CN116506354A - 一种ndn路由器及其主动式拥塞丢包恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种NDN路由器及其主动式拥塞丢包恢复方法，NDN路由器包括网络入口、与该网络入口接收到的数据包对应的多个网络出口，以及进行网络出口选择的转发核心，每一网络出口配备一主动式丢包恢复模块，所述主动式丢包恢复模块包括拥塞丢包检测与通知模块、重传存储模块、主动恢复模块和队列监测模块。本发明提供了准确的拥塞丢包检测机制，解决端上拥塞丢包检测不准确的问题，同时利用路由器出口状态监测和自适应主动重传在请求端触发超时之前恢复丢包，实现拥塞丢包的高效恢复。

Description

一种NDN路由器及其主动式拥塞丢包恢复方法

技术领域

本发明属于NDN网路通信技术领域，具体涉及一种NDN路由器及其主动式拥塞丢包恢复方法。

背景技术

随着互联网的迅速发展，当今互联网的核心服务模式从点对点通信转变为内容获取，因此命名数据网络（NDN，Named Data Networking）被提出，以提供一种以内容为核心的网络通信范式，能够有效地解决传统主机到主机通信网络与主流服务不匹配带来的冗余传输、移动性等问题。

即便作为一项新型的网络架构，与传统网络一样，NDN仍然存在着因传输错误或拥塞带来的丢包问题，并显著损害传输性能。传统网络对于此问题的常用解决方式为端上的基于计时器或传输序号的丢包检测及重传，但是基于计时器的方法在NDN中因数据往返时间不稳定而性能不佳，而基于传输序号的方法因NDN多源和多径导致天然失序而无法使用。与此同时，由于复杂转发流程和灵活转发平面的存在，NDN中在端上重传一个请求传输代价较高。

目前，对于NDN中传输错误丢包有较为可靠的网内逐跳检测-重传方案，但对拥塞丢包仅限于使用拥塞控制算法缓解，以及使用基于计时器方案做最差备份。当拥塞控制由于网络复杂失常或发生不可预测的突发传输时，基于计时器的备份方案性能较差，影响整体传输效率。

发明内容

为此，本发明提供一种NDN路由器，每一网络出口配备一主动式丢包恢复模块，能够及时检测数据包拥塞丢失情况并快速通知请求端，并通过主动式拥塞丢包恢复方法根据计算得到的可重传数据包数目主动重传相应数量的拥塞丢失包，实现决拥塞丢包的高效恢复。

本发明保护一种NDN路由器，包括网络入口、与该网络入口接收到的数据包对应的多个网络出口，以及进行网络出口选择的转发核心，每一网络出口配备一主动式丢包恢复模块，所述主动式丢包恢复模块包括拥塞丢包检测与通知模块、重传存储模块、主动恢复模块和队列监测模块；

所述队列监测模块，读取对应网络出口的当前发送队列长度qlen以及队列最大长度L _max ，供给所述拥塞丢包检测与通知模块和所述主动恢复模块调用；

所述拥塞丢包检测与通知模块，当数据包经转发核心输入时，若当前发送队列长度qlen超过丢包阈值L _loss ，则判定当前数据包是否为拥塞丢失包，并将其存入重传存储模块并通知请求端，否则直接经网络出口输入；

所述重传存储模块为不同于NDN缓存的独立存储空间，能且只能存储对应网络出口上检测到的拥塞丢失包；

所述主动恢复模块，每隔时间T对网络出口拥塞状态进行监测，若当前发送队列长度qlen超过拥塞阈值Th _c ，则判定网络出口当前处于拥塞状态，不进行重传，否则计算可重传数据包数目并估计剩余带宽，进行拥塞丢失包重传。

进一步的，所述重传存储模块绑定对应网络出口，其存储空间采用FIFO机制处理缓存的数据包，每个存储空间大小S=αL _max ，其中0＜α＜1。

进一步的，拥塞丢失包存入存储空间时，为每一个存储项开启定时器，若定时器超时，则该删除存储项。

本发明还保护一种NDN主动式拥塞丢包恢复方法，基于上述NDN路由器，包括以下步骤：

步骤1，数据包经转发核心发送至主动式丢包恢复模块，其中的拥塞丢包检测与通知模块判定该数据包是否为拥塞丢失包，若否则直接输出该数据包至网络出口，无需进行拥塞丢包恢复处理；

步骤2，当该数据包被判定为拥塞丢失包时，拥塞丢包检测与通知模块解析其包头，获取该拥塞丢失包的类型及其携带的名称；

若包类型为兴趣包，则仅缓存而不发送ELN通知；

若包类型为数据包，则先将数据包缓存，再构造一个与数据包名称相同的ELN通知，ELN通知以数据包为载体，包头中包含丢失通知标记，并通过拥塞丢失包同一网络出口发送，发送时ELN赋予高优先级的服务质量标记；

若包类型为其他，则直接丢弃，不做任何处理；

步骤3，主动恢复模块在定时监测网络出口拥塞状态的同时，进行可重传数据包数目计算和剩余带宽估计；

步骤4，当网络出口不拥塞时，主动恢复模块从重传存储模块获取剩余超时时间较少的前R个有效存储项进行重传，其中R为可重传数据包数目。

进一步的，步骤3具体操作为，获取当前发送队列长度qlen _cur 、时间T之前的发送队列长度qlen _last ，以及当前网络出口总计发送包数目sndN _cur 、时间T之间的网络出口总计发送包数目sndN _last ；

当qlen _cur 与qlen _last 不同时为0时，可重传数据包数目，更新网络出口剩余带宽N _bw = sndN _cur －sndN _last ＋qlen _last －qlen _cur ；

当qlen _cur 与qlen _last 均为0时，可重传数据包数目，不更新网络出口剩余带宽N _bw ；

当重传存储模块非空且R＞1时，重传个有效存储项，随后更新qlen _last =qlen _cur 、qlen _cur =qlen _cur ＋/>、sndN _last =sndN _cur 、sndN _cur =sndN _cur ＋/>、R = R－/>。

本发明还保护一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所

述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现上述NDN主动式拥塞丢包恢复方法。；以及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现上述NDN主动式拥塞丢包恢复方法的各个步骤。

本发明在NDN路由器的转发核心与网络出口之间配置主动式丢包恢复模块，能够在网络出口发送队列剩余空间不足时，及时作出应对措施，即将当前数据包存储到重传存储模块，并在网络出口发送队列有空间时，根据计算得到的可重传数据包数目进行拥塞丢失包的重传，并更新网络出口的剩余带宽。本发明提供了准确的拥塞丢包检测机制，解决端上拥塞丢包检测不准确的问题，同时利用路由器出口状态监测和自适应主动重传在请求端触发超时之前恢复丢包，实现拥塞丢包的高效恢复。

附图说明

图1为NDN路由器内部功能模块示意图；

图2为传统NDN数据包处理流程示意图；

图3为针对ELN通知的NDN数据包处理流程示意图；

图4为可重传数据包数目计算及剩余带宽估计流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

实施例1

一种NDN路由器，如图1所示，包括网络入口1、与该网络入口接收到的数据包对应的网络出口1和网络出口2，以及进行网络出口选择的转发核心。

每一网络出口配备一主动式丢包恢复模块，图1对网络出口1的主动式丢包恢复模块进行展开。所述主动式丢包恢复模块包括拥塞丢包检测与通知模块、重传存储模块、主动恢复模块和队列监测模块。

所述队列监测模块，读取对应网络出口的当前发送队列长度qlen以及队列最大长度L _max ，供给所述拥塞丢包检测与通知模块和所述主动恢复模块调用。

所述拥塞丢包检测与通知模块，当数据包经转发核心输入时，若当前发送队列长度qlen超过丢包阈值L _loss ，则判定当前数据包是否为拥塞丢失包，并将其存入重传存储模块并通知请求端，否则直接经网络出口输入。

本实施例中，丢包阈值L _loss ＝τ L _max ，其中τ≥0.95。当qlen＜L _loss 时，发送队列空间充足，执行正常发送流程；当qlen≥L _loss 时，发送队列剩余空间不足，可能由于其他应用并发使用当前网络出口而使得发送队列溢出导致当次发送失败，因此认为当前数据包将会因为拥塞而被丢弃，故而将其存入重传存储模块，便于进行后续重传。

本实施例中，通过显式丢失通知ELN向请求端通报，但针对不同类型的数据包给予不同的处理方式。若包类型为兴趣包，则仅缓存而不发送ELN通知；若包类型为数据包，则先将数据包缓存，再构造一个与数据包名称相同的ELN通知，ELN通知以数据包为载体，包头中包含丢失通知标记，并通过拥塞丢失包同一网络出口发送，发送时ELN赋予高优先级的服务质量标记；若包类型为其他，则直接丢弃，不做任何处理。拥塞丢失包的类型及其携带的名称由拥塞丢包检测与通知模块解析其包头获取。

ELN通知使用数据包为载体，但拥有特殊标记（即丢失通知标记），同时不携带任何载荷。为了与一般数据包转发进行区分，本实施例设计不同的数据包处理流程。图2为传统NDN数据包转发流程，数据包在进入NDN网络栈后首先判断是否匹配某一个未决兴趣表项，若匹配则向该表项记录的所有来源接口发送一份数据包副本，然后将其缓存并删除未决兴趣表项。图3为本实施例针对拥塞丢包ELN通知设计的处理流程，向所有来源接口发送一份数据副本后，增加一步是否存在丢失通知标记的判断，若无则保持原本的数据包转发流程，若有则跳过后续转发流程直接结束。按照图3所示的转发流程，ELN通知将与拥塞丢失的同名数据包一样返回到请求端进而达到通知请求端的目的。

ELN无载荷且有优先发送需求，当其由网络层发出的时候，会向其分配最高优先级的QoS标签，由下层的QoS机制支持以使其尽可能快速、无丢失到达。

所述重传存储模块为不同于NDN缓存的独立存储空间，能且只能存储对应网络出口上检测到的拥塞丢失包。为减少不必要的资源占用，同时避免短时间内产生大量的高优先级ELN抢占网络出口，重传存储模块的每个存储空间大小限制为S=αL _max ，其中0＜α＜1。

重传存储模块中的每一个存储项为完整的NDN包，每个有效存储项绑定一个在存储建立时启动的定时器，当定时器超时，该存储项失效被删除。对于不同类型的NDN数据包，可以分配不同超时时间以区分其重要程度。

所述重传存储模块其存储空间采用FIFO机制处理缓存的数据包，在实现方式上，当主动恢复模块从重传存储模块获取有效存储项时，返回剩余超时时间最短的有效存储项即可。

所述主动恢复模块，每隔时间T对网络出口拥塞状态进行监测，若当前发送队列长度qlen超过设定拥塞阈值Th _c ，则判定网络出口当前处于拥塞状态，不进行重传，否则计算可重传数据包数目并估计剩余带宽，进行拥塞丢失包重传。

出口拥塞状态监测是拥塞丢包恢复成功的重要组成，只有网络接口发送队列有足够空间时，才可以保证拥塞丢失包的重传不受影响。本实施例中，拥塞阈值Th _c =λL _max ，其中0＜λ＜τ。当qlen＞Th _c 时，认为对应网络出口当前处于高度拥塞状态，会影响网络参数计算的准确性且不适合进行重传，因此暂停重传以及剩余带宽估计；当qlen≤Th _c 时，则计算可重传数据包数目并估计剩余带宽，进行重传操作。

为了保证存放在重传存储模块中的拥塞丢失包的恢复效率，重传时还需要控制重传数据包数目，以避免重传导致本不拥塞的网络出口发送队列迅速增长而拥塞。本实施例与出口拥塞状态监测同步进行持续性可重传数据包数目计算和剩余带宽估计。

可重传数据包数目计算和剩余带宽估计的具体操作（参照图4所示）：

获取当前发送队列长度qlen _cur 、时间T之前的发送队列长度qlen _last ，以及当前网络出口总计发送包数目sndN _cur 、时间T之间的网络出口总计发送包数目sndN _last ；

当qlen _cur 与qlen _last 不同时为0时，可重传数据包数目，更新网络出口剩余带宽N _bw = sndN _cur －sndN _last ＋qlen _last －qlen _cur ；

当qlen _cur 与qlen _last 均为0时，可重传数据包数目，不更新网络出口剩余带宽N _bw ；

当重传存储模块非空且R＞1时，重传个有效存储项，随后更新qlen _last =qlen _cur 、qlen _cur =qlen _cur ＋/>、sndN _last =sndN _cur 、sndN _cur =sndN _cur ＋/>、R = R－/>。

以上是从NDN路由器的角度，对其不同模块的功能及实现进行阐述。下面处理流程的角度，对整个NDN主动式拥塞丢包恢复方法进行梳理。

1、数据包经转发核心发送至主动式丢包恢复模块，其中的拥塞丢包检测与通知模块判定该数据包是否为拥塞丢失包，若否则直接输出该数据包至网络出口，无需进行拥塞丢包恢复处理；

2、当该数据包被判定为拥塞丢失包时，拥塞丢包检测与通知模块解析其包头，获取该拥塞丢失包的类型及其携带的名称；

若包类型为兴趣包，则仅缓存而不发送ELN通知；

若包类型为数据包，则先将数据包缓存，再构造一个与数据包名称相同的ELN通知，ELN通知以数据包为载体，包头中包含丢失通知标记，并通过拥塞丢失包同一网络出口发送，发送时ELN赋予高优先级的服务质量标记；

若包类型为其他，则直接丢弃，不做任何处理；

3、主动恢复模块在定时监测网络出口拥塞状态的同时，进行可重传数据包数目计算和剩余带宽估计；

4、当网络出口不拥塞时，主动恢复模块从重传存储模块获取剩余超时时间较少的前R个有效存储项进行重传，其中R为可重传数据包数目。

实施例2

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现实施例1所述的NDN主动式拥塞丢包恢复方法。

实施例3

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现实施例1所述的NDN主动式拥塞丢包恢复方法的各个步骤。

显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种NDN路由器，包括网络入口、与该网络入口接收到的数据包对应的多个网络出口，以及进行网络出口选择的转发核心，其特征在于，每一网络出口配备一主动式丢包恢复模块，所述主动式丢包恢复模块包括拥塞丢包检测与通知模块、重传存储模块、主动恢复模块和队列监测模块；

所述队列监测模块，读取对应网络出口的当前发送队列长度qlen以及队列最大长度L _max ，供给所述拥塞丢包检测与通知模块和所述主动恢复模块调用；

所述拥塞丢包检测与通知模块，当数据包经转发核心输入时，若当前发送队列长度qlen超过丢包阈值L _loss ，则判定当前数据包是否为拥塞丢失包，并将其存入重传存储模块并通知请求端，否则直接经网络出口输入；

所述重传存储模块为不同于NDN缓存的独立存储空间，能且只能存储对应网络出口上检测到的拥塞丢失包；

所述主动恢复模块，每隔时间T对网络出口拥塞状态进行监测，若当前发送队列长度qlen超过拥塞阈值Th _c ，则判定网络出口当前处于拥塞状态，不进行重传，否则计算可重传数据包数目并估计剩余带宽，进行拥塞丢失包重传。

2.根据权利要求1所述的NDN路由器，其特征在于，所述重传存储模块绑定对应网络出口，其存储空间采用FIFO机制处理缓存的数据包，每个存储空间大小S=αL _max ，其中0＜α＜1。

3.根据权利要求2所述的NDN路由器，其特征在于，拥塞丢失包存入存储空间时，为每一个存储项开启定时器，若定时器超时，则该删除存储项。

4.一种NDN主动式拥塞丢包恢复方法，其特征在于，基于权利要求3所述的NDN路由器，包括以下步骤：

步骤1，数据包经转发核心发送至主动式丢包恢复模块，其中的拥塞丢包检测与通知模块判定该数据包是否为拥塞丢失包，若否则直接输出该数据包至网络出口，无需进行拥塞丢包恢复处理；

步骤2，当该数据包被判定为拥塞丢失包时，拥塞丢包检测与通知模块解析其包头，获取该拥塞丢失包的类型及其携带的名称；

若包类型为兴趣包，则仅缓存而不发送ELN通知；

若包类型为数据包，则先将数据包缓存，再构造一个与数据包名称相同的ELN通知，ELN通知以数据包为载体，包头中包含丢失通知标记，并通过拥塞丢失包同一网络出口发送，发送时ELN赋予高优先级的服务质量标记；

若包类型为其他，则直接丢弃，不做任何处理；

步骤3，主动恢复模块在定时监测网络出口拥塞状态的同时，进行可重传数据包数目计算和剩余带宽估计；

步骤4，当网络出口不拥塞时，主动恢复模块从重传存储模块获取剩余超时时间较少的前R个有效存储项进行重传，其中R为可重传数据包数目。

5.根据权利要求4所述的NDN主动式拥塞丢包恢复方法，其特征在于，步骤3具体操作为，获取当前发送队列长度qlen _cur 、时间T之前的发送队列长度qlen _last ，以及当前网络出口总计发送包数目sndN _cur 、时间T之间的网络出口总计发送包数目sndN _last ；

当qlen _cur 与qlen _last 不同时为0时，可重传数据包数目，更新网络出口剩余带宽N _bw = sndN _cur －sndN _last ＋qlen _last －qlen _cur ；

当qlen _cur 与qlen _last 均为0时，可重传数据包数目，不更新网络出口剩余带宽N _bw ；

当重传存储模块非空且R＞1时，重传个有效存储项，随后更新qlen _last =qlen _cur 、qlen _cur =qlen _cur ＋/>、sndN _last =sndN _cur 、sndN _cur =sndN _cur ＋/>、R = R－/>。

6.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求4或5所述的NDN主动式拥塞丢包恢复方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求4或5所述的NDN主动式拥塞丢包恢复方法的各个步骤。