CN104717144B - 一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法，该方法结合软件定义网络技术和网内缓存技术，利用逐跳确认机制和中间节点缓存实现快速修复组播丢失数据；利用交换机对丢失数据包的感知和识别，实现精确快速数据重传；利用软件定义网络的全局控制特性，监控链路状态，动态调整组播路由。

Description

一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域和通信技术领域，尤其涉及一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法。

背景技术

组播是一种优化使用带宽的路由技术允许数据流从一个源或者多个源发送到多个目的地。在组播方式下，组播源仅发送一次信息，借助组播路由协议为组播数据包建立组播分发树，被传递的信息在距离用户端尽可能近的节点才开始复制和分发。数据只被同一个组播组成员接收，而非组播组成员不会接收到数据。因此，应用组播技术可以组播克服单播和广播的固有瓶颈，显著减少网络负载，提高网络运行效率，改善网络性能。

传统IP组播使用用户数据报协议，组播过程不具有可靠性，组播数据容易发生延迟，丢失等现象，因此可靠性一直是组播需要解决的一大难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法，可以提供可靠的组播数据传输。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法，该方法包括：

父节点将接收到的组播数据包存入与其相连的缓存池中，并根据组播生成树向其子节点发送数据包，且启动重传计时器T；

若该父节点在重传计时器T超时前收到所有子节点返回的当前数据包的确认消息，则删除缓存池中相应的数据包；若该父节点在重传计时器T超时前收到子节点返回的当前数据包的否定确认消息，则该父节点利用其缓存池中的数据进行重传，并重置重传计时器T；

若该父节点在重传计时器T超时前未收到某一子节点返回的当前数据包的确认消息，则该父节点向控制器发送请求重传消息，请求向该子节点重传数据包。

进一步的，该父节点向控制器发送请求重传消息，请求向该子节点重传数据包包括：

控制器接收到该请求后，判断该父节点与该子节点之间的链路是否断开；

若链路断开，则将该子节点重新加入组播树，并由新的父节点向该子节点组播数据；若没有其他链路连接该子节点和组播树，则该子节点形成了孤岛，无法重新加入组播树，控制器从组播树中删去该子节点，并通知该父节点删除缓存池中相应的缓存，且无需等待该子节点的确认消息；

若链路未断开，则判定该父节点与子节点之间的链路拥塞；该控制器绕开该拥塞链路重新计算该父节点至该子节点的其他路径，若存在其他路径，则构建重传路径，由该父节点将数据包沿重传路径单播给该子节点，直至拥塞链路恢复正常；若不存在其他路径，且等待t时间后该链路仍然拥塞，则该控制器从组播树中删去该子节点，并通知该父节点删除缓存池中相应的缓存，且无需等待该子节点的确认消息；如果在t时间内链路恢复正常，则利用父节点缓存池重传数据包。

进一步的，所述若链路断开，则将该子节点重新加入组播树，并由新的父节点向该子节点组播数据包括：

该子节点重新加入组播树，并确定新的父节点后，该控制器计算原父节点到子节点的路径，并向该路径上的节点下发重新配置策略，构建重传路径；

利用该原父节点缓存池中的数据，采用单播方式重传该子节点丢失的数据，包括重新加入组播树期间丢失的数据；该子节点接收到该单播的数据后沿着单播路径返回确认消息给原父节点。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，该方法结合软件定义网络技术和网内缓存技术，利用逐跳确认机制和中间节点缓存实现组播丢失数据快速修复；利用交换机对丢失数据包的感知和识别，实现精确快速数据重传；利用软件定义网络的全局控制特性，监控链路状态，动态调整组播路由。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的控制器处理重传消息的流程图；

图3为本发明实施例提供的基于OpenFlow的组播场景拓扑模型的示意图；

图4为本发明实施例提供的基于Hop-by-Hop消息确认模型的示意图；

图5为本发明实施例提供的处理重传请求的示意图；

图6为本发明实施例提供的处理链路拥塞的示意图；

图7为本发明实施例提供的处理链路断开的示意图；

图8为本发明实施例提供的节点断开形成孤岛的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法，如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤101、父节点将接收到的组播数据包存入与其相连的缓存池中，并根据组播生成树向其子节点发送数据包，且启动重传计时器T。

重传计时器T通常大于2个RTT(往返时延)，可根据实际情况来设定，例如，设为100ms。

执行步骤101之后，可能出现如步骤102～步骤104这三种情况。

步骤102、该父节点在重传计时器T超时前收到所有子节点返回的当前数据包的确认消息(ACK)，此时，执行步骤105。

步骤103、该父节点在重传计时器T超时前收到子节点返回的当前数据包的否定确认消息(NACK)，此时，执行步骤106。

当该父节点与某一子节点之间的链路发生了轻微拥塞时，该子节点交换机处理数据时将数据包丢弃，该子节点立即向父节点发送否定确认消息(NACK)。

步骤104、该父节点在重传计时器T超时前未收到某一子节点返回的当前数据包的确认消息，此时，执行步骤107。

当该父节点在重传计时器T超时前未收到某一子节点，则表示该父节点与该子节点之间的链路发生了严重拥塞，或者该链路已经断开。

步骤105、删除缓存池中相应的数据包。

步骤106、该父节点利用其缓存池中的数据进行重传，并重置重传计时器T。

步骤107、该父节点向控制器发送请求重传消息，请求向该子节点重传数据包。

该步骤107中还包括链路断开与链路严重拥塞的情况；具体可参见图2，其主要包括：

步骤201、控制器接收到该请求后，判断该父节点与该子节点之间的链路是否断开；若链路断开，则执行步骤202；若链路未断开，则执行步骤205。

步骤202、该控制器判断该子节点是否可重新加入组播树，若是，则执行步骤203；否则，执行步骤204。

步骤203、该控制器将该子节点重新加入组播树，并由新的父节点向该子节点组播数据，并构建重传路径进行单播修复。

具体来说，该子节点重新加入组播树，并确定新的父节点后，该控制器计算原父节点到子节点的路径，并向该路径上的节点下发重新配置策略，构建重传路径；利用该原父节点缓存池中的数据，采用单播方式重传该子节点丢失的数据，包括重新加入组播树期间丢失的数据。该子节点接收到单播的修复数据后沿着单播路径返回确认消息给父节点。

步骤204、若没有其他链路连接该子节点和组播树，则该子节点形成了孤岛，无法重新加入组播树，控制器从组播树中删去该子节点，并通知该父节点删除缓存池中相应的缓存，且无需等待该子节点的确认消息，关闭重传定时器。

步骤205、判定该父节点与子节点之间的链路严重拥塞，该控制器绕开该拥塞链路重新计算该父节点至该子节点的其他路径；若存在其他路径，则执行步骤206；否则，执行步骤207。

步骤206、该控制器向该路径上的节点下发重新配置策略，构建重传路径，由该父节点将数据包沿重传路径单播给该子节点，直至拥塞链路恢复正常。

步骤207、当不存在其他路径，且等待t时间后该链路仍然拥塞，则该控制器从组播树中删去该子节点，并通知该父节点删除缓存池中相应的缓存，且无需等待该子节点的确认消息，关闭重传定时器；如果在时间t内链路恢复正常，则利用父节点缓存池重传丢失数据。

另外，本发明实施例中，周期性地重新计算组播树，对组播树进行差异化更新。这样可以尽量减少孤岛节点被删除后链路又恢复正常情况下的损失，而且有利于建立更优的组播树，提高组播效率。

为了便于理解，下面结合如下几个具体实施例来对本发明做进一步的说明。

实施例一

本发明的方案利用了软件定义网络技术、网内缓存技术和Hop-by-Hop确认机制保证组播的可靠传输。

其中，软件定义网络(Software Defined Network,SDN)是由美国斯坦福大学clean slate研究组提出的一种新型网络创新架构，其核心技术OpenFlow通过将网络设备控制面与数据面分离开来，从而实现了网络流量的灵活控制，为核心网络及应用的创新提供了良好的平台。简单的说，OpenFlow是一个新的交换机设计方案以及与之配套的通信协议，其核心思想就是将交换的控制层面和转发层面分离开来，使得传统的由交换机/路由器控制的报文转发过程变成由OpenFlow控制器和OpenFlow交换机共同完成。通过这种将控制层面和转发层面分离的方式，OpenFlow能够对网络实现自主管理。

本实施中，利用OpenFlow控制器来监测整个网络的状态，参见图3。OpenFlow控制器与OpenFlow交换机通过安全通道(Secure Channel)相连，感知整个网络状态和控制网络设备，可以响应OpenFlow交换机的请求和向OpenFlow交换机下发相关命令，实现对整个网络的管理。每个OpenFlow交换机连接有一个缓存池(Storage)，缓存池用来缓存数据包。OpenFlow控制器可以通过向OpenFlow交换机下发指令，完成从缓存池中取数据操作和删除缓存池中数据操作。OpenFlow交换机能够感知入端口的缓存队列丢包，并且可以向OpenFlow控制器发送请求重传消息，要求给其相连的丢包节点重传丢失的数据包。每个OpenFlow交换机维护一个缓存池数据表，该表记录了缓存池中缓存的数据。

数据包在进入OpenFlow交换机的缓存队列后，先进入OpenFlow流水线处理过程，然后再存入缓存池。本实施例中设定OpenFlow交换机在发送数据的同一时刻，将数据存入缓存池，数据存入缓存池后，向父节点返回确认消息。本实施例中暂不考虑缓存池处的丢包问题。

如图4所示，利用Hop-by-Hop确认(逐跳确认)的方式，数据包可以从一个节点传输到另外一个节点，Hop-by-Hop不仅仅需要源节点和目的节点，还需要中间节点的参与。另外，本实施例中，父节点还根据子节点返回的确认消息来决定是否删除缓存中的相应数据，主要步骤包括：

步骤401，1号父节点交换机根据组播树向子节点2号、3号交换机发送数据包，并设定重传计时器T。

步骤402，数据包进入2号、3号子节点交换机的缓存队列，经过交换机处理后，将该数据包存入与之相连的缓存池和向下一级子节点发送，并向1号父节点返回确认消息，表示该子节点已经成功接收到了数据包。

步骤403，如果1号父节点在重传计时器超时之前接收到其所有子节点的确认消息，则删除1号交换机缓存池中相应的缓存数据包。如果1号父节点在重传计时器超时之前未收到所有子节点的确认消息，则向OpenFlow控制器发送请求重传消息。

步骤404，结束。

此处需要注意的是父节点发送请求重传消息由最近的重传计时器超时触发，随后的重传计时器超时并不触发父节点向控制器发送请求重传消息。在图4中，假如2号节点和3号节点的链路出现问题，导致了1号父节点的重传计时器超时，那么就会给控制器发送一个请求重传消息。在控制器处理重传请求消息的过程中，如控制器将3号节点利用其他可用链路重新加入组播组或者为3号节点重新构造一条单播修复路径，这期间1号父节点重传计时器超时并不产生请求重传消息，直到控制器处理重传消息过程结束。如果3号节点重新加入了组播树或者构建好了一条其他路径，就利用1号父节点处的缓存进行单播修复。如果3号节点重新加入组播树失败，就将其从组播组中删除，并告之1号父节点不必等待3号回复确认消息直接删除相关缓存数据。如果为3号节点构建其他路径失败，就等待时间t，如果在时间t内链路恢复正常，就利用父节点重传修复数据；否则就也将其从组播组中删除，并告之1号父节点不必等待3号回复确认消息直接删除相关缓存数据。

实施例二

本实施例主要针对前述步骤107所述的父节点向控制器发送请求重传消息的情况进行说明，如图5所示，其主要包括：

步骤501，父节点未收到所有子节点对当前数据包的确认消息，重传计时器超时，OpenFlow交换机向控制器发送请求重传消息。

步骤502，控制器收到关于某个问题节点的请求重传消息，查看链路是否断开。如果断开，进入步骤503；否则进入步骤505。

步骤503，控制器就将该子节点重新加入组播树，如果加入成功，就从新的父节点向该子节点组播数据。同时OpenFlow控制器计算原父节点到子节点的路径，然后OpenFlow控制器向该路径上的OpenFlow交换机下发策略重新配置交换机，构建重传路径(如图5中的实线箭头)，然后利用原父节点缓存池中的数据，采用单播方式重传节点丢失的数据，包括重新加入组播树期间丢失的数据。如果加入组播树失败，进入步骤504。

步骤504，如果没有路径连接该节点和原来的组播树，该链路断开节点形成了孤岛，控制器从组播树中删去该子节点，并向父节点下发删除指令，告诉父节点不必等待该子节点的确认可以直接删除缓存池中的相关数据。

步骤505，OpenFlow控制器绕开该拥塞链路计算父节点到子节点的其他路径，然后OpenFlow控制器向该路径上的OpenFlow交换机下发策略重新配置交换机，构建重传路径，然后将父节点缓存池中的数据沿着重传路径单播给数据丢失节点。

步骤506，如果没有其他可用路径，则等待时间t，如果链路仍然严重拥塞，从组播组删除该链路节点，告诉父节点不必等待该子节点的确认可以直接删除缓存池中的缓存。如果在时间t内链路恢复正常，则利用父节点缓存池中的缓存数据重传丢失数据。

步骤507，结束。

实施例三

本实施例主要针对链路拥塞和链路断开两种场景的处理情况进行详细的描述。

1)链路拥塞

由于链路拥塞，数据包很容易丢失。在软件定义网络的环境下，交换机是能够感知在处理时缓存队列时数据包的丢失，这就给丢失数据修复带来了极大的便利。

数据包在进入OpenFlow交换机的缓存队列后，并不是立即存入缓存池，然后再进入OpenFlow流水线处理过程。如果OpenFlow交换机缓存队列中的数据包不经过处理而直接进入缓存池，这会带来很多问题，比如，这个数据包是是一个病毒数据，直接不经处理就存入会危害很大；如果直接把无用的数据包存入，又没有下一跳节点请求该数据，则该数据包会成为一个脏数据，后续的删除也会比较麻烦。所以，数据包在进入OpenFlow交换机的缓存队列后，先进入OpenFlow流水线处理过程，然后再存入缓存池。我们设定OpenFlow交换机在发送数据的同一时刻，将数据存入缓存池，数据存入后，向父节点返回确认消息。

当子节点处的交换机在接受数据时发现了数据包丢失，就能够立即向父节点发送否定确认消息，告诉父节点未成功转发数据包。通过交换机感知缓存中的丢包状况，提高网络对丢包的敏感程度，能够大大的减少修复时间。

当丢包发生在链路传输的过程中，或者交换机队列满了，数据包直接被丢弃。此时交换机并不能感知缓存中的丢包。在处理这种情况时，我们就等待重传计时器超时，父节点发送请求重传消息给控制器，让控制器来处理。

但是拥塞可能是链路状况的偶尔波动造成的轻微拥塞，也可能是大量数据传输导致的长时间的严重拥塞。轻微拥塞只是偶发的、暂时性的，链路能够很快地恢复，可以通过父节点重传进行丢包修复；而严重拥塞时，父节点到子节点的链路不可用，这时由父节点直接重传修复成功的可能性也不大。所以，在本发明中当链路处于严重拥塞时，就寻找从父节点到子节点的其他路径进行单播修复。

参见图6，本发明提供了一种应对链路拥塞的处理方法，包括单跳的快速重传、构建单播重传链路和删除长时间严重拥塞的“孤岛”节点。具体步骤如下：

步骤601，父节点根据组播树向子节点发送数据包，并设置重传计时器时间为T。

步骤602，在重传计时器超时之前，如果子节点处的5号交换机在接受数据时发现了数据包丢失，就立即向父节点4号交换机发送否定确认消息(NACK)，告诉4号父节点未能成功转发数据包。4号父节点收到否定确认消息后立即利用缓存池中的数据进行数据重传，如曲线①所示。否则，进入步骤603。

步骤603，重传计时器超时，2号父节点交换机仍没有收到所有子节点对当前包的确认消息，则2号父节点向OpenFlow控制器发送请求重传消息请求重传数据包。

步骤604，OpenFlow控制器收到请求重传消息，查看链路状态信息，发现2号交换机到3号交换机链路没有断开。OpenFlow控制器绕开该拥塞链路计算2父节点到3号子节点的其他路径2->1->4->3，然后OpenFlow控制器向该路径上的2号、1号、4号、3号OpenFlow交换机下发策略重新配置交换机，构建重传路径，然后将父节点缓存池中的数据沿着重传路径发送给数据丢失节点，如曲线②。

步骤605，如果没有其他可用路径，则等待时间t，如果链路仍然严重拥塞，删除该链路节点。如果在时间t内链路恢复正常，则利用父节点缓存池重传丢失数据。

步骤606，结束。

2)链路断开

传输过程中，最坏的情况就是链路发生断开。链路断开时，不仅仅是丢包这么简单了，而是上行和下行数据都不能够传输，整个链路处于瘫痪状态。当某些组成员节点因为链路断开，造成子节点无法接转发数据包，子节点自然也不能发送确认消息，父节点也就不能收到所有子节点的确认消息了。参见图7和图8，本发明就在软件定义网络技术、网内缓存技术和Hop-by-Hop消息确认的基础上，提供了一种应对链路断开的处理方法，包括子节点重新加入组播树，构建单播重传路径，具体步骤如下：

步骤701，重传计时器超时，2号父节点交换机未收到所有子节点返回的确认消息，父节点向OpenFlow控制器发送请求重传消息请求重传数据包。

步骤702，OpenFlow控制器收到重传请求数据包后，查看该链路状态信息，发现2号父节点交换机和3号子节点交换机之间的链路已经断开。控制器就将3号子节点重新加入组播树，如果加入成功，则进行下一步703，否则进入步骤704。

步骤703，子节点重新加入组播树，新父节点为5号交换机，此后从5号交换机接收组播数据。同时OpenFlow控制器计算原父节点即2号交换机到重新加入后的3号子节点的路径2->1->4->5->3，然后OpenFlow控制器向该路径上的OpenFlow交换机下发策略重新配置交换机，构建重传路径，然后利用父节点缓存池中的数据，重传节点丢失的数据，包括重新加入期间丢失的数据，如图中曲线所示。

步骤704，如果没有路径连接该节点和原来的组播树，该链路断开节点形成了孤岛(如图8所示)，控制器从组播组中删去该子节点，并向父节点下发删除指令，告诉父节点不必等待该子节点的确认可以直接删除缓存池中的缓存。

步骤705，结束。

上述本发明实施例的方案中，将软件定义网络技术和网内缓存技术进行结合，利用逐跳确认机制和中间节点缓存实现快速修复组播丢失数据；利用交换机对丢失数据包的感知和识别，实现精确快速数据重传；利用软件定义网络的全局控制特性，监控链路状态，动态调整组播路由。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于网内缓存和逐跳确认的可靠组播方法，其特征在于，该方法包括：

父节点将接收到的组播数据包存入与其相连的缓存池中，并根据组播生成树向其子节点发送数据包，且启动重传计时器T；

若该父节点在重传计时器T超时前收到所有子节点返回的当前数据包的确认消息，则删除缓存池中相应的数据包；若该父节点在重传计时器T超时前收到子节点返回的当前数据包的否定确认消息，则该父节点利用其缓存池中的数据进行重传，并重置重传计时器T；

若该父节点在重传计时器T超时前未收到某一子节点返回的当前数据包的确认消息，则该父节点向控制器发送请求重传消息，请求向该子节点重传数据包；

其中，该父节点向控制器发送请求重传消息，请求向该子节点重传数据包包括：

控制器接收到该请求后，判断该父节点与该子节点之间的链路是否断开；

若链路断开，则将该子节点重新加入组播树，并由新的父节点向该子节点组播数据；若没有其他链路连接该子节点和组播树，则该子节点形成了孤岛，无法重新加入组播树，控制器从组播树中删去该子节点，并通知该父节点删除缓存池中相应的缓存，且无需等待该子节点的确认消息；

若链路未断开，则判定该父节点与子节点之间的链路拥塞；该控制器绕开该拥塞链路重新计算该父节点至该子节点的其他路径，若存在其他路径，则构建重传路径，由该父节点将数据包沿重传路径单播给该子节点，直至拥塞链路恢复正常；若不存在其他路径，且等待t时间后该链路仍然拥塞，则该控制器从组播树中删去该子节点，并通知该父节点删除缓存池中相应的缓存，且无需等待该子节点的确认消息；如果在t时间内链路恢复正常，则利用父节点缓存池重传数据包。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述若链路断开，则将该子节点重新加入组播树，并由新的父节点向该子节点组播数据包括：

该子节点重新加入组播树，并确定新的父节点后，该控制器计算原父节点到子节点的路径，并向该路径上的节点下发重新配置策略，构建重传路径；

利用该原父节点缓存池中的数据，采用单播方式重传该子节点丢失的数据，包括重新加入组播树期间丢失的数据；该子节点接收到该单播的数据后沿着单播路径返回确认消息给原父节点。