CN104780205B - 内容中心网络的内容请求及传输方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内容中心网络的内容请求及传输方法和系统，该方法包括如下步骤：A、接收用户端发送的探测消息；B、向用户端发出反馈信息；C、接收用户端广播的关于内容的兴趣消息；D、响应兴趣消息，返回包含用户想要的数据的消息。本发明通过探测消息和反馈消息的设置，可实现采用分布式动态内容请求及传输方案调度发送消息，可以充分利用内容中心网络的动态缓存路由器及源服务器，实现基于数据块的多点并行传输机制，优化用户数据请求模式，最小化数据传输时间。

Description

内容中心网络的内容请求及传输方法和系统

技术领域

本发明涉及内容中心网络(Content Centric Network，CCN)中一种内容的请求与传输方法和系统，属于计算机互联网领域。

技术背景

互联网自诞生之日起，获得了飞速的发展。随着规模的膨胀，现有的互联网体系结构及通信模式面临巨大挑战。第一类互联网应用例如文件传输和远程登陆主要集中于端到端的通信。用户明确指示源主机和另一个主机进行通信，网络的唯一作用就是将头部中携带目的地址的分组进行传输。当前网络的体系结构是建立在端到端的传输模式，通信一端需要获得对端的IP地址，才能建立连接实现通信，该结构非常适合静态主机对之间的通信。这种通信方式在互联网发展的初期，比较符合实际的通讯需求，促进了互联网的繁荣。然而，近40年来，互联网的飞速发展促使自身发生了巨大改变，大量的创新应用不断产生。随着这类应用的不断发展，基于TCP/IP的现有互联网也逐渐暴露出诸多问题。尤其是近年来，内容分发类应用大量涌现，如视频网站(优酷、土豆等)、广播电视网络化等。在此类应用中，用户更加关心内容，而非内容的位置。例如，用户知道自己要访问新浪的新闻头条，或者优酷上的视频，或者访问自己的银行账户，但是并不知道也不关心这些数据或者服务由哪个机器来提供。同时，当前互联网路由器无法识别其传输的内容，导致同样的数据在某些网络路径中冗余传输，降低网络带宽实际利用率。例如，当清华校园网的N个用户请求优酷的同一个视频时，对每一个用户，网络都需要从优酷发送一份完整的视频。在清华到优酷服务器的共同路径上，N份完全相同的数据不断传输，造成了网络带宽的浪费。

近年来，未来互联网研究逐渐展开，其中内容中心网络(Content CentricNetwork，CCN)，作为未来网络研究的主流方向之一，获得了充分的重视。CCN主要从两个方面解决当前网络面临的困境：实现基于内容名字的路由和设计支持内容缓存的路由器。前者将用户从端到端通信模式中彻底解放，用户不再需要关心内容的位置，只需要向网络请求所需内容。后者使路由器能够识别并缓存其传输的内容，在网络层实现了传输内容的复用，大幅度提高带宽利用率。

CCN实现基于内容名字的路由来取代基于端的IP地址的路由。在CCN中，内容被分割成若干的数据块(Chunk)，有两种类型的消息：兴趣消息(Interest)和数据消息(Data)。用户想要访问内容时，向网络中广播关于这个内容的兴趣消息。任何接收到兴趣消息并且拥有该内容的节点，向用户返回数据消息。由于兴趣消息和数据消息都是用内容的名字来标识，所以多个想要访问同一内容的用户可以共享传输。CCN中实现基于内容名字路由的两个主要模块：路由转发表(FIB，Forwarding Information Base)，用户请求记录表(PIT，Pending Interest Table)，如附图1所示。FIB表是用来转发兴趣消息到可能拥有对应数据的节点。它与传统网络的IP转发表很像，但是它允许多个转发端口而不是一个。这使得在CCN中，用户可以并行的从多个数据节点请求数据。PIT表记录了从该节点被转发出去的兴趣消息，所以返回的数据消息可以往下流方向被发送回它的请求者。在CCN中，兴趣消息可以被路由转发，它们留下“从哪里来”的信息，使得到达的对应数据消息能够沿着对称路径返回请求者。每个PIT前缀记录了每个兴趣消息是从哪个端口来的，并且一旦被使用来转发对应的数据消息，会立即被删除。永远没有对应数据消息返回的PIT前缀最终也会因为超时而被删除掉。用户如果依然想要该数据，就得重发兴趣消息。

CCN实现可缓存内容的路由器。CCN会提供网内缓存机制，即在每个路由器中实现一个内容缓存模块(Content Store)。这个内容缓存模块与IP网络中的缓冲空间类似，但是可以有不同的替换策略。由于每个IP分组只属于一个单一的点对点的通信连接，在被转发到下流之后便不会再被利用。因此，在该分组被转发之后，就可以立即直接回收这个分组的缓存空间(MRU替换策略)。而CCN分组是自我识别，自我认证的，所以每个数据分组，尤其是流行内容的分组，很可能对多个用户有用。例如多个用户阅读访问同一个网页，观看同一个视频。为了最大化共享率，最小化上流带宽的需求和下流的延迟，CCN将记住到达的数据分组，即尽可能的保存在缓存中(LRU或者LFU替换策略)。

CCN基于内容名字的路由和可缓存内容的路由器，给网络带来了众多的好处。例如，CCN因其数据消息提供了数据签名，可以被接收者验证其真实性。此外CCN网络不保证数据通道的安全性，因为可以从任意缓存处取得。这样也使得CCN具备对许多DOS攻击的防御能力。CCN支持内容分发和多播功能，可以减低负载和延迟，同时较IP有更高的鲁棒性和灵活性。

CCN虽然很多的优点，但是由于其自身的缺点，要将其大量部署也面临众多的挑战。例如CCN的部署需要路由器支持高速的基于内容名字的路由和数据块级别的缓存能力，现在的路由器技术还不足以支撑。其次CCN采用分级的命名方案，这种方案在安全性上不如扁平的命名方案。再者，没有一个好的CCN的缓存方案，现存的方案如随机缓存，到处缓存(Leave everything everywhere)，基于概率的缓存等方案都不够理想。CCN的拥塞控制研究仍然还处于初步的研究阶段，出现的研究成果不多。CCN忽略了数据块级别的多点并行传输，使得CCN现在的数据传输方案无法充分利用网内缓存。

现有的CCN请求内容的传输方案是从拥有最小往返时延的数据节点获得。用户发送兴趣消息，这个兴趣消息会根据FIB表转发到多个数据源(CCN节点的缓存命中或者源服务器)，相应的数据消息沿着对称路径返回，同时经过的节点的PIT表中的相应条目也会被删除。这样后续到达的消息分组，因为PIT中没有相应的条目，则直接被丢弃。这样的方案中，接收者接收到的数据消息，实际就是从具有最小往返时延的数据源发送回来的，这是一种单点单行的传输机制。

但是CCN的这种传输方案，并没有实现数据块级别的多点并行传输。CCN的实现了可缓存内容的路由器，当数据块被传输时，路径上的路由器可以缓存这些数据，这使得后来的用户如果请求一个数据块，便可能并行的从多个数据源获得，通信方式也变成了点对多点。同时，CCN的数据块的分布受众多因素的影响，如缓存策略，现有的流量，内容的流行度，缓存大小等，由于内容流行度，现有流量都是随时间不断变化的，所以CCN数据块的分布也是动态变化的。所以从用户的角度，如何充分利用内容中心网络的动态缓存路由器及源服务器，实现基于数据块级别的多点并行传输，优化请求模式，充分降低数据传输时间，是内容中心网络面临的重要挑战之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内容中心网络的内容请求及传输方法和系统，通过充分利用内容中心网络的动态缓存路由器及源服务器，实现基于数据块的多点并行传输机制，优化用户数据请求模式，最小化数据传输时间。。

为此，本发明提出一种内容中心网络的内容请求及传输方法，包括如下步骤：A、接收用户端发送的探测消息，通过基于接收者驱动的内容节点探测机制来使用户端发现和学习数据块分布情况；B、向用户端发出反馈信息，路由器或服务器根据探测消息中的名字域返回包含关于内容的数据块分布情况的反馈消息。路由器转发反馈消息时，根据反馈消息头部的内容名字，在PIT中查找，如果有相应匹配条目，则根据查找的端口转发出去，如果在PIT中没有匹配，则丢弃该反馈消息；C、接收用户端广播的关于内容的兴趣消息，兴趣消息到达路由器时，根据兴趣消息中数据源选择域的数据源标识，首先验证路由器标识是否是兴趣消息中的数据源标识，如果是，则查看缓存中是否有被请求的内容，如果有则响应该请求，发回填入该路由器标识的数据消息，并丢弃该兴趣消息；如果内容缓存中没有被请求的内容，发回“没有用户请求的数据块”消息；如果路由器标识不是兴趣消息中的数据源标识，则查看PIT中是否有该内容名字条目，如果PIT有相应条目，则添加端口；如果PIT中没有，则查找FIB，如果在FIB中找到，则按照查找到的所有端口转发兴趣消息，并在PIT中记录；如果FIB中也没有该内容名字条目，则丢弃该兴趣消息；D、响应兴趣消息，返回包含用户想要的数据的消息。

本发明还提出一种内容中心网络的内容请求及传输系统，其特征是采用上述方法进行内容的请求及传输。

本发明具有以下优势：通过探测消息和反馈消息的设置，可实现采用分布式动态内容请求及传输方案调度发送消息，可以充分利用内容中心网络的动态缓存路由器及源服务器，实现基于数据块的多点并行传输机制，优化用户数据请求模式，最小化数据传输时间。

附图说明

图1是CCN路由器的主要模块示意图。

图2是一个假想的网络的拓扑及内容的数据块分布示例。

图3是基于接收者驱动的内容节点探测机制处理过程示例。

图4是图2所示的网络拓扑S1-S2-S4路径上的内容节点探测机制过程示例。

图5是基于接收者驱动的兴趣消息发送机制处理过程示例。

图6是基于增广拉格朗松弛的子问题分解算法流程图。

图7是基于启发式的贪心算法流程图。

具体实施方式

内容中心网络中，数据块的分布情况，受多个因素的影响。这些因素包括，缓存策略，现有的交叉流量，内容流行度和缓存大小。例如沉重的交叉流量，小的缓存大小，流行度较大的内容，采用的缓存策略，如基于随机缓存或者基于概率的缓存等都会使得数据块分布发生变化。对于用户来说，无法预知数据块的分布情况，因此便无法有效的优化数据请求模式。

本发明提出“基于接收者驱动的内容节点探测机制”，这是一个发现并学习网络中数据块的分布情况的机制。在本实施例中，为内容中心网络提出两个新类型的消息，探测消息(Probe)和反馈消息(Feedback)，加上内容中心网络本身就有的两类消息兴趣消息(Interest)和数据消息(Data)，总共四类消息。

首先对本实施例涉及的重要的相关名词及四类消息类型做出如下解释：

1)数据块：任何内容都可以被分割成固定大小的若干分片，这样的分片就是数据块；

2)数据源：存储了相应内容的数据块的节点，可以是动态缓存的路由器，也可以是源服务器；

3)NACK消息：当用户指定的数据源没有用户请求的数据块时，返回这个消息。

3)兴趣消息：用户通过广播该消息，来请求想要的内容数据，用内容名字加数据块号标识，如“video1/01”，在传播过程中可被路由器路由转发，并且多个兴趣消息，也可以在用户请求记录表中，因名字标识一样，而被聚合成一个条目。；

4)数据消息：数据源响应兴趣消息，返回包含用户想要的数据的消息，用内容名字标识，如“video1/01”；

5)探测消息：用户通过广播该消息，来发现和学习网络中想要的内容的数据块的分布情况，用内容名字加用户名字的分层标识，如“video1/Bob”，其中video1是内容名字，Bob是用户名字。在传播探测消息时，根据内容名字“video1”进行路由和转发，“Bob”不用来路由，其主要功能是避免PIT表中聚合；

6)反馈消息：存储了该内容的数据节点(动态缓存路由器或者源服务器)响应探测消息，返回包含内容数据块分布情况的消息，如“video1/Bob”。

对于兴趣消息、数据消息、探测消息和反馈消息这四类消息的格式设置如下表1-4所示。(注意NACK消息可以看作是一类特殊的数据消息)

表1：兴趣消息的格式

类型
	名字
兴趣消息生命周期
	数据源选择域
其他参数

表2：数据消息的格式

类型
	名字
数据源的标识
	内容
签名认证
	其他参数

表3：探测消息的格式

类型
	内容名字+用户名字
探测消息生命周期
	其他的参数

表4：反馈消息的格式

类型
	内容名字+用户名字
数据源的标识
	数据块的块号
其他参数

一、内容中心网络中，用户通过基于接收者驱动的内容节点探测机制来发现和学习数据块分布情况的过程可以描述如下：

1)用户即接收者广播关于该内容的探测消息，当一个探测消息到达时，路由器根据探测消息中的内容名字，首先查找路由器中的内容缓存，如果缓存中有被探测的内容的数据块，则响应该探测，发回包含缓存中存储的数据块号以及路由器的标识的反馈消息，并根据FIB表，继续向网络中转发该探测消息，然后在PIT中记录内容名字前缀；如果内容缓存中没有被请求的内容，直接转发该探测消息，并在PIT中记录该内容名字条目。在转发探测消息的时候查找FIB是否记录了对应内容名字条目。如果在FIB中找到，则按照FIB中该内容名字条目所记录的所有出端口转发探测消息。如果FIB中也没有该内容名字条目，则丢弃该探测消息，当探测消息到达了源服务器时，源服务器查找硬盘中该内容的数据块分布情况，并且响应该探测消息，返回包含硬盘中存储的数据块号及服务器的标识的反馈消息。

2)路由器对反馈消息的处理也比较简单，当反馈消息到达时，根据反馈消息头部的内容名字，在PIT中查找，如果有，则根据查找的端口转发出去，如果在PIT中没有匹配，则丢弃该反馈消息。

可以看出，在本实施例的设计中，探测消息和普通的兴趣消息一样根据内容名字进行路由和转发，并且在PIT表中记录，反馈消息和普通的数据消息一样会沿着对称路径返回接收者。但是探测消息和反馈消息与兴趣消息和数据消息之间的不同有如下四点：

(1)探测消息和反馈消息用内容名字加用户名字来标识，而兴趣消息和数据消息用内容名字加数据块号来标识；

(2)探测消息不能被聚合，兴趣消息可以被聚合；

(3)路由器接收到反馈消息并转发之后，不能删除PIT表中相应PIT前缀，只能等生命周期到了后自动删除，但是接收到数据消息并转发之后，必须删除PIT表中相应PIT前缀。

(4)反馈消息封装的内容是各个节点上所存储的该内容的数据块号信息，而不是数据本身，而数据消息封装的内容就是数据本身。

用户发送探测消息，每到达一个路由节点，查看本节点内容缓存中是否存在的该内容的数据块信息，如果存在就返回反馈消息，并转发探测消息；否则只需要转发探测消息。当接收者收到返回的反馈消息，就知道了所有的数据源，以及在该数据源上分布的数据块。整个过程可以用附图3表示。

例如假定如图2的拓扑，用户请求的一个文件内容A被分隔成10个数据块，每个路由节点或者服务器上缓存的数据块如下表所示的数组。

内容A的数据块分布 S5

S1	1，3，5
		S2	2，4，7
S3	2，6，8
		S4	1-10
S5	1-10

图2的其中一条路径上的内容节点探测机制的示例过程，可以用图4来表示。

二、基于接收者驱动的兴趣消息发送机制

内容中心网络中，基于接收者驱动的兴趣消息发送机制，是一个基于多进程滑动窗口的机制，这个机制在用户端为每个数据源都建立一个相互独立的发送窗口，每个发送窗口中的兴趣消息，都建立一个进程来发送，当收到该窗口对应接收的数据消息时，窗口就往前滑动，当存在多个数据源时，就需要建立多个滑动窗口，需要多个进程来发送兴趣消息，这就是多进程滑动窗口机制。

当用户应用基于接收者驱动的内容节点探测机制发现和学习到了数据块在网络中的分布情况，便可以为每个数据源都唯一的建立一个滑动窗口，并且该滑动窗口发送的兴趣消息中的数据源选择域(数据源选择域是用户用来选择或者指定能够响应对应兴趣消息并回复数据消息的数据源)中，都填入该数据源的标识。用户根据从对应数据源返回的数据消息，更新对应窗口的往返时间RTT和窗口能够发送兴趣消息的数量。

用户使用基于接收者驱动的兴趣消息发送机制的过程可以描述如下：

1)用户对兴趣消息的处理：用户广播关于该内容的兴趣消息，并且在该消息的数据源选择域(Selector)中填入该窗口对应的数据源的标识。例如，用户请求一个视频内容，则封装一个兴趣消息，该兴趣消息的标识为“video1/01”，数据源选择域为“src1”，并发送出去，最终用户会收到由数据源“src1”返回的标识为“video/01”的数据消息。

2)用户对数据消息的处理：当数据消息时到达用户时，用户首先接收该数据消息，并且将该数据块号从滑动窗口中删除；验证该窗口对应的数据源的标识是否等于数据消息中的数据源的标识ID，如果相等，则说明该数据消息是从指定数据源返回的，可以作为该数据源测量往返时间RTT的样本，否则，该数据消息便不能用来测量该数据源的往返时间RTT的样本。

3)路由器对兴趣消息的处理：当一个兴趣消息到达时，路由器根据兴趣消息中数据源选择域(Selector)的数据源标识，首先验证路由器标识是否是兴趣消息中的数据源标识，如果是，则查看缓存中是否有被请求的内容，如果有则响应该请求，发回填入该路由器标识的数据消息，并丢弃该兴趣消息；如果内容缓存中没有被请求的内容，发回NACK消息。如果路由器标识不是兴趣消息中的数据源标识，则查看PIT中是否有该内容名字条目，如果PIT有相应条目，则添加端口即可；如果PIT中没有，则查找FIB，如果在FIB中找到，则按照查找到的所有端口转发兴趣消息，并在PIT中记录。如果FIB中也没有该内容名字条目，则丢弃该兴趣消息。

4)路由器对数据消息的处理：当数据消息到达时，根据数据消息头部的内容名字字段，首先在路由器的内容缓存中查找，如果有，则丢弃该消息包；如果没找到，则在PIT中查找，如果有，则根据查找的端口转发出去，然后缓存在路由器的内容缓存中；如果在PIT中没有匹配，则丢弃该数据消息。

基于接收者驱动的兴趣消息发送机制的处理过程可以用附图5来表示。

三、分布式动态内容请求调度机制

本部分提出分布式动态内容请求调度机制，通过分布式动态内容请求调度机制，对于将要请求的内容对象，调度兴趣消息的发送，向各个数据源请求内容对象的各部分数据。用户按照调度结果调度兴趣消息向各个数据源发送，最终从多个数据源并行地、分布式地请求内容对象的各部分数据，而不是从单一的数据源上请求内容对象的全部数据。这种分布式请求调度，能使得请求完该内容对象的时间尽可能的短。

1)分布式内容请求调度问题的形式化描述

例如，如附图2所示的一个可能的情形，一个内容对象A被分割成大小一样的10个数据块，向5个存储了该内容数据块的数据源S1，S2，S3，S4，S5请求该内容对象。其中数据源S1存储了该内容块号为1，3，5的数据块；数据源S2存储了块号为2，4，7的数据块，数据源S3存储了块号位2，6，8的数据块，S4，S5存储了所有的数据块。

假设S1，S2，S3，S4，S5对用户往返时延分别为：t1＝40ms，t2＝60ms，t3＝50ms，t4＝90ms，t5＝80ms。并且相应的对该接收者的发送窗口大小分别为w1，w2，w3，w4，w5。

该问题的目标即是充分利用这些数据源，调度兴趣消息的发送，最终实现基于数据块的多点并行传输机制，优化用户数据请求模式，最小化数据传输时间。图5所述的情形，更一般的模型表述如下：

假设：一个内容对象是由一些独立的数据块组成，且每个都有相同的大小为M，表示为C＝{C₁，C₂，......C_p}。一个可选的数据源集合{S₁,S₂,......S_q}，每个数据源S_k，到接收者的传播时延为t_k(这里将其视为往返时间RTT的一半)，接收者对其的发送窗口大小为w_k，则数据源对接收者的发送速率并且相互之间能够并行传输而互不影响。每个数据源S_k，存储了该内容对象的一定数量的数据块，表示为

目标：对于每个数据源S_k，找到一个数据块组，满足，CG_i∩CG_j＝φ(i≠j,i、j∈[1,q])和 表示向数据源S_k请求的数据块，必须满足S_k中存储了该数据块。CG_i∩CG_j＝φ(i≠j，i、j∈[1，q])表示每个数据块只能向一个数据源请求，从而避免冗余。表示整个内容对象的每一个数据块都要被请求。按照这样的情况，向对应数据源请求数据块，优化用户数据请求模式，最小化完成整个内容对象的传输时间。

该模型可以表述如下(1)：

满足:

在式(1)中，χ_ij表示用户是否向数据源S_j请求数据块C_i，如果χ_ij＝1表示用户向数据源S_j请求数据块C_i，反之χ_ij＝0。表示用户完成整个内容对象的传输的时间。

1)算法

针对上面描述的问题，本实施例拟提供两种算法：基于增广的拉格朗日松弛的子问题分解算法和基于启发式的贪心算法。通过算法复杂性分析，上述问题具有指数级别的时间复杂度，可以规约为经典的组合优化问题，是NP难问题。针对此情况，本实施例首先提供基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法，该算法目标是求得最优传输方案。然而，该算法复杂度较高，适用于小规模网络和计算能力富余的用户端使用。针对大规模网络及计算能力较弱的用户端，本实施例设计了基于启发式的贪心算法。该算法能够为用户求得近似最优的多源传输方案，同时有效控制了计算代价。

(1)基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法

拉格朗日松弛是解决组合优化问题的使用最广泛的方法之一。拉格朗日松弛主要有两类的方法：经典拉格朗日松弛方法和增广拉格朗日松弛方法。经典拉格朗日松弛方法在求解优化问题时，由于对偶间隙较大，常常得到不可行解。而增广拉格朗日松弛能够得到可行解，但是引入了二次项而不可分解。为了克服这个缺点，本文提出基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法，将复杂问题分解为多个简单易求解的子问题，从而降低问题的复杂性和难度，获得原问题的近似解。对于公式(1)描述的数学问题的目标函数，是q个线性函数的最大值，所以将所给问题转化成q个01线性规划问题来求解，为此可以将第k个01线性规划问题I_k表示为公式(2)。其中p表示数据块的数量，q为数据源的数量。数据源S_k到用户或者接收者的传播时间为t_k，接收者对其的发送窗口大小为w_k，则数据源对接收者的发送速率χ_ij表示用户是否向数据源S_j请求数据块C_i，如果χ_ij＝1表示用户向数据源S_j请求数据块C_i，反之χ_ij＝0。

定义域D：

在数学上是可以证明：

[1]若问题(1)有最优解χ^*则必然存在k∈[1,p]，使得最优解χ^*为01线性规划问题I_k的解。

[2]若对所有的k∈[1,p]，01线性规划问题I_k有最优解χ^k*，则其中拥有最小目标函数的解，是问题(1)的最优解。

因此本算法中，通过求解这q个01线性规划问题来得到原问题的解。本算法将定义域D中的q个难约束进行增广拉格朗日松弛之后，得到01规划问题I_k的增广拉格朗日对偶问题，可以表示为公式(3)。其中p表示数据块的数量，q为数据源的数量。数据源S_k到用户或者接收者的传播时间为t_k，接收者对其的发送窗口大小为w_k，则数据源对接收者的发送速率χ_ij表示用户是否向数据源S_j请求数据块C_i，如果χ_ij＝1表示用户向数据源S_j请求数据块C_i，反之χ_ij＝0。λ_j和μ_j都是惩罚因子。

定义域D'：

注意到公式(3)中增广拉格朗日函数含有二次惩罚项而不能将其分解为更小的子问题。本算法拟利用可分化方法，进一步将公式(2)所描述的增广拉格朗日对偶问题分解，起到进一步降低复杂度的作用。具体来讲就是将二次项在当前迭代处线性化，再增加一个二次的可分离项于是有公式(3)求解增广拉格朗日对偶问题就可以分解为p个子问题的最值(是新的迭代)公式(4)。

公式(4)

上式的意义就是对于固定的i∈[1,p]，在定义域D”

定义域D”：

中，由于即每个数据块Ci只能选择一个数据源，只有一个j使得χ_ij为1其他的都为0，从最小化目标函数来看，就是选择出具有最小系数的χ_ij，使χ_ij＝1，其他的为0。就可以得到新的迭代的解。

增广拉格朗日松弛算法可采用类似非线性规划的梯度——次梯度优化算法，它有两个主要步骤：

第一步是确定一个λ，μ及求解对应松弛问题的最优解X；第二步是当X不是01线性规划问题的可行解即不满足约束时，将其可行化.系数修正法是增广拉格朗日松弛启发式算法的一种形式.在给出λ¹，μ¹后，类似次梯度优化算法，系统地调整拉格朗日系数，而修正的方法依赖于问题本身.

基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法步骤：

步骤1：首先将分布式内容请求调度模型转化为q个01线性规划问题。

步骤2：对于公式(2)所描述的01线性规划问题I_k,k∈[1,q],给定初始的λ⁰，μ⁰，迭代次数l＝0，执行步骤3。

步骤3：l＝l+1,利用增广拉格朗日松弛方法，得到01线性规划问题的对偶问题，利用二次项线性方法，将其分解为p个求最小值得问题，如公式(4)，对于任意的i∈[1,p],选择最小的系数，假如是χ_ik，使其χ_ik＝1，其余为0。也就是将数据块C_i分配给数据源S_k。以此类推，最终得到解χ^l。

步骤4：验证χ^l是否是可行解，如果满足则得到01线性规划问题I_k,k∈[1,q]的解，停止计算。否则执行步骤5。

步骤5：调整拉格朗日系数λ^l，μ^l，λ^l＝2·λ^l，μ^l＝2·μ^l,l＝l+1。转到步骤3。

步骤6求出所有的q个01线性规划问题的解之后χ，选择具有最小的目标函数的解作为分布式内容请求调度模型的最优解。

从算法步骤可以看出，基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法的思想就是将原问题分解成多个更容易求解的子问题，并且通过拉格朗日松弛算法将可行域中的难约束引入到目标函数中，从而使得问题更加容易求解。从我们的算法可以看出，我们最终可以将原问题经过松弛，经过两层分解，最终将原问题分解成了p×q个子问题，而最终的子问题是极易求解的。

(2)基于启发式的贪心算法

在上一部分提出基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法，虽然可以求解出较好的解，但是算法复杂度仍然比较高，对于大规模网络和计算能力较弱的用户，该算法并不适用。因此本实施例提出基于启发式的贪心算法来解决大规模网络和计算能力较弱的用户所面临的分布式内容请求调度问题。

基于启发式的贪心算法是不从整体最优上加以考虑，所做出的仅是在某种意义上的局部最优解。针对本实施例提出的分布式内容请求调度问题，按照数据块号的递增的顺序分配数据源，对数据块i分配数据源时，从数据块i可选的数据源中，选择具有当前最小准备时间的数据源分配给数据块i。这样使得完成整个文件请求的时间最小。

启发式贪心算法步骤：

假如有p个数据块，q个数据源，向各个数据源请求一个数据块的时间代价是v_k是数据源k对用户的发送速率。t_k代表数据源k对用户的往返时延。

步骤1：建立一个数据结构MCT(最小完成时间)，是一个1×q维的数组，用来保存当前各个数据源的准备时间，初始化为各个数据源的传播时延(这里将其视为往返时间RTT的一半)。初始化i＝0，执行步骤2。

步骤2：i＝i+1，对于数据块C_i，如果可选择的数据源集合为J＝{j|C_i∈S_j}，选择J中具有最小的MCT(j)的标号k，将数据块C_i，分配给数据源k，即χ_ik＝1，其他的都为0。并且更新MCT(k)＝MCT(k)+1/v_k(MCT(k)表示数据源k当前的准备时间，v_k即用户对应数据源k的发送速率，即数据源k传输一个数据块给用户的时间。)。执行步骤3。

步骤3：如果i>p，退出该算法，否则，执行步骤2。

2)分布式动态内容请求调度机制

用户在执行接收者驱动的兴趣消息发送机制的时候，可以监测每个数据源的发送窗口的大小和往返时延RTT，同时用户周期性(根据用户的条件来确定一个合适的周期，太大的周期，将不能应对网络中数据块分布的变化，而太小的周期，将会带来很大的计算代价，对于计算能力比较弱的用户，最终得不偿失)的执行接收者驱动的内容节点探测机制，来发现网络中数据块分布情况的变化。然后建立分布式内容请求调度模型。

根据调度模型，选择基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法或者贪心算法来求解该模型。基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法的目标是求得最优传输方案。然而，该算法复杂度较高，适用于小规模网络和计算能力富余的用户端使用。针对大规模网络及计算能力较弱的用户端，可以选择基于启发式的贪心算法。该算法能够为用户求得近似最优的多源传输方案，同时有效控制了计算代价。

分布式内容请求调度机制执行过程如下：

(1)根据数据对象在网络中的分布情况及请求代价(请求代价，是指对某个数据源而言，请求一个数据块所用的时间代价。计算代价，即用户为内容请求调度问题计算调度方案所用的时间代价)情况，建立公式(1)所描述的数学模型。根据情况选择贪心算法或者基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法求解该问题的解。

(2)根据计算出来的解，组织兴趣消息的发送。执行基于接收者驱动的兴趣消息发送机制，并且监测每个数据源的发送窗口的大小和往返时延RTT。

(3)周期性的执行基于接收者驱动的内容节点探测机制，监测网络数据块分布的变化情况。依据变化情况更新传输方案。

四、具体模块构成

本方案需要对用户端和路由器进行修改升级。主要的改动在用户端，对于网络中的路由器设备改动较少，路由器对兴趣消息和数据消息的处理不进行任何修改。用户端需要增加内容节点探测模块和分布式动态内容请求调度模块，网络状态监督模块(网络监督模块是触发模块，或者判断模块。用户端基于接收者驱动的内容节点探测机制发现网络的变化，这个变化包括网络中数据块分布的变化和各个数据源到接收者的往返时延和发送速率。网络监督模块判断是否应该触发执行分布式内容请求调度机制)，同时修改兴趣消息发送模块。下面具体的介绍每一个模块的功能和实现。

4.1 内容节点探测模块

内容节点探测模块的主要功能是使用户获取网络中某内容对象的数据块的分布情况。这个模块主要通过用户发送探测消息，和接收反馈消息来实现的。下面分别介绍这个模块在用户端、路由器及源服务器的不同处理的实现。

4.1.1 用户端

(1)用户端发送探测消息：

用户想要请求某个内容，则将内容名字和用户名字，如“video1\Bob”作为探测消息的标识，探入内容名字域中，然后向所有可选链路广播该探测消息。

(2)用户端接收反馈消息：

用户接收到反馈消息时，从反馈消息中，提取出数据源的标识ID，以及在该数据源上存储的该内容的数据块号。

4.1.2 CCN路由器

(1)接收到探测消息

当探测消息到达时，将探测消息的内容名字和用户名字提取出来，在PIT中加入内容名字和用户名字组成的前缀条目，如“video1\Bob”。然后根据内容名字“video1”在路由器的缓存中查找是否存在该内容的数据块，如果存在就将保存的数据块的块号以及路由器的标识封装成反馈消息，返回给用户。然后根据FIB表转发该探测消息。如果内容缓存中没有该内容对象的数据块，则直接根据FIB表转发出去。

(2)接收到反馈消息

当反馈消息到达时，根据反馈消息的内容名字和用户名字，以及PIT表中的相应条目，从相应的端口中转发，但是不删除PIT表中的该项目，而让其等待到超时自动删除掉。如果PIT表中没有对应的前缀，则直接丢弃。

4.1.3 CCN服务器端

对于某一内容对象而言，CCN服务器一般会永久的存储着该内容的全部或者部分的数据。CCN的服务器接收到探测消息时，查看探测消息的内容名字，然后在服务器的存储上查找该内容名字对应的数据块，然后将这些数据块的块号，作为反馈消息的内容，并且将CCN服务器本身的标识都封装在反馈消息中，然后沿着对称路径返回给用户。

4.2 兴趣消息处理模块

兴趣消息发送模块的主要功能是用户根据反馈消息，对每个数据源分别维护一个独立的滑动窗口和独立的往返时延的测量，使用基于滑动窗口的机制发送兴趣消息。下面分别介绍这个模块在用户端、路由器及CCN服务器的不同处理的实现。

4.2.1 用户端

(1)用户端维护滑动窗口和发送兴趣消息：

用户根据返回的反馈消息，为每个数据源建立一个独立的滑动窗口和独立的往返时延的测量。每个滑动窗口并行地发送兴趣消息。发出去的兴趣消息在其数据源选择域(Selector)中都填入了对应窗口的数据源的ID，然后发送出去。

(2)用户端接收数据消息：

用户某个窗口接收到数据消息时，提取出内容之后，验证该窗口对应的数据源的标识是否等于数据消息中的数据源的ID，如果相等，则更新该窗口的往返时延迟。否则，不更新。如果用户接收到NACK消息，则重新调度该数据块的传输。

4.2.2 CCN路由器

(1)接收到兴趣消息

当一个兴趣消息到达时，路由器根据兴趣消息中数据源选择域(Selector)的数据源标识，验证路由器标识是否是兴趣消息中的数据源标识，如果是，则查看缓存中是否有被请求的内容，如果有则响应该请求，在数据消息中填入该路由器标识，然后返送回去，并丢弃该兴趣消息；如果内容缓存中没有被请求的内容，发回NACK消息。如果路由器标识不是兴趣消息中的数据源标识，则查看PIT中是否有该内容名字条目，如果PIT有相应条目，则添加端口即可；如果PIT中没有，则查找FIB，如果在FIB中找到，则按照查找到的所有端口转发兴趣消息，并在PIT中记录。如果FIB中也没有该内容名字条目，则丢弃该兴趣消息。

(2)接收到数据消息和NACK消息

路由器接收到数据消息和NACK消息的处理是一样的，当数据消息或者NACK消息到达时，根据该消息的内容名字，以及PIT表中的相应条目，从相应的端口中转发，同时删除PIT表中的该项目。如果PIT表中没有该内容名字的前缀则直接丢弃该数据消息或者NACK消息。

4.2.3 CCN服务器端

服务器接收到兴趣消息时，与CCN服务器的设计并没有很大的修改，只是当CCN服务器端响应兴趣消息并产生一个数据消息的时候，需要将CCN服务器本身的标识封装在数据消息中(这是基于接收者驱动的兴趣消息发送机制在服务器上的改动，在数据消息中加入标识，是为了使得接收者即用户能够根据这个标识，识别数据消息是从哪个数据源发回的。)，然后沿对称路径返回给用户。

4.3 分布式动态内容请求调度模块

分布式内容请求调度模块的功能主要是根据基于接收者驱动的内容节点探测模块所获得的网络数据源及数据块分布情况，以及基于接收者驱动的兴趣消息发送模块所获知的对应数据源的往返时延和发送速率，建立分布式内容请求调度的数学模型，然后根据具体情况选择算法解决该问题。分布式内容请求调度模块只在用户端实现，而不修改路由器和服务器(这是分布式内容请求调度机制的实现，这个机制是用户根据基于接收者驱动的内容节点探测机制所获得的对应数据往返时间和数据块分布情况，计算出兴趣消息的调度方案，并根据这个调度方案，执行基于接收者驱动的兴趣消息发送机制。所以计算调度方案这部分工作只由用户端即接收端完成。)。

(1)当网络数据源较少，内容数据块不多，用户计算能力富裕时，可以选择基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法来求解问题的解。

(2)当该内容对象的数据块很多，用户端计算能力不富裕时，可以选择基于启发式的贪心算法来解决该问题。该算法能够很快的为用户求得近似最优的多源传输方案，同时有效控制了计算代价。

当用户端根据上述算法求的解，对兴趣消息的发送进行调度。分布式内容请求调度之后传输方案，应用到基于接收者驱动的兴趣消息发送机制中，从而优化用户数据请求模式，最小化传输时间。

4.4 网络监测模块

由于内容中心网络中，网络时刻在变化，网络中数据块的分布情况受很多因素诸如缓存策略，现有的交叉流量，内容流行度和缓存大小等的影响而经常性的发生变化。另外由于网络的变化，用户到各个数据源的往返时延和发送速率都会发生变化。尤其当网络发生重大变化时，必须实时地做出调正。

网络监测模块的功能就是根据网络状态的变化，更新分布式动态内容请求的传输方案。并且该功能只在用户端实现，而不修改路由器和服务器端。

在这个模块中，用户周期性(根据用户端即接收端的计算能力和网络数据块变化情况来确定周期，如果用户计算能力较强，网络变化较快，则确定一个小的周期，如果用户计算能力较弱，网络变化较少较慢，则确定一个较大的周期。)的执行基于接收者驱动的内容节点探测机制，从而监测网络中数据块的分布变化情况。同时监测各个滑动窗口的大小和用户到相应数据源的往返时延RTT的变化。网络监测模块就是根据这些变化，部分或者整体的更新剩余未请求的数据块的传输方案。从而实时的动态的更新用户数据请求模式和传输方案，力求在网络不断变化的情况下，也能达到较好的性能。

4.5 分布式动态内容请求调度的增量部署

由于现在的内容中心网络的路由器和服务器都已经设计好并有部署，本实施例所设计的各个模块都对路由器和服务器有不同程度的修改，全局部署变得很困难。所以本实施例设计从网络边缘路由器逐渐向网络核心路由器的增量部署方案。

例如网络边沿的路由器都部署了所设计的各个模块，而网络的核心路由器没有部署，由于网络路由器只涉及内容节点探测模块和兴趣消息处理模块的实现。所以对没有部署的路由器，分别就这两个模块的对应处理做出说明：

(1)如果没有部署内容节点探测模块，只需要把探测消息当作普通的兴趣消息进行转发。把反馈消息当作普通的数据消息进行转发就可以了；

(2)如果没有部署兴趣消息处理模块的路由器，则路由器可以忽略兴趣消息的数据源选择就当普通的兴趣消息处理，如果路由器的内容缓存中有相应的数据，则不管是否是兴趣消息所选择的数据源，都将响应该兴趣消息，发回数据消息，然后丢弃该兴趣消息。

综上所述，本发明实施例有如下特点：

1、提出了内容中心网络的基于接收者驱动的内容节点探测机制，发现并获得整个网络数据块的分布情况。

2、提出了内容中心网络的基于接收者驱动的兴趣消息发送机制，前期根据默认方式发送兴趣消息，中后期根据分布式动态内容请求调度的结果，调度兴趣消息的发送及数据消息的相应，用以优化用户数据传输模式。

3、建立了分布式动态内容请求调度问题的数学化模型，提出解决该问题的两个算法：贪心算法和基于增广拉格朗日松弛的分解算法，并分析在何种情况用何种算法。

本发明的主要目的在于充分利用内容中心网络的动态缓存路由器及源服务器，实现基于数据块的多点并行传输机制，优化用户数据请求模式，最小化数据传输时间。其中主要涉及3个关键难点，本实施例成功给出了解决方案：

一、获取数据块在网络中分布情况信息，各个数据源代价情况及相应允许的发送速率；

二、建立分布式内容请求调度的模型，提出复杂度较低的算法，在可以接受的时间内，计算得出NP‐hard难度问题的近似解；

三、在不改变CCN的路由方案的情况下，根据分布式内容请求调度模型的计算结果，调度兴趣消息的发送，优化用户数据请求模式，最小化数据传输时间。

Claims (8)

1.一种内容中心网络的内容请求及传输方法，包括如下步骤：

A、接收用户端发送的探测消息，通过基于接收者驱动的内容节点探测机制来使用户端发现和学习数据块分布情况；

B、向用户端发出反馈信息，路由器或服务器根据探测消息中的名字域返回包含关于内容的数据块分布情况的反馈消息,根据反馈消息头部的内容名字，在PIT中查找，如果有相应匹配条目，则根据查找的端口转发出去，如果在PIT中没有匹配，则丢弃该反馈消息；

C、接收用户端广播的关于内容的兴趣消息，兴趣消息到达路由器时，根据兴趣消息中数据源选择域的数据源标识，首先验证路由器标识是否是兴趣消息中的数据源标识，如果是，则查看缓存中是否有被请求的内容，如果有则响应该请求，发回填入该路由器标识的数据消息，并丢弃该兴趣消息；如果内容缓存中没有被请求的内容，发回“没有用户请求的数据块”消息；如果路由器标识不是兴趣消息中的数据源标识，则查看PIT中是否有该内容名字条目，如果PIT有相应条目，则添加端口；如果PIT中没有，则查找FIB，如果在FIB中找到，则按照查找到的所有端口转发兴趣消息，并在PIT中记录；如果FIB中也没有该内容名字条目，则丢弃该兴趣消息；

D、响应兴趣消息，返回包含用户想要的数据的消息；

其中探测消息和反馈消息用内容名字加用户名字来标识，而兴趣消息和数据消息用内容名字加数据块号来标识；用户通过广播探测消息，来发现和学习网络中想要的内容的数据块的分布情况，用内容名字加用户名字的分层标识，在传播探测消息时，根据内容名字进行路由和转发，用户名字不用来路由，用于避免PIT表中聚合；探测消息不能被聚合，兴趣消息可以被聚合；反馈消息封装的内容是各个节点上所存储的该内容的数据块号信息，而不是数据本身，而数据消息封装的内容是数据本身。

2.如权利要求1所述的内容中心网络的内容请求及传输方法，其特征是：所述基于接收者驱动的内容节点探测机制来使用户端发现和学习数据块分布情况包括如下步骤：

A1、用户端广播关于该内容的探测消息；

A2、路由器根据探测消息中的内容名字，首先查找路由器中的内容缓存，如果缓存中有被探测的内容的数据块，则响应该探测，发回包含缓存中存储的数据块号以及路由器的标识的反馈消息，并根据FIB表，继续向网络中转发该探测消息，然后在PIT中记录内容名字前缀；如果内容缓存中没有被请求的内容，直接转发该探测消息，并在PIT中记录该内容名字条目。

3.如权利要求2所述的内容中心网络的内容请求及传输方法，其特征是：所述基于接收者驱动的内容节点探测机制来使用户端发现和学习数据块分布情况还包括如下步骤：

A3、在转发探测消息的时候查找FIB是否记录了对应内容名字条目，如果在FIB中找到，则按照FIB中该内容名字条目所记录的所有出端口转发探测消息，如果FIB中也没有该内容名字条目，则丢弃该探测消息。

4.如权利要求2所述的内容中心网络的内容请求及传输方法，其特征是：所述基于接收者驱动的内容节点探测机制来使用户端发现和学习数据块分布情况还包括如下步骤：

A4、当探测消息到达了源服务器时，源服务器查找硬盘中该内容的数据块分布情况，并且响应该探测消息，返回包含硬盘中存储的数据块号及服务器的标识的反馈消息。

5.如权利要求1所述的内容中心网络的内容请求及传输方法，其特征是：在步骤B后还包括如下步骤：在用户端为每个数据源都唯一的建立一个滑动窗口，并且该滑动窗口发送的兴趣消息中的数据源选择域中，都填入该数据源的标识；用户端根据从对应数据源返回的数据消息，更新对应窗口的往返时间和窗口能够发送兴趣消息的数量。

6.如权利要求1所述的内容中心网络的内容请求及传输方法，其特征是：在步骤C和D中，通过分布式动态内容请求调度机制，对于将要请求的内容对象，调度兴趣消息的发送，向各个数据源请求内容对象的各部分数据；用户按照调度结果调度兴趣消息向各个数据源发送，最终从多个数据源并行地、分布式地请求内容对象的各部分数据。

7.如权利要求6所述的内容中心网络的内容请求及传输方法，其特征是：基于增广的拉格朗日松弛的子问题分解算法和基于启发式的贪心算法,找到用户完成整个内容对象的传输的时间接近最小的传输方案，即为用户求得近似整体最优或局部最优的多源传输方案。

8.如权利要求6所述的内容中心网络的内容请求及传输方法，其特征是：用户在执行接收者驱动的兴趣消息发送机制的时候，监测每个数据源的发送窗口的大小和往返时延RTT，同时用户周期性的执行接收者驱动的内容节点探测机制，来发现网络中数据块分布情况的变化，然后建立分布式内容请求调度模型，并选择基于增广拉格朗日松弛的子问题分解算法或者贪心算法来求解该模型。