CN108337173A - 基于本地缓存和结构化p2p的分布式名址映射系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统及方法，具体为一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射实现方法。本发明用于解决传统名址映射服务中全局映射服务器GNRS(Global Name Resolution Service)部署的高查询时延、大规模查询带来的开销问题，映射信息缓存的一致性以及系统的稳定性问题，可以有效减少查询规模、缩短查询路径和提高系统的稳定性。

Description

基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统及方法，适用于名址分离映射系统领域。

背景技术

随着互联网的迅速发展，互联网上的内容越来越多，人们逐渐不满足于点对点的通信，而是更加倾向于对于内容的获取。于是在未来网络的设计要求中，更多需要的是指出对内容而不是对地址的路由，同时要求对移动性更好的支持。因此将内容名称与地址分离管理是未来网络中的一个重要的机制，即名址分离机制。

名址分离机制的实现关键是名址映射服务，在MobilityFirst中，该服务由名址映射服务器GNRS提供。GNRS将网络节点的GUID(globally unique identifier)映射到一个或多个网络地址(NA)上，映射后的网络地址用来在网络中进行路由。然而，传统的全局映射服务器GNRS部署方案有着查询时延长，网络负载大以及映射服务器开销大等问题。同时实际的网络被分为多个自治域(AS)，每个域中都可能会产生大量的映射信息查找请求，全局映射服务器的部署也不符合实际情况。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统及方法。

本发明采用的技术方案为：

一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统，包括多个自治域，每个自治域内包括多个接入路由器、多个域内映射服务器和一个域内全局映射服务器；

多个接入路由器分别用于在本地缓存一段时间内终端请求过的名(GUID)址映射信息，形成本地映射信息缓存表；周期性广播本地映射信息缓存表，并与邻居接入路由器进行协同缓存，形成邻居映射信息缓存表；所述的终端包括请求终端和目的终端；

多个域内映射服务器分别用于存储本自治域内部分终端的名址映射信息；

域内全局映射服务器用于存储本自治域内所有终端的名址映射信息，并采用Chord环的方式存储其他自治域内终端的GUID到其所在自治域内的域内全局映射服务器地址的映射信息。

其中，接入路由器在给请求终端返回目的终端的名址映射信息时，缓存该名址映射信息；且接入路由器只广播本地映射信息缓存表，而不广播邻居映射信息缓存表。

其中，一个终端的名址映射信息存储在K个映射服务器上，映射服务器的地址为对终端的GUID执行哈希函数所得，其中K个映射服务器包括域内全局映射服务器和K-1个域内映射服务器，K为正整数。

一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射方法，包括以下步骤：

(1)构建如权利要求1-3中任一权项所述的分布式名址映射系统；

(2)进行目的终端的名址映射信息的注册；

(3)请求终端在本地接入路由器进行名址映射信息的本地查询；若本地接入路由器未查找到，则向域内映射服务器查询；若在域内映射服务器未查找到，则向域内全局映射服务器查询。

其中，步骤(2)具体包括以下步骤：

(201)目的终端漫游至特定自治域的网络后，与该自治域内的接入路由器建立连接，从接入路由器获得网络地址，并将名址映射注册信息发送给接入路由器；

(202)接入路由器对目的终端的GUID执行K次哈希函数，得到K个映射服务器的地址，将目的终端的名址映射信息按照多备份的方式发送到本自治域内的K个映射服务器，其中K个映射服务器包含域内全局映射服务器，K为正整数；

(203)域内全局映射服务器接收到目的终端的名址映射信息后，生成目的终端的GUID到域内全局映射服务器地址的映射关系，采用分布式哈希表的方式将映射关系插入到域内全局映射服务器组成的Chord环中。

其中，步骤(3)具体包括以下步骤：

(301)请求终端将名址映射请求信息发送到请求终端所在自治域的接入路由器，接入路由器首先查询本地映射信息缓存表和邻居映射信息缓存表是否有与名址映射请求信息中目的终端的GUID相匹配的映射信息，如果存在匹配的映射信息，则直接进行应答，向请求终端返回目的终端的地址，否则执行步骤(302)；

(302)接入路由器执行已知的哈希函数，得到存储目的终端名址映射信息的K个域内映射服务器的地址，根据得到的结果，接入路由器选择一个最近的域内映射服务器并将名址映射请求信息发送给该域内映射服务器，如果在域内映射服务器中查找到目的终端的名址映射信息，则将查找到的目的终端的名址映射信息返回到接入路由器，接入路由器在本地缓存该信息并将目的终端的地址返回给请求终端，否则，接入路由器向所在自治域的域内全局映射服务器发送名址映射请求信息，执行步骤(303)；

(303)域内全局映射服务器收到名址映射请求信息后，利用Chord环对目的终端的名址映射信息进行全局查找，查找到目的终端所在的自治域的域内全局映射服务器的地址，将名址映射请求信息发送到查找到的域内的全局映射服务器，将查找到的目的终端的名址映射信息返回到请求终端对应的接入路由器，接入路由器在本地缓存该信息并将目的终端的地址返回给请求终端。

本发明相比背景技术具有以下优点：

1、解决了全局映射服务器GNRS部署的高查询时延以及大规模查询带来的开销问题，可以有效减少查询规模，缩短查询路径，提高系统的稳定性。

2、解决映射信息缓存的一致性以及系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明的映射系统结构示意图。

图2为本发明的接入路由器本地缓存示意图。

图3为本发明的Chord环结构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图和实例对本发明做进一步说明。

本发明的一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统，结构如图1所示，包括多个自治域，每个自治域内包括多个接入路由器、多个域内映射服务器和一个域内全局映射服务器；

其中主干网络采用Chord环结构负责全局映射信息查找，自治域内采用多服务器备份机制负责域内映射信息查找，域内全局映射服务器既承担域内映射服务器的作用，同时也承担作为Chord节点的作用，其中作为Chord节点时的作用是替主干网络维护Chord环信息，作为域内映射服务器时的作用是维护域内路由表项。此外，接入路由器缓存一段时间内请求过的名址映射信息，同时与邻居接入路由器共享缓存的名址映射信息，使得后续相同的请求能够在本地被迅速应答。

下面详细介绍发明中的各个操作流程，包括接入路由器本地缓存映射信息，邻居接入路由器缓存共享，映射信息注册，映射信息查询。

接入路由器本地缓存映射信息:

如图2所示，在名址映射系统中，自治域内的接入路由器在本地维护一个映射信息表T1，并在本地缓存一段时间内请求过的名址映射信息。即接入路由器在返回名址映射信息给请求终端的同时，缓存该映射信息。

接入路由器本地缓存的映射信息具有生存时间T和更新时间T_u，对于本地缓存中的每条映射信息，每间隔更新时间T_u向映射服务器发送查询请求，并根据查询结果更新本地缓存信息；如果在生存时间T内没有收到某条映射信息的请求，则将该条映射信息从接入路由器本地缓存中删除。

请求终端向接入路由器发送查询请求时，会首先查找该缓存，如果匹配上了则可以直接进行应答，若没有匹配上，则继续向域内映射服务器发送查询请求。

邻居接入路由器缓存共享:

所有接入路由器周期性广播本地缓存的映射信息表T1，并与邻居接入路由器进行缓存共享。接入路由器将定期获得的相邻接入路由器广播的缓存信息，并将其缓存到本地路由器的邻居映射信息缓存表T2中。为防止映射信息表膨胀，接入路由器只广播映射信息表T1，而不广播获取到的邻居接入路由器的邻居映射信息缓存表T2。

相应的，如果接入路由器收到邻居映射信息缓存表T2上的请求，则将该条映射表项升级到T1中。

一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射方法，包括以下步骤：

(1)构建如权利要求1-3中任一权项所述的分布式名址映射系统；

(2)进行目的终端的名址映射信息的注册；

(3)请求终端在本地接入路由器进行名址映射信息的本地查询；若本地接入路由器未查找到，则向域内映射服务器查询；若在域内映射服务器未查找到，则向域内全局映射服务器查询。

名址映射信息注册:

当有新的终端加入网络时，要向映射系统注册其名址映射信息，具体过程如下：

步骤1、终端漫游至特定网络后，将获得网络地址NA，它将注册自己的名址映射信息。首先终端与接入路由器建立连接，并将<GUID，NA>的注册信息发送给接入路由器。在过程中，不会在接入路由器本地缓存映射信息；

步骤2、接入路由器对GUID进行哈希函数计算，得到K个映射服务器地址，之后将终端的注册信息按照多备份的方式发送到K个域内映射服务器，其中K个映射服务器包含域内全局映射服务器，映射服务器接收到注册信息后，将映射信息存储到本地映射信息表；

步骤3、域内全局映射服务器接收到<GUID，NA>的注册信息后，生成GUID到域内全局映射服务器的网络地址NA’的映射关系<GUID，NA’>，采用分布式哈希表的方式将<GUID，NA’>映射关系插入域内全局映射服务器组成的Chord环中。

映射信息查询:

查询映射信息时实现三层查询机制，如图1所示，首先在接入路由器本地查找；若本地没有查找到，则在域内进行查找；域内依然没有查找到，则进一步通过Chord环进行全局查找。

全局查找通过建立的Chord环进行资源定位。当在某个节点上查找资源时，首先判断其后继节点是不是就持有该资源，若没有则直接从该节点的路由表从最远处开始查找，查找到第一项节点哈希值NID小于资源哈希值KID的节点，并向后跳转，若没有发现则说明本节点自身就有需要寻找的资源，如此迭代下去。如图3所示，在N8节点发起查询K54内容的请求：在N8上查找后继节点为N14，发现K54并不符合54∈(8,14]的要求，那么直接在N8的路由表上查找符合这个要求的表项(由远及近查找)，发现最后一项，N42离K54这个资源节点最近，那么此时跳到N42这个节点上继续查找，N42的后继节点为N48，不符合54∈(42,48]的要求，说明N48不持有资源54，此时，开始在N42的路由表上查找，倒数第三项N51距离K54最近，那么此时跳到N51这个节点上继续查找，N51节点的后继节点为N56，符合54∈(51,56]，此时完成定位，N56持有资源K54。一共经历N8-N42-N51-N56三跳查找到最终结果。

具体查询过程如下：

步骤1、终端的请求信息首先发送到其所在域的接入路由器，接入路由器首先查询本地映射信息缓存表和邻居映射信息缓存表是否有与请求数据包中目的终端GUID相匹配的映射信息，如果存在匹配的映射信息，则直接进行应答，向请求终端返回目的终端的NA，否则执行步骤2。

步骤2、如果本地没有查找到与目的终端GUID相匹配的缓存信息，接入路由器则将查询请求转发到域内映射服务器，具体操作为：接入路由器会执行已知的哈希函数，得到GUID对应的K个网络地址，这K个网络地址对应于K个域内的映射服务器。根据得到的结果，接入路由器会选择一个最接近的映射服务器并将查询请求发送给该映射服务器，若在该映射服务器所管理的域内检索到GUID对应的映射信息条目，则将查找到的<GUID,NA>映射信息返回到接入路由器，接入路由器在本地缓存该映射信息并将目的终端NA返回给请求终端。如果在域内映射服务器没有查找到结果，则向域内全局映射服务器发送查询请求，执行步骤3。

步骤3、域内全局映射服务器收到查询请求后，利用Chord环对目的终端GUID进行全局查找。通过Chord环查找到目的终端GUID所在的域内全局映射服务器网络地址：通过哈希域内全局映射服务器网络地址得到域内全局映射服务器的节点标识NID，值为NID_i，通过哈希目的终端GUID得到chord环中对应的资源KID值，之后查询KID是否在(NID_i，NID_i+1]之间，若在，则将请求发送到下一节点；若不在，则从后向前查询chord环表项，直到查找到第一个NID<KID的节点，将请求转发到该NID对应的全局映射服务器；若没有查找到对应表项，则说明内容存储在该全局映射服务器中，可以直接获取该映射信息。

步骤4、查找到目的终端GUID所在的域内全局映射服务器网络地址之后，查找请求会被发送到该映射服务器，之后在该映射服务器维护的域内映射表项中进行查找，并将查找到的<GUID，NA>映射关系返回到之前的接入路由器，接入路由器在本地缓存该映射信息并将目的终端NA返回给发送请求的终端节点。

Claims (6)

1.一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统，其特征在于，包括多个自治域，每个自治域内包括多个接入路由器、多个域内映射服务器和一个域内全局映射服务器；

多个接入路由器分别用于在本地缓存一段时间内终端请求过的名址映射信息，形成本地映射信息缓存表；周期性广播本地映射信息缓存表，并与邻居接入路由器进行协同缓存，形成邻居映射信息缓存表；所述的终端包括请求终端和目的终端；

多个域内映射服务器分别用于存储本自治域内部分终端的名址映射信息；

域内全局映射服务器用于存储本自治域内所有终端的名址映射信息，并采用Chord环的方式存储其他自治域内终端的GUID到其所在自治域内的域内全局映射服务器地址的映射信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统，其特征在于：

接入路由器在给请求终端返回目的终端的名址映射信息时，缓存该名址映射信息；且接入路由器只广播本地映射信息缓存表，而不广播邻居映射信息缓存表。

3.根据权利要求1所述的一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射系统，其特征在于：

一个终端的名址映射信息存储在K个映射服务器上，映射服务器的地址为对终端的GUID执行哈希函数所得，其中K个映射服务器包括域内全局映射服务器和K-1个域内映射服务器，K为正整数。

4.一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)构建如权利要求1-3中任一权项所述的分布式名址映射系统；

(2)进行目的终端的名址映射信息的注册；

(3)请求终端在本地接入路由器进行名址映射信息的本地查询；若本地接入路由器未查找到，则向域内映射服务器查询；若在域内映射服务器未查找到，则向域内全局映射服务器查询。

5.根据权利要求4所述的一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射方法，其特征在于，步骤(2)具体包括以下步骤：

(201)目的终端漫游至特定自治域的网络后，与该自治域内的接入路由器建立连接，从接入路由器获得网络地址，并将名址映射注册信息发送给接入路由器；

(202)接入路由器对目的终端的GUID执行K次哈希函数，得到K个映射服务器的地址，将目的终端的名址映射信息按照多备份的方式发送到本自治域内的K个映射服务器，其中K个映射服务器包含域内全局映射服务器，K为正整数；

(203)域内全局映射服务器接收到目的终端的名址映射信息后，生成目的终端的GUID到域内全局映射服务器地址的映射关系，采用分布式哈希表的方式将映射关系插入到域内全局映射服务器组成的Chord环中。

6.根据权利要求4所述的一种基于本地缓存和结构化P2P的分布式名址映射方法，其特征在于，步骤(3)具体包括以下步骤：

(301)请求终端将名址映射请求信息发送到请求终端所在自治域的接入路由器，接入路由器首先查询本地映射信息缓存表和邻居映射信息缓存表是否有与名址映射请求信息中目的终端的GUID相匹配的映射信息，如果存在匹配的映射信息，则直接进行应答，向请求终端返回目的终端的地址，否则执行步骤(302)；

(302)接入路由器执行已知的哈希函数，得到存储目的终端名址映射信息的K个域内映射服务器的地址，根据得到的结果，接入路由器选择一个最近的域内映射服务器并将名址映射请求信息发送给该域内映射服务器，如果在域内映射服务器中查找到目的终端的名址映射信息，则将查找到的目的终端的名址映射信息返回到接入路由器，接入路由器在本地缓存该信息并将目的终端的地址返回给请求终端，否则，接入路由器向所在自治域的域内全局映射服务器发送名址映射请求信息，执行步骤(303)；

(303)域内全局映射服务器收到名址映射请求信息后，利用Chord环对目的终端的名址映射信息进行全局查找，查找到目的终端所在的自治域的域内全局映射服务器的地址，将名址映射请求信息发送到查找到的域内的全局映射服务器，将查找到的目的终端的名址映射信息返回到请求终端对应的接入路由器，接入路由器在本地缓存该信息并将目的终端的地址返回给请求终端。