CN107948073B - 基于ndn架构的无线数据传输方法、装置及系统 - Google Patents

基于ndn架构的无线数据传输方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通信技术领域，公开了一种基于NDN架构的无线数据传输方法、装置及系统，以丰富数据传输的多样性和精准性，提高无线NDN数据传输效率，并提高资源利用率。首先对PIT表拓展属性增加MAC地址，表示该Interest请求的前缀由哪个MAC地址发出，同时增加MAC地址属性到FIB表所对应的转发接口上。因此，在无线NDN环境下，可以通过对返回数据的前缀所对应的MAC地址的数量对该数据类型进行判断，如果该Interest请求条目对应多个MAC地址，则表示该数据为组播数据；如果该Interest条目只对应一个MAC地址，则表示说明该数据是单播数据。

Description

基于NDN架构的无线数据传输方法、装置及系统
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种基于NDN架构的无线数据传输方法、装置及系统。
背景技术
随着移动无线网络的快速发展和便携移动设备的普及化，人们对无线网络的需求已不仅仅满足于端到端通信。当前，以信息为中心的通信模式得到迅速发展，命名数据网络(Named Data Networking,NDN)作为一种革命式的未来互联网架构，以命名数据取代IP，直接以内容名字进行路由，数据传输采用“发布-请求-响应”模式，实现点到多点高效的内容分发。不同于传统IP网络通过提升端到端通信链路质量来减少通信延时和通信中断等问题，命名数据网络的通信模式更关注如何更快地得到内容信息，而非从哪里得到。
NDN报文主要由请求包(Interest)和数据包(Data)组成。NDN路由机制上保留了类似IP路由的转发路由表(Forwarding Information Base，FIB)，增加了待处理请求表(Pending Interest Table，PIT)、以及内容缓存(Content Store，CS)数据结构，FIB用于匹配合适的转发接口，CS用于内容的缓存，PIT保留所收到的请求包，当和PIT中的某个请求对应的数据包发回时，将被传递到相应的接口。NDN使用和IP类似的基于存储在FIB和PIT中的信息的最长前缀匹配转发。NDN不仅在原理上避免了网络冲突和拥塞，摆脱了传输对端到端连接的依赖，实现了多链路路由，同时基于网络内缓存实现了就近获取、负载平衡，从而大大提高了大规模内容分发的性能、效率和可靠性。由于NDN所具有独特的移动性优势，NDN架构将会在无线场景下具有非常大的实际应用前景。但当前的NDN协议和网络应用主要针对有线环境下，在无线环境下的研究较少，缺乏关键技术，严重影响NDN在无线网络应用。
由于NDN通过命名机制对数据进行路由和转发，因此无线NDN环境下在不知道目的地址的情况下，当前NDN在无线环境下均以广播形式传送数据，将导致终端接收到不属于它的数据，无法区分广播数据、组播数据和单播数据；并将导致所有的终端处于唤醒状态，进而导致严峻的能耗挑战。为提高无线NDN数据传输效率，本发明设计一种基于NDN架构的无线数据传输方法，利用PIT状态记录每个Interest对应的MAC地址，当Data返回时，首先检查其前缀对应的MAC地址数量，以区分通过何种形式(广播，组播，单播)传输数据，使得无线NDN高效传输数据。
发明内容
本发明目的在于公开一种基于NDN架构的无线数据传输方法、装置及系统，以丰富数据传输的多样性和精准性，避免千篇一律采用广播形式所引起的一些非关联终端的能耗浪费，进而实现：在提高无线NDN数据传输效率的同时，还一并提高资源的利用率。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于NDN架构的无线数据传输方法，包括：
(1)Interest包转发过程：STA首先发送Interest请求至AP，AP根据收到的Interest更新PIT表，如果STA请求的Interest前缀没有在PIT表中匹配到，将该Interest对应的前缀以及对应的接口和MAC地址记录到PIT表和FIB表中，产生一个新的条目；如果该STA的请求的条目在PIT表中匹配到，则进一步判断所匹配条目已存在的MAC地址是否包括当前该Interest的MAC地址，如果判断结果为是，将该Interest聚合且终止转发出去，并更新该条目的生存周期至当前时间；如果判断结果为否，在将该Interest聚合且终止转发出去的同时，将该STA的MAC地址增加到该条目的PIT表和FIB表中，并更新该条目的生存周期至当前时间；
(2)Data包返回过程：当AP收到数据返回时，首先通过数据包的前缀与PIT的条目进行匹配，如果没有该条目，则直接丢弃该数据包；如果匹配到该条目，通过判断该条目对应MAC地址数量来区分该数据包类型，如果该条目对应一个MAC地址，判断该数据包类型是单播，按单播机制进行数据处理，如果该条目对应多个MAC地址，判断该数据包类型是组播，按组播机制进行数据处理。
可选的，本发明的单播机制数据处理具体可采用802.11的TIM(TrafficIndication Map，流量指示图)机制，组播机制数据处理具体可采用802.11的DTIM机制。
优选地，本发明单播及组播的数据处理具体为：
重定义802.11的Bitmap，以首位为0表示单播数据，以及以首位为1表示组播数据,并以Partial Virtual Bitmap中的至少两个不同位置AID的值为1分别表示组播所对应的各该STA有缓存的组播数据；然后通过重定义的Bitmap和802.11的TIM机制对单播数据和组播数据分别进行下述处理：
单播数据处理过程：如果AP收到的数据为单播数据，首先将数据缓存至CS，并设置该节点对应的bitmap位，以表示对应的STA有数据缓存在AP节点上，然后等待发送Beacon帧通知该STA；该STA收到带有其缓存通知的Beacon帧，然后根据单播标识通过发送PS-Poll帧至AP请求该缓存的数据，AP收到对应的PS-Poll帧后，将缓存的数据发送给该STA；
组播数据处理过程：如果AP收到的数据为组播数据，首先将数据缓存至CS，并设置组播数据所对应STA的至少两个bitmap位，以表示组播所对应各该STA所请求相同的数据已经缓存在AP上，然后发送Beacon帧广播告知；当所设置bitmap位所对应的各该STA收到带有其缓存通知的Beacon帧后，根据组播标识等待组播数据的发送并避免发送PS-Poll帧，同时，收到Beacon帧广播的非bitmap位指定的其他STA则以忽略该Beacon帧的方式避免被唤醒。
基于上述重新定义Bitmap，不需要对现有802.11协议进行大量修改，使得TIM机制可以利用Bitmap表示组播数据，在一定程度上降低数据延迟，如果利用DTIM(DeliveryTrafficIndication Message)机制发送组播数据将导致至少一个Beacon周期的延迟。藉此，可保证所有移动终端高效接收组播，且只接收属于它自己的组播，并且利用TIM机制在一定程度上降低数据时延，进而有效解决当前无线NDN组播能耗问题。
为实现上述目的，本发明还公开一种基于NDN架构的无线数据传输系统，包括STA和AP，所述STA和AP都设置有各自的存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述STA和所述AP配合执行各自相对应的计算机程序时实现上述方法的步骤。
为实现上述目的，本发明还公开一种STA，设置有存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法中对应STA的步骤。
为实现上述目的，本发明还公开一种AP，设置有存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法中对应AP的步骤。
综上，本发明具有以下有益效果：
利用无线NDN网络特性，重定义了无线NDN的组播并提供了对应的组播识别机制，增加每个Interest请求前缀对应MAC地址属性到PIT表中(优选地，该属性还可以同步到FIB中)，通过判断每个条目所对应的MAC地址数量有效区分该数据包类型是单播还是组播，进而为丰富数据传输的多样性和精准性奠定基础，单播以单播的方式进行数据传输，组播以组播的方式进行数据传输，对数据的传输进行了更细粒度的划分，为后续的数据分类传输及信道优化奠定了基础，避免了千篇一律采用广播形式所引起的一些非关联终端的能耗浪费，实现在提高无线NDN数据传输效率的同时，还一并提高资源的利用率。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的MAC地址与接口和前缀映射关系示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
为解决由于无线NDN无法高效进行数据传输问题，本实施例提出一种基于NDN架构的无线数据传输方法，首先对PIT表拓展属性增加MAC地址，表示该Interest请求的前缀由哪个MAC地址发出，同时增加MAC地址属性到FIB表所对应的转发接口上。因此，在无线NDN环境下，可以通过对返回数据的前缀所对应的MAC地址的数量对该数据类型进行判断，如果该Interest请求条目对应多个MAC地址，则表示该数据为组播数据；如果该Interest条目只对应一个MAC地址，则表示说明该数据是单播数据。广播数据只是组播数据的一个特例，即该数据对应全部的MAC地址，如Beacon帧数据的分发就是通过广播传输。
可选地，MAC地址与接口(Interface)和前缀(PIT表条目或名字)的各自映射关系参照附图1。其中，在图1中，接口为转发做准备，同一物理接口可被更细粒度地划分为序号为2、9、11、3和7的逻辑接口，且同一逻辑接口可以被多个MAC地址复用；而MAC地址和前缀则用以区分单播和组播。如图1所示，条目“/youtube/video/v01/s01”对应有3个MAC地址，为组播；条目“/bbc/news/v0/s0”仅对应一个MAC地址，为单播；条目“/facebook/figs/v2”也对应三个MAC地址，为组播。通过图1所示的映射关系，当AP有数据返回时，可先根据前缀、PIT表条目或名字与转发接口之间的映射关系先缓存数据并为转发做准确，然后再进一步通过该待转发内容所对应的MAC地址数量判断具体启用单播或组播的转发方式；藉此实现快速地数据转发处理。
本实施例基于NDN架构的无线数据传输方法具体包括以下步骤：
(1)Interest包转发过程：移动终端(Station，STA)首先发送Interest请求至接入点(Access Point，AP)，AP根据收到的Interest更新其PIT表，如果STA请求的Interest前缀没有在PIT表中匹配到，则说明请求的是不同的内容，将该Interest对应的前缀以及对应的接口和MAC地址记录到PIT表中，即产生一个新的条目；如果该Interest的请求的条目在PIT表中匹配到，则进一步判断所匹配条目已存在的MAC地址是否包括当前该Interest的MAC地址，如果判断结果为是，则表示相同的STA发送Interest请求相同的内容，该Interest将被聚合且不会被转发出去，只更新该条目的生存周期至当前时间。如果判断所匹配条目已存在的MAC地址不包括当前该Interest的MAC地址，则表示不同的STA请求相同的内容，该Interest将被聚合且不会被转发出去，将该STA的MAC地址增加到该条目中，并更新该条目的生存周期至当前时间。如果PIT表中的条目过期，则将该条目移除PIT表。
(2)Data包返回过程：当AP收到数据返回时，首先通过数据包的前缀与PIT的条目进行匹配，如果没有该条目，则直接丢弃该数据包；如果匹配到该条目，则说明有STA等待该数据包，通过判断该条目对应MAC地址数量来区分该数据包类型，如果该条目对应一个MAC地址，表示该数据包是单播，可以通过802.11单播机制和对应的FIB表发送该数据给移动终端；如果该条目对应多个MAC地址，表示该数据包是组播，可以通过802.11组播机制和对应的FIB表发送该数据给多个移动终端。
优选地，本实施例上述单播及组播的数据处理可被替换为：
重定义802.11的Bitmap，以首位为0表示单播数据，以及以首位为1表示组播数据,并以Partial Virtual Bitmap中的至少两个不同位置AID的值为1分别表示组播所对应的各该STA有缓存的组播数据；然后通过重定义的Bitmap和802.11的TIM机制对单播数据和组播数据分别进行下述处理：
单播数据处理过程：如果AP收到的数据为单播数据，首先将数据缓存至CS，并设置该节点对应的bitmap位，以表示对应的STA有数据缓存在AP节点上，然后等待发送Beacon帧通知该STA；该STA收到带有其缓存通知的Beacon帧，然后根据单播标识通过发送PS-Poll帧至AP请求该缓存的数据，AP收到对应的PS-Poll帧后，将缓存的数据发送给该STA；
组播数据处理过程：如果AP收到的数据为组播数据，首先将数据缓存至CS，并设置组播数据所对应STA的至少两个bitmap位，以表示组播所对应各该STA所请求相同的数据已经缓存在AP上，然后发送Beacon帧广播告知；当所设置bitmap位所对应的各该STA收到带有其缓存通知的Beacon帧后，根据组播标识等待组播数据的发送并避免发送PS-Poll帧，同时，收到Beacon帧广播的非bitmap位指定的其他STA则以忽略该Beacon帧的方式避免被唤醒。
基于上述重新定义Bitmap，不需要对现有802.11协议进行大量修改，使得TIM机制可以利用Bitmap表示组播数据，在一定程度上降低数据延迟，如果利用DTIM(DeliveryTraffic Indication Message)机制发送组播数据将导致至少一个Beacon周期的延迟。藉此，可保证所有移动终端高效接收组播，且只接收属于它自己的组播，并且利用TIM机制在一定程度上降低数据时延，进而有效解决当前无线NDN组播能耗问题。
其中，现有的基于IP架构的组播技术实现了IP网络中单点到多点的高效数据传送，因为组播能够有效地节约网络带宽、降低网络负载，所以在实时数据传送、多媒体会议、视频点播、数据拷贝、游戏和仿真等诸多方面都有广泛的应用。而基于IP网络的移动组播机制需要从地址分配、组成员管理、到组播报文转发、路由建立、可靠性等诸多方面来保障移动组播的性能，需要针对性地附加一系列的移动性管理协议，这大大增加IP网络组播协议的复杂性。由于当前移动客户端的爆炸式增长，现有移动组播机制暴露出一些问题，比如组播接收端在移动时的隧道聚合问题、组播源移动机制中的冗余路由问题以及移动组播的切换性能等，因为基于IP的网络采用“端到端”的通信机制从根本限制移动组播的发展，很难彻底解决上述问题。
藉此，显而易见地，本实施例重定义后的组播方式相比于现有的组播需要分配组播地址等资源，然后基于该组播地址等资源进行一系列的请求、鉴权、许可等交互而言，将传统组播中复杂的中间过程极大地进行了精简，进而提高了数据的传输的实时性。
基于上述重定义Bitmap的组播方式，进一步的，在进行组播数据通知时，在bitmap位对应单播数据偏移量Offset的其他标志位都设为0。其中，该偏移量Offset用于在单播情况下，供STA快速查找有缓存数据STA所对应的Partial Virtual Bitmap(bitmap的具体字段，可译为：部分虚拟位图)位AID(Association ID，连接标识符)的值，若与分配给STA自身的AID值为1，则表示有缓存的单播数据待发起PS-Poll请求。有关Bitmap的具体数据结构可参照802.11协议，在此不做详述。
本发明的核心在于通过MAC地址的数量判断单播或组播。作为一种替换，本领域的技术人员也能想见其他的单播方式和/或组播方式，此种变换都属于本发明的保护范畴，后续不做赘述。
实施例2
本实施例公开一种基于NDN架构的无线数据传输系统及装置，以配套执行上述方法实施例中相对应的步骤。具体包括：
一种基于NDN架构的无线数据传输系统，包括STA和AP，所述STA和AP都设置有各自的存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述STA和所述AP配合执行各自相对应的计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种STA，设置有存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法中对应STA的步骤。
一种AP，设置有存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法中对应AP的步骤。
综上，本实施例公开的基于NDN架构的无线数据传输方法、装置及系统，利用无线NDN网络特性，重定义了无线NDN的组播并提供了对应的组播识别机制，增加每个Interest请求前缀对应MAC地址属性到PIT表中(优选地，该属性还可以同步到FIB中)，通过判断每个条目所对应的MAC地址数量有效区分该数据包类型是单播还是组播，进而为丰富数据传输的多样性和精准性奠定基础，单播以单播的方式进行数据传输，组播以组播的方式进行数据传输，对数据的传输进行了更细粒度的划分，为后续的数据分类传输及信道优化奠定了基础，避免了千篇一律采用广播形式所引起的一些非关联终端的能耗浪费，实现在提高无线NDN数据传输效率的同时，还一并提高资源的利用率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护。

Claims (9)

1.一种基于NDN架构的无线数据传输方法，其特征在于，包括：
(1)Interest包转发过程：STA首先发送Interest请求至AP，AP根据收到的Interest更新PIT表，如果STA请求的Interest前缀没有在PIT表中匹配到，将该Interest对应的前缀以及对应的接口和MAC地址记录到PIT表和FIB表中，产生一个新的条目；如果该STA的请求的条目在PIT表中匹配到，则进一步判断所匹配条目已存在的MAC地址是否包括当前该Interest的MAC地址，如果判断结果为是，将该Interest聚合且终止转发出去，并更新该条目的生存周期至当前时间；如果判断结果为否，在将该Interest聚合且终止转发出去的同时，将该STA的MAC地址增加到该条目的PIT表和FIB表中，并更新该条目的生存周期至当前时间；其中，Interest为请求包；PIT表为待处理请求表；FIB表为转发路由表；
(2)Data包返回过程：当AP收到数据返回时，首先通过数据包的前缀与PIT的条目进行匹配，如果没有该条目，则直接丢弃该数据包；如果匹配到该条目，通过判断该条目对应MAC地址数量来区分该数据包类型，如果该条目对应一个MAC地址，判断该数据包类型是单播，按单播机制进行数据处理，如果该条目对应多个MAC地址，判断该数据包类型是组播，按组播机制进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的基于NDN架构的无线数据传输方法，其特征在于，按单播机制进行数据处理具体采用802.11的TIM机制，TIM为流量指示图。
3.根据权利要求1所述的基于NDN架构的无线数据传输方法，其特征在于，按组播机制进行数据处理具体采用802.11的DTIM机制，DTIM为投递传输指示信息。
4.根据权利要求1所述的基于NDN架构的无线数据传输方法，其特征在于，单播及组播的数据处理具体为：
重定义802.11的Bitmap，以首位为0表示单播数据，以及以首位为1表示组播数据,并以Partial Virtual Bitmap中的至少两个不同位置AID的值为1分别表示组播所对应的各该STA有缓存的组播数据；Partial Virtual Bitmap为部分虚拟位图；AID为连接标识符；然后通过重定义的Bitmap和802.11的TIM机制对单播数据和组播数据分别进行下述处理：
单播数据处理过程：如果AP收到的数据为单播数据，首先将数据缓存至CS，CS为内容缓存，并设置该AP对应的bitmap位，以表示对应的STA有数据缓存在AP上，然后等待发送Beacon帧通知该STA；该STA收到带有其缓存通知的Beacon帧，然后根据单播标识通过发送PS-Poll帧至AP请求该缓存的数据，AP收到对应的PS-Poll帧后，将缓存的数据发送给该STA；
组播数据处理过程：如果AP收到的数据为组播数据，首先将数据缓存至CS，并设置组播数据所对应STA的至少两个bitmap位，以表示组播所对应各该STA所请求相同的数据已经缓存在AP上，然后发送Beacon帧广播告知；当所设置bitmap位所对应的各该STA收到带有其缓存通知的Beacon帧后，根据组播标识等待组播数据的发送并避免发送PS-Poll帧，同时，收到Beacon帧广播的非bitmap位指定的其他STA则以忽略该Beacon帧的方式避免被唤醒。
5.根据权利要求4所述的基于NDN架构的无线数据传输方法，其特征在于，在进行组播数据通知时，在bitmap位对应单播数据偏移量Offset的其他标志位都设为0。
6.根据权利要求1至5任一所述的基于NDN架构的无线数据传输方法，其特征在于，如果PIT表中的条目过期，则将该条目从PIT表中移除。
7.一种基于NDN架构的无线数据传输系统，包括STA和AP，所述STA和AP都设置有各自的存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述STA和所述AP配合执行各自相对应的计算机程序时实现上述权利要求1至5任一所述方法的步骤。
8.一种STA，设置有存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至5任一所述方法中对应STA的步骤。
9.一种AP，设置有存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至5任一所述方法中对应AP的步骤。
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