CN116073939B - 一种光命名数据网络中数据冲突解决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光命名数据网络中数据冲突解决方法。路由节点将到达的Interest包从光信号转化为电信号并处理；路由节点将达到的Response包从光信号转换为电信号，处理电信号并向相应接口预留波长资源，Data包将晚于Response包偏置时间进入光命名数据网络，路由节点收到Data包，不进行光电信号转换，从预留波长资源的接口发送。本发明通过处理Response包进行波长预留以及发生冲突时抛弃晚到达的Data包解决数据冲突，保证了网络的服务质量。

Description

一种光命名数据网络中数据冲突解决方法

技术领域

本发明涉及计算机网络数据冲突解决领域，具体是一种光命名数据网络ONDN（Optical Named Data Networking）中数据冲突解决方法。

背景技术

随着互联网体系的发展，信息传输模式从TCP/IP“以地址为核心”渐渐转变到“以信息为中心”的模式。信息中心网络（Information-Centric Networking，ICN）将内容与存储地址解耦，实现了以信息为中心的通信模式，命名数据网络（Named Data Networking，NDN）具有网内缓存、耦合路由等特型在信息中心网络结构方案中脱颖而出。在NDN中，数据信息实体被赋予唯一名称，数据请求者（Subscriber）将所需数据内容名称封装在Interest包中发送到NDN中，而所需数据内容的拥有者（Publisher）则将Subscriber所需信息封装成Data包，沿Interest包原路返回至Subscriber，完成一次信息交互。每个NDN路由器/交换机配置有一定容量的缓存（Content Storage, CS），当收到Interest包后首先查找其内容存储表中是否存在所需信息，若有，则立即封装Data包进行返回；若无，则在其待定兴趣表（Pending Interest Table，PIT）中记录Interest包中相关信息，并将其从转发信息库（Forwarding Information Base，FIB）中转发出去。基于波分复用（Wavelength DivisionMultiplexing, WDM）技术的光传输层已经成为未来超高速宽带互联网发展中最重要候选方案之一，尤其是在骨干网和城域核心层的架构中，WDM光传输网络起到主导地位。因此，ICN/NDN架构于WDM光传输物理层是NDN网络体系的发展趋势。光命名数据网络（OpticalNamed Dated Networking）将NDN架构在WDM上，并提出了I/R/D（Interest/Response/Data）通信模式，初步实现了在WDM上NDN通信协议。ONDN中主要包含三种包，兴趣包（InterestPacket）、响应包（Response Packet）和数据包（Data Packet），Subscriber封装所需数据内容对应的唯一名称在Interest包中并发送到ONDN中。Publisher对Interest包进行响应时，将数据内容名称等信息封装进Response包，Response包进入ONDN网络后，在Interest包途径的每一个节点进行波长资源预留，等待一定偏置时间（Offset time）后，Publisher将内容信息封装进Data包沿路返回至Subscriber。Interest包和Response包经过ONDN节点时，经过光电转化（O/E）为电信号进行处理，Data包在全程保持全光信号进行传输。ONDN同NDN一样每个网络节点包含三个基本组件：内容存储表（Content Store，CS）、待定兴趣表（Pending Interest Table，PIT）、转发信息库（Forwarding Information Base，FIB）。

I/R/D通信协议中，未指明包在路由节点处理转发过程，即Interest包、Response包和Data包在节点中如何处理并转发。由于NDN部署在WDM上，包在传输时为光信号，在路由节点中会发生包与包之间同时使用同一波长信号情况，此时产生了冲突，冲突会造成数据丢失、增加包时延等问题。

因此，必须给出基于光电转换的I/R/D协议包转发过程并基于此过程解决包在使用同一信道而发生的冲突问题方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术上存在的上述问题，提出一种光命名数据网络中数据冲突解决方法，给出了基于光电转换的I/R/D协议包转发过程，并解决路由节点上发生包冲突。

本发明的上述目的通过以下的技术方案实现：

一种光命名数据网络中数据冲突解决方法，包括以下步骤：

步骤1、路由节点将到达的Interest包从光信号转化为电信号，处理电信号并查询内容存储表，若内容存储表中含有该Interest包所请求的内容，则丢弃Interest包并生成Response包从Interest包到达的接口以光信号转发出去，生成Data包并进入步骤3，若内容存储表中不含有该Interest包所请求的数据内容，则查询待定兴趣表，并发送Interest包；

步骤2、路由节点将达到的Response包从光信号转换为电信号，处理电信号并向相应接口预留波长资源，预留失败则会抛弃该Response包，预留成功则路由节点将Response包转换为光信号并从待定兴趣表条目中Interest包到达的接口转发，并删除相关待定兴趣表条目中对应的接口信息；

步骤3、Data包将晚于Response包偏置时间由内容发布者发送进入光命名数据网络，路由节点收到Data包，不进行光电信号转换，若Response包未为该Data包预留波长资源，则Data会被抛弃，若预留波长资源且不与另一个Data包在接口发生冲突，Data包以光信号通过预留的波长资源的接口，若发生冲突核心路由节点抛弃晚到达的Data包。

如上所述Response包包括请求数据内容的数据内容名称、Data包长度以及偏置时间。

如上所述步骤1中查询待定兴趣表并发送Interest包包括以下步骤：

若待定兴趣表中已经包含该Interest包请求的数据内容名称的相关待定兴趣表条目，且待定兴趣表条目中没有当前Interest包到达的接口信息，则将Interest包到达的接口信息添加至已经存在的待定兴趣表条目中；

若待定兴趣表中不包含该Interest包请求数据内容名称的相关的待定兴趣表条目，则根据请求的数据内容名称以及Interest包到达的接口信息生成新的待定兴趣表条目，

查询待定兴趣表之后根据转发信息库中请求的数据内容名称所对应的接口信息，将Interest包转换为光信号从相应的接口转发出去，当有Response包到达路由节点时，转发信息库会将Response包到达的接口信息添加至Response包的内容数据名称对应的转发信息库条目中，若该转发信息库条目已包含Response包到达的接口信息则不用添加。

如上所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、路由节点将到达的Response包转化为电信号；

步骤2.2、查询待定兴趣表，

若待定兴趣表不包含Response包所对应的数据内容名称的待定兴趣表条目，则会抛弃该Response包，

若待定兴趣表含有所对应的待定兴趣表条目，则根据待定兴趣表条目中Interest包到达的接口信息，向相应的各个接口预留波长资源，

若相应Interest包到达的接口有可用波长资源，则路由节点将Response包转换为光信号，从查询的待定兴趣表条目的Interest包到达的接口中转发，并删除对应的待定兴趣表条目中该Interest包到达的接口信息；

若相应Interest包到达的接口没有可用波长资源则向Response包到达的接口返回相应的状态包，不删除待定兴趣表中波长资源预留失败对应的接口信息，

查询待定兴趣表之后查询转发信息库，若转发信息库中不含有Response包所对应的数据内容名称的转发信息库条目，则将数据内容名称以及Response包到达接口信息生成转发信息库条目加入转发信息库中。

如上所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、Data包到达路由节点后若无Response包为其预留的波长资源则被抛弃，若有Response包为其预留的波长资源，则前往Response包为其预留波长资源的接口；

步骤3.2、Data包到达Response包为其预留波长资源的接口时若无其他Data包正在使用该预留接口的波长资源，则当前Data包顺利通过接口发出，否则被抛弃。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

当路由节点接收到I/R/D协议中Interest包、Response包和Data包时，使用本方法可以实现对包的处理及转发；当网络节点发生冲突时，通过Response包预留资源以及丢弃包的方式解决冲突。本发明通过处理Response包进行波长预留以及发生冲突时抛弃晚到达的Data包解决数据冲突，保证了网络的服务质量。

附图说明

图1为仿真实验网络拓扑结构。

图2为本发明的不同大小的Data包受光纤复用波长数量变化的丢包率情况。

图3为本发明的不同复用波长数量下不同发送Interest包速率时丢包率情况。

图4为本发明的不同Data包大小及不同Interest包请求速率下的丢包率。

图5为本发明的偏置时间下不同Data包丢包率的情况。

图6为本发明的偏置时间下不同Interest包发送速率下丢包率。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种光命名数据网络中数据冲突解决方法，包括以下步骤：

步骤1、路由节点将到达的Interest包从光信号转化为电信号，处理电信号并查询内容存储表、待定兴趣表和转发信息库，将电信号转换为光信号从相应接口转发；

步骤1具体包括以下步骤：

步骤1.1、路由节点将到达的Interest包从光信号转换为电信号，之所以这样是因为将命名数据网络部署在基于波分复用的光传输层上，物理层传输使用光信号，命名数据网络工作在网络层，处理命名数据网络的网络信息需以电信号形式处理；

步骤1.2、路由节点查询内容存储表中是否含有该Interest包所请求的内容，若有，则丢弃Interest包并生成Response包，将Response包从Interest包到达的接口以光信号转发出去，再生成Data包，并进入步骤3，这样Response包和Data包沿着Interest包到达的路径可以将数据沿路返回至内容请求者。Response包包含了请求数据内容的数据内容名称、Data包长度以及偏置时间等信息，方便在路由节点中为Data包预留波长资源，Data包则主要包含请求的数据内容。若内容存储表中无该Interest包请求的数据内容，则查询待定兴趣表；

步骤1.3、若待定兴趣表中已经包含该Interest包请求的数据内容名称的相关待定兴趣表条目，且待定兴趣表条目中没有当前Interest包到达的接口信息，则将Interest包到达的接口信息添加至已经存在的待定兴趣表条目中；

若待定兴趣表中不包含该Interest包请求数据内容名称的相关的待定兴趣表条目，则根据请求的数据内容名称以及Interest包到达的接口信息生成新的待定兴趣表条目。

查询待定兴趣表之后根据转发信息库中请求的数据内容名称所对应的接口信息，将Interest包转换为光信号从相应的接口转发出去。转发信息库的转发信息库条目中包含请求内容名称所对应的接口信息，当有Response包到达路由节点时，转发信息库会将Response包到达的接口信息添加至Response包的内容数据名称对应的转发信息库条目中，若该转发信息库条目已包含Response包到达的接口信息则不用添加。

步骤2、路由节点将达到的Response包从光信号转换为电信号，处理电信号并向相应接口预留波长资源。预留失败则会抛弃该Response包，预留成功则路由节点将Response包转换为光信号并从待定兴趣表条目中Interest包到达的接口转发，并删除相关待定兴趣表条目中对应的接口信息；

步骤2具体包括以下步骤：

步骤2.1、路由节点将到达的Response包转化为电信号，同样因为在传输过程中Response包是以光信号传输，在节点进行处理时需要转换为电信号，根据Response包中的信息进行表查询以及波长资源的预留；

步骤2.2、查询待定兴趣表，

若待定兴趣表不包含Response包所对应的数据内容名称的待定兴趣表条目，则会抛弃该Response包。

若待定兴趣表含有所对应的待定兴趣表条目，则根据待定兴趣表条目中Interest包到达的接口信息，向相应的各个接口预留波长资源，同一时间可能不同接口到达的Interest包都请求同一数据内容，因此在待定兴趣表条目中一个数据内容名称可能存在几个Interest包到达的接口信息，需要向待定兴趣表条目中每个Interest包到达的接口都预留波长资源，具体为：

若相应Interest包到达的接口有可用波长资源，则路由节点将Response包转换为光信号，从查询的待定兴趣表条目的Interest包到达的接口中转发，并删除对应的待定兴趣表条目中该Interest包到达的接口信息；

若相应Interest包到达的接口没有可用波长资源则向Response包到达的接口返回相应的状态包，不删除待定兴趣表中波长资源预留失败对应的接口信息，此时因为Interest包到达的接口波长资源预留失败，需要向Response包到达的接口传输相应的状态包且沿Response包到达路径返回以告知内容发布者，方便内容发布者再次传输Response包以及Data包。

查询待定兴趣表之后查询转发信息库，若转发信息库中不含有Response包所对应的数据内容名称的转发信息库条目，则将数据内容名称以及Response包到达接口信息生成转发信息库条目加入转发信息库中。

步骤3、Data包将晚于Response包偏置时间由内容发布者发送进入光命名数据网络。路由节点收到Data包，不进行光电信号转换。若Response包未为该Data包预留波长资源，则Data会被抛弃。若预留波长资源且不与另一个Data包在接口发生冲突，Data包以光信号通过预留的波长资源的接口，若发生冲突核心路由节点抛弃晚到达的Data包。

步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、Data包到达路由节点后若无Response包为其预留的波长资源则被抛弃，若有Response包为其预留的波长资源，则前往Response包为其预留波长资源的接口。之所以Data包到达路由节点不进行光电转换，Data包较Response包以及Interest包大，多次光电转换会增加错位的可能，以及会增加Data包到达的时延；

步骤3.2、Data包到达Response包为其预留波长资源的接口时若无其他Data包正在使用该预留接口的波长资源，则当前Data包顺利通过接口发出，否则会被抛弃。其他Data包正在使用当前接口波长资源，抛弃当前的后到达的Data包可以保证正在进行传播的Data包顺利通过且不会增加正在传输的Data包的时延。

最后，对本发明方法进行可行性性能仿真分析。采用的仿真基于OMNeT++搭建ONDN仿真平台，网络中设置内容请求者Subscriber、内容发布者Publisher以及路由节点。其中Subscriber以每秒λ个的速率发送Interest包至ONDN网络中，Interest包至少有一个Publisher能够满足，Interest包发送服从泊松分布。单个波长信道带宽为2.5 GB/s，一根光纤可以复用多个波长信道。

I/R/D协议中Interest包、Response包和Data包在网络中传输过程以及仿真实验拓扑图见图1。Subscriber1发送Interest包经过网络节点至Publisher1，Interest包在网络节点传输经过光电转换。Publisher1对Interest包响应发送Response包沿原路返回至Subscriber1，Response包在网络节点中同样进行光电转换。Data包沿路返回至Subscriber1，在网络中保持全光信号传输。充分考虑基于WDM技术的光传输技术，对波长数量、偏置时间、Interest包请求速率及Data包大小等因素入手，综合分析了在可能发生信道竞争而冲突的情况下ONDN的性能。使用延时和丢包率来评估本发明方法的性能，其定义如下：

延时：内容发布者发出Data包到内容请求者接收到之间的延迟。

丢包率：测试中所丢失包数量占所发包的比率。

本发明方法通过仿真后证明过程是可行的，内容请求者发送Interest包至ONDN网络中，通过本方法网络节点可将Interest包转发至内容提供者并传回相应的Response包和Data包至内容请求者。在仿真中对比分析了不同复用波长数量、Data包大小、偏置时间和Interest包请求速率下网络丢包率。

本方法网络中不同大小的Data包受光纤复用波长数量变化的丢包率情况如图2所示。网络节点丢包率随着复用波长的数量增加呈指数级下降趋势。当波长数量为1时，网络丢包率因Data包大小而变化较大。复用波长数量增加后，Data包大小对丢包率的影响减小，网络更趋于稳定。波长数量为2、Data包大小为25MB时的网络丢包率比波长数量为1、Data包大小为5MB时的丢包率更低。网络条件有限时，增加一个复用波长数量比限制Data包大小更能降低网络的丢包率。故复用波长数量比Data包大小对丢包率的影响更大。

本方法网络中不同复用波长数量下不同发送Interest包速率时丢包率情况如图3所示。默认Data包大小为30MB，Subscriber发送Interest包速率从每秒100个增加到每秒200个。由图可见：波长数量不变时，丢包率随着Interest包发送速率增加而增大。Interest包发送速率不变时，丢包率随着波长数量增加而下降。记Publisher请求Interest包速率每秒100个且波长信道数量为1时为情景1；记请求Interest包速率每秒200个且波长数量为2时为情景2。情景1下单个Subscriber从网络希望得到Data包约3000 MB/s，光纤总带宽为2560 MB/s；情景2下单个Subscriber从网络希望得到的Data包约6000 MB/s，光纤总带宽为5120 MB/s，可见情景2下的丢包率要低于情景1下的丢包率。复用波长数量增加后，Data包发送到达速率变化对丢包率的影响减小，网络更趋于稳定。故波长数量比Interest包发送速率对丢包率的影响更大。

本方法网络中不同Data包大小及不同Interest包请求速率下的丢包率如图4所示。Data包大小相同时，丢包率随Interest包发送速率增加呈线性增加趋势。发送速率相同时，Data包每增大10 MB，丢包率并非呈现线性增加趋势。Data包大小为10 MB、Interest包以每秒200个发送时与Data包大小为20 MB，Interest包以每秒100个发送时，Subscriber从网络中获得数据量均约2000 MB/s，其他条件不变，丢包率相近。故丢包率随Subscriber单位时间从网络中获取Data包大小呈线性变化趋势。

本方法网络中偏置时间下不同Data包丢包率的情况如图5所示。丢包率随偏置时间的增大呈增加趋势。偏置时间增加，发送Response包与Data包之间时间间隔增大，节点为Data包预留的波长资源时间变晚，单位时间内波长资源占用概率上升，丢包率增大。偏置时间增加，Data包越大丢包率增加的越多，偏置时间为1 ms时，Data包丢包率接近。故尽量设置较小偏置时间来保证网络数据包丢包率，理想的情况下是Response包预留资源后，Data包紧跟着通过，减少因冲突被丢弃的概率。

本方法网络中偏置时间下不同Interest包发送速率下丢包率如图6所示。偏置时间小，Interest包发送速率对丢包率影响小；偏置时间增加，Interest包发送速率对丢包率影响增大；相同偏置时间，发送Interest包速度增加，Data包到达之前因冲突被丢弃的概率增加，丢包率增加。

如上所述，当路由节点接收到I/R/D协议中Interest包、Response包和Data包时，使用本方法可以实现对包的处理及转发；当网络节点发生冲突时，通过Response包预留资源以及丢弃包的方式解决冲突。本发明通过处理Response包进行波长预留以及发生冲突时抛弃晚到达的Data包解决数据冲突。仿真结果表明，本发明方法可以实现I/R/D协议中Interest包、Response包和Data包的转发处理并解决包在接口产生冲突的问题。

需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种光命名数据网络中数据冲突解决方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、路由节点将到达的Interest包从光信号转化为电信号，处理电信号并查询内容存储表，若内容存储表中含有该Interest包所请求的内容，则丢弃Interest包并生成Response包从Interest包到达的接口以光信号转发出去，生成Data包并进入步骤3，若内容存储表中不含有该Interest包所请求的数据内容，则查询待定兴趣表，并发送Interest包；

步骤2、路由节点将达到的Response包从光信号转换为电信号，处理电信号并向相应接口预留波长资源，预留失败则会抛弃该Response包，预留成功则路由节点将Response包转换为光信号并从待定兴趣表条目中Interest包到达的接口转发，并删除相关待定兴趣表条目中对应的接口信息；

步骤3、Data包将晚于Response包偏置时间由内容发布者发送进入光命名数据网络，路由节点收到Data包，不进行光电信号转换，若Response包未为该Data包预留波长资源，则Data会被抛弃，若预留波长资源且不与另一个Data包在接口发生冲突，Data包以光信号通过预留的波长资源的接口，若发生冲突核心路由节点抛弃晚到达的Data包，

所述Response包包括请求数据内容的数据内容名称、Data包长度以及偏置时间，

所述步骤1中查询待定兴趣表并发送Interest包包括以下步骤：

若待定兴趣表中已经包含该Interest包请求的数据内容名称的相关待定兴趣表条目，且待定兴趣表条目中没有当前Interest包到达的接口信息，则将Interest包到达的接口信息添加至已经存在的待定兴趣表条目中；

若待定兴趣表中不包含该Interest包请求数据内容名称的相关的待定兴趣表条目，则根据请求的数据内容名称以及Interest包到达的接口信息生成新的待定兴趣表条目，

查询待定兴趣表之后根据转发信息库中请求的数据内容名称所对应的接口信息，将Interest包转换为光信号从相应的接口转发出去，当有Response包到达路由节点时，转发信息库会将Response包到达的接口信息添加至Response包的内容数据名称对应的转发信息库条目中，若该转发信息库条目已包含Response包到达的接口信息则不用添加，

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、路由节点将到达的Response包转化为电信号；

步骤2.2、查询待定兴趣表，

若待定兴趣表不包含Response包所对应的数据内容名称的待定兴趣表条目，则会抛弃该Response包，

若待定兴趣表含有所对应的待定兴趣表条目，则根据待定兴趣表条目中Interest包到达的接口信息，向相应的各个接口预留波长资源，

若相应Interest包到达的接口有可用波长资源，则路由节点将Response包转换为光信号，从查询的待定兴趣表条目的Interest包到达的接口中转发，并删除对应的待定兴趣表条目中该Interest包到达的接口信息；

若相应Interest包到达的接口没有可用波长资源则向Response包到达的接口返回相应的状态包，不删除待定兴趣表中波长资源预留失败对应的接口信息，

查询待定兴趣表之后查询转发信息库，若转发信息库中不含有Response包所对应的数据内容名称的转发信息库条目，则将数据内容名称以及Response包到达接口信息生成转发信息库条目加入转发信息库中。

2.根据权利要求1所述的一种光命名数据网络中数据冲突解决方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、Data包到达路由节点后若无Response包为其预留的波长资源则被抛弃，若有Response包为其预留的波长资源，则前往Response包为其预留波长资源的接口；

步骤3.2、Data包到达Response包为其预留波长资源的接口时若无其他Data包正在使用该预留接口的波长资源，则当前Data包顺利通过接口发出，否则被抛弃。

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