CN110417662A - 一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，包括：传输模式判断；中间节点在收到兴趣包后，若为Pull模式，则依次查询CS、PIT以及FIB，确定转发接口，将兴趣包送达底层设备；若为Push模式，则依次查询CS与FIB，确定转发接口，将兴趣包送达控制中心；提供者在收到兴趣包后返回匹配的数据包；中间节点在收到数据包后，依次查询CS与PIT完成转发决策，根据名称标志完成数据聚合，利用缓存策略完成缓存决策。本发明通过采用命名数据网络来进行智慧建筑场景下的数据传输，既满足了海量设备的传输需求，又提高了数据的安全性；在此基础上，两种模式能够覆盖所有类型应用，所涉及的命名方式、传输流程、缓存策略能有效地提高数据传输效率，减少开销。

Description

一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法

技术领域

本发明涉及物联网通信协议与传输方法技术领域，更具体的说是涉及一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法。

背景技术

伴随着无线通信、智能感知、大数据以及云计算等技术的发展，物联网(Internetof Things，IoT)应运而生。建筑作为人们生活的重要活动场所已经成为物联网研究的一个重要应用方向。智慧建筑不同于传统建筑。它既可以实现建筑内部的环境监控满足用户的多种需求，又能够合理地管理各种资源达到节能减排的目的，甚至可以通过网络与外部连接以实现办公、娱乐、医疗等智慧城市应用。

实现高效、可靠的数据传输是构建智慧建筑的关键。迄今为止，在智慧建筑的场景下数据传输主要分为两条技术路线。一条是由局域网技术演变而来，在BACnet和LonWorks之上设计新的方法与服务。这条技术路线虽然便于建筑内部网络的管理，但是无法令用户远程访问并控制智慧建筑。另一条是伴随着互联网的发展，以TCP/IP为基础，逐渐演变成基于IPv6的解决方案——6LoWPAN。然而，智慧建筑内部包含了海量的设备，兼备多种底层通信技术。如何提供高效、可靠的数据传输服务一直是智慧建筑亟待解决的难题。首先，由于设备尤其是传感器可能随着需求的增加越来越多，相应的地址配置以及地址解析就会越来越复杂；其次，6LoWPAN等方案本身不能提供端到端之间的安全性，需要添加中间件来实现安全功能，实现的复杂性会降低数据传输的性能。综上，以TCP/IP为核心的传统网络构架难以满足智慧建筑日益增长的应用需求，需要一种新的解决方案来提供更优质的数据传输服务。

近年来，信息中心网络已成为下一代网络的新范式，为学界与业界广泛讨论。一些研究尝试将经典的命名数据网络(Named Data Networking,NDN)应用于物联网的场景中，以期利用NDN的特点与优势提供优质的数据传输服务。首先，NDN按名称转发数据，避免了传统基于TCP/IP网络的复杂的地址配置与解析过程；其次，NDN可通过名称的完整性验证来实现端到端传输的安全性，不需添加额外的中间件，降低了网络架构的复杂性；最后，NDN支持多播与网内缓存，对以数据采集为核心业务的物联网应用有良好的支持。然而，针对物联网的应用场景尤其是在智慧建筑中，目前的设计方案还存在缺陷。一方面，这些方案往往会沿用NDN层次化的命名方法并通过最长前缀匹配进行路由。这种单一化的方式无法满足应用多样化的传输需求，从而降低传输效率。另一方面，这些设计方案往往忽略了命名数据的缓存问题。

因此，在智慧建筑场景下，面对海量的数据与有限的设备存储空间，如何设计有效的缓存方案提高传输效率是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，针对智慧建筑中由应用数据繁多而引发的传输低效、缓存失效等问题，在深入分析智慧建筑应用场景的基础上提出了新的数据命名方案，并对数据缓存策略进行了深入改进，从而实现传输速率高，最大限度利用缓存空间的数据传输方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，包括以下步骤：

S1：中间节点接收到命名兴趣包后，读取所述命名兴趣包的标志位，判断当前所述命名兴趣包的传输模式，并对所述命名兴趣包进行转发；

S11：当传输模式为Pull模式时，根据所述命名兴趣包的名称，依次检索当前所述中间节点的CS、PIT以及FIB，从而判断本地是否已有缓存数据，判断是否已收到相同所述命名兴趣包，并选择所述命名兴趣包的下一跳步转发接口；

S12：当传输模式为Push模式时，检索当前所述中间节点的CS，判断是否存在匹配的ACK数据包，若存在，则将所述ACK数据包转发至所述命名兴趣包的到来接口，若不存在，则继续查询FIB表项并将所述命名兴趣包转发至匹配的接口；

S2：在Pull模式下，作为提供者的终端节点在收到所述命名兴趣包后，生成匹配的命名数据包，所述命名数据包的名称与所述命名兴趣包的名称一致，再将所述命名数据包返回至所述命名兴趣包的到来接口；在Push模式下，作为提供者的控制中心在收到包含数据的所述命名兴趣包之后，生成匹配的ACK数据包，并将其返回至所述命名兴趣包的到来接口作为响应；

S3：所述中间节点接收到所述命名数据包后，根据名称检索CS判断是否已存在匹配记录，检索PIT判断是否需要继续转发所述命名数据包，根据所述命名数据包中的“AGG”标志与所述中间节点的拓扑位置判断是否聚合数据，根据所述传输模式与缓存策略决定是否需要缓存当前数据。

需要进一步说明的是：消费者向控制中心发起请求，控制中心生成一个兴趣包，并通过命名数据网络逐层向下传播；此外，终端设备也可生成包含数据的兴趣包，并通过命名数据网络向控制中心传播。

采用上述技术方案的有益效果为：Push与Pull两种传输模式能够支持智慧建筑场景下的所有应用需求；缓存策略能够最大限度地利用节点的存储空间从而提高数据传输的效率，数据汇聚功能有效地结合网络拓扑结构从而支持物联网数据采集应用。

本发明通过采用命名数据网络来进行智慧建筑场景中的数据传输，既能够满足海量设备与应用的传输需求，又有效提高了数据安全性；在命名数据网络的基础上，本发明采用Pull与Push两种经典的传输模式来支持不同类型应用的数据传输任务，通过设计命名方式、传输流程、缓存策略有效地提高了数据传输的效率，降低了资源开销与网络管理的复杂性。

优选的，所述命名兴趣包与所述命名数据包的名称均包括物理命名空间和应用命名空间；其中，

所述物理命名空间表示网络节点所处的位置；

所述应用命名空间表示上层应用的相关属性；

其中，所述相关属性包括通用属性和可选属性，所述通用属性是所有应用在命名数据时都必须设置的属性，所述可选属性是应用根据时间与空间上的需求而设定的属性。

需要进一步说明的是：所述网络节点包括路由器、终端设备或传感器等；

采用上述技术方案的有益效果为：将智慧建筑场景中层次化的拓扑结构与名称中的线性结构结合起来，从而发挥最长前缀匹配原则的作用，实现兴趣包与数据包的高效转发。

优选的，所述命名兴趣包的结构至少依次包括：名称name、时间戳TimeStamp、随机数Nonce、标志位IS_Push和在Push模式下使用的数据字段P_Data；

所述命名数据包的结构至少依次包括：名称name、时间戳TimeStamp、随机数Nonce、在Push模式下用于确认所述命名兴趣包的标志位IS_Reply、提供者信息P_ID和数据字段P_Data。

优选的，所述中间节点的所述FIB表项中，每一条记录中仅包括所述物理命名空间部分对应的前缀和对应的转发接口；

网关节点的所述FIB表项中，每一条记录中包括所述物理命名空间和所述应用命名空间，当接收到来自上层NDN路由器转发的所述命名兴趣包时，所述网关节点利用最长前缀匹配原则寻找下一跳转发接口。

采用上述技术方案的有益效果为：先根据名称中的物理命名空间部分转发兴趣包，再根据应用命名空间部分转发兴趣包，从而有效的利用名称中各元素的顺序，节省中间节点的存储开销。

优选的，所述Pull模式包括以下四类：1-1-1、1-M-1、1-1-T和1-M-T；其中，

所述1-1-1类：消费者发送1个所述命名兴趣包，1个提供者收到所述命名兴趣包之后返回1个所述命名数据包；

所述1-1-T类：所述消费者发送1个所述命名兴趣包，1个所述提供者收到所述命名兴趣包之后每隔时间段T返回1个匹配的所述命名数据包；

所述1-M-1类：所述消费者发送1个所述命名兴趣包，M个所述提供者收到所述命名兴趣包之后返回M个匹配的所述命名数据包；

所述1-M-T类：所述消费者发送一个所述命名兴趣包，M个所述提供者在收到所述命名兴趣包之后每隔时间段T返回M个匹配的所述命名数据包。

采用上述技术方案的有益效果为：将Pull模式下的不同数据传输需求划分为4个类别，针对不同类别的特点设计不同的方法以提高传输效率。

优选的，对于所述1-1-1类和所述1-M-1类应用，所述PIT的生存时间计算方法为：

其中，T_L(i)为第i个所述命名兴趣包的生存时间，k为所述消费者最多能发送同一个所述命名兴趣包的次数，应用设置的最长响应时间为t_d，t_c为当前时间，Δt为当前节点将数据返回给所述消费者的时间，i为第i次发送所述命名兴趣包；

对于所述1-1-T类和所述1-M-T类应用，所述PIT的生存时间计算方法为：

其中，n表示已经采集的数据的轮数，P表示所述提供者发送命名数据的时间长度，T为周期，P-n·T表示剩余的时间，k为所述消费者最多能发送同一个所述命名兴趣包的次数，Δt为当前节点将数据返回给所述消费者的时间，所述消费者第i次发送相同所述命名兴趣包时设置的生存时间为T_L(i)。

采用上述技术方案的有益效果为：针对不同的传输类型计算PIT表项的生存时间以平衡传输性能与资源开销，在保证帮助消费者快速获取数据的前提下有效地减少PIT表项以节省存储资源。

优选的，所述步骤S11具体包括以下内容：

S111：在所述Pull传输模式下，所述中间节点从所述命名兴趣包中提取出名称并查询CS中是否已经存在匹配数据，若存在，则将已缓存的命名数据包发送至所述命名兴趣包的到来接口，否则执行S112；

S112：查询所述PIT中是否存在匹配记录，若存在，则更新匹配记录中的接口信息，若不存在，则执行S113；

S113：检查名称的所述物理命名空间部分是否含有“/*”字符串，若含有，则将所述命名兴趣包转发至下层所有接口，若不含有，则进一步查询所述FIB表项，按照最长前缀匹配原则获得匹配记录，并将所述命名兴趣包转发至当前匹配记录对应的接口。

采用上述技术方案的有益效果为：利用占位符“/*”有效地支持了部分应用获取某一物理区域内所有设备与传感器数据的传输要求。

优选的，所述步骤S3具体包括以下内容：

S31：所述中间节点收到所述命名数据包后检索CS中是否已经存在匹配数据；若存在，则丢弃所述命名数据包；若不存在，则执行S32；

S32：查询PIT中是否有匹配的记录；若没有匹配记录，则丢弃所述命名数据包；若有匹配记录，则执行S33；

S33：检查所述命名数据包的名称中是否含有“AGG”标志；若含有，则执行S34；若不含有，则直接执行S36；

S34：判断所述中间节点的拓扑位置是否属于聚合节点；若属于，则执行S35；若不属于，则直接执行S36；

S35：根据名称中的描述，对数据进行聚合操作；

S36：转发所述命名数据包至PIT匹配的接口；

S37：判断当前所述命名数据包是否为Push模式下的包含ACK的数据包，若不是，则执行S38，若是，则直接执行S39；

S38：根据所述缓存策略决定是否缓存所述命名数据包；若确定缓存，则执行S39，否则丢弃所述命名数据包；

S39：在CS中缓存所述命名数据包。

需要进一步说明的是：所述聚合操作包括平均、计数等多种常规操作。

采用上述技术方案的有益效果为：支持Pull与Push两种模式下的数据包转发，并且利用名称中的“AGG”标志实现了数据聚合功能的多种操作。

优选的，所述缓存策略的具体内容包括：

(1)计算节点位置指数λ和应用流行度μ；

(2)根据所述节点位置指数λ和所述应用流行度μ计算缓存概率P，并进一步计算缓存阈值ξ；

(3)根据所述缓存概率P与所述缓存阈值ξ进行比较，根据比较结果判断节点是否缓存当前数据。

优选的，所述节点位置指数λ的计算方法具体为：

其中，当前节点与控制中心之间的距离为h，提供者与控制中心之间的距离为H，当前命名数据已经被缓存的次数为k；

应用流行度μ的计算方法具体为：

其中，当前数据包到达节点的时间为t，PIT表项中与当前数据包属于同一类应用的记录条数为n；PIT表项中一共包含了的记录条数为N，每一条记录的兴趣包的到达时间为t_i，为权重；

所述缓存概率P的计算方法具体为：

其中，λ与μ的取值范围均在区间[0,1]内，以λ为横坐标，以μ为纵坐标构成直角坐标系的映射点为p，当λ与μ均为1时，得到一个概率最大值点p⁺(1,1)；当λ与μ均为0时，得到概率最小值的点p^-(0,0)，d⁺定义为p与p⁺之间的距离，d^-为p与p^-之间的距离；

所述缓存阈值ξ的计算方法具体为：

其中，ξ_m为缓存阈值的最大值，x为当前节点剩余缓存空间大小与节点本身拥有存储空间大小的比值，当x为1时，表示存储空间已满，则缓存阈值设置为ξ_m；当x为0时，表示存储空间未被使用，则缓存阈值设置为0；

当缓存概率P大于ξ(x)的计算结果时，节点缓存当前数据；否则，节点会放弃缓存数据。

采用上述技术方案的有益效果为：通过引入位置指数λ使得数据在整个网络拓扑结构中能够找到合理的缓存位置，从而节省上层网络节点的存储资源；通过引入应用流行度μ，有效增加了缓存数据的访问命中率；通过引入缓存阈值ξ最大限度地利用网络中节点的剩余存储空间。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为智慧建筑网络架构图；

图2附图为本发明所提供的命名方案设计图；

图3附图为智慧建筑节点分布图；

图4附图为本发明所提供的缓存概率计算示意图；

图5附图为本发明所提供的兴趣包2阶段转发示意图；

图6附图为本发明所提供的转发过程的节点FIB示意图；

图7附图为本发明所提供的兴趣包与数据包结构图；

图8附图为本发明所提供的节点转发兴趣包的流程图；

图9附图为本发明所提供的节点转发数据包的流程图；

图10附图为本发明所提供的实验场景图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法

具体包括以下4个步骤：

S1：智慧建筑场景分析：对智慧建筑场景下命名数据的传输需求进行分析。具体分为以下3步：网络架构分析，传输需求分析以及缓存需求分析。

(1)网络架构分析：覆盖智慧建筑的命名数据网络应具备以下3点特征：a)对外连接互联网，对内覆盖所有设备与传感器；b)采用树形拓扑结构组织网络节点；c)设置控制中心负责接收来自内外部的数据请求并向下分发。图1展示了智慧建筑中典型的网络架构。该网络以控制中心为树根，各层路由器和网关作为枝干节点，终端设备作为树叶，共同构成了一个多层次的树形结构。

(2)传输需求分析：首先根据传输需求的差异将所有应用划分为Push与Pull两大类；然后根据的传输模式的差异，将Pull类应用划分为4类：1-1-1、1-M-1、1-1-T、1-M-T。其中，M表示针对当前数据请求提供者的数目，T表示提供者周期性上传数据的时间间隔。Push类应用指仅通过命名数据包将消息或命令直接发送给对应节点，而Pull类应用通过发送兴趣包返回数据包的模式传输数据，包含以下4小类，

·1-1-1类应用：消费者发送1个兴趣包，1个提供者收到兴趣包之后返回1个数据包。例如，用户远程查询灯泡的亮度。用户将命令发送给控制中心，控制中心作为消费者发送一个兴趣包，灯泡中的光学传感器作为生产者返回一个包含亮度数值的数据包。

·1-1-T类应用：消费者发送1个兴趣包，1个提供者收到兴趣包之后每隔时间段T返回1个匹配的数据包。例如，控制中心每隔6小时查询一次扫地机器人的剩余电量。控制中心作为消费者发送1个兴趣包，

扫地机器人作为提供者每隔6小时发送一个包含剩余电量值的数据包。

·1-M-1类应用：消费者发送1个兴趣包，M个提供者收到兴趣包之后返回M个匹配的数据包。例如，控制中心查询一个房间内所有温度传感器的温度数值。控制中心作为消费者发送1个兴趣包，所有的温度传感器作为提供者返回对应的温度数值。

·1-M-T类应用：消费者发送一个兴趣包，M个提供者在收到兴趣包之后每隔时间段T返回M个匹配的数据包。例如，控制中心每隔1小时查询一个房间内所有温度传感器的温度数值。控制中心作为消费者发送1个兴趣包，每隔1小时房间内所有的温度传感器作为提供者返回对应的温度数值。

(3)缓存需求分析：针对智慧建筑的应用场景，将数据缓存需求归纳为3点：a)最大限度缓存流经网络的命名数据；b)避免命名数据多节点重复存储以提高资源利用率；c)最大限度提高查询缓存数据的响应时间。

S2：命名方案设计：根据S1中对智慧建筑网络架构、传输需求以及缓存需求的分析，设计智慧建筑场景下的数据命名方案。如图2所示，该命名方案由物理命名空间和应用命名空间两部分组成。

·物理命名空间代表终端设备或传感器所处的位置，包括楼宇号(/BUL)、楼层号(/FLR)、房间号(/RUM)、对象(/OBJ)。

·应用命名空间由应用的一系列相关属性有序构成。这些属性可分为通用属性与可选属性。其中，通用属性是所有应用在命名数据时都必须设置的属性，包括与物理命名空间重合的对象(/OBJ)、操作类型(/ACT)以及应用描述(/DSC)。可选属性是根据应用在时间与空间上的需求而设定的，包括生存时间(/DEL)、间隔时间(/PRD)、提供者数目(/NUM)。应用可根据具体需求设置其中的一个或多个可选属性。

S3：缓存策略设计：具体包含4个步骤：节点位置指数计算、应用流行度计算、缓存概率计算，动态阈值计算。

(1)节点位置指数计算：如图3所示，智慧建筑的网络拓扑呈树形结构。消费者的数据需求来自于根节点，而数据的提供者一般是底层节点。中间层的网关与路由器提供数据转发功能。当这些中间节点接收到命名数据时，需要根据自己所处的拓扑位置计算出位置指数λ。由图3可得，一方面，节点距离消费者的拓扑距离越小，命名数据的传输延迟越小，响应越快；另一方面，节点所处的层次越靠近根节点，其能够获得的缓存空间越有限。因此，为了在提高传输性能的同时最大限度地利用缓存空间，本发明提出了一种位置指数计算方法以平衡上述需求。

据上述分析，节点位置指数需满足公式(1)所列出的3个条件。如图3所示，当前节点与根节点(控制中心)之间的距离为h，而叶节点(提供者)与根节点(控制中心)之间的距离为H。若h的数值越接近H，则当前节点距离根节点(控制中心)越远，其位置指数λ也应该越小。此外，设置k为当前命名数据已经被缓存的次数。在命名数据自下而上向根节点传输的过程中，若下级节点缓存了数据，k的数值加1。如果当前节点发现所接收命名数据的k值非0，说明该数据此前已经被下级节点缓存。为了平衡缓存负载，位置指数λ的数值需与k成反比。k越大时，λ越小。

为了满足公式(1)列出的特性，本发明设计了一个以h与k为自变量，以位置指数λ为应变量的二元函数。节点在接收到命名数据包之后，从其中读出k值，将其与节点的h值代入公式(2)中计算出位置指数λ。

(2)应用流行度计算：智慧建筑场景中的应用丰富。虽然应用的数据传输需求各异，但他们都采用统一的命名方式来描绘数据。当前中间节点在接收到一个命名数据包后，需要考虑此数据是否受欢迎，以决定缓存与否。本发明设计了一个衡量数据受欢迎程度的参数——应用流行度μ，并提出了它的计算方法。

表1展示了某一中间节点的部分PIT表项。每一条记录包括兴趣包名称、兴趣包到达入口、到达时间等项目。兴趣包名称中包含了应用的相关信息，而其到达时间也实时地反映出网络中数据的需求变化。中间节点据此为参考，通过将接收到的数据与PIT表项进行对比，从而计算出当前数据的流行度μ。

表1：PIT表项

如公式(3)所示，当前数据包到达节点的时间为t。根据数据包名称中的/DSC字段，可在PIT表中查询出与该数据包属于同一类应用的n条记录。假设PIT表中共包含了N条记录，在不考虑时效性的情况下，应用流行度可表示为n/N。然而，由于每一条记录的兴趣包到达时间t_i不同，其新鲜度也不同。如果某一条与接收数据属于同一类应用的PIT表项新鲜度更好，那么应该在计算应用流行度时为其赋予更高的权重。因此，本发明设计了一个随时间衰减的权重函数。当数据包与兴趣包到达时间的差值t-t_i越大时，权重会越小。

(3)缓存概率计算：中间节点在决定是否缓存当前接收到命名数据包时，采用基于概率P的评估方法。该方法将节点位置指数λ与应用流行度μ结合起来计算概率P的数值。如图4所示，λ与μ的取值范围都在区间[0,1]。对于每一个接收到的数据包，均可计算出λ与μ的数值，然后将其映射到图4中的黑色方框内，构成坐标点p。当λ与μ均为1时，可得到一个概率最大值点p⁺(1,1)；当λ与μ均为0时，可得到概率最小值的点p^-(0,0)。缓存概率P可以通过计算当前坐标点p与p⁺和p^-两点的距离获得。缓存概率P的计算方法如公式(4)所示，其中d⁺定义为p与p⁺之间的距离，d^-是p与p^-之间的距离。

(4)缓存阈值计算：网络节点的存储空间是有限的。随着缓存数据的增多，剩余可用空间会逐渐减小。为避免存储空间耗尽而产生的缓存频繁替换的问题，本发明提出一种基于剩余存储空间的缓存阈值动态调整算法。如公式(5)所示，缓存阈值ξ满足3个条件。其中，ξ_m是缓存阈值的最大值，x是当前节点剩余缓存空间大小与节点本身拥有存储空间大小的比值。当x为1时，表示存储空间已满，则缓存阈值设置为ξ_m；当x为0时，表示存储空间未被使用，则缓存阈值设置为0。

根据上述条件，设置阈值函数ξ(x)。如公式(6)所示，当第(3)步计算出的缓存概率P大于ξ(x)的计算结果时，节点缓存当前数据；否则，节点会放弃缓存数据。

S4：命名数据传输流程设计：在本发明中，命名数据的传输协议以S2中的命名机制和S3中的缓存策略为基础。具体分为5个部分：2阶段转发策略设计、兴趣包与数据包结构设计、FIB结构设计、PIT结构设计、兴趣包与数据包处理流程设计。

(1)2阶段转发策略设计：兴趣包转发过程以物理空间与应用空间为基础，分为2个阶段。如图5和图6所示，在第一阶段，控制中心将外部或内部的应用需求转换成兴趣包之后，首先根据兴趣包名称中物理命名空间部分进行转发。各层NDN路由器查询FIB，采用最长前缀匹配原则决定转发接口，将兴趣包转发至下层设备。值得注意的是，如果物理命名空间部分中存在占位符“/*”，表示当前层次下属的所有接口都被选中。当兴趣包到达各房间的网关后，兴趣包转发过程进入第二阶段。网关会根据兴趣包名称中应用命名空间部分的信息，从FIB中选择合适的接口转发给接入设备。在上述两个阶段中，节点均使用最长前缀匹配原则来选择转发接口。

(2)兴趣包与数据包结构设计：如图7所示，虽然只设置了兴趣包(Interest)与数据包(Data)两种基本类型，但是新增了应用传输类型信息(IS_Push、IS_Reply)、数据提供者信息(P_ID)、PUSH数据(P_Data)。在兴趣包中，IS_Push表示兴趣包是否采用PUSH方式上传数据的标记位，若该位置为TRUE，则在兴趣包的P_Data部分会携带上传数据；否则，P_Data省略。在数据包中，P_ID用来标识数据提供者。IS_Reply标志位用来确认Push的数据是否已经收到。当控制中心收到Push的数据时，会返回一个Reply包给提供者，此时IS_Reply标志会置为TRUE。

(3)FIB结构设计：首先，智慧建筑场景中NDN路由器以及相关设备共同构成一个相对固定的树形拓扑。因此，FIB选择采用静态路由表项的形式。如表2所示，中间节点的FIB中每一条记录只需保存物理命名空间部分对应的前缀，从而将兴趣包转发至对应的拓扑位置。

表2：中间节点的FIB表项

命名前缀	转发接口
		/center	0
/Building1/Floor1/Room1	1
		/Building1/Floor1/Room2	2

其次，底层的网关既需要利用物理空间的信息也需要利用应用空间的信息。网关节点的FIB表项记录的是收到命名数据的名称。当接收到来自上层NDN路由器转发的兴趣包时，网关节点可以利用最长前缀匹配原则寻找下一跳转发接口。

表3：网关节点的FIB表项

命名前缀	转发接口
		/center	0
/Building1/Floor1/Room1/Light1	1
		/Building1/Floor1/Room1/Area/Get/PM2.5 Measurement	2

(4)PIT结构设计：如公式(7)所示，对于1-1-1和1-M-1类应用来说，每个提供者只需要上传1次数据，节点需要在获得1个或所有M个数据后删除兴趣包。假设一个节点最多能够重传k次兴趣包(k≤N)，应用设置的最长响应时间为t_d，当前时间为t_c，当前节点将数据返回给消费者的时间为Δt，那么节点每次将兴趣包转发出去之后，留给其的最长等待时间为t_d-t_c-Δt。为了降低通信开销，在每次发送兴趣包时采用二进制指数退避算法计算其生存时间。如公式(7)所示，其中i为第i次发送兴趣包，T_L(i)为第i个兴趣包的生存时间：

对于1-1-T和1-M-T类应用而言，提供者需要在一段时间P内以周期T发送命名数据。如果在一次传输过程中提供者每隔时间T上传1个数据包，并且消费者能够成功接收所有返回的数据包，那么对应兴趣包的生存时间为P-P·Δt/T。此外，考虑到传输中发生丢包的情况，消费者能够采用二进制指数退避的方式进行k次传输。因此，消费者第i次发送相同兴趣包时设置的生存时间需要按照公式(8)进行设置。其中n表示已经采集的数据的轮数，P-n·T表示剩余的时间。

上述PIT生存时间计算方法能够适应不同应用的需求。

兴趣包与数据包处理流程：

如图8所示，节点在接收到兴趣包后首先判断是否属于Push模式。

(1)若为Pull模式，中间节点从兴趣包中提取出名称并查询CS中是否已经存在匹配数据，若存在，则将数据包发送至兴趣包的到来接口，否则执行步骤(2)；

(2)查询PIT中是否存在匹配记录，若存在，则更新匹配记录中的接口信息，若不存在，则执行步骤(3)；

(3)检查名称的物理命名空间部分是否含有“/*”字符串，若含有，则将兴趣包转发至下层所有接口，若不含有，则进一步查询FIB，按照最长前缀匹配原则获得匹配记录，并将兴趣包转发至记录对应的接口；

(4)若为Push模式，检索当前中间节点CS，判断是否存在匹配的ACK数据包，若存在，则将该ACK数据包转发至兴趣包的到来接口，若不存在，则继续查询FIB并将兴趣包转发至匹配的接口。

如图9所示，节点在接收到数据包后首先判断CS中是否已存有数据，然后查询PIT并根据是否需要进行聚合来决定是否立刻转发，最后根据缓存策略决定是否缓存数据，具体地：

(1)中间节点收到数据包后检索CS中是否已经存在匹配数据；若存在，则丢弃数据包；若不存在，则执行步骤(2)；

(2)查询PIT中是否有匹配的记录；若没有匹配记录，则丢弃数据包；若有匹配记录，则执行步骤(3)；

(3)检查数据包的名称中是否含有“AGG”标志；若含有，则执行S34；若不含有，则直接执行步骤(6)；

(4)判断中间节点的拓扑位置是否属于聚合节点；若属于，则执行S35；若不属于，则直接执行步骤(6)；

(5)根据名称中的描述，对数据进行聚合操作(如平均、计数等)；

(6)转发数据包至PIT匹配的接口；

(7)判断当前数据包是否为Push模式下的包含ACK的数据包，若不是，则执行步骤(8)，若是，则直接执行步骤(9)；

(8)根据缓存策略决定是否缓存数据包；若确定缓存，则执行S39，否则丢弃数据包；

(9)在CS中缓存数据包。

本发明的应用过程为：

分为3个部分：节点协议栈部署、实验场景部署、评价指标选取。

S1:节点协议栈部署：智慧建筑内部节点的配置如表4所示。物理层与链路层分别采用了IEEE 802.11、IEEE 802.15.4、Ethernet等多种协议规范的参数配置。本发明的数据传输协议主要涉及网络层与传输层的工作。其中，物理空间与应用空间的数据命名方式是实现本协议数据传输的基础。本传输协议利用FIB与PIT实现兴趣包与数据包的转发，并采用基于网络拓扑与应用需求的缓存策略决定节点是否缓存当前数据，从而达到优化命名数据的传输质量的目标。本传输协议支持在应用层部署多种类型的应用。对于消费者而言，兴趣包自顶向下依次经过应用层、传输层、网络层、链路层、物理层被发送出去，而命名数据包则自底向上返回给目标应用。

表4：节点配置

S2：实验场景部署：本发明设计用于智慧建筑场景，在部署实施时选择符合智慧建筑场景的经典树形拓扑结构。如图10所示，CC表示控制中心，与根路由器RR相连。根路由器RR再连接到智慧建筑群中每一幢建筑的顶层路由器BR。树干部分由楼层路由器FR与每个房间的网关GW组成。最后，接入层的终端设备D或者传感器S以有线或无线的方式连接到GW。综上所述，所有节点共同构成了智慧建筑的树形拓扑。

S3：评价指标选取：为验证本数据传输协议的性能，选取6项评价指标：兴趣包的平均满足率、兴趣包的平均跳步数、PIT的平均大小、FIB的平均大小、总缓存命中率、节点平均缓存命中率。

(1)兴趣包的平均满足率(Average Interest Satisfaction Ratio，AISR)：所有消费者兴趣包满足率的平均值。兴趣包满足率等于消费者接收到匹配数据包的总数N_data除以它已发送的兴趣包的总数N_interest。假设消费者的数目为n，那么AISR的计算如公式(9)所示。

(2)兴趣包的平均跳步数(Average Hops，AH)：所有提供者所接收到兴趣包的跳步数的平均值。兴趣包的跳步数(Hops)指从消费者发送兴趣包开始直到到达提供者所经历的转发次数。假设提供者的数目为n，它们接收到兴趣包的数目分别为m_i(i＝1,...,n)，那么AH的计算如公式(10)所示。

(3)PIT平均大小(Average PIT Size，APS)：所有车辆节点在数据传输过程中PIT采样大小的平均值。假设n个节点分别进行了m次采样，每次采样的PIT大小为那么APS可根据公式(11)计算。

(4)FIB平均大小(Average FIB Size，AFS)：所有车辆节点在数据传输过程中FIB采样大小的平均值。假设n个节点分别进行了m次采样，每次采样的FIB大小为那么AFS可根据公式(12)计算。

(5)总缓存命中率(Cache Hitting Ratio，CHR)：所有数据在请求过程中在中间节点缓存命中的比率。H_m表示数据命中于中间节点的次数，H_p表示数据在提供者节点获得的次数，那么CHR可以根据公式(13)计算。

(6)节点平均缓存命中率(Average Cache Hitting Ratio，ACHR)：所有网络节点在响应数据请求时命中缓存比率的平均值。N是网络节点的总数。每个节点的缓存命中率由命中数除以命中数与未命中数之和得到。因此，ACHR可以根据公式(14)计算。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：中间节点接收到命名兴趣包后，读取所述命名兴趣包的标志位，判断当前所述命名兴趣包的传输模式，并对所述命名兴趣包进行转发；

S11：当传输模式为Pull模式时，根据所述命名兴趣包的名称，依次检索当前所述中间节点的CS、PIT以及FIB，从而判断本地是否已有缓存数据，判断是否已收到相同所述命名兴趣包，并选择所述命名兴趣包的下一跳步转发接口；

S12：当传输模式为Push模式时，检索当前所述中间节点的CS，判断是否存在匹配的ACK数据包，若存在，则将所述ACK数据包转发至所述命名兴趣包的到来接口，若不存在，则继续查询FIB表项并将所述命名兴趣包转发至匹配的接口；

S2：在Pull模式下，作为提供者的终端节点在收到所述命名兴趣包后，生成匹配的命名数据包，所述命名数据包的名称与所述命名兴趣包的名称一致，再将所述命名数据包返回至所述命名兴趣包的到来接口；在Push模式下，作为提供者的控制中心在收到包含数据的所述命名兴趣包之后，生成匹配的ACK数据包，并将其返回至所述命名兴趣包的到来接口作为响应；

S3：所述中间节点接收到所述命名数据包后，根据名称检索CS判断是否已存在匹配记录，检索PIT判断是否需要继续转发所述命名数据包，根据所述命名数据包中的“AGG”标志与所述中间节点的拓扑位置判断是否聚合数据，根据所述传输模式与缓存策略决定是否需要缓存当前数据。

2.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述命名兴趣包与所述命名数据包的名称均包括物理命名空间和应用命名空间；其中，

所述物理命名空间表示网络节点所处的位置；

所述应用命名空间表示上层应用的相关属性；

其中，所述相关属性包括通用属性和可选属性，所述通用属性是所有应用在命名数据时都必须设置的属性，所述可选属性是应用根据时间与空间上的需求而设定的属性。

3.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述命名兴趣包的结构至少依次包括：名称name、时间戳TimeStamp、随机数Nonce、标志位IS_Push和在Push模式下使用的数据字段P_Data；

所述命名数据包的结构至少依次包括：名称name、时间戳TimeStamp、随机数Nonce、在Push模式下用于确认所述命名兴趣包的标志位IS_Reply、提供者信息P_ID和数据字段P_Data。

4.根据权利要求2所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述中间节点的所述FIB表项中，每一条记录中仅包括所述物理命名空间部分对应的前缀和对应的转发接口；

网关节点的所述FIB表项中，每一条记录中包括所述物理命名空间和所述应用命名空间，当接收到来自上层NDN路由器转发的所述命名兴趣包时，所述网关节点利用最长前缀匹配原则寻找下一跳转发接口。

5.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述Pull模式包括以下四类：1-1-1、1-M-1、1-1-T和1-M-T；其中，

所述1-1-1类：消费者发送1个所述命名兴趣包，1个提供者收到所述命名兴趣包之后返回1个所述命名数据包；

所述1-1-T类：所述消费者发送1个所述命名兴趣包，1个所述提供者收到所述命名兴趣包之后每隔时间段T返回1个匹配的所述命名数据包；

所述1-M-1类：所述消费者发送1个所述命名兴趣包，M个所述提供者收到所述命名兴趣包之后返回M个匹配的所述命名数据包；

所述1-M-T类：所述消费者发送一个所述命名兴趣包，M个所述提供者在收到所述命名兴趣包之后每隔时间段T返回M个匹配的所述命名数据包。

6.根据权利要求5所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，

对于所述1-1-1类和所述1-M-1类应用，所述PIT的生存时间计算方法为：

其中，T_L(i)为第i个所述命名兴趣包的生存时间，k为所述消费者最多能发送同一个所述命名兴趣包的次数，应用设置的最长响应时间为t_d，t_c为当前时间，Δt为当前节点将数据返回给所述消费者的时间，i为第i次发送所述命名兴趣包；

对于所述1-1-T类和所述1-M-T类应用，所述PIT的生存时间计算方法为：

其中，n表示已经采集的数据的轮数，P表示所述提供者发送命名数据的时间长度，T为周期，P-n·T表示剩余的时间，k为所述消费者最多能发送同一个所述命名兴趣包的次数，Δt为当前节点将数据返回给所述消费者的时间，所述消费者第i次发送相同所述命名兴趣包时设置的生存时间为T_L(i)。

7.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括以下内容：

S111：在所述Pull传输模式下，所述中间节点从所述命名兴趣包中提取出名称并查询CS中是否已经存在匹配数据，若存在，则将已缓存的命名数据包发送至所述命名兴趣包的到来接口，否则执行S112；

S112：查询所述PIT中是否存在匹配记录，若存在，则更新匹配记录中的接口信息，若不存在，则执行S113；

S113：检查名称的所述物理命名空间部分是否含有“/*”字符串，若含有，则将所述命名兴趣包转发至下层所有接口，若不含有，则进一步查询所述FIB表项，按照最长前缀匹配原则获得匹配记录，并将所述命名兴趣包转发至当前匹配记录对应的接口。

8.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下内容：

S31：所述中间节点收到所述命名数据包后检索CS中是否已经存在匹配数据；若存在，则丢弃所述命名数据包；若不存在，则执行S32；

S32：查询PIT中是否有匹配的记录；若没有匹配记录，则丢弃所述命名数据包；若有匹配记录，则执行S33；

S33：检查所述命名数据包的名称中是否含有“AGG”标志；若含有，则执行S34；若不含有，则直接执行S36；

S34：判断所述中间节点的拓扑位置是否属于聚合节点；若属于，则执行S35；若不属于，则直接执行S36；

S35：根据名称中的描述，对数据进行聚合操作；

S36：转发所述命名数据包至PIT匹配的接口；

S37：判断当前所述命名数据包是否为Push模式下的包含ACK的数据包，若不是，则执行S38，若是，则直接执行S39；

S38：根据所述缓存策略决定是否缓存所述命名数据包；若确定缓存，则执行S39，否则丢弃所述命名数据包；

S39：在CS中缓存所述命名数据包。

9.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述缓存策略的具体内容包括：

(1)计算节点位置指数λ和应用流行度μ；

(2)根据所述节点位置指数λ和所述应用流行度μ计算缓存概率P，并进一步计算缓存阈值ξ；

(3)根据所述缓存概率P与所述缓存阈值ξ进行比较，根据比较结果判断节点是否缓存当前数据。

10.根据权利要求9所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，

所述节点位置指数λ的计算方法具体为：

其中，当前节点与控制中心之间的距离为h，提供者与控制中心之间的距离为H，当前命名数据已经被缓存的次数为k；

应用流行度μ的计算方法具体为：

其中，当前数据包到达节点的时间为t，PIT表项中与当前数据包属于同一类应用的记录条数为n；PIT表项中一共包含了的记录条数为N，每一条记录的兴趣包的到达时间为t_i，为权重；

所述缓存概率P的计算方法具体为：

其中，λ与μ的取值范围均在区间[0,1]内，以λ为横坐标，以μ为纵坐标构成直角坐标系的映射点为p，当λ与μ均为1时，得到一个概率最大值点p⁺(1,1)；当λ与μ均为0时，得到概率最小值的点p^-(0,0)，d⁺定义为p与p⁺之间的距离，d^-为p与p^-之间的距离；

所述缓存阈值ξ的计算方法具体为：

其中，ξ_m为缓存阈值的最大值，x为当前节点剩余缓存空间大小与节点本身拥有存储空间大小的比值，当x为1时，表示存储空间已满，则缓存阈值设置为ξ_m；当x为0时，表示存储空间未被使用，则缓存阈值设置为0；

当缓存概率P大于ξ(x)的计算结果时，节点缓存当前数据；否则，节点会放弃缓存数据。