丢包率，较大的切换时延。因为内容源移动时，需要修改内容名称，具有较大切换时延和信令开销，且存在单点故障问题。随着移动内容源增多，中转服务器的负担逐渐加重，存在可扩展性问题。

在内容与位置分离方法中，兴趣包中额外接加入了一个位置名称，用来表示移动内容源的位置。兴趣包中包含位置名称时，路由器按照位置名称转发兴趣包；兴趣包中没有位置名称时，路由器按照内容名称转发兴趣包。在内容中心网络中，位置名称与内容名称形式相同，因而不用额外增加内容中心网络的寻路机制。每个内容源拥有内容名称和位置名称，内容源移动时，不改变内容名称而只改变位置名称。当内容源移动到新的接入点时，新的位置信息需要发送到家乡信息库(Home Repository)。家乡信息库存储和维护内容源的内容名称与位置名称的映射关系。用户请求内容时，可以直接发送兴趣包到家乡信息库，家乡信息库将内容源的位置名称加入到兴趣包中，并将新的兴趣包转发到内容源的新接入点；用户也可以首先向家乡信息库询问内容源的位置名称，再发送包含位置名称的兴趣包。内容与位置分离方法不需要修改内容名称，但是具有较大丢包率，可扩展性差。同时使用内容名称和位置名称转发兴趣包时，可能形成路由环路。切换时延受家乡域信息库与内容源的距离影响，造成较大丢包率。而内容源移动时，用户仍需重传兴趣包才能收到丢失的数据包。家乡域信息库存在单点故障问题，且当移动内容源增多时，家乡域信息库存在可扩展性问题。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足,本发明提供一种包结构、兴趣包转发、源切换和源代理选择方法。

本发明实施例公开了一种包结构，用于内容中心网络，该内容中心网络被划分成若干个移动管理区域，每个移动管理区域至少有一个内容源代理，每个移动管理区域为其中的内容源代理或路由器命名，命名采用内容中心网络中的内容名称形式，内容源代理或路由器的名称作为内容源的位置信息，内容源代理接收到兴趣包时，根据移动内容源的位置信息，在兴趣包中加入对应的位置标识，设置代理处理标签，以使该兴趣包根据位置标识被转发到移动内容源，该内容中心网络的兴趣包中扩展一个位置标识和代理处理标签，数据包中扩展一个位置标识，位置标识用来表示内容的位置，代理处理标签表示该兴趣包中的位置标识由内容源代理设置。

进一步，作为优选，所述位置标识是网络中接入路由器或内容源代理的名称。

进一步，作为优选，所述位置标识是到达内容源的路径信息。

本发明还公开了一种兴趣包转发方法，包括以下步骤：

4.1、路由器接收到兴趣包时，首先检查内容缓存中是否已经缓存了对应的内容；

4.2、若路由器缓存了对应内容，则直接返回数据包；

4.3、若路由器没有缓存该兴趣包请求的内容，则继续查询PIT中是否已经存在对应内容名称的PIT条目；

4.4、若路由器的PIT中不存在兴趣包请求内容名称的PIT条目，则路由器新建对应该内容名称的PIT条目；

4.5、路由器检查兴趣包中是否包含位置标识；

4.6、若兴趣包中没有包含位置标识，则路由器根据内容名称转发兴趣包；

4.7、若兴趣包中包含位置标识，则路由器根据位置标识转发兴趣包；

4.8、若路由器PIT中存在该兴趣包请求内容名称的PIT条目，则路由器根据代理处理标签检查该兴趣包是否来自内容源代理；

4.9、若该兴趣包不是来自内容源代理，则可确认路由器收到请求内容名称相同的兴趣包；

4.10、若该兴趣包来自内容源代理，则路由器根据兴趣包中的位置标识，查询FIB得到该兴趣包即将转出的接口；

4.11、检查兴趣包即将转出的接口是否已经保存在PIT条目的请求接口中；

4.12、若兴趣包即将转出的接口不在PIT条目的请求接口中，则重构该PIT条目，修改PIT条目的请求接口和转出接口，防止路由环路；

4.13、路由器根据位置标识转发兴趣包；

4.14、若兴趣包即将转出的接口已经保存在PIT条目的请求接口中，则可确认存在路由环路，删除对应的PIT条目，丢弃该兴趣包。

本发明还公开了一种移动内容源域内切换方法，包括以下步骤：

5.1、MCS向AR₁发送消息，告知其即将离开；

5.2、MCS向AR₂发送消息，附着在AR₂；

5.3、AR₂分别向AR₁和域内VSA₁发送消息，更新MCS的位置标识；

5.4、AR₁向AR₂返回确认消息，完成MCS的位置标识更新；

5.5、VSA₁返回确认消息，完成MCS的位置标识更新。

本发明还公开了一种移动内容源域间切换方法，包括以下步骤：

6.1、MCS向AR₂发送消息，告知其即将离开；

6.2、MCS向AR₃发送消息，附着到到AR₃；

6.3、AR₃向AR₂发送消息，更新MCS的位置标识，AR₃向VSA₂发送消息，注册MCS的位置标识；

6.4、AR₂返回消息，确认MCS的位置标识更新完成；

6.5、VSA₂检查到MCS刚移动到该区域，向MCS的家乡域内容源代理HSA发送消息，更新MCS的位置标识；

6.6、HSA返回消息确认MCS的位置标识更新完成；

6.7、VSA₂向AR₃返回消息确认MCS的位置标识更新完成。

本发明还公开了一种内容源代理选择方法，包括以下步骤：在一个管理区域中，有多个内容源代理(1,2,i,…,n)，当移动内容源接入到接入路由器(AR)时，总代价C^Total由位置更新代价C^LU和包投递代价C^PD组成，即

其中是代价参数，其值随内容源代理的状态变化而变化；

假设单位距离传输代价为τ，内容源代理(i)与接入路由器(j)之间的距离为d_i,j，则内容源代理与接入路由器之间的包投递代价可以表示为：C_i,j=τ×d_i,j，MCS附着在接入路由器(j)时的位置更新代价为： $C_j^{\mathrm{Handoff}}=2C_{i,j};$

假设在T时间内，MCS在域内切换了m次，则累积位置更新代价为： $C_i^{\mathrm{LU}}=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j^{\mathrm{Handoff}},$ j∈[0,m]；

假设MCS的新建会话到达概率为λ，MCS附着在接入路由器(j)的驻留时间为Δt_j，则累积包投递代价为：

Δt₀+Δt₁+L+Δt_m=T；

利用以上公式，根据MCS的移动轨迹，遍历域内可用的内容源代理，即可找到最小总代价

i∈[1,n]。

本发明为解决内容中心网络中内容源移动时，移动内容不可达，移动切换时延长，丢包率大等问题，提出将网络划分为移动管理区域进行移动性管理。每个移动区域配置内容源代理管理移动内容源的位置标识。将位置标识作为可选项扩展到兴趣包和数据包，解耦内容中心网络的内容名称既标识内容名称，又用于寻路转发的双重属性。为了支持可扩展性，降低切换开销，内容源代理可以根据内容源移动轨迹选择代价最小的。本发明具有较小的切换时延，较小的丢包率，和较小的切换开销。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明扩展后的兴趣包和数据包结构示意图。

图2为兴趣包转发过程示意图。

图3为域内切换过程示意图。

图4为域间切换过程示意图。

具体实施方式

参照图1-4对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，在内容中心网络的兴趣包中扩展一个位置标识和代理处理标签，数据包中扩展一个位置标识。内容名称用来标识内容，位置标识用来表示内容的位置，代理处理标签表示该兴趣包中的位置标识由内容源代理设置。位置标识可以是网络中接入路由器或内容源代理的名称，也可以是到达内容源的路径信息。当兴趣包中没有位置标识时，路由器转发兴趣包的方式与内容中心网络的原始设计相同，使用内容名称寻找兴趣包的转发接口；当兴趣包中有位置标识时，内容名称只标识内容，路由器使用位置标识寻找兴趣包的转发接口。数据包中的位置标识用来告知用户移动内容源的位置信息，以便用户拥有移动内容源的位置信息，并将该信息加入到兴趣包中请求后续内容。

位置标识可以用于转发兴趣包，因此路由器转发兴趣包的过程与内容中心网络的兴趣包转发设计不完全相同。由于兴趣包可以根据内容名称和位置标识进行寻路转发，因此可能存在路由环路。本发明设计路由器转发兴趣包的过程，如图2所示，该过程通过检查PIT表可以防止路由环路。兴趣包转发过程详细介绍如下：

S4.1、路由器接收到兴趣包时，首先检查内容缓存中是否已经缓存了对应的内容；

S4.2、若路由器缓存了对应内容，则直接返回数据包；

S4.3、若路由器没有缓存该兴趣包请求的内容，则继续查询PIT中是否已经存在对应内容名称的PIT条目；

S4.4、若路由器的PIT中不存在兴趣包请求内容名称的PIT条目，则路由器新建对应该内容名称的PIT条目；

S4.5、路由器检查兴趣包中是否包含位置标识；

S4.6、若兴趣包中没有包含位置标识，则路由器根据内容名称转发兴趣包；

S4.7、若兴趣包中包含位置标识，则路由器根据位置标识转发兴趣包；

S4.8、若路由器PIT中存在该兴趣包请求内容名称的PIT条目，则路由器根据代理处理标签检查该兴趣包是否来自内容源代理；

S4.9、若该兴趣包不是来自内容源代理，则可确认路由器收到请求内容名称相同的兴趣包；

S4.10、若该兴趣包来自内容源代理，则路由器根据兴趣包中的位置标识，查询FIB得到该兴趣包即将转出的接口；

S4.11、检查兴趣包即将转出的接口是否已经保存在PIT条目的请求接口中；

S4.12、若兴趣包即将转出的接口不在PIT条目的请求接口中，则重构该PIT条目，修改PIT条目的请求接口和转出接口，防止路由环路；

S4.13、路由器根据位置标识转发兴趣包；

S4.14、若兴趣包即将转出的接口已经保存在PIT条目的请求接口中，则可确认存在路由环路，删除对应的PIT条目，丢弃该兴趣包。

移动内容源(MCS)在区域内移动时，切换过程如图3所示。进行域内切换时，只需更新域内的内容源代理中移动内容源的位置标识，详细介绍如下：

S5.1、MCS向AR₁（区域内）发送消息，告知其即将离开；

S5.2、MCS向AR₂（区域内）发送消息，附着在AR₂；

S5.3a和S5.3b、AR₂分别向AR₁和域内VSA₁发送消息，更新MCS的位置标识iblab；

S5.4、AR₁向AR₂返回确认消息，完成MCS的位置标识更新；

S5.5、VSA₁返回确认消息，完成MCS的位置标识更新。至此，MCS完成域内移动切换。

移动内容源在进行区域间移动切换时，需要更新所在域内的内容源代理(VSA)和家乡域的内容源代理(HSA)，域间切换过程如图4所示，详细介绍如下：

S6.1、MCS向AR₂（区域内）发送消息，告知其即将离开；

S6.2、MCS向AR₃（区域间）发送消息，附着到到AR₃；

S6.3a、AR₃向AR₂发送消息，更新MCS的位置标识idlab;

S6.3b、AR₃向VSA₂发送消息，注册MCS的位置标识idlab；

S6.4、AR₂返回消息，确认MCS的位置标识更新完成；

S6.5、VSA₂检查到MCS刚移动到该区域，向MCS的家乡域内容源代理HSA发送消息，更新MCS的位置标识ielab；

S6.6、HSA返回消息确认MCS的位置标识更新完成；

S6.7、VSA₂向AR₃返回消息确认MCS的位置标识更新完成。至此，MCS完成域间移动切换。

在一个管理区域中，可能会有多个内容源代理(1,2,i,…,n)，当移动内容源接入到接入路由器(AR)时，消息传输产生的代价不同。总代价C^Total由位置更新(location update)代价C^LU和包投递(packetdelivery)代价C^PD组成，即

其中

是代价参数，其值随内容源代理的状态变化而变化。例如，当内容源代理(i)不能提供服务时，

值较大，可以为∞；当内容源代理负载较小时，

值较小。

假设单位距离传输代价为τ，内容源代理(i)与接入路由器(j)之间的距离为d_i,j，则内容源代理与接入路由器之间的包投递代价可以表示为：

C_i,j=τ×d_i,j…(2)

MCS附着在接入路由器(j)时的位置更新代价为：

$C_j^{\mathrm{Handoff}}=2C_{i,j}\·\·\·\left(3\right)$

假设在T时间内，MCS在域内切换了m次，则累积位置更新代价为：

$C_j^{\mathrm{LU}}=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j^{\mathrm{Handoff}},j\∈[0,m]\·\·\·\left(4\right)$

假设MCS的新建会话到达概率为λ，MCS附着在接入路由器(j)的驻留时间为Δt_j，则累积包投递代价为：

$C_i^{\mathrm{PD}}=\underset{\mathrm{\Δ}{t}_j}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}2{\mathrm{\λC}}_{i,j}\×{\mathrm{\Δt}}_j,{\mathrm{\Δt}}_0+{\mathrm{\Δt}}_1+L+{\mathrm{\Δt}}_m=T\·\·\·\left(5\right)$

因此，利用以上公式，根据MCS的移动轨迹，遍历域内可用的内容源代理，即可找到最小总代价

i∈[1,n]。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种包结构，用于内容中心网络，该内容中心网络被划分成若干个移动管理区域，每个移动管理区域至少有一个内容源代理，每个移动管理区域为其中的内容源代理或路由器命名，命名采用内容中心网络中的内容名称形式，内容源代理或路由器的名称作为内容源的位置信息，内容源代理接收到兴趣包时，根据移动内容源的位置信息，在兴趣包中加入对应的位置标识，设置代理处理标签，以使该兴趣包根据位置标识被转发到移动内容源，其特征在于，该内容中心网络的兴趣包扩展一个位置标识和代理处理标签，数据包中扩展一个位置标识，位置标识用来表示内容的位置，代理处理标签表示该兴趣包中的位置标识由内容源代理设置。

2.根据权利要求1所述包结构，其特征在于，所述位置标识是网络中路由器或内容源代理的名称。

3.根据权利要求1所述包结构，其特征在于，所述位置标识是到达内容源的路径信息。

4.一种兴趣包转发方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.1、路由器接收到兴趣包时，首先检查内容缓存中是否已经缓存了对应的内容；

4.2、若路由器缓存了对应内容，则直接返回数据包；

4.3、若路由器没有缓存该兴趣包请求的内容，则继续查询PIT中是否已经存在对应内容名称的PIT条目；

4.4、若路由器的PIT中不存在兴趣包请求内容名称的PIT条目，则路由器新建对应该内容名称的PIT条目；

4.5、路由器检查兴趣包中是否包含位置标识；

4.6、若兴趣包中没有包含位置标识，则路由器根据内容名称转发兴趣包；

4.7、若兴趣包中包含位置标识，则路由器根据位置标识转发兴趣包；

4.8、若路由器PIT中存在该兴趣包请求内容名称的PIT条目，则路由器根据代理处理标签检查该兴趣包是否来自内容源代理；

4.9、若该兴趣包不是来自内容源代理，则可确认路由器收到请求内容名称相同的兴趣包；

4.10、若该兴趣包来自内容源代理，则路由器根据兴趣包中的位置标识，查询FIB得到该兴趣包即将转出的接口；

4.11、检查兴趣包即将转出的接口是否已经保存在PIT条目的请求接口中；

4.12、若兴趣包即将转出的接口不在PIT条目的请求接口中，则重构该PIT条目，修改PIT条目的请求接口和转出接口，防止路由环路；

4.13、路由器根据位置标识转发兴趣包；

4.14、若兴趣包即将转出的接口已经保存在PIT条目的请求接口中，则可确认存在路由环路，删除对应的PIT条目，丢弃该兴趣包。

5.一种移动内容源域内切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.1、MCS向AR₁发送消息，告知其即将离开；

5.2、MCS向AR₂发送消息，附着在AR₂；

5.3、AR₂分别向AR₁和域内VSA₁发送消息，更新MCS的位置标识；

5.4、AR₁向AR₂返回确认消息，完成MCS的位置标识更新；

5.5、VSA₁返回确认消息，完成MCS的位置标识更新。

6.一种移动内容源域间切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.1、MCS向AR₂发送消息，告知其即将离开；

6.2、MCS向AR₃发送消息，附着到到AR₃；

6.3、AR₃向AR₂发送消息，更新MCS的位置标识，AR₃向VSA₂发送消息，注册MCS的位置标识；

6.4、AR₂返回消息，确认MCS的位置标识更新完成；

6.5、VSA₂检查到MCS刚移动到该区域，向MCS的家乡域内容源代理HSA发送消息，更新MCS的位置标识；

6.6、HSA返回消息确认MCS的位置标识更新完成；

6.7、VSA₂向AR₃返回消息确认MCS的位置标识更新完成。

7.一种内容源代理选择方法，其特征在于，包括以下步骤：

在一个管理区域中，有多个内容源代理(1,2,i,…,n)，当移动内容源接入到接入路由器(AR)时，总代价C^Total由位置更新代价C^LU和包投递代价C^PD组成，即

其中

是代价参数，其值随内容源代理的状态变化而变化；

假设单位距离传输代价为τ，内容源代理(i)与接入路由器(j)之间的距离为d_i,j，则内容源代理与接入路由器之间的包投递代价可以表示为：C_i,j=τ×d_i,j，MCS附着在接入路由器(j)时的位置更新代价为： $C_j^{\mathrm{Handoff}}=2C_{i,j};$

假设在T时间内，MCS在域内切换了m次，则累积位置更新代价为： $C_i^{\mathrm{LU}}=\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{C}_j^{\mathrm{Handoff}},$ j∈[0,m]；

假设MCS的新建会话到达概率为λ，MCS附着在接入路由器(j)的驻留时间为Δt_j，则累积包投递代价为：

Δt₀+Δt₁+L+Δt_m=T；

利用以上公式，根据MCS的移动轨迹，遍历域内可用的内容源代理，即可找到最小总代价

i∈[1,n]。

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