CN110891027B - 基于队列调度的命名数据网络传输控制方法、装置和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于队列调度的命名数据网络传输控制方法、装置和设备，该方法通过路由端队列管理机制下的队列长度信息设计和确定静态局部变量，并根据静态局部变量选取转发策略进行转发决策，仅仅通过队列长度信息判断网络传输环境，路由端不需要过分地收集、计算和分配信息，在保证甚至提高网络流量传输性能的前提下，降低了在数据收集、路由资源计算和路由转发下的资源开销，提高了资源的利用率，提高了网络流量传输的及时性和有效性；该方法以队列长度作为转发决策的正反馈，转发决策又反作用于排队队列，能够真正意义上实现闭环调整。

Description

基于队列调度的命名数据网络传输控制方法、装置和设备

技术领域

本发明属于网络流量传输技术领域，尤其涉及一种队列调度的命名数据网络传输控制方法、装置和设备。

背景技术

随着互联网的普及和发展，传统的TCP/IP网络架构已经展现出了不适应现代网络发展的趋势，NDN(Named Data Networking，NDN)的提出就是为了解决当前和未来网络发展需求，尤其是面对大规模的网络应用（物联网，大数据分析，区块链等）。在NDN不断被人认为是未来网络需求的同时，更应该着重考虑NDN的流量传输和拥塞问题。

为了提升NDN网络的流量传输性能，需要设计更加高效的流量传输和拥塞控制机制，而流量传输和拥塞机制的设计必须结合NDN的转发引擎NFD（NDN Forwarding Daemon，NFD）的设计方案。NFD是负责NDN网络流量传输和流量控制的转发驱动，NFD的转发驱动流程如图1。由图1可知，兴趣包和数据包都会在访问NFD下的表后，通过NFD下的转发策略转发出去，NFD的转发策略决定兴趣包和数据包通过NFD后如何进入网络，好的转发策略能够使得兴趣包和数据包在网络中更快地传输，合理利用网络带宽，传输延迟，使得整个流量传输流程效率更高，发生的网络问题越少。因此，设计NDN网络的流量传输和拥塞控制机制，关键是处理好NFD引擎的转发策略，好的转发策略能够通过聪明的决策最大限度地提高NDN网络的流量传输和降低网络中发生的网络拥塞。

针对NDN设计的转发策略，特别是已经部署在NDN转发引擎NFD中的转发策略还不多，且大多数的转发策略还停留在对TCP/IP体系比较经典的传输算法的移植上。2016年，美国亚利桑那大学和加州大学洛杉矶分校的学者们共同研发了一种名为PCON的多路转发策略，并将它部署在了NDN的转发引擎NFD中，在一定程度上提高了流量传输性能，规避了拥塞现象，它的设计是基于ECN的显性DACK数据包和各个路由节点存储的一种包多路转发比重的txt存储文件来做路由处理计算和比重协调分配，这种技术方案很好地运用了NDN的特性，在效果上也有不错的成效，但是基于os的文件读取和分配在很大程度上和BestRouterStrategy2一样，甚至比BestRouterStrategy2更严重地消耗了路由计算资源和提高了传输时延，PCON转发策略大量的访问和修改使路由端无法能够利用多路转发策略及时降低转发和规避拥塞，导致决策在现实情况下会产生滞后现象。

还有一类是基于机器学习的自适应转发控制算法，它是希望能够根据网络运行的当前环境及时对流量转发做出准确的决策。NFD下的这种算法是基于监督性的数据参数训练的，但是训练出的模型还不能适应于现实中复杂的网络环境，再加上这种自适应转发算法设计的比较复杂，参照的网络影响参数比较多（包括一些对网络传输影响不是特别大的参数），造成了开销过大，效率不高的窘状。

NFD下的转发策略，利用率低，高延迟，计算资源大等是目前最大的技术问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于队列调度的命名数据网络传输控制方法、装置和设备，以解决现有NFD的转发策略利用率低，高延迟以及计算资源大的问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种基于队列调度的命名数据网络传输控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对队列管理机制进行适应性调整，使队列管理机制在NDN上实际可用；

步骤2：根据NFD下转发策略的流量传输性能和稳定性，选取几种转发策略，再根据已选的转发策略设计NFD的混合路由转发策略；

步骤3：根据步骤1中队列管理机制的队列长度信息，以及步骤2中已选转发策略在不同时间段的流量传输性能和稳定性，设计并确定对应的静态局部变量；

步骤4：根据步骤3中不同时间段的静态局部变量，选取NFD混合路由转发策略下的最优转发策略来进行转发决策。

本发明所述的命名数据网络传输控制方法，通过路由端队列管理机制下的队列长度信息设计和确定静态局部变量，并根据静态局部变量选取转发策略进行转发决策，仅仅通过队列长度信息判断网络传输环境，路由端不需要过分地收集、计算和分配信息，在保证甚至提高网络流量传输性能的前提下，降低了在数据收集、路由资源计算和路由转发下的资源开销，提高了资源的利用率，提高了网络流量传输的及时性和有效性。该方法根据路由节点下队列管理机制的队列长度信息，判断当下的网络传输环境从而控制转发，以队列长度作为转发决策的正反馈，转发决策又反作用于排队队列，一定程度上降低了路由端的队列排队长度，能够真正意义上实现闭环调整，提高了NDN环境下网络流量传输性，降低了网络拥塞。

进一步地，所述命名数据网络传输控制方法还包括步骤5：对路由器队列长度信息进行实时数据日志监控。

进一步地，所述步骤1的具体操作为：对队列管理机制的DropTailQueue算法进行移植，将基于ACK的隐性丢包改成DACK的显式丢包，并对丢包的数目进行计数。

进一步地，所述步骤2的具体操作为：

步骤2.1：搭建NFD转发引擎的转发策略环境，包括新的转发策略定义，包接收和发送的方法；

步骤2.2：根据NFD下转发策略的流量传输性能和稳定性，选取几种转发策略；

步骤2.3：将已选转发策略的内联函数、调用方法包含进新的转发策略中；

步骤2.4：对所有已选转发策略进行包装，使已选转发策略能够整体调用，新的转发策略即为混合路由转发策略。

进一步地，所述步骤2中，已选的转发策略为洪发策略和最优路由策略。

进一步地，所述步骤3中，对应的静态局部变量为2/3。

进一步地，所述步骤3中，静态局部变量的设计和确定方法为：

步骤3.1：对已选的所有转发策略进行流量传输实验，得到每种转发策略对应的流量传输数据；

步骤3.2：以队列比重为横坐标，以流量传输数据为纵坐标，且在同一坐标系下绘制每种已选转发策略的流量传输折线图，得到所有已选转发策略流量传输折线图的叠加图；所述队列比重等于实时队列长度/满队列长度；

步骤3.3：由叠加图，确定在零至某个队列比重内，其中一种转发策略的流量传输数据高于其他转发策略的流量传输数据，超过该队列比重，则有其他转发策略的流量传输数据高于该其中一种转发策略的流量传输数据，该队列比重即为一个静态局部变量；以此类推，确定实验过程内所有静态局部变量。

本发明还提供了一种基于队列调度的命名数据网络传输控制装置，包括：

调整模块，用于对队列管理机制进行适应性调整，使队列管理机制在NDN上实际可用；

转发策略设计模块，用于根据NFD下转发策略的流量传输性能和稳定性，选取几种转发策略，再根据已选的转发策略设计NFD的混合路由转发策略；

变量确定模块，用于根据队列管理机制的队列长度信息，以及已选转发策略在不同时间段的流量传输性能和稳定性，设计并确定对应的静态局部变量；

转发决策模块，用于根据不同时间段的静态局部变量，选取NFD混合路由转发策略下的最优转发策略来进行转发决策。

本发明还提供了一种计算机设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如本发明实施例中任一所述的命名数据网络传输控制方法。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的一种基于队列调度的命名数据网络传输控制方法，通过路由端队列管理机制下的队列长度信息设计和确定静态局部变量，并根据静态局部变量选取转发策略进行转发决策，仅仅通过队列长度信息判断网络传输环境，路由端不需要过分地收集、计算和分配信息，在保证甚至提高网络流量传输性能的前提下，降低了在数据收集、路由资源计算和路由转发下的资源开销，提高了资源的利用率，提高了网络流量传输的及时性和有效性；该方法以队列长度作为转发决策的正反馈，转发决策又反作用于排队队列，能够真正意义上实现闭环调整。

该方法在NDN架构下，设计了一种基于队列调度且适用于NDN架构的新型转发策略，提高了NDN转发引擎的传输效率，提高了NDN环境下网络流量传输性能，降低了网络拥塞。

该方法中的混合路由转发策略涵盖了NDN网络环境下具有代表性的转发策略，并且未来流量传输性能更好的转发策略同样可以归纳合并到该混合路由转发策略中，进而为NDN这种新型网络架构提供更好的流量传输效果，该方法具有兼容性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例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一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明背景技术中NFD引擎转发流程图；

图2是本发明实施例中命名数据网络传输控制方法的流程图；

图3是本发明实施例中三种不同传输类型的局域网网络，其中，图3(a)为DIFF_DELAY的局域网网络，图3(b)为DIFF_BW的局域网网络，图3(c)为EQUAL的局域网网络；

图4是本发明实施例中利用基于路由端队列长度的队列管理机制传递静态局部变量实现混合路由转发策略的决策过程。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。

如图2所示，本发明所提供的一种基于队列调度的命名数据网络传输控制方法，包括以下步骤：

S1、对队列管理机制进行适应性调整，使队列管理机制在NDN上实际可用。

队列管理机制是基于TCP/IP计算机体系提出的，TCP/IP计算机体系和NDN网络是两个不同的网络体系架构，因此，队列管理机制不适用于NDN网络。要使队列管理机制在NDN下可用，必须对其进行适应性调整，比如丢包的时候不是隐性的丢包，而是显示化的丢包提醒。

队列管理机制包括主动队列管理机制和被动队列管理机制，是一个集群的算法。对队列管理机制进行适应性调整就是对队列管理机制中的某种算法进行NDN特性的移植。

DropTailQueue算法是基于队列长度的排队丢包算法，它是一种在大多数网络架构中最常见、最简单的一种队列管理算法，其理念就是传统的先进先出丢包机制，不去考虑数据属于哪个数据流，只是单纯的把超出暂存空间大小的数据流丢弃，操作最为简单且可行，可以通过这种简单易行的算法来验证本申请的方法对于流量传输的控制是有效可用的。

在本实施例中，对队列管理机制中的DropTailQueue算法进行移植，在移植过程中为了符合NDN网络的包特性，将基于ACK的隐性丢包改成DACK的显式丢包，并对丢包的数目进行计数。这样操作的目的就是在一个RTO（Retransmission Time-Out ,RTO）的时间内，路由根据队列产生丢包现象就能判断产生丢包和丢包的程度，路由可以根据丢包现象改变自身的转发策略，并且路由还会通过返回DACK包给上一个节点或发送端，使得上一个节点能够调整流量传输速率，路由节点改变转发速率，发送端调整发包速率。

S2、根据NFD下转发策略的流量传输性能和稳定性，选取几种转发策略，再根据已选的转发策略设计NFD的混合路由转发策略。

NFD下转发策略有多种，例如洪发策略和最优路由策略，根据NFD下转发策略在实际网络场景中的流量传输性能和稳定性，选取当前最有效的几种转发策略来设计混合路由转发策略，混合路由将适用于不同场景下的转发策略包含进来，协调每一种策略的适用性，形成一个整体系统。具体的操作方法为：

S2.1 搭建NFD转发引擎的转发策略环境，包括新的转发策略定义，包接收和发送的方法；

S2.2 根据NFD下转发策略的流量传输性能和稳定性，选取几种转发策略；

S2.3 将已选转发策略的内联函数、调用方法包含进新的转发策略中；

S2.4 对所有已选转发策略进行包装，使已选转发策略能够通过类方法整体调用，新的转发策略即为混合路由转发策略。

S3、根据队列管理机制的队列长度信息，以及已选转发策略在不同时间段的流量传输性能和稳定性，设计并确定对应的静态局部变量。

静态局部变量的设计和确定方法为：

S3.1 对已选的所有转发策略进行流量传输实验，得到每种转发策略对应的流量传输数据；

S3.2 以队列比重为横坐标，以流量传输数据为纵坐标，且在同一坐标系下绘制每种已选转发策略的流量传输折线图，得到所有已选转发策略流量传输折线图的叠加图；队列比重等于实时队列长度/满队列长度；满队列长度是指将存储空间塞满时的队列长度；

S3.3 由叠加图，确定在零至某个队列比重内，其中一种转发策略的流量传输数据高于其他转发策略的流量传输数据，超过该队列比重，则有其他转发策略的流量传输数据高于该其中一种转发策略的流量传输数据，该队列比重即为一个静态局部变量；以此类推，确定实验过程内所有静态局部变量。

S4、根据不同时间段的静态局部变量，选取NFD混合路由转发策略下的最优转发策略（即流量传输性能和稳定性最好的转发策略）来进行转发决策。

例如，静态局部变量为2个，即第一队列比重和第二队列比重，混合路由转发策略中包含3种转发策略，在零至第一队列比重内，转发策略2的流量传输数据高于转发策略1和转发策略3的流量传输数据；在第一队列比重至第二队列比重内，转发策略1的流量传输数据高于转发策略2和转发策略3的流量传输数据；在第二队列比重至后续传输过程中，转发策略3的流量传输数据高于转发策略1和转发策略2的流量传输数据；那么在进行流量传输时，在零至第一队列比重所对应的时间点的这段时间内，由转发策略2进行转发决策，在第一队列比重所对应的时间点至第二队列比重所对应的时间点的这段时间内，由转发策略1进行转发决策，在第二队列比重所对应的时间点至后续传输时间，由转发策略3进行转发决策。

S5、对路由器队列长度信息进行实时数据日志监控。添加监控日志查看路由器的队列排队长度，判断转发策略是否能改善流量传输性能，解决流量拥塞问题，日志监控为流量传输性能的改善和拥塞问题的解决提供了一种检测手段。

可行性验证试验：

1、为了体现本申请的方法在一般场景下的表现，部署最常见网络传输类型的小型局域网网络，本实施例中，在DIFF_DELAY（不同传输延时）、DIFF_BW（不同传输带宽）、以及EQUAL（延时和带宽均相等）三种不同网络环境进行验证试验，如图3所示。

2、根据局域网网络各节点的不同身份和需求部署NDN协议栈，构建NDN网络环境。

3、设计sim-helper帮助路由节点选择队列管理算法和传输协议。

4、在network::utils的DropTailQueue算法下结合NDN特性显示化丢包和设置静态局部变量。

5、在NFD下的fw层添加混合路由转发策略，调用队列管理算法的静态局部变量进行转发决策（当流量传输时间小于等于第一队列比重所对应的时间点时，选择该时间段内最优的转发策略进行转发决策，当流量传输时间大于第一队列比重所对应的时间点且小于等于第二队列比重所对应的时间点时，选择该时间段内最优的转发策略进行转发决策，以此类推……），有效的反映了现实传输状况，合理调度混合路由转发策略。

6、添加监控日志查看路由端的队列排队长度，判断转发策略是否能改善流量传输性能，解决流量拥塞问题。

以混合路由转发策略包含洪发策略和最优路径策略为例，静态局部变量为2/3，即实时队列长度/满队列长度等于2/3，图4为利用路由端队列长度的队列管理算法传递静态局部变量实现混合路由转发策略的决策过程，maxPackages表示满队列长度。首先，转发策略默认洪发兴趣包，因为洪发能够在流量低于带宽的初始条件下最快速度占据资源，当实时队列长度达到2/3*满队列长度时，进行转发决策调整，放缓转发速率，调度不同的转发模式，这样一方面可以进行拥塞控制调整，一方面又能够适应复杂网络环境，尽可能多的进行流量传输，并且这种机制仅基于队列长度的信息反馈，不会占据太多的资源，即可实现一种简单并且具有高性能的转发。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于队列调度的命名数据网络传输控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对队列管理机制进行适应性调整，使队列管理机制在NDN上实际可用；

步骤2：根据NFD下转发策略的流量传输性能和稳定性，选取几种转发策略，再根据已选的转发策略设计NFD的混合路由转发策略；

步骤3：根据步骤1中队列管理机制的队列长度信息，以及步骤2中已选转发策略在不同时间段的流量传输性能和稳定性，设计并确定对应的静态局部变量；在零至某个队列比重内，其中一种转发策略的流量传输数据高于其他转发策略的流量传输数据，超过该队列比重，则有其他转发策略的流量传输数据高于该其中一种转发策略的流量传输数据，该队列比重即为一个静态局部变量；

步骤4：根据步骤3中不同时间段的静态局部变量，选取NFD混合路由转发策略下的最优转发策略来进行转发决策。

2.如权利要求1所述的命名数据网络传输控制方法，其特征在于，还包括步骤5：对路由器队列长度信息进行实时数据日志监控。

3.如权利要求1或2所述的命名数据网络传输控制方法，其特征在于，对队列管理机制的DropTailQueue算法进行移植，将基于ACK的隐性丢包改成DACK的显式丢包，并对丢包的数目进行计数。

4.如权利要求1或2所述的命名数据网络传输控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体操作为：

步骤2.1：搭建NFD转发引擎的转发策略环境，包括新的转发策略定义，包接收和发送的方法；

步骤2.2：根据NFD下转发策略的流量传输性能和稳定性，选取几种转发策略；

步骤2.3：将已选转发策略的内联函数、调用方法包含进新的转发策略中；

步骤2.4：对所有已选转发策略进行包装，使已选转发策略能够整体调用，新的转发策略即为混合路由转发策略。

5.如权利要求1或2所述的命名数据网络传输控制方法，其特征在于，所述步骤2中，已选的转发策略为Flooding策略和最优路由策略。

6.如权利要求5所述的命名数据网络传输控制方法，其特征在于，所述步骤3中，对应的静态局部变量为2/3。

7.如权利要求1或2所述的命名数据网络传输控制方法，其特征在于，所述步骤3中，静态局部变量的设计和确定方法为：

步骤3.1：对已选的所有转发策略进行流量传输实验，得到每种转发策略对应的流量传输数据；

步骤3.2：以队列比重为横坐标，以流量传输数据为纵坐标，且在同一坐标系下绘制每种已选转发策略的流量传输折线图，得到所有已选转发策略流量传输折线图的叠加图；所述队列比重等于实时队列长度/满队列长度；

步骤3.3：由叠加图，确定在零至某个队列比重内，其中一种转发策略的流量传输数据高于其他转发策略的流量传输数据，超过该队列比重，则有其他转发策略的流量传输数据高于该其中一种转发策略的流量传输数据，该队列比重即为一个静态局部变量；以此类推，确定实验过程内所有静态局部变量。

8.一种基于队列调度的命名数据网络传输控制装置，其特征在于，包括：

调整模块，用于对队列管理机制进行适应性调整，使队列管理机制在NDN上实际可用；

转发策略设计模块，用于根据NFD下转发策略的流量传输性能和稳定性，选取几种转发策略，再根据已选的转发策略设计NFD的混合路由转发策略；

变量确定模块，用于根据队列管理机制的队列长度信息，以及已选转发策略在不同时间段的流量传输性能和稳定性，设计并确定对应的静态局部变量；在零至某个队列比重内，其中一种转发策略的流量传输数据高于其他转发策略的流量传输数据，超过该队列比重，则有其他转发策略的流量传输数据高于该其中一种转发策略的流量传输数据，该队列比重即为一个静态局部变量；

转发决策模块，用于根据不同时间段的静态局部变量，选取NFD混合路由转发策略下的最优转发策略来进行转发决策。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至7中任一所述的命名数据网络传输控制方法。

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