CN110752997B - 一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法，属于路由转发技术领域。针对无线场景下命名数据网络转发时数据包回路易失效的问题，引入待转发数据表，在数据包获取回路失效时通过途径路由查询和待转发数据的聚合，包括数据包选择字段添加路由、链路失效时路由查询、依据NLSR路由协议发现邻近结点路由以及建立待转发数据表PDT，实现了数据包的主动寻路转发，相比现有数据包机械地沿兴趣包路径返回机制减少了兴趣包超时重传，提高了转发效率。

Description

一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法

技术领域

本发明涉及一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法，具体是命名数据网络NDN(Named Data Networking)中一种数据包主动寻路的转发方法，属于路由转发技术领域。

背景技术

命名数据网络(NDN)作为一种最具潜力的信息中心网络架构近年来受到广泛关注。NDN依靠名字来获取内容，内容由产生其的应用直接命名且独立于网络，使得内容与网络中的位置分离，让数据本身成为网络结构的一部分，将目前网络通信对内容位置的关注转向内容本身。NDN作为面向内容的全新网络架构，天然地解决了移动性、多播、加密等问题，尤其适用于拓扑变化快、移动性强以及链路不稳定的无线网络。

NDN通信由内容请求端的消费者(Consumer)向网络发送兴趣包(InterestPacket)发起，当一个兴趣包到达内容生产者(Producer)或含有该名字内容缓存的结点，则携带该内容的一个对应数据包(Data Packet)沿兴趣包路径返回。兴趣包和数据包拥有相同的名字，每个NDN路由器通过维护三个数据结构实现转发：缓存CS(Content Store)、待转发兴趣包PIT(Pending Interest Table)、信息转发表FIB(Forwarding InformationBase)。在NDN中每个数据包都可以自认证，能被多个消费者使用，为了提高内容共享效率节省带宽，减少内容获取时延，NDN路由器将转发过的数据包内容备份到CS中直到被新的内容替换。PIT表记录了已经转发出去兴趣包名字前缀及上下游接口，在收到数据包后通过查表确定请求端下游接口完成转发。FIB表描述了不同名字前缀可用的转发接口及其优先级排序，兴趣包到达时依据名字查询可用的接口，如存在可用的接口则按接口优先级完成下一跳转发；若不存在可用的接口，则按路由协议或默认接口转发。NDN通过以上三种数据结构和转发机制，实现一个兴趣包“拉”回一个内容数据包的机制，完成基于内容的网络通信。

目前NDN网络中兴趣包没有与路由相关信息，只进行逐跳处理过程，使兴趣包以多播方式转发给可用接口带来较大网络开销，因而有必要建立高效的兴趣包转发机制和路由协议。目前NDN转发策略主要有：兴趣包向代价最小上游发送的单播最佳路由策略(BestRoute Strategy)，兴趣包向上游所有接口广播的多播策略(Multicast Strategy)、介于单播最佳路由策略和多播策略之间的NCC策略等。单播的最佳路由策略不能充分利用NDN多路传输与路径缓存的带宽资源，多播策略带来很大的网络开销，NCC作为折中方案在名字首次出现时采用多播策略来寻求最优路径，对后来的兴趣包采用单播最优路由策略。这些转发策略目的在于提供不同的兴趣包转发方案，都是相对单个结点转发而言，从接口参数度量代价来确定单跳转发时的优先级，未从整体上考虑网络拓扑结构。

路由协议区别于现有转发策略在于考虑了全局拓扑特性，依据路由协议计算出的路径来转发兴趣包，目前采用的有链路状态路由协议NLSR(Named-data Link StateRouting)。NLSR在NDN中的应用类似IP网络中域内链路状态协议，路由可以是通往一个或多个内容的生产者或CS，NLSR协议利用兴趣包和数据包交换结点间的路由信息建立拓扑关系，进而创建各结点FIB表转发接口列表，由转发策略来匹配兴趣包名字，依据路由分级、转发平面策略参数、本地规则来决定下一跳转发。

以上转发策略及路由协议相比泛洪转发效率更高，但都是针对请求兴趣包而设计来提高兴趣包的转发效率，数据包只机械地沿兴趣包回路返回。在拓扑变化频繁的移动性网络中，结点移动导致链路频繁通断，兴趣包回路易失效导致数据包返回时回路受阻而获取内容失败，按照现有机制需要多次超时重传兴趣包，从消费者结点重新建立数据包获取回路，增加了开销且合理的重传间隔难以确定。

因此，NDN需要一种应对结点移动拓扑变化链路失效场景下的转发机制，实现在兴趣包回路失效的情况下，尽快建立新的数据包转发路径。

发明内容

本发明的目的在于解决NDN网络中高动态移动性链路频繁通断造成的数据包回路失效问题，减少了网络重传开销，提高了移动性网络转发效率，提出了一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法。

本发明的技术方案包括以下几个部分：

所述数据包主动寻路的命名数据网络转发方法，引入待转发数据表，该方法包括途经路由查询和待转发数据的聚合,具体包括数据包选择字段添加路由、链路失效时路由查询、依据NLSR路由协议发现邻近结点路由以及建立待转发数据表PDT；

所述数据包主动寻路的命名数据网络转发方法中的网络结点均为功能相同，支持NDN网络的路由结点，一般情况下，该路由结点中的内容请求路由结点为消费者结点，响应路由结点为生产者结点。

其中，数据包选择字段添加路由；

对现有NDN网络中兴趣包和数据包进行修改，添加途经路由信息字段，具体处理流程为：

步骤1.A在兴趣包选择字段加入途径结点的路由列表，按序记录下兴趣包所经过的路由结点名字信息，路由结点的命名采用NLSR协议中的分层命名机制；

步骤1.B兴趣包依据现有转发策略和路由机制转发至请求内容源或缓存处；

其中，现有转发策略包含单播最佳路由策略(Best Route Strategy)、多播策略(Multicast Strategy)、NCC策略和NLSR路由协议；

其中，NLSR路由协议发现邻近结点路由；

步骤1.C生产者结点在收到步骤1.B中转发的请求内容后将兴趣包中途径的路由列表添加到数据包选择字段，完成对数据包的修改，为建立待转发数据表提供数据支撑；

步骤1.D链路正常时数据包忽略该选择字段正常转发至请求结点；

其中，链路失效时路由查询；

移动性的无线链路中由于路由结点密度大、移动频繁，更容易发生链路失效，无线场景下单跳范围内路由能够和多个途经结点建立链接；数据包的返回链路失效时通过路由查询获取路径，如能跳过故障结点即可完成转发，具体流程如下：

步骤2.A返回链路失效时，路由结点提取该数据包选择字段包含的路由序列；

步骤2.B从该路由结点开始依据路由序列中的途径结点逆序逐个查询可达的途径结点并进行匹配；

步骤2.C当匹配到单跳范围内与某个途径结点能发生通信，将数据包转发给该途径结点，从而跳过故障链路完成转发；

其中，故障链路是指数据包沿兴趣包路径返回时失效的链路；

在链路失效处未能在单跳范围内与途经路由发生通信，则需要利用NLSR路由协议进行路由发现，建立多跳转发，具体为：

步骤3.A NSLR协议有两种链路状态通告LSA消息需要通告，路由器用邻居LSA通告其链路信息给邻居路由器，用名字LSA通告名字信息；每个结点向各自邻居结点发送该通告，路由器创建各自的网络拓扑，链路可用性依赖周期性发送hello兴趣包来检测；

其中，hello兴趣包是指实现指定路由通告功能的兴趣包；

步骤3.B当路由结点新加入或移除时，一个新的邻居LSA版本会通告给全网，或者当某个名字前缀新增或者删除时，路由器将名字LSA通告给全网，更新后的LSA会存储在每个结点的链路状态数据库LSDB中；

其中，LSDB即Link State Database；

步骤3.C依据结点的LSDB，更新各自的网络拓扑图，利用Dijkstra算法创建多个下一跳到达路径及路由代价，从Data选择字段提取出邻近结点，依据计算出的路径上邻近结点查询，决定该数据包的下一跳转发，同时途径数据包结点缓存其内容，以便后期请求同样内容时获取数据。

其中，建立待转发数据表PDT，具体通过路由查询和NLSR路由计算可以实现域内数据包的转发，对于不能在以上步骤内转发出去的数据包，则将这些未转发出去的数据包建立一个待转发数据表PDT，等待动态链路的恢复完成转发，包括如下子步骤：

步骤4.A将通过以上步骤未转发出去的数据包在链路失效处上游结点建立待转发数据表PDT；

步骤4.B依据网络场景设置需要等待路由器的逆序途径个数和等待时间，等待时间即PDT表条目的失效时间；

其中，失效时间即Expiry time；

步骤4.C等待时间内动态网络链路恢复，即与期望转发的结点恢复通信，则完成转发，如超过等待时间则删除对应条目。

有益效果：

本发明为一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法，与现有命名数据网络转发方法相比，具有如下有益效果：

1.现有NDN中数据包转发只是机械沿着请求兴趣包原路返回，本发明的优势在于，让数据包在链路失效情况下能有主动寻路转发的机制，提高在移动性网络中的鲁棒性；

2.本发明所述的数据包主动寻路转发机制对于无线移动网络更为显著，在其拓扑变化快、链路抖动容易带来链路失效时，能更好地提高转发效率减少网络开销。

附图说明

图1为本发明一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法重数据包主动寻路机制转发流程；

图2为本发明一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法修改后的兴趣包和数据包；

图3为本发明一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法应用实例拓扑；

图4为本发明一种数据包主动寻路的命名数据网络转发方法路由计算流程。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的详细过程，同时论述本发明的技术方案所解决的问题，说明本发明所产生的有益效果。需要指出的是，所描述的实施例旨在便于本发明的理解，对本发明不起任何限定作用。

实施例1

本实施例论述的是数据包主动寻路转发机制在无人车结点使用NDN无线通信网络中的应用。

本实施例针对NDN网络在移动频繁的无人车组网通信，作为消费者的无人车结点发送兴趣包请求数据，内容生产者结点回复数据包来响应该请求。数据包主动寻路转发机制的整体流程如图1所示，该流程为结点对收到数据包的处理过程。网络拓扑和结点设置如图3所示，为一个简单的6结点无人车移动网络的兴趣包请求内容示意，各个结点在一定范围内随机移动，(a)为正常内容请求转发，(b)为在结点4到结点5链路失效的情况，(c)为失效后数据包主动寻路完成转发。其中结点的命名格式为“结点1，2…6”，拓扑中结点1为消费者结点，结点6为内容生产者，中间结点有路由中继功能，在一次转发中也可以标记为路由结点R1，R2…R6；内容名字标记为name1，name2……name6。本发明转发机制应用实例如下：

步骤一、数据包选择字段添加路由

添加路径字段的兴趣包和数据包格式如图2所示，在图3中所示的拓扑结构里，结点1作为消费者发送兴趣包从内容生产者结点6请求数据，结点6收到兴趣包后沿兴趣包路径回复数据包给消费者。本实施例中，执行步骤1.A、1.B、1.C所述，兴趣包将途径的路由信息按序列R1，R2…R6添加到选择字段，在生产者结点6将兴趣包的该选择字段提取后保存在数据包的选择字段中；如兴趣包沿途链路可用，则数据包忽略该字段依据待转发Interest表返回到消费者结点1，流程图中①-②所示，如链路失效，进入流程③。

步骤二、链路失效时路由查询

如图3(b)所示，结点4到结点5的链路突然失效，导致数据包无法从结点5转发给结点4，这时在结点5执行前述步骤2，启动路由查询，从数据包选择字段中提取出途径路由序列后从结点5逆序查找，本实施例设定逆序查找两位，即检测无线链路到R3，R2的连通性，如检测到可以连通，则结点5将数据包直接转发给R3或R2，如图3(c)所示跳过失效链路继续向消费者结点发送，流程图①-③-②所示。

步骤三、依据NLSR路由协议发现邻近结点路由

在失效链路发生后，R5路由查询时无法在单跳下与R4，R3发生通信，这时需要利用执行步骤3所述的NLSR路由协议发现可用路由，建立数据包多跳转发路径到下游结点。

结点5利用NLSR路由协议发现链路，向网络通告两种LSA：邻居LSA和名字LSA，图3所示的域内结点会向邻居结点发送邻居LSA建立链路拓扑，命名为“/NLSR/LSA/site/adjacency/version”和“/NLSR/LSA/site/name/version”，各结点收到邻结点LSA后存入各自链路状态数据库LSDB(Link State Database)，建立网络拓扑。发送名字LSA建立包含的名字列表，各域内结点都创建了各自的网络拓扑和到各结点和名字前缀的由代价。一旦检测到新的LSA名字，将会向全网通告，更新LSDB。

各结点依据其LSDB，创建网络拓扑关系，R5运行Dijkstra算法来创建到R4，R3的路径，如能找到有效链路完成转发，路由计算步骤如图4所示。流程图①-③-④-②所示，如路由计算失败，进入⑤。

步骤四、建立待转发数据表PDT

执行完步骤三仍未能成功完成转发，在R5结点处执行前述步骤4.A建立待转发数据表PDT，如图1所示，设置一个等待动态链路抖动的恢复时间即失效时间为2s，PDT表包含了待转发数据包的名字前缀信息、期望转发的结点信息以及失效时长。在等待时间内如到R4、R3链路恢复则完成转发，否则丢弃该数据包，删除对应的PDT条目。

本实施例描述了无人车移动场景下数据命名网络的应用，采用数据包主动寻路的转发方法的通信过程，这种转发方法在链路不稳定，拓扑变化快的移动无线网络中相比现有失效重传的转发机制获得更好的转发效率，充分利用了现有兴趣包转发时的路由协议，让数据包更加智能得完成转发，特别适用于链路变化快，频繁抖动失效的无线移动网络。

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了进一步详细说明，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 (7)

1.一种数据包具有主动寻路功能的命名数据网络转发方法，其特征在于：引入待转发数据表，包括途经路由查询和待转发数据的聚合,具体包括数据包选择字段添加路由、链路失效时路由查询、依据NLSR路由协议发现邻近结点路由以及建立待转发数据表PDT；

其中，数据包选择字段添加路由，对现有NDN网络中兴趣包和数据包进行修改，添加途经路由信息字段，具体处理流程为：

步骤1.A在兴趣包选择字段加入途径结点的路由列表，按序记录下兴趣包所经过的路由结点名字信息，路由结点的命名采用NLSR协议中的分层命名机制；

步骤1.B兴趣包依据现有转发策略和路由机制转发至请求内容源或缓存处；

步骤1.C生产者结点在收到步骤1.B中转发的请求内容后将兴趣包中途径的路由列表添加到数据包选择字段，完成对数据包的修改，为建立待转发数据表提供数据支撑；

步骤1.D链路正常时数据包忽略该选择字段正常转发至请求结点；

其中，链路失效时路由查询；

移动性的无线链路中由于路由结点密度大、移动频繁，更容易发生链路失效，无线场景下单跳范围内路由能够和多个途经结点建立链接；数据包的返回链路失效时通过路由查询获取路径，如能跳过故障结点即可完成转发，具体流程如下：

步骤2.A返回链路失效时，路由结点提取该数据包选择字段包含的路由序列；

步骤2.B从该路由结点开始依据路由序列中的途径结点逆序逐个查询可达的途径结点并进行匹配；

步骤2.C当匹配到单跳范围内与某个途径结点能发生通信，将数据包转发给该途径结点，从而跳过故障链路完成转发；

在链路失效处未能在单跳范围内与途经路由发生通信，则需要利用NLSR路由协议进行路由发现，建立多跳转发，具体为：

步骤3.A NSLR协议有两种链路状态通告LSA消息需要通告，路由器用邻居LSA通告其链路信息给邻居路由器，用名字LSA通告名字信息；每个结点向各自邻居结点发送该通告，路由器创建各自的网络拓扑，链路可用性依赖周期性发送hello兴趣包来检测；

其中，hello兴趣包是指实现指定路由通告功能的兴趣包；

步骤3.B当路由结点新加入或移除时，一个新的邻居LSA版本会通告给全网，或者当某个名字前缀新增或者删除时，路由器将名字LSA通告给全网，更新后的LSA会存储在每个结点的链路状态数据库LSDB中；

步骤3.C依据结点的LSDB，更新各自的网络拓扑图，利用Dijkstra算法创建多个下一跳到达路径及路由代价，从Data选择字段提取出邻近结点，依据计算出的路径上邻近结点查询，决定该数据包的下一跳转发，同时途径数据包结点缓存其内容，以便后期请求同样内容时获取数据；

其中，建立待转发数据表PDT，具体通过路由查询和NLSR路由计算可以实现域内数据包的转发，对于不能在以上步骤内转发出去的数据包，则将这些未转发出去的数据包建立一个待转发数据表PDT，等待动态链路的恢复完成转发，包括如下子步骤：

步骤4.A将通过以上步骤未转发出去的数据包在链路失效处上游结点建立待转发数据表PDT；

步骤4.B依据网络场景设置需要等待路由器的逆序途径个数和等待时间，等待时间即PDT表条目的失效时间；

步骤4.C等待时间内动态网络链路恢复，即与期望转发的结点恢复通信，则完成转发，如超过等待时间则删除对应条目。

2.根据权利要求1所述的一种数据包具有主动寻路功能的命名数据网络转发方法，其特征在于：所述命名数据网络转发方法中的网络结点均为功能相同，支持NDN网络的路由结点，该路由结点中的内容请求路由结点为消费者结点，响应路由结点为生产者结点。

3.根据权利要求1所述的一种数据包具有主动寻路功能的命名数据网络转发方法，其特征在于：步骤1.B中，现有转发策略包含单播最佳路由策略、多播策略、NCC策略和NLSR路由协议。

4.根据权利要求1所述的一种数据包具有主动寻路功能的命名数据网络转发方法，其特征在于：步骤2.C中，故障链路是指数据包沿兴趣包路径返回时失效的链路。

5.根据权利要求1所述的一种数据包具有主动寻路功能的命名数据网络转发方法，其特征在于：NLSR路由协议发现邻近结点路由。

6.根据权利要求1所述的一种数据包具有主动寻路功能的命名数据网络转发方法，其特征在于：步骤3.B中，LSDB即Link State Database。

7.根据权利要求1所述的一种数据包具有主动寻路功能的命名数据网络转发方法，其特征在于：步骤4.B中，失效时间即Expiry time。

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