CN111770024B - 命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法，属于网络通讯技术领域，所述方法包括：节点在转发兴趣包前，获取每个接口的状态信息；根据各个接口的状态信息计算兴趣包从接口转发的权值，按照所求得的权值选择对应的接口转发兴趣包。本发明设计的兴趣包转发接口选择方案考虑了接口兴趣包的满足率和各个接口数据包到达时间提出了两个选择函数，在考虑接口状态的情况下，希望选择更容易获得数据包的接口进行兴趣包的转发，而且定期发送探测包探测网络拥塞状态，从而有效减少用户请求时延，提高平均命中率，提升转发性能。

Description

命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法

技术领域

本发明涉及网络通讯技术领域，具体涉及一种命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法。

背景技术

互联网是当前信息社会的重要基础设施和人们获取信息的重要途径之一，已经逐渐取代了一些传统通讯媒体，对人们的生活方式产生了深远影响。当前互联网的飞速发展引发了网络数据内容的急剧膨胀，用户更加依赖互联网来进行内容的传播和分发，对于内容共享需求日益强烈。传统面向主机的通信模式在面对以内容为中心的服务需求时表现出了不适应性，而且由于TCP/IP为核心的网络在其他方面，例如可扩展性、灵活性、安全性、移动性上暴露出的问题，人们开始研究未来网络的体系结构。以信息为中心的网络(Information-Centric Network，ICN)作为一种“革命”式的未来网络设计思路受到了极大的关注。其中，命名数据网络(Named Data Networking，简称DND)因其项目理念的先进性、方案的可行性和实质性进展，已经逐渐成为信息中心网络架构的主流。

NDN网络支持动态的泛在缓存，可以大大减少用户内容的获取时延，减轻网络负载压力。正因此，NDN的消费者发送兴趣包到网络中请求数据包，兴趣包携带数据名称，并且可以从任何地方检索匹配的数据包。在NDN的转发过程中，基于路由表和数据面板的结果观察这二者的综合表现，这个带有状态的数据面板采取适应性转发。如何通过兴趣包的转发，寻找到最佳的路径去获取泛在缓存的内容副本，是近几年的研究热点。恰当的转发策略可以增强包传递的健壮性，使网络资源高效地利用，同时可以开发一些技术减少状态的开销。而通过结合网络缓存更能提高网内资源利用率,减少用户请求时延，减少拥塞。因此，研究NDN的转发策略对于提升网络性能具有重要意义。

传统的转发策略包括全转发策略、基于端口染色的转发策略以及最优路径转发策略，以及改进的随机自适应转发策略和蚁群优化算法转发策略，这些策略大多考虑单一，没有兼顾网络整体性能。其中，基于端口状态的转发策略，主要是致力于负载均衡的实现，解决网络的拥塞情况，转发没有做到基于内容。基于内容进行转发的策略可以利用网络内缓存，但又忽视了网络的实时状况。因此，应该同时考虑网络状态和内容分布来转发兴趣包。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法。

包括以下步骤：

所述方法包括节点从接口收到兴趣包后，首先查询其内容缓存库(CS)中是否存在兴趣包所请求的数据包，若存在，则直接返回数据包；如果不存在，则进一步查询待定兴趣表(PIT)，若在PIT表中发现匹配的项，将接口添加到PIT的接口条目列表中，并将兴趣包丢弃；否则，继续查询转发信息表(FIB)，若FIB表存在对应项，则选择接口转发该兴趣包并在PIT表中添加条目，否则丢弃兴趣包；周期性的向命名数据网络中发送探测包，若检测到路径节点拥塞，停止向当前接口发送兴趣包，并重新选择出新的接口；

其中，选择接口转发兴趣包具体包括：

当节点只有一个可用接口，则从该接口转发兴趣包；

若节点有多个可用接口，节点获取各个接口的状态信息，并根据权值公式计算出各个接口的权值；根据计算得到的每个接口转发兴趣包的权值，选择权值最大的接口转发兴趣包。

进一步的，接口转发兴趣包的权值的计算公式表示为：

其中，w_i表示从接口i转发兴趣包的权重；cost_i表示接口i的代价函数，

表示选择第一选择函数，

表示选择第二选择函数，f_i表示拥塞函数；α，β表示权重因子。

进一步地，本发明所提出代价函数为：

表示接口i的时延，表示节点从接口发送兴趣包到接收数据包的往返时延的平均值归一化处理后的值；

表示节点对应链路负载归一化的值；ω₁，ω₂分别为时延和负载的权重系数。

所述时延指各个接口发送兴趣包到接收到对应的数据包的平均往返时间归一化处理后的值，其计算公式如下：

其中，

TTD_i表示各接口每个兴趣包发送到接收到对应数据包的时间，ATTD_i是各个接口发送兴趣包到接收数据包的平均时间，

为所有接口平均时延的最大值，

为所有接口平均时延的最小值，n表示接收到对应数据包的总数；

所述负载指各接口与相邻节点间链路的负载的归一化的值，其计算公式如下：

其中，load_i为接口i对应链路负载，

为节点接口负载的最大值，

为节点接口负载的最小值。

进一步地，本发明的第一选择函数表示为：

表示接口获取数据包的能力，其中，

表示接口发送对应内容兴趣包的数目，

表示收到相应数据包的数目。

本发明的第二选择函数表示为：

T_rec表示节点收到数据包已经过去的时间。时间间隔越小说明路径上缓存存在的可能性越大，从接口获得副本的可能性越大。

进一步地，转发过程中可能存在大量请求突然进入一个节点或几个节点的情况，用f_i表示接口是否存在链路拥塞情况的发生。

为各个链路设置带宽阈值B_threshold，当链路负载大于带宽阈值时，对应接口状态为不可用，当节点没有可用接口时，判断路径拥塞。

B_threshold＝*B

为各个链路设置带宽阈值B_threshold；当链路负载大于带宽阈值时，对应接口状态为不可用，当节点没有可用接口时，判断路径拥塞，其中，B_threshold＝δ*B；δ表示带宽阈值参数；B表示链路带宽。

本发明的有益效果：

本发明考虑节点的端口状态和网络中的内容分布情况，计算出各个接口的权值，之后按照计算出的权值进行转发，均衡了负载，提高平均命中率，提升用户体验，在此基础上，发送探测的兴趣包，避免网络的加速恶化。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明实施例的选择接口转发接口的流程图；

图2为本发明实施例的节点对兴趣包的处理流程图。

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。

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。

图1为本发明选择接口进行兴趣包转发的流程图，该方法包括但不限于如下步骤：

节点收到兴趣包后，需要统计接口信息；计算出接口权值后，选择出权值最大的接口进行转发，继续判断选择出的接口对应路径是否拥塞，若拥塞，则选择下一接口，否则仍然选择当前接口进行转发。

更进一步的，所述兴趣包转发的流程还可以包括定期发送探测包，若检测到路径节点拥塞，停止向该接口发送兴趣包，重新选择下一接口进行转发。

图2是本发明所提供的一种基于命名数据网络中兴趣包接口转发方法的流程图，所述方法包括：

节点从接口收到兴趣包后，首先查询其内容缓存库CS中是否存在兴趣包所请求的数据包，若存在，则直接返回数据包；如果不存在，则进一步查询待定兴趣表PIT，若在PIT表中发现匹配的项，将接口添加到PIT的接口条目列表中，并将兴趣包丢弃；否则，继续查询转发信息表FIB，若FIB表存在对应项，则选择接口转发该兴趣包并在PIT表中添加条目，否则丢弃兴趣包；周期性的向命名数据网络中发送探测包，若检测到路径节点拥塞，停止向当前接口发送兴趣包，并重新选择出新的接口；

其中，选择接口转发兴趣包具体包括：

当节点只有一个可用接口，则从该接口转发兴趣包；

若节点有多个可用接口，节点获取各个接口的状态信息，并根据权值公式计算出各个接口的权值；根据计算得到的每个接口转发兴趣包的权值，选择权值最大的接口转发兴趣包。

为了使本发明的方法更加清楚、完整，接下来将对本发明方法的各个步骤进行详细描述。

获取节点的状态信息，其中，状态信息包括接口对应的平均往返时延，接口对应的链路的负载，接口的兴趣包的满足率以及接口的最新收到兴趣包的时间间隔。

在一个实施例中，本发明根据权值公式计算出各个接口的权值；根据计算得到的每个接口转发兴趣包的权值，分别求得从每个接口转发兴趣包的概率；根据计算得到的每个接口转发兴趣包的概率，选择概率最大的接口转发兴趣包。

各个接口转发兴趣包的概率为：

其中，Prob_i表示从接口i转发兴趣包的概率，x_i表示接口i的权值，V表示接口的集合。

在一个实施例中，接口i的权值的计算方式为：

其中，

代表平均时延，表示节点从接口发送兴趣包到接收数据包的往返时延的平均值归一化处理后的值；

表示兴趣包的满足率，代表节点从接口接收到的数据包与发送兴趣包的比值归一化处理后的值；

表示节点的剩余带宽归一化处理后的值；

则代表接口最新收到数据包的时间间隔归一化处理后的值；α、β、γ、μ分别是平均时延，兴趣包满足率、剩余带宽和最新数据包到达时间的权重系数。

在另一个实施例中，本发明仅仅只需要计算各个接口的权值；根据计算得到的每个接口转发兴趣包的权值，选择接口转发兴趣包；接口转发兴趣包的权值的计算公式表示为：

其中，w_i表示从接口i转发兴趣包的权重；cost_i表示接口i的代价函数，

表示选择第一选择函数，

表示选择第二选择函数，f_i表示拥塞函数；α，β表示权重因子。

所述的代价函数为：

表示接口i的时延，表示节点从接口发送兴趣包到接收数据包的往返时延的平均值归一化处理后的值；

表示节点对应链路负载归一化的值；ω₁，ω₂分别为时延和负载的权重系数。

所述时延指各个接口发送兴趣包到接收到对应的数据包的平均往返时间归一化处理后的值，其计算公式如下：

其中，

TTD_i表示各接口每个兴趣包发送到接收到对应数据包的时间，ATTD_i是各个接口发送兴趣包到接收数据包的平均时间，

为所有接口平均时延的最大值，

为所有接口平均时延的最小值，n表示接收到对应数据包的总数；

所述负载指各接口与相邻节点间链路的负载的归一化的值，其计算公式如下：

其中，load_i为接口i对应链路负载，

为节点接口负载的最大值，

为节点接口负载的最小值。

所述ω₁，ω₂的值使用熵权法来求出，各接口时延和负载所占比重由下面公式计算得出：

时延和负载的信息熵计算公式为：

时延和负载的权值计算公式为：

其中，m＝2，j＝1代表时延，j＝2代表负载；n表示接收到对应数据包的总数。

第一选择函数的计算公式为：

第一选择函数表示接口获取数据包的能力，其中，

表示接口发送对应内容兴趣包的数目，

表示收到相应数据包的数目。

第二选择函数的计算公式为：

T_rec表示节点收到数据包已经过去的时间。时间间隔越小说明路径上缓存存在的可能性越大，从接口获得副本的可能性越大。

当定期的探测兴趣包发送路径中存在拥塞的节点时，会通知给上游节点，节点停止向相应接口转发兴趣包。转发过程中可能存在大量请求突然进入一个节点或几个节点的情况，用f_i表示接口是否存在链路拥塞情况的发生。

为各个链路设置带宽阈值B_threshold，当链路负载大于带宽阈值时，对应接口状态为不可用，当节点没有可用接口时，判断路径拥塞。

B_threshold＝δ*B

其中，δ表示带宽阈值参数；B表示链路带宽。

本发明权重值w_i的大小反映了接口的优良程度，权值越大接口性能越好，因此本发明选择权值最大的接口来选择接入。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法，其特征在于，所述方法包括节点从接口收到兴趣包后，首先查询其内容缓存库(CS)中是否存在兴趣包所请求的数据包，若存在，则直接返回数据包；如果不存在，则进一步查询待定兴趣表(PIT)，若在PIT表中发现匹配的项，将接口添加到PIT的接口条目列表中，并将兴趣包丢弃；否则，继续查询转发信息表(FIB)，若FIB表存在对应项，则选择接口转发该兴趣包并在PIT表中添加条目，否则丢弃兴趣包；周期性的向命名数据网络中发送探测包，若检测到路径节点拥塞，停止向当前接口发送兴趣包，并重新选择出新的接口；

其中，选择接口转发兴趣包具体包括：

当节点只有一个可用接口，则从该接口转发兴趣包；

若节点有多个可用接口，节点获取各个接口的状态信息，并根据权值公式计算出各个接口的权值；根据计算得到的每个接口转发兴趣包的权值，选择权值最大的接口转发兴趣包；

接口转发兴趣包的权值的计算公式表示为：

其中，w_i表示从接口i转发兴趣包的权重；cost_i表示接口i的代价函数，

表示选择第一选择函数，

表示选择第二选择函数，f_i表示拥塞函数；α，β表示权重因子；

接口i的代价函数的计算公式为：

表示接口i的时延，具体为节点从接口发送兴趣包到接收数据包的往返时延的平均值归一化处理后的值；

表示节点对应链路负载归一化的值；ω₁和ω₂分别为时延和负载的权重系数；

第一选择函数的计算公式为：

表示接口发送对应内容兴趣包的数目，

表示收到相应数据包的数目；

第二选择函数的计算公式为：

T_rec表示节点收到数据包已经过去的时间；

拥塞函数的计算公式为：

为各个链路设置带宽阈值B_threshold；当链路负载大于带宽阈值时，对应接口状态为不可用，当节点没有可用接口时，判断路径拥塞，其中，B_threshold＝δ*B；δ表示带宽阈值参数；B表示链路带宽。

2.根据权利要求1所述的一种命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法，其特征在于，当节点的所有接口都处于未收到数据包的初始状态时，按照全转发的方法来转发兴趣包。

3.根据权利要求1所述的一种命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法，其特征在于：

的计算公式如下：

其中，

TTD_i表示各接口每个兴趣包发送到接收到对应数据包的时间，ATTD_i是各个接口发送兴趣包到接收数据包的平均时间，

为所有接口平均时延的最大值，

为所有接口平均时延的最小值，n表示接收到对应数据包的总数。

4.根据权利要求1所述的一种命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法，其特征在于：

的计算公式如下：

其中，load_i为接口i对应链路负载，

为节点接口负载的最大值，

为节点接口负载的最小值。

5.根据权利要求1所述的一种命名数据网络中兴趣包转发接口选择方法，其特征在于：

权重系数ω₁和ω₂的值均使用熵权法来计算，各接口时延和负载所占比重由下面公式计算得出：

时延和负载的信息熵计算公式为：

时延和负载的权值计算公式为：

其中，m＝2，j＝1代表时延，j＝2代表负载；n表示接收到对应数据包的总数。

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