CN104661249A - 一种降低ndn网络移动用户内容获取延迟的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种降低NDN网络移动用户内容获取延迟的系统和方法。该系统包括由NDN节点构成的NDN网络,以及包含移动节点、接入点AP的无线网络;移动节点负责发送Interest包和接收相应的Data包;所述NDN节点包含预测模块和重定向模块;当移动节点要切换到其他AP时,重定向模块将Interest包重定向到预测模块所预测的AP所对应的NDN节点上,该对应的NDN节点通过缓存的Data内容为即将连接的移动节点提供就近服务。本发明可大大降低通信时延,其可预测距离一跳的邻居节点的特性适用于因缓存开销过大而舍弃的正确的下一接入点这一场景,其可预测多跳的特性适用于移动节点高速移动并切换的场景。

Description

一种降低NDN网络移动用户内容获取延迟的系统和方法
技术领域
本发明专利申请属于计算机网络领域,具体地涉及命名数据网络(以下简称NDN网络)中提高移动用户获取内容性能的系统和方法。
背景技术
随着移动技术的快速发展,海量增长的移动设备数量及其移动特性使得传统互联网络的性能和服务质量下降,同时也大大降低了移动用户的服务体验质量。尤其当移动用户在不同的接入点之间进行切换时,重复请求相同的内容不仅浪费网络带宽,而且大大降低了从发送请求到收到数据内容的时间间隔(以下简称通信时延)。
近年来已经提出多种解决方案,致力于解决移动用户数量快速增长以及无缝切换的问题。
移动IP是传统网络中解决移动性问题的方法之一(L.Morand and S.Tessier,“Globalmobility approach with Mobile IP in"All IP"networks,”in Proc.of IEEE International Conferenceon Communications(ICC’02),pp.2075-2079,2002)。它使移动节点在切换接入点后仍保持正在进行的通信。在移动IP中,移动节点都有一个固定的家乡代理,当移动节点检测到切换到其他的接入点并获得转交地址时,移动节点向家乡代理注册当前的转交地址。同时家乡代理和其他路由器也会广播对移动节点家乡地址的可达性并接收发往移动节点家乡地址的数据包。家乡代理收到数据包后,通过隧道送往移动节点的转交地址。移动IP方案的最主要缺陷如下:(1)三角路由问题。当移动节点切换到一个新的接入点时,数据包总是要先被转发到家乡代理,然后再被转发给移动节点,这在一定程度上降低了数据包的路由和转发效率,而且增加了通信时延。当移动节点切换的比较频繁时,这一问题将会更加严重。(2)难以实现无缝切换。移动IP只是描述了切换的方法,并没有对如何降低切换延时、降低丢包率等方面深入考虑。(3)移动节点注册的转交地址开销较大。当移动节点切换比较频繁时,绑定更新的次数增加,再加上移动节点的数目之多,不仅考验着代理服务器的存储能力和计算能力,而且传输过程也将给网络增加很大的负担。
LISP类似于移动IP,只是LISP中的Locator的IP(RLOC)和目的节点ID的IP(EID),不止可以是IP地址,也可以是类似于GPS坐标,MAC地址等任意元素(D.Farinacci,V.Fuller,D.Meyer and D.Lewis,“The locator/ID separation protocol(LISP),”RFC 6830,2013)。LISP将RLOC和EID分离,主要是为了减少全球路由表的条目数量。LISP中,在网络层传输时只根据RLOC转发,当到达站点边缘时,则使用EID作为标识转发给移动节点。这种方案的主要缺点如下:(1)增大了报文大小。在发送数据包之前,携带着RLOC的LISP头被加到报文中,这无疑增大了报文的大小,在网络传输中也占用了部分网络带宽。(2)增加了延时和丢包率。这种方案中,报文封装之后,只有当查找到EID-to-RLOC mapping匹配项之后,报文才会被发送出去,而且在转发给移动节点之前,又需先将LISP头去掉,才能将其转发出去。这些处理过程都会增加包延时。如果在EID-to-RLOC mapping中没有找到匹配项或者匹配还没来得及更新,则报文丢失,这会导致较高的丢包率。
NDN网络是一种新型的以内容为中心的网络体系结构,它通过重新请求机制支持移动用户的通信(V.Jacobson,D.K.Smetters,J.D.Thornton,M.F.Plass,N.H.Briggs and R.L.Braynard,“Networking Named Content,”in Proc.of the 5th international conference on Emerging networkingexperiments and technologies(CoNEXT’09),pp.1-12,2009)。
PCNDN方法是针对NDN网络提出的一个预先缓存的解决方案(Y.Rao,H.Zhou,D.Gao,H.Luo and Y.Liu,“Proactive Caching for Enhancing User-Side Mobility Support in Named DataNetworking,”in Proc.of 7th International Conference on Innovative Mobile and Internet Servicesin Ubiquitous Computing(IMIS’13),pp.37–42,2013)。PCNDN的主要思想是通过控制信息提前通知边缘的NDN节点,使其提前获取数据并缓存下来,以对完成切换的移动节点提供就近服务。具体过程如下:当移动节点检测到切换事件时,它就会发送一个控制消息到其边缘NDN节点1,之后该NDN节点不是将Data内容返回给移动节点,而是缓存下来,并向目的子网的边缘NDN节点2发送控制消息,进而2向1发送Interest包请求相应的Data内容并缓存下来。当移动节点完成切换过程之后,再向2发送控制信息并获取因切换过程没得到的Data内容,这时2的缓存里已存在相应的Data内容,便可代替源节点就近服务了。这一方案的缺陷在于:(1)引入了大量的控制信息。大量的控制信息在网络传输中会占用网络带宽,增加网络的负担。(2)大量的控制信息交互也会增大通信延时。在移动节点切换的过程中,每一个处理过程都离不开控制信息的交互,对控制信息的处理过程增加了通信延时。
X.Vasilakos等人提出的Selective Neighbor Caching(SNC)是基于ICN网络的一个增强无缝移动的方法(Xenofon Vasilakos,Vasilios A.Siris,George C.Polyzos,and Marios Pomonis.Proactive Selective Neighbor Caching for Enhancing Mobility Support in Information-CentricNetworks,Proc.ACM ICN'12workshop,in conjuction with SIGCOMM,2012)。该方法主要基于将请求及其相应的内容预先缓存到当前接入点的邻居节点集合中,首先通过权衡延时和缓存开销这两个因素建立了一个目标开销函数,以选择邻居节点的子集S*作为下一接入点,这个子集S*可最小化目标开销函数;当一个移动节点与当前接入点APi断开连接时,i通知S*开始缓存与用户订阅匹配的内容;当移动节点连接上一个新的接入点APj,这个便通知APi该移动节点已经重新连接上接入点了,然后APi通知S*中所有AP停止APj缓存内容。该方法的不足有:(1)在为寻找下一接入点所建立的模型中没有考虑移动节点的移动速度、移动方向等因素,只是简单假设当前接入点APi的所有邻居节点是下一个接入点的概率相同,因此缺少移动性因素的分析。(2)在实验过程中,只是估计不同的延时开销比率和缓存开销比率,并设为不同的定值进行实验,因此实验结果缺乏可靠性。(3)在热点区域如学校、商场等这些实际场景中,一段时间后,这些接入点缓存开销很大,假设一个热点区域的接入点因为缓存开销总是被目标开销函数所舍弃掉,即不包含在S*中,然而移动用户的下一接入点往往是这一个被舍弃的接入点,因此这一方法不仅浪费了其他邻居接入点的缓存开销,而且因必须到内容提供者获取内容引起的延时开销也总是最大的,所以该方法在这种场景中是失效的。(4)在移动用户高速移动并切换不同网络的场景中,移动用户与邻居接入点的链路持续时间不足以让邻居接入点将所需内容缓存下来,如果缓存既浪费邻居节点缓存,也未满足移动无缝切换的需求,因此这一场景中该方法也是失效的。
另外,Vasilios A.Siris等人还提出一种分布式预先缓存方法(Vasilios A.Siris,XenofonVasilakos,and George C.Polyzos.Efficient Proactive Caching for Supporting Seamless Mobility,Proc.IEEE World of Wireless,Mobile and Multimedia Networks(WoWMoM),2014),该方法主要基于在更充分有效地利用缓存存储空间的模式下的拥塞开销,以更有效地选择出需要缓存的节点。文章中分别考虑了延时与请求内容大小无关和延时与请求内容大小相关这两种情况,还提出一层、二层的预先存储方案。但是他们同样没有考虑移动性因素,而且实验也是基于多个假定条件进行的。同样这一方法也面临着SNC方法中的(3)和(4)中所述的不适应场景的情况。
G.Xylomenos等人提出了一个全新的以信息为中心的发布-订阅互联网体系架构(publish-subscribe Internet:PSI)(George Xylomenos,Xenofon Vasilakos,Christos Tsilopoulos,Vasilios A.Siris,George C.Polyzos.Caching and mobility support in a publish-subscribe internetarchitecture.IEEE Communications Magazine 50(7):52-58,2012)。PSI主要是为了满足当前普遍的内容分发的问题而设计的,主要集中对网络层缓存和无缝移动切换的支持。PSI在时间和空间上分离了请求解析和数据传输。在时间上,订阅者和发布者不需同时连接到网络上,在订阅者请求内容前,发布者即可订阅内容。在空间上,任一发布者均可为订阅者提供服务。在PSI中,移动节点可重新订阅因移动切换而未获取的内容。然后,包括发布者、订阅者及事件通知服务等多个集合节点组成的集合网络将订阅重定向到任何附近缓存节点,而不是向内容发布者订阅。
基于NDN网络也有利用控制机的方法解决移动切换的问题(R.Ravindran,S.Lo,X.Zhangand G.Wang,“Supporting Seamless Mobility in Named Data Networking,”in Proc.of IEEEInternational Conference on Communications(ICC’12),pp.5854-5869,2012)。其中,控制组件主要负责处理移动节点的注册以及协议交换。转发组件主要负责Interest和Data包的转发。移动代理的控制组件主要负责切换事件的检测。这一方案只是直接将传统网络中的移动解决方案映射到了NDN网络中,并没有充分利用NDN网络体系架构所带来的优势。
发明内容
为了克服上述缺陷,本发明根据用户的移动信息预测其将要接入的无线接入点,提出一种降低NDN网络移动用户内容获取延迟的方法和系统。
具体来说,本发明采用的技术方案如下:
一种降低NDN网络移动用户内容获取延迟的系统,主要包括具有预测模块和重定向模块的NDN节点及其构成的NDN网络,移动节点、接入点AP(Access Point,以下简称为AP)及其构成的无线网络;所述NDN节点中,预测模块主要负责预测移动节点之后的移动轨迹及将要接入的AP;重定向模块主要负责计算从一个NDN节点到另一个NDN节点路径的路由端口,并更新FIB表(Forwarding Information Base:用于记录到达内容提供者Provider的下一跳接口);预测模块和重定向模块的协作就是当移动节点要切换到其他AP时,将Interest包重定向到所预测的AP所对应的NDN节点上,以保证该NDN节点上能够有对应的缓存并可为即将连接的移动节点提供就近服务。所述移动节点主要负责发送Interest包和接收相应的Data包。
一种降低NDN网络移动用户内容获取延迟的方法,应用于上述系统中,包含如下步骤:
1)移动节点负责检测切换事件,一旦检测到,立即从其移动模型中获取到其当前的移动信息(包括移动方向、移动速度等参数),并添加到其将要发送的Interest包中;
2)当前的NDN节点(以下简称C-NDNN)中的预测模块可根据Interest包中所携带的移动节点的移动信息(移动方向、移动速度等参数),及缓存内容的时间延迟,预测移动节点之后的移动轨迹以及将要接入的AP,并获取到与该AP对应的NDN节点(以下简称N-NDNN),最后将N-NDNN的ID传递给重定向模块;
3)重定向模块计算从C-NDNN到N-NDNN路径的路由端口,然后更新C-NDNN上的FIB表,使得Interest包从得到的端口转发出去,最终到达N-NDNN;
4)将Interest包对应的Data包缓存在N-NDNN;
5)移动节点完成切换后,移动节点重新请求因切换接入点未得到的Data包,N-NDNN代替Provider就近响应移动节点的请求,将已缓存的Data包发送给移动节点。
本发明服从NDN网络的设计原则,无需引入新的包类型或者控制信息,仅需要在Interest报文里添加几个字段域,Interest包转发的同时完成需要执行的控制策略。所述策略即提前将所需Data内容缓存到NNDNN上,可大大降低通信时延。同时,本发明可预测距离一跳的邻居节点的特性适用于因缓存开销过大而舍弃的正确的下一接入点这一场景,其可预测多跳的特性适用于移动节点高速移动并切换的场景。
附图说明
图1:本发明部署方案的网络架构图。
图2:NDN节点结构图。
图3:具体实例的架构图。
图4a:具体实例中不切换AP时响应请求示意图、传统Interest包结构图及FIB表。
图4b:具体实例中切换AP过程中响应请求示意图、修改后的Interest包结构图及变化后的FIB表。
图5:本发明方法与NDN网络内嵌的方法通信延迟的比较示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面通过具体实施例和附图,对本发明做进一步说明。
本方案的目的是不引入新的包类型或者控制信息,仅需要在Interest包里添加几个字段域,即可提前将所需Data内容缓存下来,降低通信时延;从而实现经济、可行、简易的NDN网络中基于移动轨迹预测的移动节点通信时延降低的方法。NDN网络中的NDN节点上主要的功能模块包括:
预测模块。预测模块是本方案中的核心功能之一,是部署在NDN网络中的每一个NDN节点上。主要作用是负责计算移动节点将要接入的AP。C-NDNN中的预测模块通过移动节点在其将要发送的Interest包中添加的移动信息(包括移动方向,移动速度等参数),及缓存内容所需时间延迟,预测移动节点之后的移动轨迹以及将要接入的AP。预测到的AP应满足的条件是,在移动节点的移动方向上,最先满足Interest包从C-NDNN中转发出去到相应的Data包缓存在N-NDNN中所需时间小于移动节点从当前位置到接入所预测的将要接入的AP所花费的时间这一条件的AP就是所预测的将要接入的AP。满足上述条件的目的就是要保证当移动节点连接上新的AP时,N-NDNN中已经将需要重新请求的Data内容缓存下来了。
重定向模块。重定向模块也是本方案另一核心功能,同样部署在每一个NDN节点上。主要负责计算从一个NDN节点到另一个NDN节点路径的端口,并更新FIB表,使得Interest包能够从这个计算所得的端口转发出去,最终重定向到N-NDNN上。
图1描述了所述方法的主要网络架构。其中1是NDN网络,2是C-NDNN,3是Provider,4是N-NDNN,5是NDN节点之间的连接,6是AP,7是移动节点,8是移动节点的移动方向,9是Interest包流向,10是Data包流向,11是NDN节点的端口,12是AP与NDN节点之间的连接。如图所示,网络架构是由NDN网络与传统网络中的AP和移动节点组成。
图2描述了NDN节点的结构。其中21是Interest的入端口,22是查询CS(Content Store:内容存储器)中是否有Interest所请求Data内容的缓存,23表示如果有缓存,则从21返回Data内容给移动节点,24是CS,25是预测模块,26是重定向模块,27是重定向模块更新FIB表,28是PIT表(Pending Interest Table:用于记录Interest入端口和出端口信息),29是FIB表,20是重定向后的将Interest转发出去的端口。如图所示,该NDN节点的结构是在传统的NDN节点结构的基础上增加了预测模块和重定向模块。
移动节点从预测到切换事件,并发送Interest包开始,到完成切换后并得到响应,需要经过以下几个步骤:
移动节点负责检测切换事件,一旦检测到要切换了,就在其将要发送的Interest包中相应的字段添加其移动信息(包括移动方向、移动速度等参数),之后发送出去;
C-NDNN接收到Interest包,首先检查自身的CS,查看是否缓存了相应的Data内容,如果有则直接返回给移动节点,如果没有,预测模块获取该Interest包中所携带的移动节点的移动方向、移动速度等参数,然后通过这些参数和缓存内容时间延迟预测移动节点之后的移动轨迹以及将要接入的AP,并获取到N-NDNN的ID,最后将这一ID传递给重定向模块;
重定向模块计算从C-NDNN到N-NDNN路径的端口,然后更新当前NDN节点的FIB表,使得Interest从得到的端口转发出去,直到转发给N-NDNN;
N-NDNN接收到Interest包后,按照自身的FIB表转给内容提供者节点Provider。按照NDN网络的机制,N-NDNN之后便会得到Data内容,根据相应缓存策略将其缓存下来;
移动节点完成切换后,重新连接到新的AP上,重新发送Interest请求,以获取因切换过程还未得到的Data包;由于此时N-NDNN中已经有了移动节点所需内容,便可代替Provider就近响应移动节点的请求。
下面以一个实例说明本方案。如图3所示,在NDN网络中,NDN节点之间通过P2P的方式互联。每个NDN节点在原有的NDN机制的基础上再安装Internet协议(如TCP/IP),而且每个NDN节点都通过P2P的方式分别与一个AP节点相连。选定其中一个NDN节点作为内容提供者Provider,内容前缀为/prefix。本方案假设给NDN节点的Internet网卡分配10.1.0.0/255.255.0.0段的IP,AP节点和移动节点的IP段是192.168.0.0/255.255.0.0。移动节点沿直线匀速行走,在不同的AP之间进行切换。
当移动节点发起请求时,根据移动节点是否在切换的状态,会有如下两种情况,分别如图4a和4b所示。
当不切换AP时,响应请求示意图、传统Interest包结构图及FIB表如图4a所示,移动节点(IP假设为192.168.0.1)已接入与假设IP为10.1.1.1的C-NDNN相关联的AP,此时移动节点发送Interest请求包,Interest包首先被转发到C-NDNN,Interest包中包括内容名字(contentname)、筛选器(selector)、随机数(Nonce),筛选器包括优先顺序(order preference)、过滤机制(publisher filer)、邻居范围(scope)等;(a1)此后C-NDNN根据FIB表中的转发信息将Interest经Face0转发到Provider;(a2)Provider返回Data内容给C-NDNN;(a3)和(a4)分别同(a1)和(a2)。随后C-NDNN将Data内容返回给移动节点。当移动节点切换到其他AP后,请求和响应过程同上述过程。
当切换AP时,响应请求示意图、修改后的Interest包结构图及变化后的FIB表如图4b所示,移动节点最开始是接入与IP为10.1.1.1的C-NDNN相关联的AP,移动节点预测到切换事件后,向发送Interest请求包中添加其移动信息(包括移动方向、移动速度等参数,如图中“moving info”所示),同样Interest包首先被转发到C-NDNN;C-NDNN中的预测模块根据Interest中的移动方向、移动速度等参数,及缓存内容时间延迟,在移动方向上由近到远依次计算移动节点由当前位置以当前速度移动并接入到每一个AP的时间T,并分别与相应的AP所关联的N-NDNN能够将Data包缓存下来的时间延迟t作比较,最先满足T>t这一条件的AP与N-NDNN就是下一个将要接入的AP和关联的N-NDNN;然后C-NDNN中的重定向模块以C-NDNN和N-NDNN为参数,基于拓扑结构计算从C-NDNN到N-NDNN路径的端口,即Face1,并更新FIB表,将Interest包中请求Data内容的名字前缀与Face1添加到FIB表中,如图4b所示;(b1)C-NDNN经由计算得到的端口将Interest转发出去,最终转发给N-NDNN;(b2)最终由N-NDNN将Interest包转发给Provider;(b3)Provider将Data内容返回给N-NDNN;最后N-NDNN将Data内容根据缓存策略缓存下来。当移动节点移动到将要接入的AP覆盖范围时,中断与C-NDNN的通信,并与假设IP为10.1.2.1的N-NDNN进行通信,重新经由N-NDNN向Provider请求由于切换过程未得到的Data内容,但由于这时N-NDNN已经缓存下来了,即可代替Provider就近提供服务,将相应Data内容返回给移动节点。
根据大量实验结果,与NDN内嵌的对移动性支持的方法相比,本发明所述方法可以用更少的时间获取所请求的内容;两种方法的通信延迟如图5所示。
本领域的技术人员可以理解:实现上述系统和方法实施例的全部或部分可以通过程序指令相关的硬件完成,也可以通过软件完成。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案,而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明,本领域的技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种降低NDN网络移动用户内容获取延迟的系统,其特征在于,包括由NDN节点构成的NDN网络,以及包含移动节点、接入点AP的无线网络;所述移动节点负责发送Interest包和接收相应的Data包;所述NDN节点包含预测模块和重定向模块,所述预测模块负责预测移动节点的移动轨迹及将要接入的AP;所述重定向模块负责计算从一个NDN节点到另一个NDN节点路径的路由端口,并更新记录到达Provider的下一跳接口的FIB表;当移动节点切换到其他AP时,重定向模块将Interest包重定向到预测模块所预测的AP所对应的NDN节点上,该对应的NDN节点通过缓存的Data内容为即将连接的移动节点提供就近服务。
2.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述预测模块预测的将要接入的AP满足如下条件:将当前的NDN节点记为C-NDNN,将要接入的AP对应的NDN节点记为N-NDNN,在移动节点的移动方向上,最先满足Interest包从C-NDNN中转发出去到相应的Data包缓存在N-NDNN中所需时间,小于移动节点从当前位置到接入所预测的将要接入的AP所花费的时间。
3.如权利要求2所述的系统,其特征在于,C-NDNN中的预测模块预测将要接入的AP时,根据Interest中的移动信息,及缓存内容时间延迟,在移动方向上由近到远依次计算移动节点由当前位置以当前速度移动并接入到每一个AP的时间T,并分别与相应的AP所关联的N-NDNN能够将Data包缓存下来的时间延迟t作比较,最先满足T>t这一条件的AP与N-NDNN就是下一个将要接入的AP和关联的N-NDNN。
4.如权利要求1所述的系统,其特征在于,所述NDN节点还包含:Interest的入端口,用于缓存Data内容的CS,用于记录Interest的入端口和出端口信息的PIT表,以及将Interest转发出去的端口。
5.一种采用权利要求1所述系统的降低NDN网络移动用户内容获取延迟的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)移动节点负责检测切换事件,检测到切换事件后在其将要发送的Interest包中添加其移动信息;
2)将当前的NDN节点记为C-NDNN,将要接入的AP对应的NDN节点记为N-NDNN,C-NDNN中的预测模块根据Interest包中所携带的移动节点的移动信息,及缓存内容的时间延迟,预测移动节点之后的移动轨迹以及将要接入的AP,并获取到N-NDNN,将N-NDNN的ID传递给重定向模块;
3)重定向模块计算从C-NDNN到N-NDNN路径的路由端口,然后更新C-NDNN上的用于记录到达内容提供者Provider的下一跳接口FIB表,使得Interest从得到的端口转发出去,最终到达N-NDNN;
4)将Interest包对应的Data包缓存在N-NDNN;
5)移动节点完成切换后,移动节点重新请求因切换接入点未得到的Data包,N-NDNN代替内容提供者节点就近响应移动节点的请求,将已缓存的Data包发送给移动节点。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,步骤1)在将要发送的Interest包中添加的移动信息包括:移动方向、移动速度。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于:步骤2)中预测模块预测的将要接入的AP满足如下条件:将当前的NDN节点记为C-NDNN,将要接入的AP对应的NDN节点记为N-NDNN,在移动节点的移动方向上,最先满足Interest包从C-NDNN中转发出去到相应的Data包缓存在N-NDNN中所需时间,小于移动节点从当前位置到接入所预测的将要接入的AP所花费的时间。
8.如权利要求7所述的方法,其特征在于,C-NDNN中的预测模块预测将要接入的AP时,根据Interest中的移动信息,及缓存内容时间延迟,在移动方向上由近到远依次计算移动节点由当前位置以当前速度移动并接入到每一个AP的时间T,并分别与相应的AP所关联的N-NDNN能够将Data包缓存下来的时间延迟t作比较,最先满足T>t这一条件的AP与N-NDNN就是下一个将要接入的AP和关联的N-NDNN。
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