CN103023768A

CN103023768A - 边缘路由节点以及其从多源预取内容的方法

Info

Publication number: CN103023768A
Application number: CN2013100118155A
Authority: CN
Inventors: 林涛; 周旭; 范鹏飞; 王博; 付通敏; 刘银龙
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: CN103023768B

Abstract

本发明涉及一种内容中心网络的边缘路由节点从多源预取内容的方法以及边缘路由节点。方法包括：判断数据包是否为首次到达；若是，查询本节点是否缓存有对应内容；若无，则根据预取策略判断所述内容是否满足启动多源预取的条件，若满足，进行多源预取。所述多源预取具体为：查询哪些路由节点缓存有所述内容，所述边缘路由节点从内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取所述内容的不同分块。本发明基于内容大小启动多源预取，基于链路可用带宽设定多源并行预取比例，新增路由routes字段实现指定路由路径，提高了网络资源利用效率、改善了内容的分发与获取效率。

Description

边缘路由节点以及其从多源预取内容的方法

技术领域

本发明涉及一种内容中心网络的内容获取领域，尤其涉及一种边缘路由节点以及其从多源预取内容的方法。

背景技术

目前互联网技术与应用飞速发展，宽带化、内容化已经成为互联网发展的主旋律。据预测，IP流量将以年复合增长率34%的速度增长，到2015年全球的IP流量将达到每个月80.5EB。同时，2015年互联网上所有内容相关的流量将占据超过97.5%的份额。目前解决未来互联网中大规模内容分发的需求的方案主要包括P2P(Peer-to-peer，对等节点之间)技术、内容缓存技术、内容分发CDN技术及内容中心网络CCN技术等。

对于内容缓存技术，存在一种预取策略来缓存用户尚未请求的内容，其通过分析过去用户对内容的访问情况，计算用户对内容的访问模式，预测用户未来操作，预取用户可能访问的内容。而CDN技术通过在现有的互联网中增加一层新的网络架构，将内容发布到最接近用户的网络边缘，使用户能够就近取得所需的内容，提高用户访问的响应速度。

L.Zhang等人在文章（"Named Data Networking(NDN)Project",PARCTechnical Report NDN-0001,October2010）中提出了CCN(Content-CentricNetwork,内容中心网络)的架构以改善网络中内容的分发与获取效率。CCN完全抛弃了IP网络用IP地址为每个主机命名的方式，而是对内容进行命名。在CCN网络中，每个文件被拆分成若干个大小固定的块(Chunk)，每个块被分配一个固定的名字，如：ccnx://hpnl.ioa.ac.cn/video/filename/_chunknum/_version。CCN中有两种数据包，Interest（兴趣）包与Data（数据）包。Interest包中包含内容名与其它相关信息，例如内容的版本、访问权限等。而Data包中包含内容名、对应于该内容名的内容数据及其它相关信息。Interest包与Data包一一对应。CCN网络中处理内容数据包的路由器与传统路由器不同：CCN路由器具有用于将内容缓存在本地CS（Content Store，内容缓存）中的缓存功能，它按照一定的策略对经过它的Data包进行缓存，另外，CCN路由器对Interest包按照名字进行路由（其FIB（Forwarding Information Base，转发信息库）表保存有内容名字与接口的对应信息），对Data包按照Interest包相反的路径传送（PIT（Pending Interest Table，未决兴趣表）表中保存有此Interest的状态信息）。终端用户发出Interest包，CCN路由器根据名字对此Interest包进行路由，如果在某个路由器节点上的缓存中有此内容，则直接返回相应Data包，如果沿途路由器上都没有此内容，则此Interest最终被转发到该网络的内容源服务器上，所述内容源服务器也可以称为中心服务器，所述内容源服务器根据所述Interest包返回内容，沿途路径上的路由器则会对此内容进行缓存，如果路由器再次收到此Interest，则可以直接返回Data。

采用P2P技术进行内容分发，用户可以同时从多个对等节点处获取数据。但是，由于P2P技术采用overlay（覆盖网络）的结构根据用户之间的逻辑连接进行组网，而不考虑网络的物理拓扑，存在弊端。例如，节点之间采用抢占/独占网络资源的方式进行数据交互，网络带宽复用效率低下。另外，P2P网络中经常出现网络距离很远的节点之间进行数据交互的情况，传输耗时较大，而且容易造成流量混乱。

缓存技术和CDN技术都把内容放在靠近用户的地方来提高下载速度，在一定程度上优化了流量。但是，由于工作在应用层，针对特定的应用、特定的网站进行的优化，数据报文传送效率整体上不高。另外，缓存***中的内容预取策略是根据用户的历史访问情况预测访问模型，进而判断用户可能访问的文件并进行预取。由于用户行为复杂多变，预取策略很难对用户下一步行为作出准确判断，这种预取策略效果有限。

CCN网络直接采用内容为中心的架构，对内容进行路由，保证了内容报文在网络中的高效传输。然而，由于高速转发设备所依赖的查找存储器昂贵且功耗高，支持的路由表容量有限，无法进行细粒度的内容调度，而各边缘节点缓存的内容往往比较分散，很难被其它边缘节点所利用。另外，CCN网络中以内容为中心转发数据包，同一内容的interest包往往只能沿着一条路径传输，用户很难从多个数据源同时下载文件，效率不高。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供一种边缘路由节点以及其从多源预取内容的方法。

在第一方面，本发明实施例提供了一种内容中心网络的边缘路由节点从多源预取内容的方法，所述方法包括：所述边缘路由节点收到interest数据包请求时，判断所述interest数据包是否为第一次到达本边缘路由器；在判断结果为是时，查询本边缘路由器节点是否缓存有与所述interest数据包中内容名对应的内容；如果查询结果为无，则根据预取策略判断所述内容是否满足启动多源预取的条件，在判断结果为满足时，进行多源预取，所述多源预取具体为：所述边缘路由节点查询所述内容中心网络中哪些路由节点缓存有所述内容，所述边缘路由节点从内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取所述内容的不同分块。

优选地，所述预取策略包括：根据所述内容的类型衡量所述内容的大小，只有在衡量结果为比较大时才启动多源预取。

优选地，所述预取策略还包括：如果所述内容的类型为音频、视频或者软件，则所述内容的大小衡量结果为比较大。

优选地，所述边缘路由节点查询所述内容中心网络中哪些路由节点缓存有所述内容，具体为：所述边缘路由节点根据内容定位机制查询所述内容中心网络中哪些路由节点缓存有所述内容。

优选地，所述边缘路由节点从内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取所述内容的不同分块，具体为：所述边缘路由节点根据其与内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点的网络空闲带宽分配从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点获取所述内容的不同比例，并依据所述不同比例从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取对应于所述不同比例的所述内容的不同分块。

优选地，所述边缘路由节点依据所述不同比例从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取对应于所述不同比例的所述内容的不同分块，具体为：所述边缘路由节点将对应于所述不同比例的所述内容的不同分块的interest数据包分别发送给所述内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点，所述的interest数据包包含路由routes字段，该路由routes字段指定了返回所述不同分块的路由路径。

在第二方面，本发明实施例提供一种用于实现所述第一方面提供的所述方法的边缘路由节点，所述边缘路由节点包括：首次到达判断模块，用于所述边缘路由节点收到interest数据包请求时，判断所述interest数据包是否为第一次到达本边缘路由器；本地内容查询模块，用于在判断结果为是时，查询本边缘路由器节点是否缓存有与所述interest数据包中内容名对应的内容；多源预取模块，用于如果查询结果为无，则根据预取策略判断所述内容是否满足启动多源预取的条件，在判断结果为满足时，进行多源预取，所述多源预取具体为：所述边缘路由节点查询所述内容中心网络中哪些路由节点缓存有所述内容，所述边缘路由节点从内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取所述内容的不同分块。

本发明实施例结合P2P、缓存、CDN、CCN的优点，设计了一种内容交换网络中边缘路由节点以及其从多源预取内容的方法，基于内容大小的预判启动多源预取策略，基于网络链路的带宽设定多源并行预取的比例，在interest数据包中新增路由routes字段指定路由路径，有效地提高了网络资源的利用效率、改善了网络中内容的分发与获取效率。

附图说明

下面将参照附图对本发明的具体实施方案进行更详细的说明，据此本发明的优点将更加凸显。在附图中：

图1为本发明实施例的内容中心网络CCN示意图；

图2为本发明实施例的边缘路由节点从多源预取内容的流程示意图；

图3为本发明实施例的interest数据包转发流程示意图；

图4为本发明实施例的多源预取场景示意图；

图5是本发明实施例性能验证的启动多源预取前后用户下载内容速度之对比示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

为了解决现有方案的缺陷，本发明结合P2P、缓存、CDN、CCN等技术的优点，设计了一种内容交换网络中边缘路由节点多源预取内容的方法，实现CCN网络中边缘路由节点从多源预取内容，从而加快数据分发的效率，提升用户体验。通过多源预取，加速内容在网络中的分发效率。所述多源中的源指CCN网络中的内容源服务器或者所有的路由节点。

下面对本发明实施例进行更加详细的说明，以便本领域人员更好地了解其原理以及实施细节。

具体地，首先结合CCN网络架构从总体上描述边缘路由节点多源预取文件的过程，然后详细介绍该过程所涉及到的细节问题，如多源预取策略，内容定位机制及多源路由的实现等。

总体流程

CCN网络的结构如图1所示，网络中的路由节点同时具有缓存和路由的功能。用户通过发送interest数据包请求所需要的内容，各路由节点从本地缓存节点或其它路由节点获取interest请求对应的数据，返回Data应答包。

本发明实现了边缘路由节点从多源预取内容，为用户下载文件提供加速。整个过程的流程如图2所示。当边缘路由节点收到用户发起的interest数据包请求，该节点首先对该interest数据包进行分析，判定是否为请求文件/内容的第一个interest数据包，如果是第一个interest数据包，则查询本节点是否缓存了用户所请求的文件/内容，如果该节点缓存有用户所请求的内容，该节点根据CCN协议处理收到的interest数据包。否则，该节点根据预取策略决定是否对该文件启用多源预取。如果该文件满足多源预取的条件，边缘路由节点首先查找网络中哪些节点缓存有该文件/内容，然后从默认路径及这些缓存了该文件/内容的节点同时获取文件的不同分块。否则，直接从默认路径获取该文件。这里的默认路径是由CCN路由协议所确定的获取文件/内容的路径。

多源预取策略

互联网中的内容/文件在尺寸、类型等方面存在很大的差异，多源预取可以提高获取内容的速度，但是在进行资源定位和与其它路由节点建立连接的过程也会耗费一定的开销，对于尺寸较小的文件，多源获取所耗费的开销可能会大于多源预取带来的获取内容速度的提升，本发明仅对尺寸较大的文件启用多源预取。

在CCN网络中，Interest数据包中包含了与文件相关的信息，如文件名、类型等，但在获取到文件相关的数据前并不能确定文件的大小。本发明根据文件类型衡量文件的大小，然后决定是否启用并行预取。一般情况下，音频、视频、软件等内容的尺寸比较大，在多源预取策略中，我们首先定义哪些类型的内容需要预取，当收到用户的第一个Interest数据包，路由节点解析用户所请求的文件的类型，并与预先定义的需要预取的文件类型进行比对，如果该文件的类型在预取类型列表中，则通过内容定位机制，查找网络中拥有该文件的其它路由节点。同时从默认路径（即本节点通向内容源服务器的路径）及这些网络节点中获取相应数据。

在CCN网络中，文件被拆分成若干个大小固定的块(Chunk)进行传输。在进行多源预取时，本发明采用根据链路状况从不同源获取文件的不同块的机制。例如，图1中用户所请求的文件f同时存储在内容源服务器和路由节点F，当用户请求文件f时，路由节点A可以同时从这两个数据源获取文件f，在本发明的预取机制下，路由节点A将从内容源服务器获取文件f的前一部分数据，同时从网络节点F预取文件的剩余部分的数据。从各数据源获取数据的比例根据网络节点间的链路状况来确定。假设路由节点A到内容源服务器的带宽为BW0，到路由节点F的带宽为BW1。那么，从路由节点F预取文件的比例为：

{Ratio}_{F} = α \cdot \frac{B W_{1}}{B W_{0} + B W_{1}}

其中，α为预取余量，可以取(0,1)之间的数。路由节点A将从内容源服务器下载文件[0,RatioF]部分所对应的数据块，从路由节点F下载文件[1-RatioF,1]部分所对应的块。理想情况下，当路由节点A从内容源服务器下载完文件的前一部分分片后，从路由节点F处预取的文件的后一部分分片也刚好下载完成。这样，用户在下载到文件的后一部分分片时就可以直接从本地路由节点获取，由于边缘节点离用户比较近，可以保证较大的下载速度。

内容定位机制

在进行内容定位时，可以采用集中式或分布式两种方式实现。采用集中式实现时，各路由节点主动将本地缓存内容的信息上报给内容定位***(content locate system，CLS)，所述CLS位于CCN网络的内容源服务器中，用于管理网络中各路由节点所缓存内容的信息。当某个路由节点需要进行多源预取时，只需要往CLS发出查询请求，CLS即可返回拥有所请求文件的路由节点的位置。采用分布式实现内容定位时，路由节点采用局部泛洪的方式，向附近路由节点发出查询请求，各路由节点查询本地缓存的内容并回答是否缓存有所请求的文件。在具体实现时可以根据需要选取一种方式实现内容定位。

多源路由

在内容中心网络中，各路由节点根据内容名称进行数据包的路由，而不关注数据包被发往哪一个路由节点。而在多源预取时，我们需要将预取文件的interest数据包发往指定的路由节点，为了实现这一功能，本发明修改了Interest数据包头，在其中加入routes字段，该字段标示了数据包的路由路径。在集中式内容定位方式下，routes中的路由路径由CLS根据网络拓扑生成。在分布式内容定位方式下，routes中的路由路径由发出内容定位查询请求的路由节点根据应答数据包的转发路径信息确定。

参见图3，当路由节点收到一个Interest数据包，如果本地没有缓存该数据包对应的数据，且interest包所对应的内容在PIT（未决兴趣表，位于边缘节点内）表中也没有匹配到，该节点将查看数据包头中是否有routes字段，如果有，则根据routes的指示将数据包转发到对应face（面板）口，否则，根据内容名称查询FIB（转发信息库，位于边缘节点内）表进行路由转发。具体过程如图3所示。

性能的实验验证

为了验证本方案的具体效果，我们对CCNx项目进行修改，搭建了验证环境。验证环境的拓扑图如图4所示。假设从用户到路由节点A的可用带宽为100Mbps，从路由节点A到路由节点B的可用带宽为20Mbps，从路由节点A到路由节点F的可用带宽为25Mbps，设置参数预取余量α为0.8。

为了验证多源预取的效果，我们预先通过用户2下载文件f，从而使文件f被缓存在网络节点B、C、F，然后通过用户1下载文件f。我们分别测试了启用多源预取策略前后，用户1下载文件f的速度，实验结果如图5所示。从图中可以看出，不启用缓存预取时，用户1下载文件的速度一直维持在18Mbps左右，下载文件f所耗费的时间为30s。启用缓存预取后，在开始的时候，用户1的下载速度维持在18Mbps左右，一段时间后，用户1的下载速度上升到接近75Mbps，下载文件f所耗费的总时间仅为18s。采用本发明的缓存策略，网络节点A不但可以通过默认路径从缓存节点B获取文件f，同时可以从网络节点F预取文件f，最终提升了用户获取文件的效率。

综上，可见本发明的关键点和优点如下：内容中心网络中边缘路由节点通过多源预取策略，提前将用户请求的文件的一部分下载到本地，用户可以直接从边缘节点获取到内容，提高了用户下载文件的速度；内容中心网络中通过增加routes字段实现了指定路由节点间数据包路由；内容中心网络中多源预取策略根据文件大小决定是否进行预取，保证了多源预取的使用效率；预取策略在用户发起对内容/文件的第一个interest请求之后才启动，即预取内容/文件的其余部分，相对于根据用户请求模型预取整个文件的方式，所预取的内容/文件数据被用户请求的概率更大，提高了效率；内容中心网络中多源预取策略根据链路状况，在进行多源预取时根据链路状况确定从各数据源预取内容的比例，基于该比例从不同节点获取文件的不同块，合理利用网络带宽，同样提高了效率。

本领域技术人员应该进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例模块/***/单元/装置及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。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。本领域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申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法步骤可以用硬件、处理器执行的软件单元，或者二者的结合来实施。软件单元可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

需要指出的是，以上仅为本发明较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，具有专业知识基础的技术人员可以由以上实施实例实现本发明，因此凡是根据本发明的精神和原则之内所做的任何的变化、修改与改进，都被本发明的专利范围所覆盖。即，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种内容中心网络的边缘路由节点从多源预取内容的方法，其特征在于，所述方法包括：

所述边缘路由节点收到interest数据包请求时，判断所述interest数据包是否为第一次到达本边缘路由器；

在判断结果为是时，查询本边缘路由器节点是否缓存有与所述interest数据包中内容名对应的内容；

如果查询结果为无，则根据预取策略判断所述内容是否满足启动多源预取的条件，在判断结果为满足时，进行多源预取，所述多源预取具体为：

所述边缘路由节点查询所述内容中心网络中哪些路由节点缓存有所述内容，所述边缘路由节点从内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取所述内容的不同分块。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预取策略包括：根据所述内容的类型衡量所述内容的大小，在衡量结果为比较大时启动多源预取。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预取策略还包括：如果所述内容的类型为音频、视频或者软件，则所述内容的大小衡量结果为比较大。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述边缘路由节点查询所述内容中心网络中哪些路由节点缓存有所述内容，具体为：所述边缘路由节点根据内容定位机制查询所述内容中心网络中哪些路由节点缓存有所述内容。

5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述边缘路由节点从内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取所述内容的不同分块，具体为：所述边缘路由节点根据其与内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点之间的空闲链路带宽分配从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点获取所述内容的不同比例，并依据所述不同比例从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取对应于所述不同比例的所述内容的不同分块。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述边缘路由节点依据所述不同比例从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取对应于所述不同比例的所述内容的不同分块，具体为：所述边缘路由节点将对应于所述不同比例的所述内容的不同分块的interest数据包分别发送给所述内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点，所述的interest数据包中包含路由routes字段，该路由routes字段指定了返回所述不同分块的路由路径。

7.一种用于权利要求1所述方法的边缘路由节点，其特征在于，所述边缘路由节点包括：

首次到达判断模块，用于所述边缘路由节点收到interest数据包请求时，判断所述interest数据包是否为第一次到达本边缘路由器；

本地内容查询模块，用于在判断结果为是时，查询本边缘路由器节点是否缓存有与所述interest数据包中内容名对应的内容；

多源预取模块，用于如果查询结果为无，则根据预取策略判断所述内容是否满足启动多源预取的条件，在判断结果为满足时，进行多源预取，所述多源预取具体为：

8.根据权利要求7所述的边缘路由节点，其特征在于，所述预取策略包括：根据所述内容的类型衡量所述内容的大小，只有在衡量结果为比较大时才启动多源预取。

9.根据权利要求7-8之一所述的边缘路由节点，其特征在于，所述边缘路由节点从内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取所述内容的不同分块，具体为：所述边缘路由节点根据其与内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点的网络空闲带宽分配从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点获取所述内容的不同比例，并依据所述不同比例从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取对应于所述不同比例的所述内容的不同分块。

10.根据权利要求9所述的边缘路由节点，其特征在于，所述边缘路由节点依据所述不同比例从所述内容中心网络的内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点并行获取对应于所述不同比例的所述内容的不同分块，具体为：所述边缘路由节点将对应于所述不同比例的所述内容的不同分块的interest数据包分别发送给所述内容源服务器以及缓存有所述内容的那些路由节点，所述的interest数据包包含路由routes字段，该路由routes字段指定了返回所述不同分块的路由路径。