CN112423164A

CN112423164A - 一种基于优化mpcp协议的重定向机制

Info

Publication number: CN112423164A
Application number: CN202011212419.5A
Authority: CN
Inventors: 秦攀科; 韩尚雅; 毋婧茹; 孟慧; 李莹莹; 李运峰
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明涉及一种基于优化MPCP协议的重定向机制，首先ONU接收用户发送来的P2P业务请求报文并识别，然后提取目的MAC地址，并查询所对应的ONU的LLID，并将LLID转换成相应的P2P_LLID插入到P2P业务请求数据帧的前导码中，OLT实时记录各个peer下载情况信息表，所述OLT端RS子层的LTE功能识别所述P2P请求业务数据帧，并将P2P业务数据帧反射回下行链路，所述ONU判断是否接收并实时维护OLT发给ONU的本地文件信息表，本地peer将要下载的文件与所述ONU维护的本地文件信息表进行对比查找是否有所下载的文件资源，最终完成P2P流量的本地化。本发明能够有效地将更多的P2P流量本地化，减少服务器端的资源消耗并提高每个peer的服务质量。

Description

一种基于优化MPCP协议的重定向机制

技术领域

本发明属于无源光网络技术领域，具体涉及一种基于优化MPCP协议的重定向机制。

背景技术

根据2019年全球数字报告显示，全球互联网用户平均每日新增100万，目前全球共有51.1亿独立移动用户，互联网和移动终端设备得到了前所未有的发展，根据IDC统计数据，到2020年将有超过500亿的终端与设备联入网络，2018 年有50％的物联网网络面临网络带宽的限制，40％的数据需要在网络边缘侧分析、处理与存储，这一比例到2025年预计增长到50％，在未来物联网技术高速发展的情况下，更加复杂的业务和更多的设备数量对网络带宽造成巨大压力，同时恶化网络指标，影响用户体验，此时需要在PON接入网对P2P业务提供有效承载的能力和服务。

各种新型服务和应用层出不穷，使得数据流量爆炸式增长，支持宽带接入网的多媒体服务推动着P2P流量的快速增长和尽可能占用大量带宽，使得网络拥塞，各业务服务质量下降，显著加大了核心网的负担，大量P2P业务流量对核心网的影响很大程度上是取决于光接入网对P2P业务的承载能力，光接入网对P2P业务的承载能力直接关乎P2P对整个网络服务质量的影响，面对P2P业务的大量涌现对光接入网带来巨大的挑战，同时也促进光接入网进行改进完善，以便能够快速的高效的承载P2P业务，在无源光网络技术中，由于其简单、高数据速率和低成本，以太网无源光网络在承载P2P业务具有得天独厚的优势，但现有的以太网无源光系统由于其带宽限制，预计很快就无法满足用户的需求，因此，具有相对成熟产业链的高带宽、可靠兼容性的高速大容量以太网无源光接入网技术必将成为未来接入网技术发展的趋势，也必将被运营商进行大规模的部署和商用。因此，本发明提出一种能够将更多的P2P流量本地化并减少服务器端的资源消耗的基于优化MPCP协议的重定向机制。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种能够有效地将更多的P2P流量本地化，并尝试避免本地P2P资源节点向远程对等方申请资源以减少服务器资源消耗的基于优化MPCP协议的重定向机制。

本发明采用的技术方案为：一种基于优化MPCP协议的重定向机制，包括如下步骤：

步骤一：用户发送P2P业务请求报文并传输到ONU，所述ONU收到用户发送来的P2P业务请求报文，并通过业务识别该P2P业务请求报文；

步骤二：所述ONU提取P2P业务请求数据帧的目的MAC地址，并查询该目的MAC地址所对应的ONU的LLID，所述ONU将LLID转换成相应的P2P_LLID，并插入到P2P业务请求数据帧的前导码中；

步骤三：所述OLT拦截P2P业务请求数据帧，进行深度检测并实时记录各个peer下载情况信息表，并把该本地peer信息表广播给ONU；

步骤四：所述OLT端RS子层的LTE功能识别所述P2P请求业务数据帧，并将P2P业务数据帧反射回下行链路；

步骤五：所述ONU接收到OLT发来的P2P业务数据帧后，检测以太帧中的目的LLID来判断是否接收该数据帧，若检测到目的LLID为自身的目的节点，则接收该数据帧，并进入步骤七，反之，不接收；

步骤六：所述ONU拦截P2P查询回执报文，并实时维护OLT发给ONU的本地文件信息表，本地peer将要下载的文件与所述ONU维护的本地文件信息表进行对比查找是否有所下载的文件资源；

步骤七：找到对应的文件资源后，ONU根据本地文件peer信息构造一个查询回执报文，发送给发起P2P业务请求的用户，完成P2P流量的本地化。

具体地，在步骤一中，通过业务识别该请求报文中的业务包括有P2P协议报文、P2P数据报文和其他业务报文。

具体地，在步骤二中，所述ONU提取P2P业务请求数据帧的目的MAC地址具体步骤为：

ONU判断用户端发送来的P2P业务请求报文是否为本地P2P数据包，若是，则查找P2P业务请求数据帧中目的MAC地址所对应的ONU的LLID；

ONU将P2P业务请求数据帧的前导码中的LLID转换成相应的P2P_LLID；

ONU接收到OLT端发送来的数据包时，判断接收到的数据帧的LLID值，若收到的数据帧的LLID为P2P_LLID，则表示该数据帧是发送给该ONU的本地P2P 数据帧，并将该数据帧插入到P2P业务请求数据帧的前导码中。

本发明的有益效果：本发明所述的重定向机制从MPCP协议对无源光网络的相关功能进行了扩展，并设计了一个peer列表替换算法和对peer列表缓冲容量的扩充，不仅减少了P2P业务端到端时延到端，还有效地将更多的P2P流量本地化，支持文件共享和下载，避免了本地P2P资源节点向远端peer申请资源，从而减少了服务端的资源消耗。

附图说明

图1为本发明所述P2P流量本地化的整体交互过程示意图；

图2为本发明所述Peer列表替换算法的过程示意图；

图3为本发明所述PON接入网的LTE解决方案的流程图；

图4为重定向失败的概率与本地文件数之间的关系图；

图5为重定向成功的概率与使用P2P业务的用户数量之间的关系图。

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。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，以下结合实施例具体说明。

一种基于优化MPCP协议的重定向机制，包括如下步骤：

步骤一：用户发送P2P业务请求报文并传输到ONU，所述ONU收到用户发送来的P2P业务请求报文，并通过业务识别该P2P业务请求报文，识别的业务请求报文包括有P2P协议报文、P2P数据报文和其他业务报文；

步骤二：所述ONU提取P2P业务请求数据帧的目的MAC地址，并查询该目的MAC地址所对应的ONU的LLID，所述ONU将LLID转换成相应的P2P_LLID，并插入到P2P业务请求数据帧的前导码中，具体为，ONU判断用户端发送来的 P2P业务请求报文是否为本地P2P数据包，若是，则查找P2P业务请求数据帧中目的MAC地址所对应的ONU的LLID，ONU将P2P业务请求数据帧的前导码中的 LLID转换成相应的P2P_LLID，ONU接收到OLT端发送来的数据包时，判断接收到的数据帧的LLID值，若收到的数据帧的LLID为P2P_LLID，则表示该数据帧是发送给该ONU的本地P2P数据帧，并将该数据帧插入到P2P业务请求数据帧的前导码中；

步骤四：所述OLT端RS子层的LTE功能识别所述P2P请求业务数据帧，并将P2P业务数据帧反射回下行链路，OLT端发出的数据帧经过无源光分路器以广播方式发送到各个ONU，在将P2P业务数据帧反射回下行链路的过程中，大量本地P2P数据包在OLT处进行二层交换时，不再需要读取前导码(8字节)、源地址(6字节)目的地址(6字节)三个字节的值，查询目的MAC地址和LLID的对应关系表，找到该目的MAC地址对应的LLID，将目的LLID插入数据包中下行 TDM广播转发给ONU，只需要直接由OLT的RS子层根据LLID进行识别并反射回下行链路，有效简化了传输过程；

如图1所示，为本发明的整体交互过程示意图。

本发明所述的基于优化MPCP协议的重定向机制，即IRM-MPCP重定向机制，满足对高速宽带服务和大容量光纤到户FTTH接入网络的需求，能够提高树形结构EPON的整体性能以支持新型服务，特别针对P2P文件共享下载，把P2P流量本地化。为了支持我们提出的机制，设计了peer列表替换算法和对peer列表缓冲容量的扩充，而且还从MPCP协议角度对以太网无源光网络的相关功能进行了拓展。

Peer列表替换算法：在IRM-MPCP重定向机制中，通过P2P协议进行数据传输，OLT拦截请求下载报文，将P2P协议中peer之间交互信息提取到本地文件信息表中，ONU拦截查询回执报文，统计tracker response报文中的peer数量，每个用户都相当于一个对等方peer，将本地peer想要下载的文件和OLT发送给所述ONU的本地文件信息表进行对比，若peer能够在本地下载想要的文件，修改报文信息并构建新的peer列表，在tracker response报文中的peer列表替换时先查询本地信息表是否存在peer字节数相同的IP，若列表长度相等，直接替换，这样能够避免用用一个peer多减少加的过程；然后再考虑替换列表长度不等的peer，若替换长度不等的peer，则需要保证新peer列表中的第n个peer 信息长度相对原peer列表长度增加或减少多少个字节，新peer列表中的第n+1 个peer信息长度相对原peer列表减少或增加多少个字节，保证了peer列表总长度不能改变，其替换算法大致过程如图2所示。

增加peer列表缓冲容量：根据BT协议规范，Tracker服务器返回给客户端的peer列表包含三部分内容：完成整个文件下载的peers个数、正在下载的 peers个数、还没有完成该文件下载的peer个数，通常情况下Tracker服务器返回的peer列表长度为50个，就是说本地文件信息表中的peers最大只能容纳10个，根据IRM-MPCP重定向机制所提出的peer列表替换算法得知本地文件信息表中的peers最多只能容纳10个，peer替换的利用率不高，显而易见满足不了用户的下载需求，在实际的光接入网对P2P业务承载的设计中，扩充本地文件信息表的缓存容量peer列表长度为50个，使其每个文件对应的本地peers 容量可以达到下载性能的最佳需求。

数据帧的LLID扩展：数据帧分为P2P数据帧和非P2P数据帧，一般通过LLID 字段来区分这两种数据帧，而LLID是位于数据帧前导码中的一个16bit的数据域，其最高位为模式位：1代表SME模式，0代表P2PE模式。扩展后的LLID为：最高位为模式位(1bit)，其次为P2P标识(1bit)，剩余14个bit位为逻辑链路标识(14bit)，如下表所示。扩展后的LLID好处是不占用前导码的其他bit 位，且OLT的RS子层只需要判断LLID的第15bit位P2P标识即可判断是否为 P2P数据包。

表1

LTE的扩展：PON接入网的LTE功能是将P2PE和SME两种模式结合，来实现最佳运行模式，为了区分数据帧采用的模式，模式位为1标识SME模式，模式位为0表示P2PE模式，LTE方案采用P2PE模式并在OLT中加入一个辅助的单拷贝广播端口(Sing-Copy Broadcast,SCB)，如图3所示为PON接入网的LTE 解决方案流程图。

由于LTE最终方案没有真正支持SME，所述光接入网对P2P业务处理不灵活，为了高效承载P2P业务，需要在光接入网的LTE功能的LLID过滤做一定的拓展。

OLT侧LLID过滤原则为：

(1)若接收到的数据帧的LLID为广播逻辑链路标识LLID，且有一个配置了广播LLID的虚拟端口，则接收数据帧转发到该虚拟端口。

(2)若接收到的数据帧的LLID为非广播逻辑链路标识LLID，需要判断该 LLID的第15位是否为1或LLID最高位是否为0，若为1，则接收该数据帧转发到SCB端口，若为0，则接收此数据帧转发到有相同LLID的虚拟端口。

其他情况的数据帧被LTE功能丢弃。

ONU侧LLID的过滤原则为：

(1)若接收的逻辑链路标识为广播逻辑链路标识LLID，则接收该数据帧。

(2)若接收到的模式位为1，且接收到的LLID与配置的LLID不同，则接收该数据帧；若接收到的模式位为0，只需要判断LLID后14位是否与配置的 LLID值相同，若相同则接收该数据帧。

其他情况的数据帧被LTE功能丢弃。

为了清楚地分析IRM-MPCP重定向机制成功重定向效率以及是否减少时延，本发明通过数学建模对此进行了验证。

首先进行量化分析，基于马尔科夫链，建立了P2P重定向机制下的P2P网络路由数学模型，在P2P网络中，把持有请求消息的节点看作一个状态，路由过程可以看作状态转移，一个状态转移到另一个状态，即一个持有请求消息的节点根据路由表将请求放到另一个节点，该马尔科夫链模型中的每个网络节点都被分配唯一节点标识(nodeId)，资源对象由系统定义的Hash函数产生唯一资源标识(key)，nodeId和key来自同一个Id空间。将key存储在nodeId与 key相等或者相近的节点key上，该节点称为key的根(root)，P2P路由就是将对资源key的查询消息路由到key的根root。为了有效查找，所有节点都维护一张nodeId和节点IP对应的路由表，每个节点都维护一个由Id空间与该节点nodeId相近的节点组成的邻居集合，因为nodeId是随机分配的，所以节点的邻居集合也是随机分配的集合。

假设P2P网络中有n个节点，id的范围为0-n-1(0为查询目的地，1，2， 3，…，n-1为发起查询请求的源，n为失效节点id。若请求消息不能转发到系统的任何节点，则丢弃请求消息，转到失效节点n。其中，0和n为两个吸收态，其他为非吸收态，定义i为第i节点的状态，转移概率为 P_i,j＝P(S_t/S₁,S₂,S₃,...S_t-1)＝P(S_t＝i/S_t-1＝j)，即是在第t-1个节点的状态下为j的情况下，第t个节点的状态为i的概率，则查询消息的路由转发马尔可夫链模型的转移概率矩阵为

其中，Q为(n-1)×(n-1)矩阵，是过渡态1，2，…，n-1的状态转移矩阵； U和V是(n-1)×1矩阵，是过渡态1，2，…，n-1和吸收态0，n之间的状态转移矩阵。

下面利用马尔可夫链的特性计算查询从源到目的地的平均路径长度，用于定量衡量P2P网络的路由性能。

(1)overlay层面路由算法的量化评估

定义命中率为一个节点的请求消息成功地从i到吸收态j的概率定义路径长度m_i,j为对应的层面的跳数

引理1定义矩阵：

A＝(a_1,0,a_2,0,...,a_n-1,0)^TM＝(m_1,0,m_2,0,...,m_n-1,0)^T

则A＝(I-Q)^-1U,M＝((I-Q)^-1)÷A

平均命中率和平均路径长度分别为

(2)网络层路由算法的量化评估

在建立P2P查询路由时，总是选择逻辑跳数少的路径为最优查询路由长度，然而，P2P网络中的overlay层面上的平均路径长度和实际请求经历的路径长度的不匹配，使得相同的消息可能多次经过相同的物理路径传播，造成大量多余的传送负载。由于两个层面的路径长度可能会存在极大差异，所以，overlay层面路由算法在网络层面上的以平均路径长度为参量的性能量化评估的表达式如下。

引理2

定义b_i,j(i,j∈0,1,...n-1)为网络层面节点i和j间的实际距离，定义矩阵B， C为对应距离矩阵。

定义路径长度m'_i,j为网络层面对应节点间的路径长度， M'＝(m'_1,0,m'_2,0,...,m'_n-1,0)^T为对应的网络层面上的平均路径长度矩阵。则

M'＝((I-Q)^-1((Q*B)A+U*C))÷A

引理2给出了在已知实际网络拓扑结构的情况下，对于overlay层面的路由算法在网络层面的平均路径长度的计算公式，本专利利用该公式对本专利所提出的重定向机制IRM-MPCP的P2P重定向算法在overlay层面和网络层面的性能进行计算分析，暂不考虑节点失效的情况，即不存在进入状态n情况，对于使应用重定向机制IRM-MPCP的无源光接入网，引理2矩阵C中的网络层距离b_i,0符合如下概率分布:

P{b_i,0＝1}＝p_rdt

P{b_i,0＝d}＝1-p_rdt

其中，p_rdt为重定向成功的概率，d为大于1的实际网络层跳数。

考虑一种常见的接入网与核心网的组织形式如下：一个具有N个端设备的互联网中，含有H个PON接入网，每个PON接入网有N/H个端设备节点，整个大网可供下载的文件共有f个，每个端设备以相等的概率下载f个文件中的任意个文件，已知每个端系统下载文件的行为是独立等概的，并且待下载的文件无特殊性，根据重定向方案可知，一个PON内部至少有两个端节点下载同一个文件的概率为：

证明：

考虑任意一个PON内部，每个端节点查询文件各种可能情况为：

此时，无任何要求的情况数为：

一个PON内每个端节点查询不同文件的可能数为：

显然，如果f<N/H则为0；

下面分析f>＝N/H的情况：

首先，从f个中任取出N/H个，有

用种取法，对取出的这N/H和剩余的个数分别分析。

对于N/H个，要每个节点分配进一个，分配的不同方式的种数为(N/H)！，对剩余的f-N/H个文件，可以任意添加，对这f-N/H个文件中的任何一个，都有N/H种选择，故可能情况数为(N/H)^f-N/H。

上述分析综合起来，可得：

可知，至少有两个端节点查询同一文件概率为：

上面考虑的情况是整个下载的综合情况。

不失一般性，从第1个节点的角度来看，第2个节点下载过的文件数为W2，根据Wn的随机性可知W2包含目标文件(即欲下载的文件)的概率为W2/f，不包含目标文件的概率为(1-W2/f)，以此类推，第3个节点下载过的文件中不包含目标文件的概率为(1-W3/f)，所以，当节点1欲下载某目标文件时，本接入网内其他节点都没下载过该文件的概率为

本接入网内其他节点下载过此文件的概率，即重定向的概率为

由上式可推算，当用户下载任意一个目标文件，系统成功重定向到本地且本地文件热点数大于m个的概率：

其中，0<＝m<＝N/H-1。

下面可进一步求出平均概率路由算法对应的转移概率矩阵Q、U和V中的概率值表达式，假定所有的查找目的地为0，定义l(i)为i到目的地0的距离，l(i，j)为i到j的距离，定义N(i)＝{i':l(i')＝l(i)-l∩l(i,i')＝1}，可以看出N(i) 就是i的邻居集合，|N(i)|表示N(i)集合中的节点数。

对于平均概率路由算法，在任一节点处都向邻居节点以均等概率转移，则在节点i以概率

转移到N(i)中节点，即

至此可见，当重定向不成功时，P2P节点按照上述表达式进行邻居发现和查询过程，得出矩阵Q的元素，但是当重定向成功时，矩阵Q对应行的所有元素值全为0，即邻居查询不经过中间节点，而直接被重定向到本地节点，此时矩阵 U对应行中的元素为1，即以概率1直接将查询发给本接入网内的重定目的节点。

以在整个城域网中具有多个Tracker服务器的城域网为参考。假定每个 Tracker服务器都为H＝10个访问网络用户提供服务。每个访问网络有35000个用户(对等点)，每个Tracker服务器为N＝350000个用户(对等点)提供服务，根据BT网站的用户数量和种子数量的统计信息，我们可以获得参考数据：假设每个Tracker服务器记录的文件数量为：120000(用户总数的1/3)，进一步假设每个用户平均有12个文件，P2P服务用户利用率为15％。我们使用以上数据来模拟重定向到接入网内部的可能性。

如图4所示，显示了重定向失败的概率与ERS-MPCP和IC-P2PTRD中本地文件数之间的关系，横轴是peer节点重定向失败的概率，纵轴是本地文件的数量，图4中的两条曲线是ERS-MPCP和IC-P2PTRD重定向失败的情况。从图4可以看出，随着对等文件数量的增加，ERS-MPCP重定向失败的可能性逐渐降低。当本地文件的数量为两个时，重定向失败的可能性将大大降低。当本地文件数大于或等于20时，重定向失败的机会稳定且接近0，即ERS-MPCP策略不会在重定向中失败，所有P2P文件下载均通过使用重定向下载在PON中执行，但是，随着IC-P2PTRD中本地文件数量的增加，重定向失败的可能性显着提高并逐渐降低，如果每个对等方的本地文件数超过15，则网络上对等方重定向失败的可能性稳定在9％左右，并且核心网络中仍有一些流量，因此，ERS-MPCP将不会重定向文件下载。

如图5所示，显示了重定向成功的概率与使用P2P业务的用户数量之间的关系。横轴是使用P2P服务的用户数，纵轴是成功进行P2P重定向的概率。从图5可以看出，当接入网的内部P2P服务利用率为15％，即用户数为5250时，系统的P2P重定向产生重大影响的概率为40.8％。图5显示成功重定向的概率最初随着用户数量的增加而显着增加，而概率增加在用户数量达到一定水平后减慢。当用户数量达到50,000时，重定向成功概率接近100％，也就是说，用户越多，重定向成功概率就越高。ERS-MPCP重定向机制能够满足大容量光纤到户FTTH接入网络的需求。

仿真结果表明，当接入网中P2P服务的利用率为15％时，ERS-MPCP重定向成功的概率可以达到40.8％。当在接入网络中有大量使用用户使用P2P服务的用户时，成功重定向的可能性几乎接近100％，这表明所提出的方案对于P2P重定向非常有效。对于我们提出的策略，当本地文件数大于或等于20时，成功重定向的可能性将稳定并接近100％，这表明所有P2P文件下载都是通过使用重定向在PON内部下载的。最后，我们得出的结论是，我们提出的策略可以将整体重定向成功率提高9％，从而减少核心网络上的数据流量负担。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种基于优化MPCP协议的重定向机制，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于优化MPCP协议的重定向机制，其特征在于：在步骤一中，通过业务识别该请求报文中的业务包括有P2P协议报文、P2P数据报文和其他业务报文。

3.根据权利要求1所述的基于优化MPCP协议的重定向机制，其特征在于：在步骤二中，所述ONU提取P2P业务请求数据帧的目的MAC地址具体步骤为：

ONU接收到OLT端发送来的数据包时，判断接收到的数据帧的LLID值，若收到的数据帧的LLID为P2P_LLID，则表示该数据帧是发送给该ONU的本地P2P数据帧，并将该数据帧插入到P2P业务请求数据帧的前导码中。