CN109818855A - 一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法，该方法通过引入网络编码技术，使得请求者能够以pipeline模式连续发送请求数据内容代多个线性无关编码报文的兴趣报文。以pipeline式发送的兴趣报文由中间路由器利用多路径进行转发，从而带回多个线性无关编码报文，这些编码报文添加进路径上节点的缓存又可响应将来请求相同数据内容代的兴趣报文。本发明能够实现命名数据网络以pipeline模式发送兴趣报文，不仅能够加速数据内容的获取，而且可使各兴趣报文带回不同的编码报文，充分利用命名数据网络中多路径传输和网络内缓存的优势，提升网络的传输性能。
Description
技术领域
本发明属于未来网络体系结构技术领域，具体涉及一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法。
背景技术
命名数据网络(NDN)是最有希望的未来网络体系结构之一。NDN关注数据内容本身而不是存储内容的位置，它以内容名称标识和路由报文。NDN潜在地支持多路径传输和网络内缓存。在NDN中，通信由请求者驱动，请求者发送兴趣报文请求数据内容，该报文携带数据内容的名称信息，路由器通过多路径转发兴趣报文到数据源来寻求响应。缓存有匹配数据报文的任一路由器或者数据源均可响应兴趣报文的请求。每个NDN路由器均可以缓存经过的数据报文，即支持网络内缓存。
网络内缓存和多路径传输使得NDN具有高效传输数据内容的潜力。数据内容提供者和路由器中缓存均可看做数据源。多路径传输使得请求者可以利用多个接口发送兴趣报文以请求数据内容。因此，请求者可以pipeline模式(请求者同时发送多个兴趣报文并行请求不同的数据内容)实现内容的并行快速获取，即通过连续发送不同的兴趣报文请求不同的数据内容。然而，如果NDN中请求者以pipeline模式发送兴趣报文，请求者需要事先知道连续请求的这些数据报文的特定名字以及每个数据报文的具体路由信息，而这个前提在请求者访问数据内容时不一定成立。而且，NDN中网络内缓存和多路径传输若要充分结合以实现高效的内容传输需要复杂的协调，具体地说，如果要使用缓存中的内容，缓存内容的可达性信息需要在路由系统中进行通告。但是由于缓存内容的高度动态性，路由系统需要以数据报文的粒度维护缓存内容的可达性信息，这会给网络带来很大的计算负担。因此，目前NDN中的转发策略是利用所有可用路径传输，或者是选择性能最好的路径传输或是随机选择一条路径传输，最终实现的都只是单路径传输的效果。所以NDN中请求者即使以pipeline模式发送兴趣报文也不能充分利用网络内缓存和多路径传输带来的优势优化传输性能。
因此，有研究提出利用网络编码来充分结合NDN中网络内缓存和多路径传输的特点。在基于网络编码的NDN中，数据内容以“代”进行传输，每代数据内容以统一的名称进行标识并包含多个大小相同的线性无关编码报文。每个编码报文均可响应请求该代数据内容的兴趣报文。因此请求者并不是请求具体的数据内容，而是请求该代数据内容中的任一编码报文。请求者只要收到与每代编码报文数量相同的线性无关编码报文即可解码出原始数据内容。因此基于网络编码的NDN中，请求者可以pipeline模式发送兴趣报文，路由器通过多路径转发兴趣报文可获取到多个线性无关编码报文，返回的编码报文添加进缓存又可响应将来请求相同数据内容代的兴趣报文，从而充分结合网络内缓存和多路径传输，优化NDN传输性能。
目前虽有一些研究提出基于网络编码的NDN中可以pipeline模式发送兴趣报文，但是并没有解决pipeline发送模式下的兴趣报文聚合以及如何确保请求者收到多个线性无关编码报文等问题。
发明内容
发明目的：本发明提供一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法，通过引入网络编码使NDN支持请求者以pipeline模式发送兴趣报文，实现内容的快速获取以及网络传输性能的提升。
技术方案：本发明所述的一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法，包括以下步骤：
(1)兴趣报文以pipeline模式发送并利用多路径进行转发来请求线性无关编码报文；
(2)数据源返回多个线性无关编码报文到请求者并缓存在路径上节点。
所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)请求者以pipeline模式连续发送多个兴趣报文请求不同的编码报文，每个兴趣报文携带不同的Expected Rank值记录请求者已有的该数据内容代线性无关编码报文的数量以及等待响应的兴趣报文的数量；
(12)路由器接收兴趣报文，检查是否有名称匹配的CS表项，若有，转步骤(13)；否则，转步骤(14)；
(13)若缓存中有多于Expected Rank值的线性无关编码报文，则将这些编码报文进行再编码，生成新的编码报文返回给请求者；若无法以缓存编码报文响应兴趣报文，则转步骤(14)；
(14)路由器检查是否有内容名称匹配的PIT表项，若有，转步骤(15)；否则，转步骤(16)；
(15)若名称匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文与新到达的报文是重复报文，则丢弃新到达的报文；若PIT表项记录的是其他请求者发送的请求相同数据内容代的兴趣报文，且Expected Rank大于等于新到达兴趣报文的Expected Rank值，则将兴趣报文聚合到该PIT表项；若兴趣报文无法聚合，则转步骤(16)；
(16)路由器检查是否有内容名称匹配的FIB表项，若有，转步骤(17)；否则，丢弃该兴趣报文；
(17)路由器按照FIB表项所示接口并行转发兴趣报文；
(18)数据源接收兴趣报文并返回兴趣报文所请求数据内容代的编码报文，编码报文携带与兴趣报文Expected Rank值相对应的Rank值。
所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)路由器接收数据源返回的编码报文；
(22)路由器检查是否有名称匹配的CS表项，若有，转步骤(23)；否则转步骤(24)；
(23)路由器判断编码报文与已缓存的同代数据内容的编码报文是否是线性相关，若是，则丢弃该编码报文，否则转步骤(24)；
(24)路由器缓存新到达的编码报文；
(25)路由器判断是否存在名称匹配的PIT表项，若是，则转步骤(26)；否则丢弃该编码报文；
(26)若匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文的Expected Rank值小于等于编码报文的Rank值，则按照响应规则对兴趣报文进行响应，并转步骤(27)；若ExpectedRank大于编码报文的Rank值，则直接转步骤(28)；
(27)删除已响应的兴趣报文的记录，若PIT表项记录的兴趣报文均被响应则转步骤(29)，若还有未被响应的兴趣报文则转步骤(28)；
(28)若匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文的Expected Rank值小于等于路由器已缓存的该代数据内容的线性无关编码报文数量，则对缓存的编码报文进行再编码，并按照响应规则响应PIT表项记录的兴趣报文，然后删除已响应的兴趣报文的记录并转步骤(29)；若Expected Rank大于路由器已缓存的该代数据内容的线性无关编码报文数量，则直接转步骤(29)；
(29)编码报文返回到用户。
步骤(12)所述的CS表项主要包括数据内容代名称和缓存的该代数据内容的线性无关编码报文。
步骤(26)和(28)中所述的响应规则是指满足条件的PIT表项有多个时，对多个PIT表项按照记录的Expected Rank进行降序排序，从Expected Rank值最大的表项开始响应并且编码报文只发往同一接口和同一请求者一次。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、有效支持兴趣报文的pipeline发送模式，请求者以pipeline模式发送兴趣报文不需要知道请求的数据内容的特定名字以及具体的路由信息，只需知道所请求的数据内容代的名称以及路径上是否存储有属于该代内容的编码报文即可；2、网络编码的应用充分结合了NDN中网络缓存和多路径传输的特点，简化了节点间的协调，请求者通过多路径获取的线性无关编码报文添加进缓存可响应将来的请求；3、请求者以pipeline模式发送的兴趣报文不会被聚合，而是会被分别转发请求不同的编码报文，从而加速内容的获取，返回的多个编码报文添加进缓存又可提升缓存命中率，进而优化网络性能。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为NDN路由器对兴趣报文的处理流程图；
图3为NDN路由器对编码报文的处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
兴趣报文的名称信息不是NDN中具体数据内容的信息，而是所请求的数据内容代的名称信息。另外，除NDN中兴趣报文需要记录的Selector，Nonce，lifetime信息之外，兴趣报文还需要记录以下字段信息：Expected Rank，RID。Expected Rank的值为请求者目前已有的线性无关编码报文的数量以及正在等待响应的请求该代数据内容的兴趣报文数量(包括正在发送的兴趣报文)之和，路由器依据该字段决定是否可以用缓存内容响应该兴趣报文以及到达的编码报文是否可以响应该兴趣报文。另外，请求者可发送不同Expected Rank值的兴趣报文实现pipeline发送模式，因为每个兴趣报文发送的时候，即使请求者已有的线性无关编码报文数量是相同的，但是等待响应的兴趣报文数量是不同的。RID字段用于表明请求者的身份。中间节点可以根据RID字段确定具有相同名称前缀和不同Expected Rank的两个兴趣报文是否是同一请求者发送，还是来自不同的请求者。若是前一种情况，则说明兴趣报文是以pipeline模式进行发送，那么这两个报文应该分别转发来获取不同的编码报文，若不是，这两个兴趣报文可以聚合，减少冗余的传输。
编码报文即NDN中的数据报文，它除了有数据内容代的名称信息，签名信息和编码内容之外，还需记录以下字段的信息：Rank和Coefficient Vector。Rank字段由响应的兴趣报文的Expected Rank字段拷贝而来。当节点收到编码报文时也是根据该字段决定是否响应PIT中名称前缀相匹配的兴趣报文。Coefficient Vector字段记录编码报文的编码向量。路由器需要该字段判断编码报文间的线性相关性，请求者则需要该字段值解码得到原始的数据报文。
CS(Content Store，内容存储库)中每一表项记录的不再是特定的数据报文，而是属于同代数据内容的编码报文的集合，每个表项主要包括两部分内容：数据内容代名称以及缓存的该代数据内容的线性无关编码报文。其中内容名字是查询CS表时所使用的关键字，若该表项缓存的编码报文数量多于请求者已有的线性无关编码报文数量，则CS可将缓存的该代编码报文进行再编码生成新编码报文响应请求者的请求。当CS中缓存的编码报文超过最大值时，不能按照原始的LRU(Least Recently Used，最近最久未使用)策略选择表项进行置换，因为该表项可能包含数个编码报文。因此，对网络编码环境下的缓存替换策略做了如下改进：当有新的编码报文而缓存空间已满时，选择需要置换的表项，当该表项只缓存了一个编码报文时，则删除该表项；当该表项缓存了两个或两个以上编码报文时，随机选择两个编码报文进行再编码，并用这个再编码的编码报文替换被选择的两个编码报文，该操作可以增加以该再编码报文响应用户的请求时，该再编码报文与用户已有编码报文的线性无关性。无论是删除还是替换，都会使得CS空出一个编码报文的空间来缓存新到达的编码报文。若在CS中可以找到匹配该编码报文的表项，则将编码报文插入该表项，否则，为该编码报文创建一个新的表项。
PIT(Pending Interest Table，待定兴趣表)表记录已向上游转发但尚未有数据报文返回的兴趣报文的相关信息，每个表项记录兴趣报文的内容名字、Expected Rank值、RID列表、nonce字段值列表、兴趣报文到达的接口列表和兴趣报文转发出去的接口列表信息。
FIB(Forwarding Information Base，转发信息库)表存储转发兴趣报文的决策信息，每个表项记录名称前缀和下一跳接口列表信息。在转发兴趣报文时，当FIB表项记录的内容名称与兴趣报文中所指定的内容名称相匹配时，才可以依据该FIB表项转发兴趣报文。
图1为本发明的流程图，本发明主要包括两部分，第一步是兴趣报文以pipeline模式发送并利用多路径进行转发来请求线性无关编码报文，包括以下步骤：
(1)请求者以pipeline模式连续发送多个兴趣报文请求该数据内容代的多个线性无关编码报文，因为请求者目前已有的该代数据内容线性无关编码报文数量是确定的，但是每个兴趣报文发送时正在等待响应的请求该代数据内容的兴趣报文数量是不同的，因此以pipeline模式发送的兴趣报文携带着不同的Expected Rank值，另外每个兴趣报文也携带该请求者的RID；
(2)路由器接收兴趣报文，检查是否有名称匹配的CS表项，如有，转步骤(3)，否则，转步骤(4)；
(3)若缓存中有多于Expected Rank值的线性无关编码报文，则将这些编码报文进行再编码，生成新的编码报文返回给请求者，该编码报文的Rank值为缓存中的该代内容线性无关编码报文数量；若无法以缓存编码报文响应兴趣报文，则转步骤(4)；
(4)路由器检查是否有内容名称匹配的PIT表项，若有，转步骤(5)，否则，转步骤(6)；
(5)若名称匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文与新到达的兴趣报文是重复报文，即RID，Expected Rank和Nonce字段均相同，则丢弃新到达的报文；若不是重复报文，则开始判断该报文是否可以跟某个PIT表项进行聚合。因为可能有多个名称匹配的PIT表项，此时根据RID和Expected Rank综合判断该兴趣报文是否满足聚合条件。若存在匹配的PIT表项，其记录的兴趣报文的RID与新到达兴趣报文的RID不同且Expected Rank大于等于新到达兴趣报文的Expected Rank值，则选择满足以上条件的PIT表项中Expected Rank值最小的PIT表项，将兴趣报文聚合到该PIT表项；若兴趣报文不满足以上聚合的条件，则转步骤(6)；
(6)路由器检查是否有内容名称匹配的FIB表项，若有，转步骤(7)；否则，丢弃该兴趣报文；
(7)路由器按照FIB表项所示接口多路径转发兴趣报文；
(8)数据源接收兴趣报文并返回兴趣报文所请求数据内容代的编码报文，编码报文携带与兴趣报文Expected Rank值相对应的Rank值；
请求者以pipeline模式连续发送多个请求相同数据内容代不同编码报文的兴趣报文可加速数据内容的获取。但是需要注意的是以pipeline模式发送的兴趣报文不应该是被聚合，而是应该被分别转发寻求数据内容代不同编码报文的响应。路由器依据RID和Expected Rank字段综合判断兴趣报文是否可以聚合，保证了以pipeline模式发送的兴趣报文会被分别转发来寻求响应。
第二步是数据源返回多个线性无关编码报文到请求者并缓存在路径上节点。请求者以pipeline模式发送的多个兴趣报文可以带回多个线性无关编码报文。编码报文返回时添加进路径上节点的缓存中可响应将来请求相同数据内容代的兴趣报文，从而提高缓存命中率，优化网络传输性能。第二步包括以下步骤：
(1)路由器接收数据源返回的编码报文；
(2)路由器检查是否有名称匹配的CS表项，若有，转步骤(3)；否则转步骤(4)；
(3)路由器判断编码报文与已缓存的同代数据内容的编码报文是否是线性相关，若是，则丢弃该编码报文，否则转步骤(4)；
(4)路由器缓存新到达的编码报文，即添加该报文到缓存的该数据内容代编码报文的集合中；
(5)路由器判断是否存在名称匹配的PIT表项，若是，则转步骤(6)；否则丢弃该编码报文；
(6)若匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文的Expected Rank值小于等于编码报文的Rank值，因为可能有多个匹配的PIT表项，此时对这多个PIT表项按照不同的Expected Rank进行降序排序，然后从Expected Rank值最大的PIT表项开始响应，并且该编码报文只发往同一接口和同一请求者一次以免下一跳路由器或请求者收到相同的编码报文，此举通过记录编码报文每次的发出接口和响应的PIT表项中的RID来实现，当下一次发送该编码报文之前需检查发出接口是否发送过或是否响应过RID对应的请求者。按照以上条件转发编码报文后转步骤(7)；若Expected Rank大于编码报文的Rank值，则直接转步骤(8)；
(7)删除已响应的兴趣报文的记录，若PIT表项记录的兴趣报文均被响应则转步骤(9)，若还有未响应的兴趣报文则转步骤(8)；
(8)若匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文的Expected Rank值小于等于路由器已缓存的该代数据内容的线性无关编码报文数量，则对缓存的编码报文进行再编码，并对PIT表项按照Expected Rank进行降序排序，然后从Expected Rank值最大的PIT表项开始响应，同样该编码报文只发往同一接口和同一请求者一次，然后删除已响应的兴趣报文的记录并转步骤(9)；若Expected Rank大于路由器已缓存的该代数据内容的线性无关编码报文数量，则直接转步骤(9)；
(9)编码报文返回到用户；
图2为NDN路由器对兴趣报文的处理流程图。若请求编码报文的兴趣报文到达,其Expected Rank为rank，RID为rid且Nonce值为nonce，路由器首先查询CS表，若CS表中有名称匹配的表项，且缓存的该代内容线性无关编码报文数量不少于兴趣报文中的ExpectedRank值，则路由器对这些编码报文进行再编码并将新的编码报文返回给请求者。若CS中无匹配表项，路由器则查询PIT表。因为以pipeline模式进行发送的兴趣报文不应该被聚合，而是应该被分别转发来请求线性无关编码报文，所以可以根据PIT表记录的兴趣报文的RID和Expected Rank来综合判断到达的兴趣报文是否应该被聚合。若有匹配的PIT表项其记录的Expected Rank，RID和Nonce均与新到达的兴趣报文的对应字段相同，则该到达的兴趣报文被看做是重复报文，遂丢弃该报文。若有一个匹配的PIT表项其记录的Expected Rank不小于rank，且RID不等于rid，即所记录的兴趣报文与新到达的兴趣报文不是同一请求者以pipeline模式发送，则可以将新到达的兴趣报文聚合到该表现中。若有多个匹配的PIT表项均满足Expected Rank不小于rank且RID不等于rid的条件，则选择其中Expected Rank值最接近rank的表项进行聚合，即添加rank，rid，nonce以及到达接口到聚合的PIT表项。若该兴趣报文无法被聚合，则路由器检查FIB表项。若有匹配的FIB表项，则路由器转发兴趣报文到表项中的所有接口，若没有匹配的FIB表项，则路由器丢弃该兴趣报文。
图3为NDN路由器对编码报文的处理流程图。若编码报文到达路由器，其Rank值为rank。路由器首先检查是否有匹配的CS表项，若没有，则缓存该编码报文。若有匹配的CS表项，则需判断该编码报文与已缓存的编码报文是否是线性无关，若是，则可以缓存该编码报文到CS表项。若与已缓存的编码报文线性相关，则丢弃该新到达的编码报文。然后路由器检查是否有匹配的PIT表项决定是否转发该编码报文。若有匹配的PIT表项且其记录的Expected Rank不大于rank值，则该编码报文可以响应这些PIT表项中的记录。需要注意的是，该编码报文只发往同一RID和同一接口一次以避免请求者或下一跳收到线性相关编码报文。另外，该编码报文从Expected Rank值最大的PIT表项开始响应，若从最小的开始响应，则后续到达的Rank值较小的编码报文无法响应Expected Rank值较大的PIT表项。如果仍有无法被该编码报文响应的PIT表项，则路由器会将匹配的CS表项中的线性无关编码报文进行再编码，用新编码报文响应剩余名称匹配且Expected Rank值不大于该新编码报文的Rank值的表项，该新编码报文对PIT表项的响应仍需遵循同一RID和同一接口只发送一次以及从Expected Rank值最大的表项开始响应的条件。PIT表项中记录的兴趣报文若被响应则需删除其相应信息。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)兴趣报文以pipeline模式发送并利用多路径进行转发来请求线性无关编码报文；
(2)数据源返回多个线性无关编码报文到请求者并缓存在路径上节点。
2.根据权利要求1所述的一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
(11)请求者以pipeline模式连续发送多个兴趣报文请求不同的编码报文，每个兴趣报文携带不同的Expected Rank值记录请求者已有的该数据内容代线性无关编码报文的数量以及等待响应的兴趣报文的数量；
(12)路由器接收兴趣报文，检查是否有名称匹配的CS表项，若有，转步骤(13)；否则，转步骤(14)；
(13)若缓存中有多于Expected Rank值的线性无关编码报文，则将这些编码报文进行再编码，生成新的编码报文返回给请求者；若无法以缓存编码报文响应兴趣报文，则转步骤(14)；
(14)路由器检查是否有内容名称匹配的PIT表项，若有，转步骤(15)；否则，转步骤(16)；
(15)若名称匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文与新到达的报文是重复报文，则丢弃新到达的报文；若PIT表项记录的是其他请求者发送的请求相同数据内容代的兴趣报文，且Expected Rank大于等于新到达兴趣报文的Expected Rank值，则将兴趣报文聚合到该PIT表项；若兴趣报文无法聚合，则转步骤(16)；
(16)路由器检查是否有内容名称匹配的FIB表项，若有，转步骤(17)；否则，丢弃该兴趣报文；
(17)路由器按照FIB表项所示接口并行转发兴趣报文；
(18)数据源接收兴趣报文并返回兴趣报文所请求数据内容代的编码报文，编码报文携带与兴趣报文Expected Rank值相对应的Rank值。
3.根据权利要求1所述的一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：
(21)路由器接收数据源返回的编码报文；
(22)路由器检查是否有名称匹配的CS表项，若有，转步骤(23)；否则转步骤(24)；
(23)路由器判断编码报文与已缓存的同代数据内容的编码报文是否是线性相关，若是，则丢弃该编码报文，否则转步骤(24)；
(24)路由器缓存新到达的编码报文；
(25)路由器判断是否存在名称匹配的PIT表项，若是，则转步骤(26)；否则丢弃该编码报文；
(26)若匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文的Expected Rank值小于等于编码报文的Rank值，则按照响应规则对兴趣报文进行响应，并转步骤(27)；若Expected Rank大于编码报文的Rank值，则直接转步骤(28)；
(27)删除已响应的兴趣报文的记录，若PIT表项记录的兴趣报文均被响应则转步骤(29)，若还有未被响应的兴趣报文则转步骤(28)；
(28)若匹配的PIT表项记录的等待响应的兴趣报文的Expected Rank值小于等于路由器已缓存的该代数据内容的线性无关编码报文数量，则对缓存的编码报文进行再编码，并按照响应规则响应PIT表项记录的兴趣报文，然后删除已响应的兴趣报文的记录并转步骤(29)；若Expected Rank大于路由器已缓存的该代数据内容的线性无关编码报文数量，则直接转步骤(29)；
(29)编码报文返回到用户。
4.根据权利要求2所述的一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法，其特征在于，步骤(12)所述的CS表项主要包括数据内容代名称和缓存的该代数据内容的线性无关编码报文。
5.根据权利要求3所述的一种NDN中支持pipeline模式获取内容的方法，其特征在于，步骤(26)和(28)中所述的响应规则是指满足条件的PIT表项有多个时，对多个PIT表项按照记录的Expected Rank进行降序排序，从Expected Rank值最大的表项开始响应并且编码报文只发往同一接口和同一请求者一次。
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