CN110690945B - 一种无线场景下ndn链路层和网络层融合传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法，属于命名数据网络无线传输技术领域。先制定无线局域网的各类型控制帧结构，将兴趣包插入到RTS帧内，引入RTS‑I帧；再制定针对NDN无线场景的RTS‑CTS信道预约方法；最后，在无线信道预约成功的前提下，进行数据传输与确认。以上步骤完成了一次有效数据传输，循环执行直至完成全部数据传输。所述方法有效解决了命名数据网络在数据传输时兴趣包发送频次高、链路层冗余控制帧过多的问题，降低了数据传输的帧间传输时延；将无线信道预约方法与NDN通信模式结合，实现了命名数据网络在无线场景下通信的“逐跳确认”，进而有益于无线信道的资源利用及通信回路的可靠保障。

Description

一种无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法

技术领域

本发明涉及一种网络协议中链路层和网络层融合的数据传输方法，尤其涉及一种无线场景下命名数据网络(Named Data Networking,NDN)无线信道预约流程的优化方法，属于命名数据网络无线传输技术领域。

背景技术

现有的无线网络大多采用传统互联网的IP(Internet Protocol)技术，然而面对目前网络业务以获取内容为主的应用，并要支持海量异构终端接入以及移动性、安全性需求，现有的基于IP的网络架构面临诸多挑战。命名数据网络(Named Data Networking,NDN)作为一种未来网络体系结构，以“兴趣包”和“数据包”为载体，以“内容名”为寻址方式在网络内进行路由转发。其数据获取方式与内容存放的位置无关，从根本上打破了传统IP网络端到端的通信模式。

与传统IP网络“推”数据的方式不同，命名数据网络是以一种“拉”的模式去获取数据，每一次“拉”数据的过程均要伴随着“兴趣包请求、数据包应答”，由此便导致了在数据传输中兴趣包发送频次高的问题。

而在WLAN(Wireless Local Area Network)场景下应用命名数据网络也要按照IEEE 802.11协议，以CSMA/CA方式完成MAC层的多点接入，为有效解决无线接入场景中的“隐蔽站”和“暴露站”问题，IEEE 802.11协议采用了RTS-CTS(Request To Send-Clear ToSend)的信道预约方法。节点要发送数据前首先要发送一个RTS，待收到目的端发送的CTS后，才可以发送数据。在基于NDN架构的WLAN网络中，每发送一个兴趣包也要先发送一个RTS，待收到目的端发送的CTS后才能将兴趣包发送出去。

所以在网络层，由于兴趣包的高频次发送，将在链路层产生更多的RTS/CTS/ACK等一系列控制帧，这进一步凸显了兴趣包的开销较大，会占用过多的无线信道资源，同时也会带来更长的帧间传输时延，如何减少时延、提高传输效率是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对原有命名数据网络兴趣包传输频次较高、链路层冗余控制帧较多的技术缺陷，提出了一种无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法。

所述无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法，对采用DCF(DistributedCoordination Function)分布式协调方法接入MAC层的站点，采用RTS-I(Request ToSend-Interest)、RTS(Request To Send)、CTS(Clear To Send)、ACK(Acknowledge)以及DATA一系列控制帧，同时制定新的信道预约流程，将网络层的兴趣包融入到数据链路层的RTS帧中进行传输，不再单独发送兴趣包，实现了链路层和网络层数据传输的融合；所采用RTS-I帧结构传输一次所需数据包的数据帧字节长度较传统方式减少了48字节，同时减少了至少2个SIFS帧间间隔时长，数据帧开销的降幅达到了36.9％，达到数据传输“去冗余、降时延”的效果；除此以外，利用数据链路层IEEE 802.11协议的ACK帧的确认功能，设计实现了命名数据网络中兴趣包和数据包在链路层的“逐跳确认”机制，进一步提高了传输可靠性。

本发明的技术方案涉及到的定义如下：

兴趣包：由内容名、选择项、随机数组成，其中，选择项包括优选顺序、发布者过滤、范围等信息，随机数可用于防范兴趣包的泛洪攻击；

数据包：由内容名、签名、签名信息、数据组成，其中，内容名与之前兴趣包中的相匹配，签名和签名信息用于验证内容发布者身份，进一步保证了数据的安全性；

内容生产者：即产生特定数据内容的目的站点，每个数据包均从该站点封装发出；

内容消费者：即寻求特定数据内容的源站点，每个兴趣包均从该站点封装发出；

RTS帧：即请求传输控制帧，帧结构包含信道占用时长、源端MAC地址、目的端MAC地址以及控制纠错信息，用于对后续发送包含数据包的数据帧进行无线信道预约的请求；

RTS-I：即兴趣包请求控制帧，用于向“内容生产者”发送兴趣包以请求所需数据，并同时进行后续的信道预约，帧结构与RTS帧结构相比，增加了“兴趣包”字段，该字段长度依据兴趣包字长可变；

CTS帧：即允许传输控制帧，用于响应先前RTS帧，完成相应无线信道预约请求的响应；帧结构包含信道占用时长和目的端MAC地址；

DATA帧：即数据帧，用于承载相应数据包内容，包含信道占用时长、地址域信息、帧数据内容以及相应的控制纠错信息；

ACK帧：即确认回复帧，用于确认接收先前发送过来的RTS-I帧和DATA帧中的帧信息；

此外，为有效减少帧的传输冲突，规定了以下几种帧间隔：

SIFS(Short Inter-Frame Space)：即短帧间间隔，在此间隔前后，无线信道的使用权不变，用于RTS-I、RTS、CTS、ACK、DATA控制帧的应答交互间隔；

DIFS(DCF Inter-Frame Space)：即DCF帧间隔，用于区分前后两次信道预约的时间间隔，在此间隔前后，信道的使用权可能会发生变化；

一种无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法，包括如下步骤：

步骤一、制定无线局域网的各类型控制帧结构，具体为：

在现有包含RTS帧、CTS帧、ACK帧、DATA帧的控制帧结构基础上，制定了RTS-I帧；

其中，RTS-I帧与RTS帧相比，增加了“兴趣包”字段；

步骤二、制定针对NDN无线场景的RTS-CTS信道预约流程，具体包括：

步骤2.1内容消费者站点通过监听确定在一个DIFS帧间间隔时长内有无其他站点发送帧数据，同时开启一个发送倒数计数器，若在该站点范围内有其他站点正在占用信道发送帧数据，则暂停该站点的发送倒数计数器；否则若在该站点范围内无其他站点占用信道，则倒数计数器持续工作，当计数器的值减为0时，跳至步骤2.2；

步骤2.2内容消费者站点向内容生产者站点发送包含有兴趣包字段的RTS-I帧，用于请求远端数据；

步骤2.3当内容生产者站点成功收到RTS-I帧，且等待SIFS帧间间隔时长后，返回ACK帧确认步骤2.2收到的RTS-I帧，若内容生产者站点无所需数据内容，则直接结束本次通信；否则若内容生产者站点有所需数据内容，则在等待SIFS帧间间隔时长后，继续向内容消费者站点发送RTS帧，用于后续传输数据包进行无线信道预约，跳至步骤2.4；

步骤2.4当内容消费者站点收到RTS帧，等待SIFS帧间间隔时长后，向内容生产者发送CTS帧，通知信道已预约成功，并允许内容生产者站点开始发送内容数据；

步骤三、NDN无线场景下内容消费者的数据传输与确认，具体为：

步骤3.1当内容生产者站点收到远端发来的CTS帧，并等待SIFS帧间间隔时长后，内容生产者站点便将数据内容封装到数据包中，并向下层封装到数据帧中返回给内容消费者站点；

步骤3.2当内容消费者站点成功收到数据帧，且等待SIFS帧间间隔时长后，检验无误，将向内容生产者发送ACK确认已收到包含数据包的数据帧信息；

至此，从步骤一到步骤三，完成了无线场景下采用NDN链路层和网络层融合传输方法的一次有效数据内容传输，循环步骤二、三直至完成全部数据传输。

有益效果

本发明公开的一种在无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法，与现有命名数据网络的无线传输技术相比，具有如下有益效果：

1、所述方法引入了RTS-I控制帧，制定了无线场景下新的信道预约流程，从而有效解决了命名数据网络在数据传输时链路层冗余控制帧过多的问题，大大降低了数据传输中的帧间传输时延；

2、本发明公开的一种在无线场景下命名数据网络链路层和网络层融合方法，将链路层与网络层融合，“RTS-CTS”信道预约方法与“兴趣包-数据包”通信模式结合，实现了命名数据网络在无线场景下通信的“逐跳确认”，进而有益于无线信道的资源利用，以及通信回路的可靠保障。

附图说明

图1是本发明无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法中命名数据网络网络层包结构示意图；

图2是本发明无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法中网络链路层帧结构示意图；

图3是现有命名数据网络无线信道预约方法的时序图；

其中，3a是B站有所需数据情况下的信道预约时序图，3b是B站无所需数据情况下的信道预约时序图；

图4是本发明步骤2中无线信道预约流程的时序图

其中，4a是B站有所需数据情况下的信道预约时序图，4b是B站无所需数据情况下的信道预约时序图；

图5是现有的命名数据网络链路层无线信道预约方法的站间帧传输时间关系图；

图6是本发明步骤二、三中无线信道预约方法的站间帧传输时间关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实例，对发明内容的具体实施方法做进一步说明。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。

实施例1

针对发明内容中定义所述内容，命名数据网络的网络层载体为兴趣包和数据包，其包结构如图1所示。兴趣包由内容名、选择项、随机数组成，其中，选择项包括优选顺序、发布者过滤、范围等信息，随机数可以用于防范兴趣包的泛洪攻击；数据包由内容名、签名、签名信息、数据组成，其中，内容名与之前兴趣包中的相匹配，签名和签名信息用于验证内容发布者身份，进一步保证了数据的安全性。

针对发明内容中定义及步骤一所述内容，无线局域网场景下网络链路层的控制帧帧结构，如图2所示，从兼容性角度考虑，RTS-I帧保留了现有IEEE 802.11协议中规定的RTS帧内各字段信息：头部2字节的Frame Control字段包含了协议版本、帧类型、帧子类型等参数；2字节的Duration字段表明该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间，其数值用于其他站点的网络分配向量(NAV)计算；6字节的Receiver Address和6字节的TransmitterAddress字段分别代表接收方的MAC地址和发送方的MAC地址；随后是预分配的20字节长的兴趣包字段，包含内容名信息等兴趣包参数；最后是利用CRC循环冗余校验方法得到的4字节FCS帧校验序列，用于帧的检错纠错。除此之外，本实施例对IEEE 802.11协议中规范的CTS帧和ACK帧格式也均不做更改：头部2字节的Frame Control字段包含了协议版本、帧类型、帧子类型等参数，2字节的Duration字段表明该帧和它的确认帧将会占用信道多长时间，6字节的Receiver Address代表接收方的MAC地址，最后是4字节的FCS帧校验序列。需要说明的是，CTS帧中Duration字段的值等于RTS Duration字段的值减去发送CTS帧和SIFS间隔的时间。最后，DATA帧格式包含有与其他控制帧相同功能的Frame Control字段、Duration字段、Receiver Address字段、Transmitter Address字段、FCS字段，同时也包含了用于存放数据内容的0-2312字节的Frame Body字段、用于检测是否为重复帧的Seq-ctl字段、Filtering Address字段和Optional Address字段。

如图3a、3b所示，是现有命名数据网络无线信道预约方法的时序图。消费者A站首先向区域内发送包含兴趣包字段的RTS帧预约信道。当生产者B站收到RTS帧后，若信道空闲，则返回CTS帧。此时，当消费者A站确认收到CTS帧后，便完成空闲信道预约。随后，A站向B站发送含有兴趣包的数据帧，当A站点收到数据帧后，返回ACK帧确认，至此完成一次WLAN下可靠的数据通信。随后，若B站有A站所需数据时，则将继续重复上述过程，完成对含有数据包的数据帧传输，如图3a所示；若B站无A站所需数据时，则结束该次通信，如图3b所示。

针对发明内容中步骤二所述内容，如图4a、4b所示，是本发明中无线信道预约方法的时序图。消费者A站首先向区域内发送包含兴趣包字段的RTS-I帧预约信道。当生产者B站收到RTS-I帧后，若信道空闲且有A站所需数据时，返回ACK和RTS帧，确认收到RTS-I帧并发送RTS帧进行下一次通信的信道预约。当A站成功收到RTS帧后，返回CTS帧，完成握手。随后，B站点向A站点发送含有数据包的数据帧，当A站点收到数据帧后，返回ACK帧确认，完成一次WLAN下可靠的数据通信。若信道空闲，但B站无A站所需数据时，仅返回ACK帧确认已收到RTS-I并结束该次通信，如图4b所示。

通过上述实施例描述和分析，结合图5和图6所示，从网络冗余角度可以看出：命名数据网络在无线局域网下传输一次包含数据包的数据帧，原先需要6个控制帧和1个包含兴趣包的数据帧才拉回1个包含数据包的数据帧；使用本发明技术方案则仅需要5个控制帧便能拉回数据。根据上述帧结构信息可知，仅包含所需数据的数据帧为有效载荷，其余帧均为网络冗余。其中RTS帧长20字节，CTS和ACK帧长同为14字节，包含兴趣包字段的数据帧为34+20字节。原先传输一次包含数据包的数据帧所产生的网络冗余共计130+20字节(20为预分配的兴趣包字长)；优化后完成上述同样过程仅需要82+20字节(其中，20为预分配的兴趣包字长)。

从帧间传输时延来看，原先传输一次包含数据包的数据帧中间至少需要等待2个DIFS加6个SIFS的帧间传输时延，若中间出现信道拥塞则时延将更长；而采用RTS-I帧结构仅有2个DIFS和4个SIFS的帧间传输时延，且中间不会出现信道拥塞的情况。

与此同时，由于引入了RTS-I帧，将字长较短的兴趣包插入到原有20字节的RTS帧中，当远端站点收到RTS-I帧后发送ACK确认帧原路返回，利用ACK确认帧完成了“兴趣包确认”的功能。而“数据包确认”则是通过原有收到数据帧后返回的ACK确认帧完成。

综上所述，本方法将命名数据网络的网络层和数据链路层的传输方法进行融合，采用RTS-I帧结构传输一次包含数据包的数据帧所产生的网络冗余降低了48字节，降幅36.9％，同时减少了至少2个SIFS帧间间隔时长，效果较为显著。同时，完成了兴趣包和数据包的“逐跳确认”，有益于命名数据的可靠传输。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法，其特征在于：涉及到的定义如下：

兴趣包：由内容名、选择项、随机数组成，其中，选择项包括优选顺序、发布者过滤、范围等信息，随机数可用于防范兴趣包的泛洪攻击；

数据包：由内容名、签名、签名信息、数据组成，其中，内容名与之前兴趣包中的相匹配，签名和签名信息用于验证内容发布者身份，进一步保证了数据的安全性；

内容生产者：即产生特定数据内容的目的站点，每个数据包均从该站点封装发出；

内容消费者：即寻求特定数据内容的源站点，每个兴趣包均从该站点封装发出；

RTS帧：即请求传输控制帧，帧结构包含信道占用时长、源端MAC地址、目的端MAC地址以及控制纠错信息，用于对后续发送包含数据包的数据帧进行无线信道预约的请求；

RTS-I：即兴趣包请求控制帧，用于向“内容生产者”发送兴趣包以请求所需数据，并同时进行后续的信道预约，帧结构与RTS帧结构相比，增加了“兴趣包”字段，该字段长度依据兴趣包字长可变；

CTS帧：即允许传输控制帧，用于响应先前RTS帧，完成相应无线信道预约请求的响应；帧结构包含信道占用时长和目的端MAC地址；

DATA帧：即数据帧，用于承载相应数据包内容，包含信道占用时长、源端MAC地址、目的端MAC地址、帧数据内容以及相应的控制纠错信息；

ACK帧：即确认回复帧，用于确认接收先前发送过来的RTS-I帧和DATA帧中的帧信息；

此外，为有效减少帧的传输冲突，规定了以下几种帧间隔：

SIFS：即短帧间间隔，Short Inter-Frame Space，在此间隔前后，无线信道的使用权不变，用于RTS-I、RTS、CTS、ACK、DATA控制帧的应答交互间隔；

DIFS：即DCF Inter-Frame Space，DCF帧间隔，用于区分前后两次信道预约的时间间隔，在此间隔前后，信道的使用权可能会发生变化，其中，DCF是Distributed CoordinationFunction的缩写，其含义为分布式协调方法；

无线场景下NDN链路层和网络层融合传输方法，包括如下步骤：

步骤一、制定无线局域网的各类型控制帧结构，具体为：

在现有包含RTS帧、CTS帧、ACK帧、DATA帧的控制帧结构基础上，制定了RTS-I帧；

其中，RTS-I帧与RTS帧相比，增加了“兴趣包”字段；

步骤二、制定针对NDN无线场景的RTS-CTS信道预约流程，具体包括：

步骤2.1内容消费者站点通过监听确定在一个DIFS帧间间隔时长内有无其他站点发送帧数据，同时开启一个发送倒数计数器，若在该站点范围内有其他站点正在占用信道发送帧数据，则暂停该站点的发送倒数计数器；否则若在该站点范围内无其他站点占用信道，则倒数计数器持续工作，当计数器的值减为0时，跳至步骤2.2；

步骤2.2内容消费者站点向内容生产者站点发送包含有兴趣包字段的RTS-I帧，用于请求远端数据；

步骤2.3当内容生产者站点成功收到RTS-I帧，且等待SIFS帧间间隔时长后，返回ACK帧确认步骤2.2收到的RTS-I帧，若内容生产者站点无所需数据内容，则直接结束本次通信；否则若内容生产者站点有所需数据内容，则在等待SIFS帧间间隔时长后，继续向内容消费者站点发送RTS帧，用于后续传输数据包进行无线信道预约，跳至步骤2.4；

步骤2.4当内容消费者站点收到RTS帧，等待SIFS帧间间隔时长后，向内容生产者发送CTS帧，通知信道已预约成功，并允许内容生产者站点开始发送内容数据；

步骤三、NDN无线场景下内容消费者的数据传输与确认，具体为：

步骤3.1当内容生产者站点收到远端发来的CTS帧，并等待SIFS帧间间隔时长后，内容生产者站点便将数据内容封装到数据包中，并向下层封装到数据帧中返回给内容消费者站点；

步骤3.2当内容消费者站点成功收到数据帧，且等待SIFS帧间间隔时长后，检验无误，将向内容生产者发送ACK确认已收到包含数据包的数据帧信息；

至此，从步骤一到步骤三，完成了无线场景下采用NDN链路层和网络层融合传输方法的一次有效数据内容传输，循环步骤二、三直至完成全部数据传输。

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