CN114866458B - 一种命名数据网中生产者移动的管理方法及管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种命名数据网中生产者移动的管理方法及管理系统，该方法包括：交会节点RV接收指示生产者断开网络的第一通知包MI，并按照接收路径逆向回复第一数据包MD，以使第一回复路径上的路由节点创建第一临时转发表，用于将在生产者断开网络期间的消费者请求信息转发至RV；RV接收指示生产者重新连接网络的第二通知包CI，并按照接收路径逆向回复包括消费者请求信息的第二数据包CD，以使第二回复路径上的路由节点创建第二临时转发表，以及基于消费者请求信息更新PIT，以使生产者向消费者返回内容数据包。本发明设计创建临时转发表并更新PIT表，快速恢复并转发消费者的请求，避免了大范围的FIB更新,降低了丢包率以及传输延时。

Description

一种命名数据网中生产者移动的管理方法及管理系统

技术领域

本发明属于命名数据网技术领域，具体地涉及一种命名数据网中生产者移动的管理方法及管理系统。

背景技术

命名数据网(Named Data Networking，NDN)是一种以内容为中心的未来网络架构，如何管理其用户移动性是当前重要的研究内容之一。NDN提出了一种新的传播模式，即只关注内容本身而不关注内容的位置，并通过命名内容实现了灵活的数据传递，从而满足了日益增长的网络流量传递需求。

此外，NDN范例的身份-位置分离和无状态连接可以潜在地促进用户的移动性。在NDN中，用户的移动性可以分为消费者移动性和生产者移动性。由于NDN中消费者驱动的特性，NDN可以自然地支持消费者的移动性，而如何提升生产者移动性则是一项重大挑战。

生产者的移动切换会导致消费者与生产者之间原有的网络拓扑结构失效，使得生产者不可被路由以及消费者请求中断，从而降低了网络通信质量。传统泛洪方案会更新转发信息表(forwarding information base,FIB)来保持路由一致性，现有技术通过全局或者局部的FIB更新，重新规划消费者到生产者新位置的路径，但是该方式会消耗大量的时间及网络资源，在此期间消费者的请求会因无法到达生产者新位置而造成丢包。

此外，消费者会不断请求未满足内容，导致非常高的带宽消耗和开销成本。最后，生产者的移动会不断的切换接入点，造成了频繁的路由更新和长时间的通信中断，严重降低了网络效率。虽然NDN的网内缓存机制可以在一定程度上缓解这种局面，但对于高速移动情形下的动态或者非主流数据，生产者的移动性将对网络带来的巨大冲击。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提出一种命名数据网中生产者移动的管理方法及管理系统，该方法设计了对生产者位置的动态追踪机制，在NDN的数据平面上创建或更新临时转发表TFIB和更新PIT表，实现了消费者和移动生产者的正常通信，最大限度地降低生产者移动导致的延时和丢包问题。

第一方面，本发明提供了一种命名数据网中生产者移动的管理方法，包括：交会节点RV接收用于指示生产者断开网络的第一通知包MI，并按照与接收路径逆向的第一回复路径回复第一数据包MD，以使第一回复路径上的路由节点基于MD创建第一临时转发表，第一临时转发表用于指示第一回复路径上的路由节点将在生产者断开网络期间的消费者请求信息转发至RV。

RV接收用于指示生产者重新连接网络的第二通知包CI，并按照与接收路径逆向的第二回复路径回复包括消费者请求信息的第二数据包CD，以使第二回复路径上的路由节点基于CD创建第二临时转发表，以及基于消费者请求信息更新PIT，以使生产者基于CD向消费者返回内容数据包。

在一种可能的实现方式中，生产者在断开网络前通过第一路由节点连接路由网络，移动后通过第二路由节点重新连接路由网络。

生产者在断开网络前向第一路由节点发送MI；第一路由节点将MI转发给RV。其中，MI的标记字段包括表示生产者断开网络的第一标记。

在一种可能的实现方式中，RV识别MI的第一标记，并提取MI的内容名称，生成包含第一标记、内容名称的第一数据包MD；RV将MD发送给路由网络，MD按照与MI的传输路径逆向的第一回复路径经各路由节点传输至第一路由节点。

在一种可能的实现方式中，第一回复路径上的各路由节点识别MD的第一标记，并根据MD的内容名称以及MD的传入接口创建第一临时转发表。

在一种可能的实现方式中，在生产者断开网络期间，第一回复路径的路由节点在接收到与第一临时转发表记录的内容名称对应的消费者请求信息时，查询第一临时转发表，根据记录的传入接口转发消费者请求信息，以使消费者请求信息被转发至RV，并被RV记录。

其中，第一临时转发表的检索优先级设为最高。

在一种可能的实现方式中，生产者重新接入网络后向第二路由节点发送CI，第二路由节点将CI转发给RV。

其中，CI的标记字段包括表示生产者接入网络的第二标记。

在一种可能的实现方式中，RV识别CI的第二标记，并提取CI的内容名称，生成包含第二标记、CI的内容名称、生产者断开网络期间的消费者请求信息的第二数据包CD。

RV将CD发送给路由网络，CD按照与CI的传输路径逆向的第二回复路径经各路由节点传输至第二路由节点，再由第二路由节点发送给生产者。

在一种可能的实现方式中，第二回复路径上的各路由节点，识别CD的第二标记，并根据CD的内容名称以及CI的传入接口创建第二临时转发表，以及，根据生产者断开网络期间的消费者请求信息更新PIT表。

在一种可能的实现方式中，生产者接收CD，获取断开网络期间的消费者请求信息，并根据该消费者请求信息回复内容数据包。

第二回复路径上的各路由节点接收到内容数据包后，基于第二临时转发表或PIT表转发该内容数据包，以使内容数据包被传输至提出相应消费请求的消费者。

其中，第二临时转发表的检索优先级设为最高。

第二方面，本发明提供了一种命名数据网中生产者移动的管理系统，包括交会节点RV、由若干路由节点组成的路由网络、消费者和生产者；

生产者移动时，该命名数据网中生产者移动的管理系统实现如上本发明第一方面的任一种可能的实现方式所述方法的步骤。

本发明相对于现有技术的有益效果在于：本发明提出一种命名数据网中生产者移动的管理方法，包括：交会节点RV接收用于指示生产者断开网络的第一通知包MI，并按照与接收路径逆向的第一回复路径回复第一数据包MD，以使第一回复路径上的路由节点基于MD创建第一临时转发表，第一临时转发表用于指示第一回复路径上的路由节点将在生产者断开网络期间的消费者请求信息转发至RV；RV接收用于指示生产者重新连接网络的第二通知包CI，并按照与接收路径逆向的第二回复路径回复包括消费者请求信息的第二数据包CD，以使第二回复路径上的路由节点基于CD创建第二临时转发表，以及基于该消费者请求信息更新PIT，以使生产者基于CD向消费者返回内容数据包。

可见，本发明通过第一通知包和第二通知包的设计实现了动态追踪移动生产者的网络位置，通过在相关路由节点创建临时转发表实现在数据平面上更新NDN路由节点的转发状态，保证了建立的转发路径的有效性，同时也降低了信令消耗。

本发明设计NDN路由节点创建临时转发表TFIB并更新PIT表可以快速恢复并转发消费者的请求，避免了大范围的FIB更新,降低了丢包率以及传输延时。此外，本发明设计了消费者请求的快速恢复机制，提高了内容响应率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的命名数据网中生产者移动的管理系统的组成架构示意图；

图2是本发明实施例提供的命名数据网中生产者移动的管理方法的实现流程图；

图3是本发明实施例提供的第一通知包结构、第二通知包结构、第一数据包结构以及第二数据包结构的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。

图1本发明实施例提供的命名数据网中生产者移动的管理系统的组成架构示意图。

如图1所示，该系统包括消费者(Consumer)、NDN路由节点(Node1，Node2，Node3)、交会节点(Rendezvous Point，RV)、生产者(Producer)和无线接入点(Access Point,AP)。

在整个网络中，NDN各路由节点Node组成了NDN的骨干网络，路由节点Node1、Node2各自连接一个无线接入点AP1/AP2。

消费者Consumer直接与路由节点Node3相连，生产者Producer通过AP接入网络中。

RV位于网络核心，与一Node连接。

AP与Node、Consumer与Node以及Node之间通过NDN网络连接。

Consumer发送兴趣包Interest，并接收数据包Data。

Node拥有转发信息表(Forwarding Information Base，FIB)、待定兴趣表(Pending Interest Table，PIT)和内容存储器(Content Store，CS)三种数据结构以及网络路由和转发能力。

参见图2，其示出了本发明实施例提供的命名数据网中生产者移动的管理方法的实现流程图，详述如下：

在步骤100中、生产者Producer在断开网络前向第一路由节点Node1发送第一通知包MI。

图3示出了第一通知包MI的结构。

MI使用了NDN中兴趣包Interest的结构，增加了标记Label和SignatureInformation等字段。

其中原有的内容名称字段包含了“/RV Prefix”和“/Content Prefix”。“/RVPrefix”是RV向路由平面公告的专有名称前缀，Producer的通知包MI可以通过“/RVPrefix”被转发到RV。“/Content Prefix”是Producer的内容前缀，是消费者请求生产者数据的唯一名称标识。标记Label字段表示生产者的断开网络状态。

在一种可能的实现过程中，MI的第一标记为“MoB”(“Mobility”)。SignatureInformation名称组件包含了验证Producer签名所必要的信息，使得RV可以验证内容前缀“/Content Prefix”的出处，确保该内容的真实性和可靠性。

在步骤200中、第一路由节点Node1查询CS、PIT、FIB，根据查询结果将MI转发给交会节点RV。

在步骤300中、RV识别MI的第一标记，并提取MI的内容名称，生成包含第一标记、内容名称的第一数据包MD。

图3示出了第一数据包MD的结构。

MD使用了NDN中数据包Data的结构，增加了标记Label字段。

RV将第一数据包MD发送给路由网络，MD按照与MI的传输路径逆向的第一回复路径经各路由节点传输至第一路由节点。

第一回复路径为以RV为起点的，MI传输过的所有经过的路由节点Node，最终到达第一路由节点Node1的路径。

在步骤400中、第一回复路径上的各路由节点识别MD的第一标记，并根据MD的内容名称以及MD的传入接口创建第一临时转发表TFIB。TFIB的结构与FIB表结构一致,但是TFIB的检索优先级比FIB高。

在生产者断开网络期间，第一回复路径的路由节点在接收到与第一临时转发表TFIB记录的内容名称对应的消费者请求信息时，查询第一临时转发表TFIB，根据记录的传入接口转发消费者请求信息，以使消费者请求信息被转发至RV，并被RV记录。

在步骤500中、生产者重新接入网络后向第二路由节点Node2发送第二通知包CI。

图3示出了第二通知包CI的结构。

CI的结构与MI的结构一致，CI的标记字段表示生产者的接入网络状态。在一种可能的实现过程中，CI的第一标记为“CoN”(“Connection”)。

在步骤600中、第二路由节点Node2查询CS、PIT、FIB，根据查询结果将CI转发给交会节点RV。

在步骤700中、RV识别CI的第二标记，并提取CI的内容名称，生成包含第二标记、CI的内容名称以及生产者断开网络期间的消费者请求信息的第二数据包CD。

RV将第二数据包CD发送给路由网络,CD按照与CI的传输路径逆向的第二回复路径经各路由节点传输至第二路由节点。

图3示出了第二数据包CD的结构。CD的结构与MD的结构一致,但是CD额外保存了生产者断开网络期间的消费者请求信息。

第二回复路径为以RV为起点的，CI传输过的所有经过的路由节点Node，最终到达第二路由节点Node2的路径。

在步骤800中、第二回复路径上的各路由节点，识别CD的第二标记，并根据CD的内容名称以及CI的传入接口创建第二临时转发表TFIB，以及，根据生产者断开网络期间的消费者请求信息更新PIT表。

在一种可能的实现方式中，Node将CD与PIT条目进行匹配；如果找到匹配项，Node查询数据包的Label字段并将其转发到下游；如果PIT表项不存在，Node提取CD的传入接口信息来创建新的PIT条目。

在一种可能的实现方式中，如果在Label字段中找到匹配的标记，Node记录MD/CD的相应接口信息及生产者的内容名称；之后Node判断Label字段；根据在Label字段中找到的不同的匹配标记，Node执行不同的操作；

如果标记为“MoB”，Node提取MD的传入接口信息；

如果标记为“CoN”，Node提取PIT表中CD的传入接口信息。

在一种可能的实现方式中，针对“CoN”标记，Node访问CD中的内容数据字段；如果该字段包含了消费者兴趣包记录，Node提取该信息并检索PIT表；如果相应PIT表项存在，Node将CD的传入接口信息作为消费者请求的传入接口添加到PIT表项的接口信息中；如果PIT表项不存在，Node提取CD的传入接口信息来创建新的PIT条目。

在步骤900中、第二路由节点Node2将CD转发给生产者。

在步骤1000中、生产者根据CD获取断开网络期间的消费者请求信息，并根据该消费者请求信息回复内容数据包。

第二回复路径上的各路由节点接收到内容数据包后，基于第二临时转发表TFIB或PIT表转发该内容数据包，以使内容数据包被传输至相应的消费者。

本发明实例包括移动生产者的通知机制、RV(Rendezvous Point)节点的记录机制和临时转发表的动态更新过程；通知机制实现RV对移动生产者的实时跟踪，移动生产者会根据自身切换状态主动发送不同类型的移动兴趣包；RV的记录机制更新生产者的移动状态信息，并记录在生产者切换期间其收到的消费者的兴趣包信息；利用通知机制在网络路由器中创建检索优先级更高的临时转发信息表并更新待定兴趣表；临时转发表的动态更新过程扩展了NDN的有状态转发平面。

本发明的有益效果在于：本发明提出一种命名数据网中生产者移动的管理方法，包括：交会节点RV接收用于指示生产者断开网络的第一通知包MI，并按照与接收路径逆向的第一回复路径回复第一数据包MD，以使第一回复路径上的路由节点基于MD创建第一临时转发表，第一临时转发表用于指示第一回复路径上的路由节点将在生产者断开网络期间的消费者请求信息转发至RV；RV接收用于指示生产者重新连接网络的第二通知包CI，并按照与接收路径逆向的第二回复路径回复包括消费者请求信息的第二数据包CD，以使第二回复路径上的路由节点基于CD创建第二临时转发表，以及基于该消费者请求信息更新PIT，以使生产者基于CD向消费者返回内容数据包。

可见，本发明通过第一通知包和第二通知包的设计实现了动态追踪移动生产者的网络位置，通过在相关路由节点创建临时转发表实现在数据平面上更新NDN路由节点的转发状态，保证了建立的转发路径的有效性，同时也降低了信令消耗。

本发明设计NDN路由节点创建临时转发表TFIB并更新PIT表可以快速恢复并转发消费者的请求，避免了大范围的FIB更新,降低了丢包率以及传输延时。此外，本发明设计了消费者请求的快速恢复机制，提高了内容响应率。

本发明利用ndnSIM模拟器实现了完整的系统原型，通过性能分析和比较，验证了其应对命名数据网中生产者移动问题的可行性与有效性。

最后的仿真结果表明，消费者请求的平均丢包率降低到8.1％，平均传输延时为287.3ms。此外，支持生产者移动性所需的平均额外消耗为0.35Packet/s。由此表明，本发明设计的命名数据网中生产者移动的管理方法，可以保证足够低的丢包率和平均传输延时，同时减小了支持生产者移动性所需的切换消耗，因此可以更好的支持用户的无缝通信。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。

这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，包括：

交会节点RV接收用于指示生产者断开网络的第一通知包MI，并按照与接收路径逆向的第一回复路径回复第一数据包MD，以使第一回复路径上的路由节点基于所述MD创建第一临时转发表，所述第一临时转发表用于指示第一回复路径上的路由节点将在所述生产者断开网络期间的消费者请求信息转发至RV；

RV接收用于指示所述生产者重新连接网络的第二通知包CI，并按照与接收路径逆向的第二回复路径回复包括所述消费者请求信息的第二数据包CD，以使第二回复路径上的路由节点基于所述CD创建第二临时转发表，以及基于所述消费者请求信息更新PIT，以使所述生产者基于所述CD向消费者返回内容数据包。

2.根据权利要求1所述的命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，所述生产者在断开网络前通过第一路由节点连接路由网络，移动后通过第二路由节点重新连接路由网络；

RV接收第一通知包MI的步骤包括：

所述生产者在断开网络前向第一路由节点发送MI；

所述第一路由节点将MI转发给RV；

其中，MI的标记字段包括表示所述生产者断开网络的第一标记。

3.根据权利要求2所述的命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，RV按照与接收路径逆向的第一回复路径回复第一数据包MD的步骤包括：

RV识别MI的第一标记，并提取MI的内容名称，生成包含第一标记、所述内容名称的第一数据包MD；

RV将MD发送给路由网络，MD按照与MI的传输路径逆向的第一回复路径经各路由节点传输至所述第一路由节点。

4.根据权利要求3所述的命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，第一回复路径上的路由节点基于MD创建第一临时转发表的步骤包括：

第一回复路径上的各路由节点识别MD的第一标记，并根据MD的内容名称以及MD的传入接口创建第一临时转发表。

5.根据权利要求4所述的命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述生产者断开网络期间，第一回复路径的路由节点在接收到与第一临时转发表记录的内容名称对应的消费者请求信息时，查询第一临时转发表，根据记录的传入接口转发所述消费者请求信息，以使所述消费者请求信息被转发至RV，并被RV记录；其中，第一临时转发表的检索优先级设为最高。

6.根据权利要求2所述的命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，RV接收第二通知包CI的步骤包括：

所述生产者重新接入网络后向第二路由节点发送第二通知包CI；

所述第二路由节点将CI转发给RV；

其中，CI的标记字段包括表示所述生产者接入网络的第二标记。

7.根据权利要求6所述的命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，RV按照与接收路径逆向的第二回复路径回复第二数据包CD的步骤包括：

RV识别CI的第二标记，并提取CI的内容名称，生成包含第二标记、CI的内容名称、所述生产者断开网络期间的消费者请求信息的第二数据包CD；

RV将CD发送给路由网络，CD按照与CI的传输路径逆向的第二回复路径经各路由节点传输至所述第二路由节点，再由所述第二路由节点发送给所述生产者。

8.根据权利要求7所述的命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，第二回复路径上的路由节点基于CD创建第二临时转发表的步骤包括：

第二回复路径上的各路由节点，识别CD的第二标记，并根据CD的内容名称以及CI的传入接口创建第二临时转发表，以及，根据所述生产者断开网络期间的消费者请求信息更新PIT表。

9.根据权利要求8所述的命名数据网中生产者移动的管理方法，其特征在于，所述方法还包括：

所述生产者接收CD，获取断开网络期间的所述消费者请求信息，并根据所述消费者请求信息回复内容数据包；

第二回复路径上的各路由节点接收到所述内容数据包后，基于第二临时转发表或PIT表转发所述内容数据包，以使所述内容数据包被传输至提出相应消费请求的消费者，其中，第二临时转发表的检索优先级设为最高。

10.一种命名数据网中生产者移动的管理系统，其特征在于，包括交会节点RV、由若干路由节点组成的路由网络、消费者和生产者；

生产者发生移动时，所述管理系统实现如上的权利要求1至9中任一项所述命名数据网中生产者移动的管理方法的步骤。