CN104244364A - 一种面向内容的网络系统及其分层方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向内容的网络系统及其分层方法，该方法包括：在每个更新周期开始，基站获取小区多跳网络拓扑信息；基站根据小区多跳网络拓扑信息利用预设规则划分虚拟社区并选择一个虚拟社区管理节点以及该虚拟社区管理节点的备用节点；若有新增节点进入多跳中继蜂窝网络，则由基站辅助该新增节点完成该新增节点的拓扑更新以及该新增节点的转发信息表FIB的创建。本发明将内容中心网络的概念引入到多跳中继蜂窝网络中，利用内容中心网络的解耦内容与位置、内容无处不在的特点实现内容分发与共享，并借助蜂窝基站的管理与控制能力减少多跳网络内容获取与缓存所需的管理与控制开销，从而减轻基站的管理与控制负载。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线移动网络系统及其管理方法，特别的涉及面向内容的网络系统及其分层方法。
背景技术
Kang-Won Lee,Young-BaeKo,ThyagrajanNandagopal等在《LoadMitigation in Cellular Data Network by Peer Data Sharing overWLAN Channels》一文中提出了一个叫做基于蜂窝的Ad hoc对等数据共享系统(CAPS)的架构，可以减小蜂窝基站的负载同时又改善无线数据接入延迟。在CAPS中，蜂窝网络中的移动终端形成了多跳中继网络覆盖。移动终端之间共享缓存在本地的内容。一部分节点用于跟踪内容对象的位置从而在P2P Ad hoc网络中更快的进行位置发现。使用CAPS，热点内容能够通过快速的ad hoc信道获取而不需要接入蜂窝设施，因此可以减小蜂窝网络的负载并改善数据接入延迟。
CAPS的主要思想是尽可能的通过Ad hoc网络从对等移动终端发现并获取热点内容，而不是通过基站从骨干网中下载。
CAPS系统是以减小蜂窝基站的负载并改善数据接入的延迟为目标的网络管理方法。该方法采用的是移动终端之间的分布式信息交互模式，并没有充分利用基站天然固有的网络覆盖、通信和计算能力。例如，目录节点的选择是通过相邻节点之间多次交互后选举实现的，这不仅浪费大量的无线频谱资源，而且增加了信息交互时延。此外，该算法是基于IP网络的内容共享系统，是以主机为中心的通信模式，这种模式在进行内容分发和交互的业务场景下，无法利用内容缓存来缩短内容获取延迟。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种面向内容的网络分层管理方法。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种面向内容的网络分层方法，包括：在每个更新周期开始，基站获取小区多跳网络拓扑信息；基站根据小区多跳网络拓扑信息利用预设规则划分虚拟社区并选择一个虚拟社区管理节点以及该虚拟社区管理节点的备用节点；若有新增节点进入多跳中继蜂窝网络，则由基站辅助该新增节点完成该新增节点的拓扑更新以及该新增节点的转发信息表FIB的创建。
进一步的，基站获取小区多跳网络拓扑信息包括：节点与直接连接的邻居节点交互信息，确认可建立双相连接的邻居节点；节点向基站上报自身状态信息；基站利用节点上报的状态信息形成小区多跳网络拓扑信息。
进一步的，划分虚拟社区并选择虚拟社区管理节点以及该虚拟社区管理节点的备用节点包括：基站根据预先设定的准则将小区内的节点划分为不同的虚拟社区，并为这些虚拟社区赋予全网唯一的标识ID；基站根据预设准则选出虚拟社区的管理节点及其备用节点；基站通知各个节点其所在的虚拟社区ID以及该虚拟社区的虚拟管理节点的ID；基站通知虚拟社区管理节点其他虚拟社区管理节点的ID及管理节点间的路由。
进一步的，根据以下规则的一个或多个从虚拟社区的节点中选择虚拟社区的管理节点：计算能力，电池电量，所处的网络中的位置，无线覆盖范围。
进一步的，处于网络中心位置的节点比处于网络边缘的节点更适合作为虚拟社区管理节点。
进一步的，若有新增节点进入多跳中继蜂窝网络，则由基站辅助新增节点完成该新增节点的拓扑更新以及该新增节点转发信息表FIB的创建的步骤如下：新增节点的周围节点相互确认成为邻居节点；新增节点向基站上报其邻居节点ID；基站通知新增节点的邻居节点将自身缓存的内容信息以及FIB中的内容信息发送给新增节点；新增节点接收到邻居发送的内容信息后，将内容信息进行整合后添加到FIB中，并将其转发端口设置为发送该内容消息的节点端口。
本发明还要求保护一种面向内容的多跳中继蜂窝网络系统，包括：基站，对网络系统中的小区进行管理与控制，获得并更新小区的网络拓扑信息，进行虚拟社区的划分，并在划分的虚拟社区中选择虚拟社区管理节点，向小区内的各个节点发送通知，通知包括该节点所属的虚拟社区ID以及该虚拟社区的虚拟管理节点的ID，如果某节点是虚拟社区管理节点，则通知中还携带其他虚拟社区管理节点的ID；虚拟社区管理节点，辅助基站对网络进行管理；普通节点，向基站上报自身信息。
进一步的，基站获取并更新小区多跳网络拓扑信息包括：节点与直接连接的邻居节点交互信息，确认可建立双相连接的邻居节点；节点向基站上报自身状态信息；基站利用节点上报的信息形成小区多跳网络拓扑信息。
进一步的，基站为每个虚拟社区管理节点选择其备用节点。
进一步的，普通节点，在新加入网络时的拓扑更新以及创建自身FIB信息的步骤如下：新增节点的周围节点相互确认成为邻居节点；新增节点向基站上报其邻居节点ID；基站通知新增节点的邻居节点将自身缓存的内容信息以及FIB中的内容信息发送给新增节点；新增节点接收到邻居发送的内容信息后，将内容信息进行整合后添加到FIB中，并将其转发端口设置为发送该内容消息的节点端口。
本发明的有益之处在于：提出了一种面向内容的多跳中继蜂窝网络分层管理方法。本发明将内容中心网络的概念引入到多跳中继蜂窝网络中，一方面利用内容中心网络的解耦内容与位置、内容无处不在等特点实现内容分发与共享，另一方面则借助蜂窝基站的管理与控制能力减少多跳网络内容获取与缓存所需的管理与控制开销。因此本发明通过将基站覆盖的蜂窝小区划分为多个虚拟社区，从而减小兴趣包的泛洪范围，有效地改善无线频谱资源效率。另外，本发明将网络分为三级：基站、虚拟社区管理节点和普通节点，实现网络的分级管理，从而减轻基站的管理与控制负载。
附图说明
图1为现有的多跳中继蜂窝网络的拓扑图；
图2为本发明具体实施例的网络拓扑图；
图3为本发明分层方法的流程图；
图4为基站获取小区网络拓扑图的方法流程图；
图5为基站划分虚拟社区以及选择虚拟社区管理节点的方法流程图；
图6为小区新增节点创建自身FIB的方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，示出了一个传统的无线多跳中继蜂窝网络的网络拓扑图，如图所示，该无线多跳中继蜂窝网络中的小区101由多个节点102以及基站103构成，其中基站103对小区101进行管理与控制，节点102进行内容的缓存与中继转发。图1中所示的传统内容中心网络以泛洪方式在网络中寻找所需内容，网络规模的扩大将严重影响网络吞吐量等性能。在无线网络中，受到频谱资源和终端能力的限制，在大规模网络中进行内容共享将严重影响无线资源效率，降低用户体验。为了克服上述缺陷，提出图2所示的本发明的网络。
图2示出了本发明具体实施例的网络拓扑图，该面向内容的多跳中继蜂窝网络系统分为三层：基站202，虚拟社区管理节点203以及普通节点204。下面介绍各层所完成的功能。
一、基站202，对网络系统中的小区201进行管理与控制，具体的：
1、获得并更新小区的网络拓扑信息；
基站202需要获取小区201的网络多跳拓扑信息，以便于完成对小区的网络的管理。小区201中节点的新增、移动、或节点的灭亡会导致网络拓扑信息的变化，因此，基站202需要周期性更新全小区网络拓扑信息。
2、进行虚拟社区205的划分；
基站可以按照设定的规则来进行虚拟社区划分，例如可以按照地理位置、用户的兴趣度等等，并为这些虚拟社区赋予全网唯一的标识ID。
3、选择虚拟社区管理节点以及备用节点；
在划分虚拟社区之后，基站在每个虚拟社区之内选择一个节点和一个备用节点，当虚拟社区管理节点退出网络时,备用节点作为虚拟社区管理节点。虚拟社区管理节点和备用节点的选择一般需要考虑一下几个方面：
计算能力：虚拟社区管理节点需要辅助基站进行网络的管理与控制，因此需要较强的计算能力；
电池电量：虚拟社区管理节点实现管理与控制需要消耗额外的电量，在电池电量有限的Ad Hoc网络中，选择剩余电池电量较多的虚拟社区管理节点才能避免管理节点因为电量不足而退出网络。
位置：处于网络中心位置的节点比处于网络边缘的节点更便于与其他节点的通信，因此更容易被选择为虚拟社区管理节点；
无线覆盖区域：节点无线频率的覆盖范围越大，在用户均匀分布的情况下，其连接的用户越多，则该节点在网络中越重要，因此更易于被选择为虚拟社区管理节点。
4、向小区内的各个节点发送通知，通知包括该节点所属的虚拟社区ID以及该虚拟社区的虚拟管理节点的ID；进一步的，如果某节点是虚拟社区管理节点，则通知中还携带其他虚拟社区管理节点的ID。
二、虚拟社区管理节点203
辅助基站对网络进行管理。
三、普通节点204
向基站上报自身位置、兴趣、存储内容以及周边节点信息等信息，以便于基站获取多跳网络拓扑信息以及划分虚拟社区、选择虚拟社区管理节点等；
以上根据图2描述了根据本发明的实施例的网络拓扑图，由于蜂窝网络中节点的移动性等特点，网络的拓扑是随时间变化的。因此基站需要周期性的获取多跳网络拓扑以及划分虚拟社区、选择虚拟社区管理节点等。下面结合图3描述本发明分层方法的具体实现过程，具体如下：
步骤1：在每个更新周期开始，基站获取小区多跳网络拓扑信息；
更新周期可预先指定，或根据网络实际情况加以选择。
步骤2：基站根据小区多跳网络拓扑信息，利用预设规则划分虚拟社区并选择虚拟社区管理节点以及该虚拟社区管理节点的备用节点；
步骤3：有新增节点进入多跳中继蜂窝网络，则由基站辅助该新增节点完成该新增节点的拓扑更新以及该新增节点转发信息表FIB(Forwarding Information Base)的创建。
基站需要获得并周期性地更新小区的多跳网络拓扑信息以便对蜂窝网络进行管理。图4中描述了基站获取小区多跳网络拓扑信息的具体步骤，包括：
步骤1：节点与直接连接的邻居节点交互信息，确认可建立双相连接的邻居节点；
步骤2：节点向基站上报自身状态信息，包括该节点的ID、邻居节点ID、缓存空间、剩余电量以及兴趣分类等；
步骤3：基站利用节点上报的信息形成小区多跳网络拓扑信息。
由于节点的新增、灭亡以及节点的移动等原因，基站需要周期性的将小区内的节点进行划分形成不同的虚拟社区。虚拟社区的形成步骤如图5所示，包括：
步骤1：基站根据预先设定的准则将小区内的节点划分为不同的虚拟社区；例如可以按照地理位置、用户的兴趣度等等，并为这些虚拟社区赋予全网唯一的标识ID。
步骤2：基站根据预设准则选出虚拟社区的管理节点及其备用节点。
在划分虚拟社区之后，基站在每个虚拟社区之内选择一个虚拟社区管理节点以及一个备用节点。当虚拟社区管理节点退出网络时,备用节点作为该虚拟社区的虚拟社区管理节点。虚拟社区管理节点的选择一般需要考虑一下几个方面：
计算能力：虚拟社区管理节点需要辅助基站进行网络的管理与控制，因此需要较强的计算能力；
电池电量：虚拟社区管理节点实现管理与控制需要消耗额外的电量，在电池电量有限的Ad Hoc网络中，选择剩余电池电量较多的虚拟社区管理节点才能避免管理节点因为电量不足而退出网络。
位置：处于网络中心位置的节点比处于网络边缘的节点更便于与其他节点的通信，因此更容易被选择为虚拟社区管理节点；
无线覆盖区域：节点无线频率的覆盖范围越大，在用户均匀分布的情况下，其连接的用户越多，则该节点在网络中越重要，因此更易于被选择为虚拟社区管理节点。
步骤3：基站通知各个节点其所在的虚拟社区ID以及该虚拟社区的虚拟社区管理节点的ID。
步骤4：基站通知虚拟社区管理节点其他虚拟社区管理节点的ID及虚拟社区管理节点间的路由。
网络中新增节点的加入不仅影响多跳蜂窝网络拓扑，同时也影响内容的转发与共享。而新增的节点创建完整的FIB表需要很长的周期。因此，对于新增节点，本发明设计了新增节点加入网络后的拓扑更新以及创建自身FIB信息的方式。如图6所示，包括：
步骤1：新增节点与周围节点相互确认成为邻居节点；
步骤2：新增节点向基站上报其邻居节点ID；
步骤3：基站通知新增节点的邻居节点，邻居节点将自身缓存的内容信息以及FIB中的内容信息发送给新增节点；
步骤4：新增节点接收到邻居节点发送的内容信息后，将内容信息进行整合后添加到FIB中，并将其转发端口设置为发送该内容消息的节点端口。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种面向内容的网络分层方法，其特征在于，该方法包括：
在每个更新周期开始，基站获取小区多跳网络拓扑信息；
基站根据小区多跳网络拓扑信息，利用预设规则划分虚拟社区并选择一个虚拟社区管理节点以及该虚拟社区管理节点的备用节点；
若有新增节点进入网络，则由基站辅助该新增节点完成该新增节点的拓扑更新以及该新增节点的转发信息表FIB的创建。
2.根据权利要求1所述的网络分层方法，其特征在于，基站获取小区多跳网络拓扑信息包括：
节点与直接连接的邻居节点交互信息，确认可建立双相连接的邻居节点；
节点向基站上报自身状态信息；
基站利用节点上报的状态信息形成小区多跳网络拓扑信息。
3.根据权利要求1所述的网络分层方法，其特征在于，划分虚拟社区并选择虚拟社区管理节点以及该虚拟社区管理节点的备用节点包括：基站根据预先设定的准则将小区内的节点划分为不同的虚拟社区，并为这些虚拟社区赋予全网唯一的标识ID；基站根据预设准则选出虚拟社区的管理节点及其备用节点；基站通知各个节点其所在的虚拟社区ID以及该虚拟社区的虚拟管理节点的ID；基站通知虚拟社区管理节点其他虚拟社区管理节点的ID及虚拟社区管理节点间的路由。
4.根据权利要求3所述的网络分层方法，其特征在于：根据以下规则的一个或多个从虚拟社区的节点中选择虚拟社区管理节点：节点的计算能力、电池电量、所处的网络中的位置、以及无线覆盖范围。
5.根据权利要求4所述的网络分层方法，其特征在于：处于网络中心位置的节点比处于网络边缘的节点更适合作为虚拟社区管理节点。
6.根据权利要求1所述的网络分层方法，其特征在于：若有新增节点进入多跳中继蜂窝网络，则由基站辅助新增节点完成该新增节点的拓扑更新以及该新增节点转发信息表FIB的创建的步骤如下：新增节点的周围节点相互确认成为邻居节点；新增节点向基站上报其邻居节点ID；基站通知新增节点的邻居节点将自身缓存的内容信息以及FIB中的内容信息发送给新增节点；新增节点接收到邻居发送的内容信息后，将内容信息进行整合后添加到FIB中，并将其转发端口设置为发送该内容消息的节点端口。
7.一种面向内容的多跳中继蜂窝网络系统，包括：
基站，对网络系统中的小区进行管理与控制，获得并更新小区的网络拓扑信息，进行虚拟社区的划分，并在划分的虚拟社区中选择虚拟社区管理节点，向小区内的各个节点发送通知，通知包括该节点所属的虚拟社区ID以及该虚拟社区的虚拟管理节点的ID，如果某节点是虚拟社区管理节点，则通知中还携带其他虚拟社区管理节点的ID；
虚拟社区管理节点，辅助基站对网络进行管理；
普通节点，向基站上报自身信息。
8.根据权利要求7所述的网络系统，其特征在于：基站获取并更新小区的网络拓扑信息包括：
节点与直接连接的邻居节点交互信息，确认可建立双相连接的邻居节点；
节点向基站上报自身状态信息；
基站利用节点上报的信息形成小区多跳网络拓扑信息。
9.根据权利要求7所述的网络系统，其特征在于，基站为每个虚拟社区管理节点选择其备用节点。
10.根据权利要求7所述的网络系统，其特征在于：普通节点，在新加入网络时的拓扑更新以及创建自身FIB信息的步骤如下：新增节点的周围节点相互确认成为邻居节点；新增节点向基站上报其邻居节点ID；基站通知新增节点的邻居节点将自身缓存的内容信息以及FIB中的内容信息发送给新增节点；新增节点接收到邻居发送的内容信息后，将内容信息进行整合后添加到FIB中，并将其转发端口设置为发送该内容消息的节点端口。
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