CN105871720A - 一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，属于通信技术领域。该方案主要包括：用户发送内容请求兴趣包，并且该兴趣包同样是分段的形式，分段大小为全网最小的MTU。兴趣包在转发过程中，会记录并更新路径上的MTU信息。兴趣包在到达路由器时，会将内容请求信息、路径MTU信息记录在路由器的PIT表中。在满足兴趣请求的内容目标返回时，会根据路由器PIT表中记录的信息，执行相应的分段决策，最后将分段后的内容目标返回给请求用户。该方案对于多用户请求相同内容目标时，具有内容利用率高、用户等待时间短等优点，提高了内容中心网络的内容分发效率。

Description

一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种内容中心网络中内容目标的分段转发策略。

背景技术

互联网兴起于20世纪六七十年代，对人类文明的发展和社会的进步起到了巨大的推动作用。但经过几十年的发展，互联网已经成为了内容的分享平台，基于TCP/IP的现有互联网逐渐暴露出许多问题。目前互联网出现的问题主要有：安全性差，不支持移动，不可靠，缺乏灵活性，有效性受到限制，对新应用僵化等。针对这些问题，当前国外研究机构提出了富有“革命”性思路的解决方案——内容中心网络。

内容中心网络(Content-Centric Network)是一种面向内容共享的通信构架。与传统基于IP地址的网络架构不同，它可以基于内容名字对数据进行共享和交换，而不需要关心特定的物理地址和主机。其采用了发布/订阅的传输模式和网络内置缓存，以存储换带宽，提高网络带宽利用效率。但该架构颠覆了现今互联网的基础，有很多问题亟待解决。

内容中心网络中的路由器有三个重要部分，分别是FIB、Content Store和PIT(Pending Interest Table)。其中FIB类似于当前路由器的路由表，但是它只用于转发兴趣包，而不是转发内容目标；Content Store是布署在路由器上的容量较小的存储设备；PIT则用于记录路由器发送出去还未收到回复的兴趣包信息。虽然提出了这几部分并说明了它们的功能，但是仍有很多地方没有定论。例如PIT中包含哪些具体项目还没有一个最终完善的结果。

内容中心网络的通信流程主要是：用户发出请求一个内容的兴趣包；兴趣包到达路由器后，首先在Content Store中查找是否存在该内容，如果存在则直接返回给用户，如果不存在则查询PIT表；PIT表中存在对应内容条目则记录并丢弃该兴趣包，不存在则在PIT中记录该兴趣包信息后查询FIB表；按照FIB表的信息选择兴趣包的转发端口，进而传送至下一路由器。当在一个内容提供端获取到内容目标时，按照PIT表中记录的数据原路返回给用户。

MTU(Maximum Transmission Unit)是网络中链路的最大传输单元。为了适应网络路径的MTU，在内容中心网络中，内容目标将被分段成若干个分段。兴趣包的分段大小由网络规定的MTU下限值决定，是一个固定值。内容目标的分段大小则由兴趣包经过路径的最小MTU决定。

一个兴趣包或内容目标的所有分段组成一个分段流，其中每个分段都含有一个报头。兴趣包分段的报头包含有它的ID、分段流的总段数、该分段在所处分段流中的编号，这有助于检测数据的完整性。同样，内容目标分段的报头也包含有它自己的ID、分段流的总段数和该分段在所处分段流中的编号；除此之外，该报头中还包含其响应的兴趣包ID，这对内容目标返回路径的选择上有很大的帮助。兴趣包分段报头上还携带一个路径MTU项，它会在网络中的每一跳不断更新，记录整个路径的最小MTU信息，最终内容提供端返回的内容目标分段大小将以此为依据。

发明内容

针对以上技术的不足，提出了一种节省了路由器与内容提供端之间的带宽的内容中心网络中内容目标的分段转发方法。本发明的技术方案如下：一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，其包括以下步骤：

101、用户发送兴趣请求包，并且该兴趣请求包采用分段的形式，分段大小为全网最大传输单元MTU的下限值；102、兴趣请求包在转发过程中，会记录并更新路径上的最大传输单元MTU信息，兴趣包在到达路由器时，会将内容请求信息、路径MTU信息记录在路由器的PIT(待定请求表)表中；103、在满足兴趣请求的内容目标从内容提供端返回时，会根据步骤102中路由器PIT(待定请求表)表中记录的信息，匹配PIT表中对应MTU数据，执行相应的再分段决策；104、最后根据PIT表中的端口信息将内容目标返回给请求用户。

进一步的，所述路由器的PIT表主要包括：内容名称、请求方入口端口号、返回路径MTU信息、兴趣包ID、优先级、分段数，此外，分段数是在收到内容目标的第一个分段之后才会记录，但之前会在PIT表中为它预留这样一个分段域。

进一步的，当步骤102有用户请求兴趣包到达路由器时，会首先根据名称在PIT表中匹配条目，如果PIT表中没有该请求项，将在PIT表中创建一个对应的“名称—入口—路径最小MTU—兴趣包流ID”项；如果PIT表中已存在此名称，即之前有其它用户请求过同样内容，不管其返回路径最小MTU是多大，兴趣请求都不再向上转发，而是在PIT表中对应名称后添加“入口—路径最小MTU—兴趣包流ID”项。

进一步的，步骤103中匹配PIT表中数据的分段大小环节，是将内容目标分段与PIT表中同名称下全部条目中记录的MTU逐一对比，如果内容目标分段小于等于PIT表中记录的MTU，则经过兴趣包流ID的对比修改之后就可以转发至对应端口；如果内容目标的分段大于PIT表中记录的MTU，则需要对内容目标分段采用均分的方式进行再分段，即将原分段平均分成两段，如若还不满足返回路径MTU要求，则继续进行分段。

进一步的，所述兴趣请求包报头的格式依次为：T_INTFRAG占2字节，LENGTH占2字节，InterestID占8字节，PathMinimumMTU占2字节，FragCnt占1字节，FragNum占1字节；内容目标报头的格式依次为：T_ConFRAG占2字节，LENGTH占2字节，ContentStreamID占8字节，Fragcnt占2字节，FragNum占2字节，Interest ID占8字节。

进一步的，当内容目标分段流满足返回路径MTU要求时，便会将该内容目标分段向相应的端口转发，并将返回内容目标片段流的报头兴趣包ID改成PIT表中对应请求条目的兴趣包ID。

进一步的，所述PIT表中的分段数字段是一个计数器，在路由器收到第一个返回的内容目标分段时开始记录，每接收并转发一个内容目标分段便增加1；当分段数字段的值增加到和内容目标报头中FragNum相同时，则代表该内容目标所有分段接收转发完毕，将对应PIT表项删除。

本发明的优点及有益效果如下：

1、这种路由器的分段策略能够使后续请求用户的等待时间大大缩短。无论后续用户返回路径的最小MTU是多少，都可以利用路由器的分段功能使之前用户请求的内容目标满足后续用户的需求，进而省去了后续用户再向上请求数据造成的时间延迟。

2、这种方式节省了路由器与内容提供端之间的带宽，如果在请求用户很多的情况下，这种方式带来的效果将是尤为显著的。

3、从内容提供端的角度来说，这个策略缓解了其巨大的工作压力。内容提供端不用再针对不同的用户请求而做出大量的分段方式，相反只需要提供一种内容目标分段流就可以满足一个路由器下属用户的全部请求。

附图说明

图1为内容目标分段转发示意图；

图2是本发明提供优选实施例路由器PIT表设计；

图3分段转发策略流程图；

图4为本发明的技术方案的实施例1的流程图；

图5为本发明的技术方案的实施例2的流程图；

图6为兴趣包分段报头；

图7为内容目标分段报头；

图8 CCN流程简图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明作进一步说明：

本发明所要解决的问题是在内容中心网络中，对内容目标的分段转发问题。特别是路由器接收到不同用户对同一内容的请求时，路由器对这些用户兴趣包的处理、返回内容目标分段流的处理以及整个过程中路由器PIT表内容的修改。在之前的方案中，当路由器接收到同一内容的请求时，为了保证内容目标能够成功返回每个请求用户端，如果后面请求用户的返回路径MTU小于先前用户，那么这个用户的兴趣包也将被向上转发。这样做确实能够让每个请求用户都获取到了适合自己返回路径MTU的内容目标分段流，但是这种方案也有很大的弊端，那就是路由器对相同的内容请求了多次，这将浪费大量的带宽，而且对于内容提供端来说，效率也比较低。

本发明为解决上述问题提出的技术方案为，当路由器接收到后续用户发出的相同请求的兴趣包时，即使其返回路径的MTU更小，也仅仅在PIT表中做出记录而不再向上进行转发，当第一个用户请求到的内容目标分段流返回该路由器时，按照不同用户返回路径的最小MTU大小对分段流做出再分段和修改报头等处理，使得此内容目标可以返回至所有请求用户，以此来节省用户的等待时间，提高网络利用率。

当路由器接收并转发一个用户发出的兴趣请求时，将在其PIT表中创建一个对应的“名称—入口—路径最小MTU—兴趣包ID—Cnt—PRI”项，在稍后的一段时间里(该用户请求的内容还没有返回来)，当该路由器又接收到其他用户发来的与先前用户所请求内容相同的兴趣包时，该兴趣包将不再被转发，而是在对应的名称项后添加新请求用户的“入口—路径最小MTU—兴趣包ID—Cnt—PRI”项。

当兴趣包到达内容提供端时，内容提供端按照第一个用户发出的兴趣包携带的路径最小MTU对返回内容目标进行分段，原路返回给路由器。

路由器接收到所请求的内容目标分段流后，首先将其中携带的兴趣包ID与PIT表中的对应项匹配，进而确定此内容目标分段流可以响应哪一名称项后的用户。然后将内容目标分段流的分段大小与PIT表中记录的该名称项下所有用户的路径最小MTU进行逐个对比。如果某一用户返回路径的最小MTU值大于等于分段大小，则代表此分段流可以通过返回路径返回给用户，此时只需要将内容目标分段流报头的兴趣包ID修改为记录的ID，然后从对应端口转发即可；如果某一用户返回路径的该MTU值小于分段大小，则代表此分段流不可以通过返回路径，此时就要将内容目标分段流进行再分段，再分段的方法为均分为两段，并为每一分段重新添加报头，兴趣包和内容目标分段流的报头格式如图6和图7。其中报头中的总段数变成之前的两倍，每一段按照如下公式重新编号：

再分段后前一段编号＝2*再分段前分段编号

再分段后后一段编号＝2*再分段前分段编号+1

再分段后继续将返回路径最小MTU值与新生成的内容目标分段流分段大小进行比较，若仍然小于则再次进行均分分段，如果大于等于，则将报头中对应的兴趣包ID进行修改，并按照相应端口转发回用户。至此，所有用户都获得了该请求内容。

另外，PIT表中的分段数字段(Cnt)是一个计数器，在路由器收到第一个返回的内容目标分段时开始记录，每接收转发一个内容目标分段便增加1。当分段数字段的值增加到和内容目标报头中FragNum相同时，则代表该内容目标所有分段接收转发完毕，将对应PIT表项删除。

图3为本发明所述内容中心网络内容目标分段转发策略的工作流程图。主要包括路由器接收处理兴趣包、内容提供端响应内容和路由器分段转发内容目标分段流三个部分。其中，本发明主要包含在路由器接收处理兴趣包、路由器分段转发内容目标分段流这两部分当中。

实施例1：

如图4所示，图中连线上端或左端的箭头代表兴趣包传输的方向，数值代表该路径MTU大小；图中连线下端或右端的箭头代表内容目标传输的方向，数值代表内容目标分段流的分段大小。它们的单位都是字节。

步骤301：用户2的请求兴趣包首先发出，到达路由器B，在路由器B的PIT表中添加对应项</sports/football/…,1,3000,0111…1011>，其中包含内容名称、端口号、路径上记录到的最小MTU信息以及兴趣包ID，然后从2端口转发。用户2的兴趣包到达路由器C，在路由器C的PIT表中添加对应项</sports/football/…,3,2000,0111…1011>，然后从4端口转发。

步骤302：用户3发出与用户2相同请求内容的兴趣包，继而兴趣包到达路由器C，检测到在路由器C的PIT表中有相同名称项，于是在后面添加对应项<2,3000,1011…1110>，其中包含端口号、路径上记录到的最小MTU信息以及兴趣包ID。然后将兴趣包丢弃。

步骤303：用户1发出同样请求内容的兴趣包，兴趣包到达路由器A，在PIT表中添加</sports/football/…,1,1280,1101…0001>,从2端口转发。兴趣包到达路由器C检测到在路由器C的PIT表中有相同名称项，于是在后面添加对应项<1,1280,1101…0001>，然后将兴趣包丢弃。此时路由器C的PIT表部分如下：

步骤304：用户2的兴趣包到达Producer，Producer分析用户需要的内容数据和返回路径最小MTU，然后对内容目标进行分段，即将内容目标按照2000字节进行分段，并按原路返回内容目标分段流。

步骤305：路由器C接收到内容目标分段流，匹配PIT表中是否存在与该分段流中携带的兴趣包ID相同的项。若检查到有对应的兴趣包ID，则在PIT表中将同名称的请求条目MTU信息与内容目标分段流分段大小进行比较：

(1)若内容目标分段大小小于或等于一个条目的MTU，再对比内容目标分段流报头携带的兴趣包ID和条目记录的兴趣包ID是否相同。若相同则直接从对应端口转发；若不同则将内容目标分段流的兴趣包ID替换为该条目的兴趣包ID，然后从对应端口转发。

(2)若内容目标分段大小大于一个条目的MTU，则需要将内容目标分段流中每一个分段均分成两段，然后继续与条目中MTU进行比较，直到满足小于等于该MTU，然后重新添加报头，修改分段流兴趣包ID并从相对应端口进行转发。

步骤306：根据上述规则，内容目标分段流直接从端口3向路由器B转发；

经过对内容目标分段流中兴趣包ID修改为<1011…1110>之后，从端口2向用户3转发；但是该分段流并不能满足用户1的返回路径MTU，则先对分段流进行再分段，即变为之前段数的2倍、分段大小1/2的新分段流。将分段流中兴趣包ID设为<1101…0001>之后，从端口1向路由器A转发。

步骤307：用户2的请求数据到达路由器B和用户1的请求数据到达路由器A时，再按照305、306步骤进行处理。

步骤308：最终用户2接收到分段大小为2000的内容目标分段流，用户1接收到分段大小为1000的内容目标分段流。

实施例2：

如图5所示是网络运行过程可能出现的另一种情况。

步骤401：用户2首先对一个内容发出兴趣包，该兴趣包经过路由器A和路由器B向Producer转发，分别在A和B中的PIT表中创建其“名称—入口—路径最小MTU—兴趣包流ID”项。

步骤402：用户1发出相同内容的兴趣包，该兴趣包到达路由器A时，发现PIT表中有该名称项，于是在后面添加“入口—路径最小MTU—兴趣包流ID”项。用户3发出相同内容的兴趣包，该兴趣包到达路由器B时，发现PIT表中有该名称项，于是在后面添加“入口—路径最小MTU—兴趣包流ID”项。

此时路由器A的PIT表部分内容为：

路由器B的PIT表部分内容为：

步骤403：用户2的兴趣包到达Producer，Producer分析用户需要的内容数据和返回路径最小MTU，然后对内容目标进行分段，即将内容目标按照3000字节进行分段，并按原路返回内容目标分段流。

步骤404：内容目标分段流到达路由器B，匹配到1和2端口需要此内容。进行MTU值比较后，从1端口向路由器A进行转发。但是端口2的路径MTU小于分段大小，于是对分段流进行再分段，分成1500大小的分段，经过MTU比较，仍不能满足返回路径的需求，则继续进行分段，最终变成分段大小为750的内容目标分段流，对报头做出相应修改后经过2端口向用户3转发。

步骤405：分段大小为3000的内容目标分段流到达路由器A。经过步骤404中的匹配过程，最终分段大小为3000的内容目标分段流经过端口3返回给用户2；分段大小为1500的内容目标分段流经过端口1返回给用户1。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，其特征在于，包括以下步骤：

101、用户发送兴趣请求包，并且该兴趣请求包采用分段的形式，分段大小为全网最大传输单元MTU的下限值；102、兴趣请求包在转发过程中，会记录并更新路径上的最大传输单元MTU信息，兴趣包在到达路由器时，会将内容请求信息、路径MTU信息记录在路由器的PIT待定请求表中；103、在满足兴趣请求的内容目标从内容提供端返回时，会根据步骤102中路由器PIT待定请求表中记录的信息，匹配PIT表中对应MTU数据，执行相应的再分段决策；104、最后根据PIT表中的端口信息将内容目标返回给请求用户。

2.根据权利要求1所述的一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，其特征在于，所述路由器的PIT表主要包括：内容名称、请求方入口端口号、返回路径MTU信息、兴趣包ID、优先级、分段数，此外，分段数是在收到内容目标的第一个分段之后才会记录，但之前会在PIT表中为它预留这样一个分段域。

3.根据权利要求1或2所述的一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，其特征在于，当步骤102有用户请求兴趣包到达路由器时，会首先根据名称在PIT表中匹配条目，如果PIT表中没有该请求项，将在PIT表中创建一个对应的“名称—入口—路径最小MTU—兴趣包流ID”项；如果PIT表中已存在此名称，即之前有其它用户请求过同样内容，不管其返回路径最小MTU是多大，兴趣请求都不再向上转发，而是在PIT表中对应名称后添加“入口—路径最小MTU—兴趣包流ID”项。

4.根据权利要求3所述的一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，其特征在于，步骤103中匹配PIT表中数据的分段大小环节，是将内容目标分段与PIT表中同名称下全部条目中记录的MTU逐一对比，如果内容目标分段小于等于PIT表中记录的MTU，则经过兴趣包流ID的对比修改之后就可以转发至对应端口；如果内容目标的分段大于PIT表中记录的MTU，则需要对内容目标分段采用均分的方式进行再分段，即将原分段平均分成两段，如若还不满足返回路径MTU要求，则继续进行分段。

5.根据权利要求3所述的一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，其特征在于，所述兴趣请求包报头的格式依次为：T_INTFRAG占2字节，LENGTH占2字节，InterestID占8字节，PathMinimumMTU占2字节，FragCnt占1字节，FragNum占1字节；

内容目标报头的格式依次为：T_ConFRAG占2字节，LENGTH占2字节，ContentStreamID占8字节，Fragcnt占2字节，FragNum占2字节，Interest ID占8字节。

6.根据权利要求4所述的一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，其特征在于，当内容目标分段流满足返回路径MTU要求时，便会将该内容目标分段向相应的端口转发，并将返回内容目标片段流的报头兴趣包ID改成PIT表中对应请求条目的兴趣包ID。

7.根据权利要求4所述的一种内容中心网络中内容目标的分段转发方法，其特征在于，所述PIT表中的分段数字段是一个计数器，在路由器收到第一个返回的内容目标分段时开始记录，每接收并转发一个内容目标分段便增加1；当分段数字段的值增加到和内容目标报头中FragNum相同时，则代表该内容目标所有分段接收转发完毕，将对应PIT表项删除。