CN116155822A - 一种基于兴趣包流量控制的单节点ndn拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法，属于计算机网络通信技术领域。本方法采用单节点独立控制方式，利用节点路由器的每个链路网口的接收兴趣包队列和发送队列，将过去上下游联合控制方式改变为节点路由器的网口内的独立控制。节点路由器时刻监控网口的发送队列的占用状况，当发送队列所占用的长度超过阈值时，通过调节本网口的接收兴趣包发送给节点路由器转发模块的速度，实现兴趣包流速的调节，间接实现了返程数据包速率的调节。本发明能够适用于高速NDN网络的应用，降低传输过程中数据包的丢失几率，并提高转发过程中数据包的传输效率，满足了充分利用链路带宽的通信需求。

Description

一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法，属于计算机网络通信技术领域。

背景技术

NDN(命名数据网络，Named Data Networking)是信息为中心的网络(Information-Centric Networking，ICN)最有前途的实例之一，它将互联网的通信架构从TCP/IP模型更改为基于名称的通信模型。由于NDN采用了接收端驱动、一兴趣拉取一数据等新特性，因此传输是无连接、多源和多径的。然而，传统的TCP拥塞控制机制不能应用于新形式的NDN网络体系结构中。

在NDN网络体系结构中，采用兴趣包拉取数据包的传输方式。因此，可以通过调节发送兴趣包的速率来控制返回数据包的速率，从而避免网络链路拥塞。

目前，NDN主要包括三类拥塞控制方法：

1.接收端驱动方案。该方案中，拥塞控制是通过在接收端控制兴趣包速率来实现的。接收端通常需要检测拥塞信息并调整兴趣包的发送速率。但是，目前检测拥塞信息通常采用计算RTT方式来实现。针对NDN网络架构的多源和多径传输特性，RTT难以反映多源和多径下的链路拥塞状况，导致现有方法要么忽略NDN中的多源特性，要么需付出高昂的代价来解决这个问题。

2.逐跳拥塞控制方案。该方案通过检测和控制每个中间节点的兴趣包发送速率来调节反向数据包速率，从而避免数据包传输链路拥塞。该方案不需要内容源或接收器位置，适应NDN的无会话和有状态转发平面特性。

3.接收端驱动与逐跳混合解决方案。该方案检测并控制接收端和中间路由器的拥塞信号，联合进行链路的拥塞控制。

在上述3种拥塞控制方案中，逐跳拥塞控制方案具有直接在拥塞链路上进行流量调节的优点，成为NDN拥塞控制的主流方法。该方法采用控制节点的兴趣包速率来实现返程数据包链路的流量控制，通过控制数据队列状况和假设已知或可预测的块大小来进行兴趣包速率调整。

一种典型的逐跳拥塞控制方案，是将节点路由器的兴趣包和数据包队列占用状况作为拥塞信号反馈发送到下游。若本节点的输出链路队列长度超过阈值，则通过显式拥塞通知方式向下游发送拥塞信号。下游节点路由器接收到拥塞信号后按照显式通知要求调节向上游发送兴趣包的速率，以期待降低兴趣包所拉回的数据包流量。反之增加兴趣包的发送速率来拉回更多的数据包，让链路带宽的利用率更高。目前，这种逐跳拥塞控制方法都是上下游联合进行拥塞控制，存在以下三个问题：

1.该方法需要在向下游发送拥塞标记，包括两种方式，一种是在数据包上做标记，一种是发送额外的拥塞通知包。在数据包上做标记需要进行拆解包的操作，并且还需要下游要监测和解译这些拥塞标记包，这就给上、下游节点的CPU带来了额外的处理负荷，严重时可能会降低节点路由器的性能。

2.通知下游进行拥塞控制的方法存在延迟，尤其是当存在突发流量时对拥塞控制不及时。

3.需要上下游节点路由器配合起来联合控制，这种方式若在出现拥塞控制信息在传输中丢失等情况，可能会造成拥塞控制失败，可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题和不足，为了解决命名数据网络数据传输中面临的链路拥塞的技术问题，基于NDN接收器驱动、一兴趣一数据特性，创造性地提出一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法。

本发明的创新点包括：提出了一种单节点独立控制方式，利用节点路由器的每个链路网口的接收兴趣包队列和发送队列，将过去上下游联合控制方式改变为节点路由器的网口内的独立控制。节点路由器时刻监控网口的发送队列的占用状况，当发送队列所占用的长度超过阈值时，通过调节本网口的接收兴趣包发送给节点路由器转发模块的速度，实现兴趣包流速的调节，间接实现了返程数据包速率的调节。本发明通过在一个节点路由器上即可完成逐跳拥塞控制，并避免了上下游联合进行拥塞控制时所造成的CPU负荷重、拥塞控制调节不及时和可靠性不高的技术问题。

本方法采用单节点独立控制方式，通过控制节点路由器网口的输入兴趣包的发送速率，从而间接控制数据包的输出速率，降低链路传输负荷，解决了NDN逐跳拥塞控制中需要上下游联合控制、调节控制不及时和占用CPU资源较高的问题。本发明通过单节点独立控制，快速响应拥塞状态，减少了本级路由CPU对ECN标志(显式拥塞通告，ExplicitCongestion Notification)的编码拆分，降低CPU的负荷。单节点拥塞控制方式避免了上下游联合控制时拥塞标记包传输过程丢失所造成的拥塞控制不及时问题，提高了拥塞控制的可靠性。针对网口链路的拥塞控制不受节点路由器其他端口或其他路由器的影响。进一步，本发明实现方法简洁，易于FPGA编程流水线实现，能够适用于高速NDN网络的应用。转发拥塞控制结构，从而解决NDN传输过程的拥塞控制问题，降低传输过程中数据包的丢失几率，并提高转发过程中数据包的传输效率，满足了充分利用链路带宽的通信需求。

本发明的技术方案包含以下部分：

节点路由器在每个网口构造两个队列结构，分别为：输入兴趣包队列、输出队列。输入兴趣包队列控制接收到的兴趣包的转发速率，输出队列中包含待输出的兴趣包和数据包，通过监测该输出队列的长度来产生拥塞信号。

具体地，输入兴趣包队列的操作包括：

首先，节点路由器通过查询匹配PIT表(Point In Time)条目有无相同名称前缀兴趣包，如果有则把该兴趣包的来源接口加入PIT表对应的接口列表中，并将该兴趣包丢弃。

然后，节点路由器将有效兴趣包存入对应接口的输入兴趣包队列，根据节点路由器的接口拥塞状态TH_i调节输入兴趣包队列中的兴趣包转发速率。

之后，节点路由器对输入兴趣包队列转发出的兴趣包进行操作，查询CS表有无相同名称前缀的数据包，若有则直接删除兴趣包并将CS表缓存的数据包直接进行转发，否则进行下一步操作。

最后，查询FIB表(Forward Information dataBase)，如果有对应名称前缀则转发兴趣包至对应接口的输出队列，并更新PIT表条目；若FIB表无对应内容条目，则将该兴趣包视作无效兴趣包并丢弃。

具体的，输出队列的操作包括：

节点路由器接收上游节点路由器所发送的某个名称前缀数据包，通过查询PIT表，无效数据包删除并将有效的数据包传送到PIT表中指定的下游接口的输出队列；

检测该接口的输出队列的长度，将其与半拥塞阈值λ_H、拥塞阈值λ_T进行比较，通过将输出队列的排队长度作为拥塞控制信号进行输出链路的拥塞信号标记。如果超过半拥塞阈值λ_H则降低该接口接收兴趣包队列输出到转发模块的速率，如果大于等于拥塞阈值λ_T则停止该接口输入兴趣包队列对兴趣包的转发,并同时向下游节点路由器发送含ECN标记的数据包，传递本链路的拥塞信息。

一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法，包括以下步骤：

步骤1：网络中的节点路由器分别对应每个数据转发接口构造的两个队列结构，包括输入兴趣包队列和输出队列。

其中，队列结构是一种特殊的线性表，只允许在表的前端进行删除操作，在表的后端进行插入操作。

输入兴趣包队列用以转发该数据转发接口输入的兴趣包。

输出队列用于输出通过该数据转发接口输出的兴趣包和数据包。

步骤2：节点路由器接收下游节点路由器发送的兴趣包。将兴趣包在PIT表中查找与当前名称匹配的记录，如果PIT表中有该名称前缀，则说明之前已经收到过相同的兴趣包，且已经转发，但没有获得返回结果，要把该兴趣包的来源接口加入PIT表对应的接口列表中，同时将该兴趣包丢弃；

当对应的数据包返回时，根据接口列表向对应接口发送数据包，并将该数据包存储在CS表中进行缓存。

步骤3：节点路由器接收下游节点路由器发送的兴趣包。如果PIT表中没有该名称前缀，则将兴趣包存入对应接口的输入兴趣包队列，并根据节点路由器当前接口的拥塞状态标志位TH_i，控制输入兴趣包队列中的兴趣包的转发速率，以此转发速率对输入兴趣包队列中的兴趣包进行转发。

具体地，步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：根据节点路由器当前接口的拥塞状态标志位TH_i，控制输入兴趣包队列中的兴趣包的转发速率进行兴趣包转发，其中TH_i表示该路由器第i个接口的拥塞状态标志位，其初始状态为TH_i＝0；

若TH_i＝0，则说明链路未拥塞，执行步骤3.1.1；

若TH_i＝1，则说明链路状态为半拥塞状态，执行步骤3.1.2；

若TH_i＝2，则说明链路状态为拥塞状态，执行步骤3.1.3；

步骤3.1.1：将该节点路由器第i个接口的输入兴趣包队列中的兴趣包以转发模块正常发送速率依次进行转发；

步骤3.1.2：将该节点路由器第i个接口的输入兴趣包队列中的兴趣包以

依次进行转发，V_s表示转发模块正常发送速率；

步骤3.1.3：停止将该节点路由器第i个接口的输入兴趣包队列中的兴趣包进行转发，同时通过兴趣包来源接口，在所发送的数据包中编码ECN标记，向下游节点路由器发送；

下游节点路由器接收到含ECN标记的数据包之后，将所接收到的接口的拥塞状态标志位置为TH_i＝2，停止该接口的输入兴趣包队列的兴趣包转发，并依次向下游节点路由器发送含ECN标记的数据包直至消费者。

步骤3.2：节点路由器对所进行转发的输入兴趣包队列中的兴趣包，查询CS表有无相同名称前缀的数据包，若有则直接将所匹配的数据包，放入兴趣包来源接口的输出队列，返回给发起请求的节点，否则继续查找FIB表；

步骤3.3：如果节点路由器的CS表中没有结果，则查询FIB表，如果在FIB表中发现有对应名称前缀，则说明该节点路由器第一次收到此兴趣包，这时根据FIB表的接口列表转发兴趣包至对应接口的输出队列，并在PIT表中增加新的条目；其中，FIB表的接口列表不包含兴趣包进来的接口；

步骤3.4：如果节点路由器的FIB表中没有结果，说明不存在相关的路由匹配，该节点路由器无法处理这个兴趣包，将其视为无效兴趣包并丢弃。

步骤4：节点路由器接收其余节点路由器所发送的数据包并进行处理。

具体地，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：节点路由器首先对CS表进行缓存匹配，如有对应数据包缓存，则删除所接收到的数据包。若CS表无缓存匹配，则在PIT表中进行查找。

步骤4.2：如果PIT表存在对应条目，则节点路由器将数据转发给该PIT表匹配条目中的所有接口的输出队列，并缓存数据包到CS表中；如果PIT表中没有匹配条目，则丢弃该数据包。

步骤5：节点路由器根据各接口输出队列状态控制拥塞状态标志位。

具体地，步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：每个输出队列设置一个拥塞阈值λ_T，0<λ_T<L_max和一个半拥塞阈值

0<λ_H<L_max，从而控制判断当前接口链路的拥塞状态，其中，L_max为输出队列的最大长度。可以设置

步骤5.2：节点路由器根据接口的输出队列中队列长度L_A反馈拥塞状态。

如果L_A<λ_H，则说明链路未拥塞，则置接口的拥塞状态标志位TH_i＝0；

若λ_H≤L_A<λ_T，说明链路状态为半拥塞状态，则置接口的拥塞状态标志位TH_i＝1；

若λ_T≤L_A，则说明链路状态为拥塞状态，则置接口的拥塞状态标志位TH_i＝2；

步骤6：路由器各接口输出队列通过转发模块，依次转发队列的兴趣包及数据包。

有益效果

本发明方法，与现有技术相比，具有以下优点：

1.本方法通过单节点进行流量控制，实现快速响应拥塞状态，避免上下游联合拥塞控制，减少ECN标记编解码响应时间，降低CPU负荷；

2.本方法不受其他路由器节点影响或者干扰，减少数据包丢包几率，提高转发可靠性，结构简洁易于实现；

3.本方法通过增加输出队列进行流量整形，便于调整到适合链路带宽的速率从而应对突发流量造成队列长度超过限制。

附图说明

图1为本发明方法中路由器收到兴趣包时的匹配执行流程图；

图2为本发明方法中路由器收到数据包时的匹配执行流程图；

图3为本发明实施例的路由器结构图；

图4为本发明方法实施例的网络拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明方法做进一步详细说明。

实施例

本实施例描述了基于控制兴趣包传输速率的，基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法在传输中的应用。

本实施例中，节点路由器对兴趣包与数据包的匹配执行流程如图1、图2所示，节点路由器结构如图3所示，网络拓扑及节点设置如图4所示。NDN节点命名格式为“Nodex(x＝1,2,3……)”，各节点均为路由器，节点路由器的接口编号已在图中标明。应用本发明拥塞策略控制方法的通信实施例如下：

步骤1：节点路由器分别对应每个数据转发接口构造两个队列结构，分别为：输入兴趣包队列以及输出队列。

步骤2：节点路由器Node1发送兴趣包，获取节点路由器Node6的Test数据，每个节点路由器接收其余下游节点路由器转发的Test兴趣包，并对PIT表匹配查询有无相同名称前缀的兴趣包。

如节点路由器Node2和Node4通过查询匹配PIT表条目有无相同名称前缀兴趣包，如果有则说明之前已经收到过相同的Test兴趣包，且已经转发但是没有获得返回结果，需要把该兴趣包的来源接口加入PIT表对应的接口列表中，同时将该兴趣包丢弃。

步骤3：节点路由器将所接收的无PIT表条目匹配的兴趣包存入对应接口的输入兴趣包队列。

如对于节点路由器Node1向接口1、2发送Test兴趣包，节点路由器Node2的接口1、Node4的接口1接收到兴趣包并对PIT表条目名称前缀匹配后无对应结果，将其存入对应接口的输入兴趣包队列，其余节点以此类推。

步骤4：节点路由器根据输入兴趣包队列中的兴趣包进行转发。

具体步骤如下：

步骤4.1：节点路由器Node2和Node4根据输入兴趣包队列中的兴趣包，根据拥塞状态标志位TH_i控制兴趣包转发，TH_i表示该路由器第i个接口的拥塞状态标志位，其初始状态为TH_i＝0。

若TH_i＝0，则说明链路未拥塞，兴趣包以链路正常发送速率依次进行转发；

若TH_i＝1，则说明链路状态为半拥塞状态，兴趣包以

依次进行转发，其中V_s表示链路正常发送速率；

若TH_i＝2，则说明链路状态为拥塞状态，停止兴趣包转发，并且在发送的数据包中编码ECN标记，向下游节点路由发送，接收到ECN标记的节点路由器置接收到该ECN标记的接口TH_i＝2，停止该接口的兴趣包转发并依次向下游节点路由发送含ECN标记的数据包直至Node1。

步骤4.2：节点路由器Node2和Node4查询CS表有无相同名称前缀的数据包，如果有，则直接将匹配的数据包返回给对应的兴趣包接收接口，如果没有，则继续进行查找；。

步骤4.3：节点路由器Node2和Node4在CS表中查询不到相应结果，则在FIB表中查找与当前名称匹配的记录，如果在FIB表中发现有对应名称前缀的条目，则说明该节点第一次收到该兴趣包，这时根据FIB表的接口列表(不包含兴趣包进来的接口)转发兴趣包，并在PIT表中增加新的条目，如果没有结果，则说明不存在相关的路由匹配，节点路由器Node2和Node4无法处理这个兴趣包，于是将其丢弃，其余节点以此类推。

步骤5：节点路由器接收其余节点路由器发送或转发的数据包，通过查询CS表是否有数据包缓存，并根据PIT表存入对应接口的输出队列。

如节点路由器Node2的接口2和Node4的接口2分别接收到转发自节点路由器Node6的Test数据包。首先在CS表中对Test数据包进行查找。如果CS表中存在相应的缓存，则丢弃该Test数据包；如果CS表中不存在，则在PIT表中进行查找。如果存在对应条目，则将Test数据包转发给该PIT表匹配条目中的所有接口的输出队列，并缓存Test数据包到CS表中。如果PIT表中没有匹配条目，则丢弃该数据包。

步骤6：根据输出队列的长度设置接口拥塞状态标志位，输出队列的最大长度为L_max，设置拥塞阈值

根据当前输出队列中队列长度L_i，如果L_i<λ_H，则说明链路未拥塞，置该数据包来源接口的拥塞状态标志位TH_i＝0；若λ_H≤L_i<λ_T，则说明链路状态为半拥塞状态，置TH_i＝1；若L_i≥λ_T，则说明链路状态为拥塞状态，置TH_i＝2；

如节点路由器Node5的接口1的输出队列半拥塞，则置Node5的接口1的拥塞状态标志位TH₁＝1，则将Node5的接口1的兴趣包通过转发模块以

依次进行转发到对应PIT表条目的接口；再如Node5的接口1的输出队列拥塞，则置Node5的接口1的拥塞状态标志位TH₁＝2，则将停止Node5的接口1输入兴趣包队列的转发，从而减缓数据包的获取速度，并将从而解除链路拥塞状态。其余节点以此类推。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：网络中的节点路由器分别对应每个数据转发接口构造的两个队列结构，包括输入兴趣包队列和输出队列；

其中，队列结构是一种特殊的线性表，只允许在表的前端进行删除操作，在表的后端进行插入操作；

输入兴趣包队列用以转发该数据转发接口输入的兴趣包；

输出队列用于输出通过该数据转发接口输出的兴趣包和数据包；

步骤2：节点路由器接收下游节点路由器发送的兴趣包；将兴趣包在PIT表中查找与当前名称匹配的记录，如果PIT表中有该名称前缀，则说明之前已经收到过相同的兴趣包，且已经转发，但没有获得返回结果，要把该兴趣包的来源接口加入PIT表对应的接口列表中，同时将该兴趣包丢弃；

当对应的数据包返回时，根据接口列表向对应接口发送数据包，并将该数据包存储在CS表中进行缓存；

步骤3：节点路由器接收下游节点路由器发送的兴趣包；如果PIT表中没有该名称前缀，则将兴趣包存入对应接口的输入兴趣包队列，并根据节点路由器当前接口的拥塞状态标志位TH_i，控制输入兴趣包队列中的兴趣包的转发速率，以此转发速率对输入兴趣包队列中的兴趣包进行转发；

步骤4：节点路由器接收其余节点路由器所发送的数据包并进行处理；

步骤5：节点路由器根据各接口输出队列状态控制拥塞状态标志位；

步骤6：路由器各接口输出队列通过转发模块，依次转发队列的兴趣包及数据包。

2.如权利要求1所述的一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：

步骤3.1：根据节点路由器当前接口的拥塞状态标志位TH_i，控制输入兴趣包队列中的兴趣包的转发速率进行兴趣包转发，其中TH_i表示该路由器第i个接口的拥塞状态标志位，其初始状态为TH_i＝0；

若TH_i＝0，则说明链路未拥塞，执行步骤3.1.1；

若TH_i＝1，则说明链路状态为半拥塞状态，执行步骤3.1.2；

若TH_i＝2，则说明链路状态为拥塞状态，执行步骤3.1.3；

步骤3.1.1：将该节点路由器第i个接口的输入兴趣包队列中的兴趣包以转发模块正常发送速率依次进行转发；

步骤3.1.2：将该节点路由器第i个接口的输入兴趣包队列中的兴趣包以

依次进行转发，V_S表示转发模块正常发送速率；

步骤3.1.3：停止将该节点路由器第i个接口的输入兴趣包队列中的兴趣包进行转发，同时通过兴趣包来源接口，在所发送的数据包中编码ECN标记，向下游节点路由器发送；

下游节点路由器接收到含ECN标记的数据包之后，将所接收到的接口的拥塞状态标志位置为TH_i＝2，停止该接口的输入兴趣包队列的兴趣包转发，并依次向下游节点路由器发送含ECN标记的数据包直至消费者；

步骤3.2：节点路由器对所进行转发的输入兴趣包队列中的兴趣包，查询CS表有无相同名称前缀的数据包，若有则直接将所匹配的数据包，放入兴趣包来源接口的输出队列，返回给发起请求的节点，否则继续查找FIB表；

步骤3.3：如果节点路由器的CS表中没有结果，则查询FIB表，如果在FIB表中发现有对应名称前缀，则说明该节点路由器第一次收到此兴趣包，这时根据FIB表的接口列表转发兴趣包至对应接口的输出队列，并在PIT表中增加新的条目；其中，FIB表的接口列表不包含兴趣包进来的接口；

步骤3.4：如果节点路由器的FIB表中没有结果，说明不存在相关的路由匹配，该节点路由器无法处理这个兴趣包，将其视为无效兴趣包并丢弃。

3.如权利要求1所述的一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：节点路由器首先对CS表进行缓存匹配，如有对应数据包缓存，则删除所接收到的数据包；若CS表无缓存匹配，则在PIT表中进行查找；

步骤4.2：如果PIT表存在对应条目，则节点路由器将数据转发给该PIT表匹配条目中的所有接口的输出队列，并缓存数据包到CS表中；如果PIT表中没有匹配条目，则丢弃该数据包。

4.如权利要求1所述的一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法，其特征在于，步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：每个输出队列设置一个拥塞阈值λ_T，0<λ_T<L_max和一个半拥塞阈值

0<λ_H<L_max，从而控制判断当前接口链路的拥塞状态，其中，L_max为输出队列的最大长度；

步骤5.2：节点路由器根据接口的输出队列中队列长度L_A反馈拥塞状态；

如果L_A<λ_H，则说明链路未拥塞，则置接口的拥塞状态标志位TH_i＝0；

若λ_H≤L_A<λ_T，说明链路状态为半拥塞状态，则置接口的拥塞状态标志位TH_i＝1；

若λ_T≤L_A，则说明链路状态为拥塞状态，则置接口的拥塞状态标志位TH_i＝2。

5.如权利要求4所述的一种基于兴趣包流量控制的单节点NDN拥塞控制方法，其特征在于，

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