CN108289062A - 一种基于软件定义的信息中心网络结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件定义的信息中心网络结构，包括：控制器和内容路由器；所述控制器，包括：信息接收模块、发布处理模块、路由发布模块；所述内容路由器，包括：第二信息订阅表、等待兴趣表、内容存储器、转发信息库。本发明利用信息中心网络以命名标识路由的特性，结合控制器与内容路由器的协同作用，减少控制器路由计算资源开销，同时提升用户兴趣包请求的响应速度。

Description

一种基于软件定义的信息中心网络结构

技术领域

本发明涉及网络技术领域，特别是指一种基于软件定义的信息中心网络结构。

背景技术

信息中心网络(Information-Centric Network，ICN)是一种新型的网络架构，其中，以网络信息命名化，以命名为路由标识、网内缓存等技术实现了高效的网络内容访问。

内容路由器(Content Router，CR)是ICN的关键部分，内容路由器中包括内容存储器(Content Store，CS)、等待兴趣表(Pend Interest Table，PIT)和转发信息库(Forwarding Information Base，FIB)。当一个请求内容的兴趣包到达内容路由器时，依次经过PIT、CS表和FIB。PIT记录下兴趣包的到达端口，并标记兴趣包未被响应状态；CS表包含了内容路由器缓存在本地的数据包，通过内容名称匹配来响应兴趣包请求；FIB记录兴趣包能够寻求到数据包响应的转发端口。

在传统的ICN网络中，由于FIB表中存在的兴趣包的内容条目，记录到达兴趣包对应的数据包所在的位置的所有转发端口，使得兴趣包会从所有可达的端口转发出去，网络中就会传输大量的重复兴趣包，导致网络中产生大量的流量冗余。

因此许多ICN架构设计中，都会引入软件定义网络(Software-definate Netwok，SDN)的思想。通过控制器计算能力为兴趣包和数据包指定响应的路由，利用流表下发的方式为内容路由器添加转发规则，减少网络中冗余的兴趣包。但在这种方式下，网络中每当到达一个新的兴趣包，控制器就需要获取一次网络的拓扑信息，并根据拓扑计算出相应的路由，同时生成流表下发到内容路由器的FIB中。这种处理方式对控制器具有较高的性能需求，并且用户的兴趣包响应周期较长，此外，其他用户请求相同内容时，较大概率需要控制器对路由重新计算，造成控制资源的浪费。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于软件定义的信息中心网络结构，利用信息中心网络以命名标识路由的特性，结合控制器与内容路由器的协同作用，减少控制器路由计算资源开销，同时提升用户兴趣包请求的响应速度。

基于上述目的，本发明提供了一种基于软件定义的信息中心网络结构，包括：控制器和内容路由器；

所述控制器，包括：

信息接收模块，用于接收信息发布包，并对所述信息发布包进行合法性验证，以及用于记录路由请求信息；

发布处理模块，用于获取网络拓扑资源信息，以及用于对请求的路由进行拓扑生成计算，生成基于分级路由的网络拓扑；

路由发布模块，用于同步所述控制器和所述内容路由器的信息订阅表，以及用于对所述信息发布包对应的请求发布内容进行流表下发；

所述内容路由器，包括：

第二信息订阅表，用于对接收到的兴趣包或数据包进行哈希映射：

等待兴趣表，用于记录经所述内容路由器转发，但尚未回应的兴趣包；

内容存储器，用于查询所述内容路由器是否缓存有兴趣包请求信息，同时根据预设的缓存策略将数据包进行缓存；

转发信息库，用于对兴趣包进行转发，并且接收所述控制器的流表更新。

在一些实施方式中，所述信息接收模块，包括：第一信息订阅表；所述第一信息订阅表包括：级别，用于表示内容或内容提供方请求的路由级别；命名，用于表示请求路由所服务内容的命名标识；哈希值，用于表示将所述命名标识进行所述哈希映射后的值。

在一些实施方式中，所述信息发布包由提供内容的服务器发出，其包括：所述提供内容的服务器请求的命名和请求进行哈希映射的级别。

在一些实施方式中，所述命名采用层次化的命名方法，定义所述命名中的预设符号为级别划分符，定义无所述级别划分符的命名为一级命名，所述级别划分符越多，则命名的级别越高。

在一些实施方式中，所述分级路由，包括：根据所述命名的级别，所述控制器进行拓扑生成计算后可得到对应级别的路由。

在一些实施方式中，所述哈希映射，包括：根据所述命名的级别，将不定长度的命名标识映射为固定长度的命名标识。

在一些实施方式中，所述拓扑生成计算，包括：

步骤一、获取网络中的链路带宽信息G_s＝(N_s,L_s)，其中N_s＝{n₁,n₂,n₃…n_i}，L_s＝{l₁,l₂,l₃…l_j}；获取所述路由请求信息中的重要节点集合N_c，并记N_c中的元素个数为k；

步骤二、记Nc的邻接节点集合为V，Nc与V之间的链路集合为E，初始拓扑为表示空集；在集合V中取出节点v₁，若v₁只与N_c中的一个元素邻接，则将v₁和其关联的链路加入G_c中；若v₁与N_c中的多个元素邻接，则选出与v₁关联的最大带宽链路，将v₁和该链路加入G_c中；直到V的所有元素都被取出后，获得新的拓扑G₁；

步骤三、计算剩余节点集合为N_new＝N_s-N_c-V，并计算出剩余链路集合为L_new＝L_s-E；通过排序算法按照链路适应度从大到小对L_new中的元素进行排序，排序后获得L_order＝{l1,l2,l3…l_M}；

步骤四、在L_order中取出第一个元素l_x，设l_x在G_s的关联节点为V_lx，记G_x∪(V_lx,l_x)的节点数为n，链路数为m，若n-m＝k，则G_x+1＝G_x∪(V_lx,l_x)，并将l_x从L_order中删除；若n-m≠k，则G_x+1＝G_x，并将l_x从L_order中删除；

步骤五、判断L_order是否为空集，若为空集，则结束所述拓扑生成计算，并将路由发布信息和生成的拓扑结构发至所述路由发布模块；若不为空集，则重复步骤四。

在一些实施方式中，所述链路适应度通过如下公式计算：

其中，W(ei)表示ei链路的带宽资源，D(ei)表示ei链路的关联节点的节点度数之和，T表示链路ei的延时；α、β和γ满约束条件α+β+γ＝1，因子α、β和γ决定链路的带宽、关联节点位置和延时对路由有限选取的影响。

在一些实施方式中，所述第二信息订阅表还用于：判断所述兴趣包或安装包是否已经进行所述哈希映射，若是，则直接发送至所述等待兴趣表；若否，则对所述兴趣包或数据包进行查询。

在一些实施方式中，所述查询，包括：在所述第二信息订阅表中查询是否存在与所述兴趣包或安装包对应的条目，若存在，则对所述兴趣包或安装包进行所述哈希映射，并转发至所述等待兴趣表；若不存在，则丢弃所述兴趣包或安装包。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种基于软件定义的信息中心网络结构，利用信息中心网络以命名标识路由的特性，结合控制器与内容路由器的协同作用，减少控制器路由计算资源开销，同时提升用户兴趣包请求的响应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的附图。

图1为本发明实施例的基于软件定义的信息中心网络结构的网络拓扑图；

图2为本发明实施例的信息发布包示意图；

图3为本发明实施例的控制器结构示意图；

图4为本发明实施例的第一信息订阅表结构示意图；

图5为本发明实施例的拓扑生成算法流程示意图；

图6为本发明实施例的拓扑生成算法结果实例；

图7为本发明实施例的内容路由器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明实施例提供了一种基于软件定义的信息中心网络结构，其是在传统的信息中心网络上进行改造，为内容路由器上层加入软件定义的控制器，并且在控制器内部设计信息接收模块、发布处理模块和路由发布模块。同时对内容路由器进行设计，加入新的表项实现基于命名的路由转换。

参考图1，本发明实施例的基于软件定义的信息中心网络结构，包括：控制器和内容路由器。当内容服务器需要向网络中发布内容时，首先发出信息发布包请求路由，信息发布包结构如图2所示。内容路由器接收到此申请后，匹配其信息订阅表是否存在信息发布包的请求条目，若存在，则丢弃该内容请求包；若不存在，将信息发布包上传至控制器。

参考图3，所述的控制器，包括：信息接收模块、发布处理模块、路由发布模块。

信息接收模块，用于接收信息发布包，并对所述信息发布包进行合法性验证，以及用于记录路由请求信息。

具体的，信息接收模块包括第一信息订阅表(subscription information table，SIT)，简称为第一SIT。参考图4，第一SIT主要包括三个表项：级别、命名和哈希值；其中，级别，用于表示内容或内容提供方请求的路由级别；命名，用于表示请求路由所服务内容的命名标识；哈希值，用于表示将所述命名标识进行所述哈希映射后的值。当控制器收到来自内容路由器的信息发布包时，判断第一SIT中是否记录了该发布信息，若存在，则丢弃信息发布包；若不存在，则对命名进行基于前缀级别的哈希映射，并在第一SIT中以入栈方式加入新的条目。

所述信息发布包由提供内容的服务器发出，用于告诉网络其提供的内容。；当内容交换机接收到新的信息发布包后，将其上传至控制器，由控制器的信息接收模块接受。信息发布包中具有服务器请求的命名和请求进行哈希映射的级别。

为保证内容具有较高的聚合性，本实施例中采用层次化的命名方法，定义命名中的“/”为级别划分符，定义无级别划分符的命名为一级命名，级别划分符越多，则命名级别越高。根据命名级别，控制器进行拓扑生成计算后可得到对应级别的路由。来自于同一服务器或服务器群的内容使用相同的命名前缀，如c1/c2/c3/music.mp3和c1/c2/c3/movie.mkv具有相同的命名前缀，其中c1为一级命名、c1/c2为二级命名、c1/c2/c3为三级命名。

本实施例中，所述哈希映射，包括：根据所述命名的级别，将不定长度的命名标识映射为固定长度的命名标识。如对三级命名c1/c2/c3进行哈希映射，得到0xf122800c，同时c1/c2/c3/music.mp3，映射后为0xf122800c/music.mp3。

发布处理模块，用于获取网络拓扑资源信息，以及用于对请求的路由进行拓扑生成计算，生成基于分级路由的网络拓扑。

具体的，发布处理模块负责获取网络的拓扑信息，主要包括发布内容的缓存节点和网络中的链路信息，同时根据获取的信息通过拓扑生成算法计算网络拓扑。

所述拓扑生成算法，生成以缓存节点为中心的多个树状网络，最大化利用链路带宽资源和缓存节点资源，同时请求路径明确，不需要内容路由器广播兴趣包来寻找需要的内容。所述拓扑生成算法包括：获取网络中重要节点、获取网络中重要节点的邻接节点以及关联链路、通过链路适应度排序获取网络中适应度较高的链路。参考图5，具体的计算包括如下步骤：

步骤一、获取网络中的链路带宽信息G_s＝(N_s,L_s)，其中N_s＝{n₁,n₂,n₃…n_i}，L_s＝{l₁,l₂,l₃…l_j}；获取所述路由请求信息中的重要节点集合N_c，并记N_c中的元素个数为k；

步骤二、记N_c的邻接节点集合为V，N_c与V之间的链路集合为E，初始拓扑为表示空集；在集合V中取出节点v₁，若v₁只与N_c中的一个元素邻接，则将v₁和其关联的链路加入G_c中；若v₁与N_c中的多个元素邻接，则选出与v₁关联的最大带宽链路，将v₁和该链路加入G_c中；直到V的所有元素都被取出后，获得新的拓扑G₁；

步骤三、计算剩余节点集合为N_new＝N_s-N_c-V，并计算出剩余链路集合为L_new＝L_s-E；通过排序算法按照链路适应度从大到小对L_new中的元素进行排序，排序后获得L_order＝{l1,l2,l3…l_M}；

步骤四、在L_order中取出第一个元素l_x，设l_x在G_s的关联节点为V_lx，记G_x∪(V_lx,l_x)的节点数为n，链路数为m，若n-m＝k，则G_x+1＝G_x∪(V_lx,l_x)，并将l_x从L_order中删除；若n-m≠k，则G_x+1＝G_x，并将l_x从L_order中删除；

步骤五、判断L_order是否为空集，若为空集，则结束所述拓扑生成计算，并将路由发布信息和生成的拓扑结构发至所述路由发布模块；若不为空集，则重复步骤四。

其中，所述链路适应度通过如下公式计算：

上述公式中，W(ei)表示ei链路的带宽资源，D(ei)表示ei链路的关联节点的节点度数之和，T表示链路ei的延时；α、β和γ满约束条件α+β+γ＝1，因子α、β和γ决定链路的带宽、关联节点位置和延时对路由有限选取的影响。

可见，所述拓扑生成算法能够保证每个节点服务于其所属的树状拓扑中，保证路由信息覆盖到网络中的所有内容路由器。

可选的，在发布处理模块添加请求合法认证和优先级处理，避免不合法信息的发布和提供服务质量分级的功能。

路由发布模块，用于同步所述控制器和所述内容路由器的信息订阅表，以及用于对所述信息发布包对应的请求发布内容进行流表下发。

其中，所述流表下发指将接收信息模块的哈希值和指定端口按照发布处理模块生成的拓扑，并下发至内容路由器的FIB中，发布的路由结果如图6所示。

参考图7，所述的内容路由器，包括：

第二信息订阅表(简称为第二SIT)，用于对接收到的兴趣包或数据包进行哈希映射。

其中，兴趣包由网络中的用户发出，用于请求网络中的数据；数据包由网络服务的提供方发出，用于响应兴趣包的请求，并沿着请求路径返回给用户。

具体的，第二SIT还用于判断所述兴趣包或安装包是否已经进行所述哈希映射，若是，则直接发送至PIT；若否，则对所述兴趣包或数据包进行查询。

其中，所述查询，包括：在第二SIT中查询是否存在与所述兴趣包或安装包对应的条目，若存在，则对所述兴趣包或安装包进行所述哈希映射，并转发至所述等待兴趣表；若不存在，则丢弃所述兴趣包或安装包。

等待兴趣表(Pend Interest Table，PIT)，用于记录经所述内容路由器转发，但尚未回应的兴趣包。

PIT包括命名和端口两个表项。兴趣包到达PIT后，在命名表项中添加第二SIT映射后的命名，在端口表项添加接收兴趣包的端口，并将兴趣包发送至CS。数据包到达PIT后，查询命名表项，若存在匹配的未回应兴趣包，则将数据包从对应的端口转发，并删除该表项；若不存在匹配的未回应兴趣包，则发送至CS。

内容存储器(Content Store，CS)，用于查询所述内容路由器是否缓存有兴趣包请求信息，同时根据预设的缓存策略将数据包进行缓存。

具体的，兴趣包到达CS表后，查询表项，若存在兴趣包请求的内容，则将匹配的数据包发送至PIT，否则将兴趣包发送至FIB；数据包到达CS后，查询是否需要在本地缓存该数据，若需要则将数据包写入CS，否则丢弃数据包。

转发信息库(Forwarding Information Base，FIB)，用于对兴趣包进行转发，并且接收所述控制器的流表更新。

具体的，FIB包括命名和端口两个表项；兴趣包到达FIB后，查询路由表项是否具有匹配的条目，若存在，则将兴趣包从对应的端口转发；若不存在，则将兴趣包上传至控制器。

如图7所示，在本实施例的内容路由器的工作流程为：取第二SIT路由级别的兴趣包命名对应前缀进行匹配，若存在匹配的条目，则将兴趣包的命名前缀按照规则进行哈希映射，否则直接发送至PIT。如图7所示，兴趣包的命名为c1/c2/c3/music.mp4，在第二SIT中查询到“3C1/C2/C30xf122800c”的条目，即取兴趣包的c1/c2/c3进行匹配，匹配成功后将其映射为0xf122800c/music.mp4。在PIT中记录兴趣包的名称，以及端口；在CS中记录缓存内容的哈希值。当0xf122800c/music.mp4到达FIB时，匹配到命名前缀为0xf122800c的兴趣包后，从1号端口转发。同样的，当数据包进入内容路由器后，首先匹配SIT，并根据规则进行哈希映射，映射后在PIT中查询到匹配的命名后，从对应的端口转发。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，包括：控制器和内容路由器；

所述控制器，包括：

信息接收模块，用于接收信息发布包，并对所述信息发布包进行合法性验证，以及用于记录路由请求信息；

发布处理模块，用于获取网络拓扑资源信息，以及用于对请求的路由进行拓扑生成计算，生成基于分级路由的网络拓扑；

路由发布模块，用于同步所述控制器和所述内容路由器的信息订阅表，以及用于对所述信息发布包对应的请求发布内容进行流表下发；

所述内容路由器，包括：

第二信息订阅表，用于对接收到的兴趣包或数据包进行哈希映射：

等待兴趣表，用于记录经所述内容路由器转发，但尚未回应的兴趣包；

内容存储器，用于查询所述内容路由器是否缓存有兴趣包请求信息，同时根据预设的缓存策略将数据包进行缓存；

转发信息库，用于对兴趣包进行转发，并且接收所述控制器的流表更新。

2.根据权利要求1所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述信息接收模块，包括：第一信息订阅表；所述第一信息订阅表包括：级别，用于表示内容或内容提供方请求的路由级别；命名，用于表示请求路由所服务内容的命名标识；哈希值，用于表示将所述命名标识进行所述哈希映射后的值。

3.根据权利要求2所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述信息发布包由提供内容的服务器发出，其包括：所述提供内容的服务器请求的命名和请求进行哈希映射的级别。

4.根据权利要求2所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述命名采用层次化的命名方法，定义所述命名中的预设符号为级别划分符，定义无所述级别划分符的命名为一级命名，所述级别划分符越多，则命名的级别越高。

5.根据权利要求4所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述分级路由，包括：根据所述命名的级别，所述控制器进行拓扑生成计算后可得到对应级别的路由。

6.根据权利要求2所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述哈希映射，包括：根据所述命名的级别，将不定长度的命名标识映射为固定长度的命名标识。

7.根据权利要求2所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述拓扑生成计算，包括：

步骤一、获取网络中的链路带宽信息G_s＝(N_s,L_s)，其中N_s＝{n₁,n₂,n₃…n_i}，L_s＝{l₁,l₂,l₃…l_j}；获取所述路由请求信息中的重要节点集合N_c，并记N_c中的元素个数为k；

步骤二、记Nc的邻接节点集合为V，Nc与V之间的链路集合为E，初始拓扑为 表示空集；在集合V中取出节点v₁，若v₁只与N_c中的一个元素邻接，则将v₁和其关联的链路加入G_c中；若v₁与N_c中的多个元素邻接，则选出与v₁关联的最大带宽链路，将v₁和该链路加入G_c中；直到V的所有元素都被取出后，获得新的拓扑G₁；

步骤三、计算剩余节点集合为N_new＝N_s-N_c-V，并计算出剩余链路集合为L_new＝L_s-E；通过排序算法按照链路适应度从大到小对L_new中的元素进行排序，排序后获得L_order＝{l1,l2,l3…l_M}；

步骤四、在L_order中取出第一个元素l_x，设l_x在G_s的关联节点为V_lx，记G_x∪(V_lx,l_x)的节点数为n，链路数为m，若n-m＝k，则G_x+1＝G_x∪(V_lx,l_x)，并将l_x从L_order中删除；若n-m≠k，则G_x+1＝G_x，并将l_x从L_order中删除；

步骤五、判断L_order是否为空集，若为空集，则结束所述拓扑生成计算，并将路由发布信息和生成的拓扑结构发至所述路由发布模块；若不为空集，则重复步骤四。

8.根据权利要求7所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述链路适应度通过如下公式计算：

其中，W(ei)表示ei链路的带宽资源，D(ei)表示ei链路的关联节点的节点度数之和，T表示链路ei的延时；α、β和γ满约束条件α+β+γ＝1，因子α、β和γ决定链路的带宽、关联节点位置和延时对路由有限选取的影响。

9.根据权利要求2所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述第二信息订阅表还用于：判断所述兴趣包或安装包是否已经进行所述哈希映射，若是，则直接发送至所述等待兴趣表；若否，则对所述兴趣包或数据包进行查询。

10.根据权利要求9所述的基于软件定义的信息中心网络结构，其特征在于，所述查询，包括：在所述第二信息订阅表中查询是否存在与所述兴趣包或安装包对应的条目，若存在，则对所述兴趣包或安装包进行所述哈希映射，并转发至所述等待兴趣表；若不存在，则丢弃所述兴趣包或安装包。