CN103957147A - 基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法 - Google Patents

Abstract

一种基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法，四个步骤是：弱网元生成并发出寻求强网元服务的第一个兴趣包；强网元接收解析第一个兴趣包后，生成第二个兴趣包并发送之；若强网元本地模块能够处理，则将处理结果以第一个数据包形式返回给待定兴趣表；若由外网网元处理，则在处理第二个兴趣包后，将应答它的第一个数据包返回给强网元；强网元给弱网元返回应答第一个兴趣包的第二个数据包。该方法解决了弱网元的能力薄弱、能量受限及通信链路不稳定缺陷，能够有效支持异质网元之间相互连接，以供弱网元在自身无法完成网络任务时发起通信，请求强网元的存储和/或计算功能，将信息的提供与获取功能映射到强网元，即将任务迁移到强网元。

Description

基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法

技术领域

本发明涉及一种互联网的新技术，确切地说，涉及一种基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法，属于物联网、下一代网络或以信息为中心网络的技术领域。

背景技术

基于IP的互联网依靠成熟的技术和完善的基础实施，已经成为物联网初期发展的首选网络互连方案。然而，由于物联网网元具有很强的异质性、应用服务具有较高的不确定性，基于IP的物联网解决方案通常采用以下两种方式实现：

其一，将物联网的边缘网络划分为多个独立的自治区域，自治域内采用无线传感器网络等技术进行组网，并通过应用网关间接地与物联网核心网络进行信息交换。使用这种方式无法直接访问到自治域内的物体，并不是真正的互联互通，对网络拓扑动态性等特点也不具有适应性。

其二，利用IP扩展技术或轻量级IP技术，实现对网元能力弱、移动性强等特点的支持。这种方式在可扩展性等实际方面具有局限性。

在以信息为中心的物联网中，用户只关心信息是什么，而不关心信息来自于哪里。在命名与编址方式上，从原来的需求者和提供者双方的两个地址，改变为需求和提供的共同信息对象的名字。根据这个共同的名字，需求者发出“兴趣”，拥有者返回“数据”。且在以信息为中心的网络中，人或物等网络参与者不再分配固定的地址，信息需求者与提供者之间也不再维护路由。每一次通信都是一个由需求者以“兴趣”发起的独立过程。由于信息的可复制性，任何信息在网络中都可以存在多个副本，存储在不同的设备上，即每个需求者的“兴趣”可以被多个拥有者的“数据”以最优的方式所满足。信息的网内存储，使得网络不再只是为信息共享提供渠道和工具，而更是信息共享的平台和主体。因此，不同于传统的IP网络是以地址作为互连的核心，以信息为中心的物联网将信息与位置解耦，而以统一命名的信息本身作为互连的中心，符合物联网的应用模式。

以信息为中心的网络中，每个网元都必须具有三个基本部分：内容库CS(Content Store)、待定兴趣表PIT(Pending Interest Table)和转发信息库FIB(Forwarding Information Base)。每一次通信都是由需求网元以发送“兴趣”发起的。“兴趣”携带着所需求的信息名字。当某个网元收到“兴趣”时，就查询自己的内容库CS，检查是否有对应的信息。若没有所需要的信息，网元将该“兴趣”及其被接收到的接口记录在待定兴趣表PIT中。然后，根据所需信息的名字查询转发信息库FIB，并将该“兴趣”转发出去。当某个拥有该信息的网元接收到该“兴趣”时，就查询自己的CS，并将查询到的信息以“数据”从接受到“兴趣”的接口传回。该“数据”包括信息的名字和信息的内容。当转发了“兴趣”的网元接收到传回的“数据”时，就用“数据”所携带的名字查询自己的PIT，并从对应的接口继续回传。然后，该网元删除PIT中的相应条目，并可将“数据”所携带的内容存储在自己的内容库CS中。

当前，以信息为中心的网络体系结构研究大多集中在核心网络的架构设计和相关问题上，对于未来物联网中将存在的大量的边缘网络和弱网元关注得并不多。以信息为中心的网络互连，要求相关网元具有存储、检索、计算和转发的功能。因此，相关研究中的网元通常被假设为具有庞大的存储空间、强大的计算能力和相对稳定的通信性能。

然而，在未来的物联网中，将有大量的资源受限的网元分布于边缘网络。这些网元通常是与人们的日常生活或休闲活动息息相关。由于现实物体的外型尺寸、能耗等局限性，边缘网络中的很多网元都表现出其在包括存储、计算和通信功能等多种资源上的局限性。因此，可以根据网元自身能力与其功能角色之间的匹配关系，将物联网网元区分为强网元和弱网元。其中，强网元是指自身能力足以完成与其功能角色相对应的网络任务的物联网网元。弱网元是指自身能力弱于其功能角色要求、需要借助其它网元完成相应的网络任务的网元。物联网网元的典型能力包括其能量、存储、计算和通信等。这些资源受限的弱网元在性能上与强网元具有很大的差距，这就使得现有以内容为中心的基本模型的网络架构waix并不适合直接用于物联网的边缘网络中。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法，本发明是一种针对强弱网元共存环境的、以信息为中心的实现两种网元互连的方法。该方法与现有的以信息为中心的基本互连方法相比较，具有四个特点：包括信息存储在核心网络中、网络活动由资源受限的弱网元发起、资源受限的弱网元的网络参与依赖于强网元，以及弱网元的通信过程通过两个“兴趣-数据”对以嵌套的形式实现。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法，其特征在于：所述方法用于解决弱网元的计算和存储能力薄弱、能量受限及其通信链路不稳定的缺陷，有效支持异质网元之间相互连接，以供弱网元在其自身无法完成网络任务时发起通信，并请求强网元的存储和/或计算功能，从而将信息的提供与获取功能映射到强网元，即将任务迁移到强网元；该方法包括下列操作步骤：

(1)弱网元生成并发出寻求强网元服务的第一个兴趣包：所述第一个兴趣包是以强网元能够针对弱网元提供的、包括存储和/或计算的各种服务作为标识，并携带有上述服务内容标识的附加信息；

(2)强网元接收与解析第一个兴趣包后，重新生成第二个兴趣包并发送之：强网元接收到第一个兴趣包后，先将其传送给本地提供该兴趣服务的应用单元，该应用单元解析兴趣包，获得携带于附加信息中的服务内容标识后，生成另一个以需求服务内容为标识的第二个兴趣包，并记录于待定兴趣表(PendingInterest Table)中；然后，根据转发信息库将第二个兴趣包对内发送给本地的存储和/或计算模块执行相应处理，或对外发送给骨干网络或边缘网络；

(3)若强网元的本地功能模块能够执行相应处理，则其接收到第二个兴趣包后，将处理结果以第一个数据包的形式返回给待定兴趣表；

若由外部的骨干网或边缘网的、拥有或能够生成满足其兴趣服务的信息的网元执行相应处理，则该网元接收到第二个兴趣包并执行处理后，将应答第二个兴趣包的第一个数据包返回给强网元；

该步骤(3)的第一个数据包与步骤(2)中的第二个兴趣包的交互构成一组描述该兴趣的响应及请求的完整通信过程；

(4)强网元给弱网元返回应答第一个兴趣包的第二个数据包：强网元接收到第一个数据包后，其应用单元将其转换为应答弱网元第一个兴趣包的第二个数据包，并将其沿着原路返回给弱网元。

本发明方法的创新优点是：现有的以信息为中心的互连方法，都是面向具有强大存储和计算能力的强网元，这些互连方法并不适用于物联网中普遍存在的弱网元。本发明是首次针对弱网元的计算和存储能力薄弱、能量受限及其通信链路不稳定等缺陷，提出基于能力映射与任务迁移的互连方法，该互连方法可以有效地支持异质网元间的相互连接互连，以供弱网元在其自身无法完成网络任务时发起通信，并请求强网元的存储、计算或检索功能，从而将信息的提供与获取功能映射到强网元，即将任务迁移到强网元。因此本发明特别适用于强弱网元共存的物联网环境，具有很好的推广应用前景。

本发明方法与强网元与强网元之间的传统互连方法相比较，具有以下特点：

弱网元兴趣的满足依赖于强网元：当弱网元自身无法完成网络任务时，可以利用本发明方法发起通信，并请求强网元的计算和/或存储能力，将信息的提供与获取能力或任务映射与迁移到强网元。

互连过程由弱网元发起：在以信息为中心的互连方法中，互连过程通常都是由信息的需求者发起的。然而，在本发明方法中，互连过程均是由弱网元发起，无论弱网元是作为数据的生成者还是服务的使用者。

互连过程通过两个兴趣的表达与满足的过程、且以嵌套形式实现：步骤1中的第一个兴趣包与步骤4中的第二个数据包，步骤2中的第二个兴趣包与步骤3中的第一个数据包分别构成一个完整的兴趣表达与满足过程。由于该方法的嵌套形式，前者的兴趣包的生存时限要长于后者的兴趣包的生存时限。生存时限在兴趣包中标记，并在待定兴趣表中记录。

附图说明

图1是基于能力映射与任务迁移的弱网元与强网元互连过程图。

图2是本发明基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法操作步骤流程图。

图3是本发明弱网元作为信息的生产者和提供者时的互连过程示意图。

图4是本发明弱网元作为信息的需求者和消费者时的互连过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

众所周知，物联网边缘网络中的网络资源和能力相对受限，因此物联网网元要从本地的边缘网络获得信息的满足是相对困难的。通常的解决方法是向最近的强网元寻求帮助。强网元之间的互连模型中，网元对兴趣的表达是直接针对信息本身的。但是，本发明互连方法的第一步就不同于现有技术：由边缘网络的弱网元表达和生成寻求强网元提供服务的兴趣包并将其发送给网络。

参见图1和图2，具体介绍本发明基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法的具体操步骤：

步骤1，弱网元生成并发出寻求强网元服务的第一个兴趣包：所述第一个兴趣包是以强网元能够针对弱网元提供的、包括存储和/或计算的各种服务作为标识，并携带有上述服务内容标识的附加信息(该过程如图1中的①所示)。

步骤2，强网元接收与解析第一个兴趣包后，重新生成第二个兴趣包并发送之：强网元接收到第一个兴趣包后，先将其传送给本地提供该兴趣服务的应用单元，该应用单元解析兴趣包，获得携带于附加信息中的服务内容标识后，生成另一个以需求服务内容为标识的第二个兴趣包，并记录于待定兴趣表中；然后，根据转发信息库将第二个兴趣包对内发送给本地的存储和/或计算模块执行相应处理，或对外发送给骨干网络或边缘网络(该过程如图1中②所示)。

该步骤2中，强存储网元并不知道是哪个网元寻求存储服务，故第二个兴趣包的传送路径是通过第一个兴趣包中的发送对象偏好来实现的。

步骤3，若强网元的本地功能模块能够执行相应处理，则其接收到第二个兴趣包后，将处理结果以第一个数据包的形式返回给待定兴趣表；

若由外部的骨干网或边缘网的、拥有或能够生成满足其兴趣服务的信息的网元执行相应处理，则该网元接收到第二个兴趣包并执行处理后，将应答第二个兴趣包的第一个数据包返回给强网元。

该步骤3的第一个数据包与步骤2中的第二个兴趣包是一对完整的兴趣表达与满足的交互，并构成一组描述该兴趣的响应及请求的完整通信过程。其中，第一个数据包将沿着第二个兴趣包的来路返回(如图1中③所示)。

步骤4，强网元给弱网元返回应答第一个兴趣包的第二个数据包：强网元接收到第一个数据包后，其应用单元将其转换为应答弱网元第一个兴趣包的第二个数据包，并将其沿着原路返回给弱网元(该过程如图1中④所示)。

实际上，本发明方法具有两种不同的应用场合或场景，下面分别说明之：

第一种应用场景是在弱网元作为信息的生产者和提供者时，此时本发明方法的上述操作步骤的具体内容如下(参见图3所示)：

步骤1A，弱存储网元首先以寻求存储服务作为标识生成第一个兴趣包，并将欲存储的内容标识记录于第一个兴趣包的附加信息中。强存储网元接收到第一个兴趣包后，将该请求存储服务的需求发布于设定范围的网络中，以使该第一个兴趣包被最优可达的强网元所接收。

步骤2A，某个提供存储服务的强存储网元接收到步骤1A中的第一个兴趣包后，将其中的兴趣记录于自己的待定兴趣表中，并根据转发信息库将第一个兴趣包传送给本地的存储应用单元。存储应用单元解析第一个兴趣包，并提取出欲存储的信息标识后，生成另一个以寻求存储信息为标识的第二个兴趣包。然后，强存储网元沿着第一个兴趣包的传输线路将第二个兴趣包返回给弱存储网元。因该过程中，强存储网元并不知道是哪个网元寻求存储服务，所以，第二个兴趣包的传输路径是通过第一个兴趣包中的表达对象偏好来实现的。

步骤3A，当弱存储能力网元接收到强存储网元返回的第二个兴趣包后，将存储信息以第一个数据包的形式沿着原路径发送给强存储网元。

步骤4A，强存储网元接收到应答第二个兴趣包的第一个数据包后，先由其本地的存储应用单元存储第一个数据包中的感知数据；若该感知数据有发布需求，则该强存储网元将其标识或前缀发布于设定范围的网络中，以供需要该数据的网元接收或处理之。然后，存储应用单元生成应答第一个兴趣包的第二个数据包，并将第一个兴趣包中的兴趣从待定兴趣表中移除后，将该第二个数据包返回给弱存储网元。弱存储网元接收到第二个数据包后，丢弃感知数据，以节省存储资源；

第二种应用场景是在弱网元作为信息的需求者和消费者时，此时本发明方法的上述操作步骤的具体内容如下：

步骤1B，因位于骨干网络中的强网元可以更高效地获得兴趣的满足，它们在满足自身兴趣的同时，也可以通过提供表达服务帮助其它网元实现兴趣的满足。位于边缘网络的弱计算能力网元需求计算服务时，就以寻求计算服务的兴趣为标识生成第一个兴趣包，并将该计算服务及其所需的输入数据记录于第一个兴趣包的附加信息中，然后将其发送至网络中。

步骤2B，在弱网元作为信息的需求者和消费者时：某个提供计算服务的强计算网元收到步骤2A中的第一个兴趣包后，将其中的兴趣记录在自己的待定兴趣表中，并根据转发信息库将第一个兴趣包传送给本地的计算应用单元；计算应用单元解析第一个兴趣包，并从附加信息中提取出计算服务标识及其所需的输入数据后，生成另一个以计算服务内容为标识的第二个兴趣包；然后，强计算网元将第二个兴趣包对内发送给本地计算单元执行相应处理，或对外发送给骨干网络或边缘网络。

步骤3B，若本地提供该兴趣服务的相应部件能够满足弱网元的计算需求，则将该计算结果以第一个数据包的形式对内返回给强网元的计算应用单元；若本地相应部件不能满足弱网元的计算需求，则外部骨干网络或边缘网络中完成服务需求的网元将包含计算结果的第一个数据包返回给该强网元，完成互连过程。

步骤4B，强计算网元根据步骤3B获得的计算结果生成应答第一个兴趣包的第二个数据包，并将第二个数据包返回给需求计算服务的弱计算网元后，从自身的待定兴趣表中移除该兴趣。

综上所述，本发明方法适用于强弱网元共存的物联网环境中，其中两个网元的互连过程是通过两个兴趣包和两个数据包的发送与响应的嵌套方式通信过程实现的。也就是，步骤1中的第一个兴趣包与步骤4中的第二个数据包、步骤2中的第二个兴趣包与步骤3中的第一个数据包分别构成一个完整的兴趣信息的发送与响应。

另外，本发明方法的嵌套通信过程中，要求前者发送的兴趣包生存时限必须大于后者数据包的生存时限，且该生存时限都要在各自兴趣包或数据包中标记，并记录于待定兴趣表中。

本发明已经进行了仿真实施试验，实验的结果是成功的，实现了发明目的。

Claims (9)

1.一种基于能力映射与任务迁移的强弱网元互连方法，其特征在于：所述方法用于解决弱网元的计算和存储能力薄弱、能量受限及其通信链路不稳定的缺陷，有效支持异质网元之间相互连接，以供弱网元在其自身无法完成网络任务时发起通信，并请求强网元的存储和/或计算功能，从而将信息的提供与获取功能映射到强网元，即将任务迁移到强网元；该方法包括下列操作步骤：

(1)弱网元生成并发出寻求强网元服务的第一个兴趣包：所述第一个兴趣包是以强网元能够针对弱网元提供的、包括存储和/或计算的各种服务作为标识，并携带有上述服务内容标识的附加信息；

(2)强网元接收与解析第一个兴趣包后，重新生成第二个兴趣包并发送之：强网元接收到第一个兴趣包后，先将其传送给本地提供该兴趣服务的应用单元，该应用单元解析兴趣包，获得携带于附加信息中的服务内容标识后，生成另一个以需求服务内容为标识的第二个兴趣包，并记录于待定兴趣表中；然后，根据转发信息库将第二个兴趣包对内发送给本地的存储和/或计算模块执行相应处理，或对外发送给骨干网络或边缘网络；

(3)若强网元的本地功能模块能够执行相应处理，则其接收到第二个兴趣包后，将处理结果以第一个数据包的形式返回给待定兴趣表；

若由外部的骨干网或边缘网的、拥有或能够生成满足其兴趣服务的信息的网元执行相应处理，则该网元接收到第二个兴趣包并执行处理后，将应答第二个兴趣包的第一个数据包返回给强网元；

该步骤(3)的第一个数据包与步骤(2)中的第二个兴趣包的交互构成一组描述该兴趣的响应及请求的完整通信过程；

(4)强网元给弱网元返回应答第一个兴趣包的第二个数据包：强网元接收到第一个数据包后，其应用单元将其转换为应答弱网元第一个兴趣包的第二个数据包，并将其沿着原路返回给弱网元。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)包括下述两种不同情况下的操作内容：

(11)在弱网元作为信息的生产者和提供者时：弱存储网元首先以寻求存储服务作为标识生成第一个兴趣包，并将欲存储的内容标识记录于第一个兴趣包的附加信息中；强存储网元接收到第一个兴趣包后，将该请求存储服务的需求发布于设定范围的网络中，以使该第一个兴趣包被最优可达的强网元所接收；

(12)在弱网元作为信息的需求者和消费者时：位于边缘网络的弱计算能力网元需求计算服务时，就以寻求计算服务的兴趣为标识生成第一个兴趣包，并将该计算服务及其所需的输入数据记录于第一个兴趣包的附加信息中，然后将其发送至网络中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)包括下述两种不同情况下的操作内容：

(21)在弱网元作为信息的生产者和提供者时：某个提供存储服务的强存储网元接收到步骤(11)中的第一个兴趣包后，将其中的兴趣记录于自己的待定兴趣表中，并根据转发信息库将第一个兴趣包传送给本地的存储应用单元；存储应用单元解析第一个兴趣包，并提取出欲存储的信息标识后，生成另一个以寻求存储信息为标识的第二个兴趣包，然后，该强存储网元沿着第一个兴趣包的传输线路将第二个兴趣包返回给弱存储网元；

(22)在弱网元作为信息的需求者和消费者时：某个提供计算服务的强计算网元接收到步骤(12)中的第一个兴趣包后，将其中的兴趣记录在自己的待定兴趣表中，并根据转发信息库将第一个兴趣包传送给本地的计算单元；该计算单元解析第一个兴趣包，并从附加信息中提取出计算服务标识及其所需的输入数据后，生成另一个以计算服务内容为标识的第二个兴趣包；然后，强计算网元将第二个兴趣包对内发送给本地计算单元执行相应处理，或对外发送给骨干网络或边缘网络。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，强存储网元并不知道是哪个网元寻求存储服务，故第二个兴趣包的传送路径是通过第一个兴趣包中的发送对象偏好来实现的。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)包括下述两种不同情况下的操作内容：

(31)在弱网元作为信息的生产者和提供者时：当弱存储能力网元接收到强存储网元返回的第二个兴趣包后，将存储信息以第一个数据包的形式沿着原路径发送给强存储网元；

(32)在弱网元作为信息的需求者和消费者时：若本地提供该兴趣服务的相应部件能够满足弱网元的计算需求，则将该计算结果以第一个数据包的形式对内返回给强网元的计算单元；若本地部件不能满足弱网元的计算需求，则外部骨干网络或边缘网络中完成计算服务需求的网元将包含计算结果的第一个数据包返回给该强计算网元，完成互连过程。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)包括下述两种不同情况下的操作内容：

(41)在弱网元作为信息的生产者和提供者时：强存储网元接收到应答第二个兴趣包的第一个数据包后，先由其本地的存储应用单元存储第一个数据包中的感知数据；若该感知数据有发布需求，则该强存储网元将其标识或前缀发布于设定范围的网络中，以供需要该数据的网元接收或处理之；然后，存储应用单元生成应答第一个兴趣包的第二个数据包，并将第一个兴趣包中的兴趣从待定兴趣表中移除后，将该第二个数据包返回给弱存储网元；弱存储网元接收到第二个数据包后，丢弃感知数据，以节省存储资源；

(42)在弱网元作为信息的需求者和消费者时：强计算网元根据步骤(32)获得的计算结果生成应答第一个兴趣包的第二个数据包，并将第二个数据包返回给需求计算服务的弱计算网元后，从自身的待定兴趣表中移除该兴趣。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法适用于强弱网元共存的物联网环境中，其中两个网元的互连过程是通过两个兴趣包和两个数据包的发送与响应的嵌套方式通信过程实现的。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法中，步骤(1)中的第一个兴趣包与步骤(4)中的第二个数据包、步骤(2)中的第二个兴趣包与步骤(3)中的第一个数据包分别构成一个完整的兴趣信息的发送与响应。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述方法的嵌套通信过程中，要求前者发送的兴趣包生存时限必须大于后者数据包的生存时限，且该生存时限都要在各自兴趣包或数据包中标记，并记录于待定兴趣表中。