CN103428104B

CN103428104B - 一种基于内容中心网络的拥塞控制方法

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Publication number: CN103428104B
Application number: CN201210167034.0A
Authority: CN
Inventors: 付通敏; 李杨; 林涛; 谭红艳; 唐晖; 慈松
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-05-25
Also published as: CN103428104A

Abstract

本发明公开了一种基于内容中心网络的拥塞控制方法，包括：在路由器中为所要发送的Data包计算CIB值；其中，所述CIB值用于反映路由器当前的拥塞程度；比较计算得到的CIB值与所述所要发送的Data包之前的CIB值，将两者中用于表示路由器拥塞状态最差的CIB值作为所述Data包的CIB值，然后发送所述Data包；客户端接收到所述Data包后，根据所述Data包的CIB值调整发送窗口的大小；其中，当所述CIB值反映路由器较为空闲时，增大所述发送窗口的大小，当所述CIB值反映所述路由器较为拥挤时，减小所述发送窗口的大小。

Description

一种基于内容中心网络的拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及网络通信领域，特别涉及一种基于内容中心网络的拥塞控制方法。

背景技术

互联网在过去几十年中有巨大的发展，传统互联网主要关注于端到端的通信，而如今的互联网主要关注于内容的分发与获取。在这种前提下，内容中心网络(CCN，Content-Centric Network)应运而生。CCN是一种全新的网络架构，它完全抛弃了IP网络用IP地址为每个主机命名的方式。CCN不对主机命名，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/_timestamp。CCN中有两种数据包，请求包(Interest)与数据包(Data)。Interest包中包含内容名与其他相关信息(如版本、权限等)，而Data包中包含内容名、其他相关信息与负载。

CCN路由器与传统路由器不同：CCN路由器具有缓存功能(内容缓存在ContentStore中)，它能够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(其转发信息表(FIB)保存有名字与接口的对应信息)，对Data包按照Interest包相反的路径传送(等待请求表(PIT)中保存有此Interest的状态信息)。

在CCN网络的运行过程中，终端用户发出Interest包，CCN路由器根据名字对此Interest包进行路由，如果在路由路径中的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最终被转发到终端服务器上。终端服务器返回此内容，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包，则可以直接返回Data。因此，CCN网络节省了用户下载时间、减少了资源的重复传输。

为了使网络能够高效运行，必须对网络进行拥塞控制。在CCN网络中已经提出的拥塞控制方法主要有两种：

1、参考文献1《N.Rozhnova and S.Fdida,“An effective hop-by-hop interestshaping mechanism for ccn communications,”inIEEE NOMEN Workshop,co-locatedwith INFOCOM,2012》提出的方法是网络中各节点(包括终端与路由器)按照自己当前的信息(队列长度、出口带宽、RTT(Round-Trip Time，往返时延))对将来的拥塞情况做出动态预测，根据预测结果调整其此刻发送Interest的速率，进而控制Data的接收速率，达到消除网络拥塞的目的。

图1为此类方法在运行过程中的示意图。如图1所示，C(t)表示t时刻节点向外发送Data的可用带宽，e(t)表示t时刻节点缓存中的Data数量，B表示缓存大小，r是设置的一个阈值。A(t)表示Interest从此节点发出到收到相应Data的延迟。γ(t)表示t时刻Interest发送速率。该方法所提出的调整Interest发送速率的公式如下：

其中，h为设置的一个权重值。

2、参考文献2《G.Carofiglio,M.Gallo,and L.Muscariello,“Icp:Design andevaluation of an interest control protocol for content-centric networking,”inIEEE NOMEN Workshop,co-located with INFOCOM,2012》所提出的方法不要求路由器参与拥塞控制，所有拥塞控制均在请求发起者(即发出Interest的主机)上完成。它把Data包看作TCP中的ACK包，在发出Interest包后启动一个定时器，收到Data包则取消定时器，如果定时器超时，则认为网络发生了丢包，拥塞发生，此时应对Interest发送数量进行减半。如果未丢包，则认为网络没有发生拥塞，应增加Interest包的数量(根据其发送窗口与设置的阈值大小的比较结果，采用指数级增加或线性增加方式)。该方法中超时时间T的大小设置公式如下：

T=RTT_min+(RTT_max-RTT_min)δ

其中，δ为一个可调整的参数。

现有技术中的上述两种方法在实践中都存在一定的问题。

首先，在CCN中，Interest可能在沿途路径上的任一节点命中，所以每个Interest包的RTT各不相同且变化范围较大，同时各RTT之间也没有相关性。参考文献1和参考文献2都采用了基于RTT的设计思路(如参考文献1中的参数A(t)，参考文献2中的超时时间T)。参考文献1用已经测出的RTT作为将要发出的Interest包的RTT的方法没有考虑到如上所述的RTT变化范围较大的事实，可能导致Data包集中到达某节点，从而产生拥塞。参考文献2中使用RTT_min与RTT_max之间的某个值作为超时时间的方法会导致那些RTT大于超时时间T的Data包被误判为丢包，从而在并没有发生拥塞的情况下误认为发生拥塞。

其次，在参考文献1所述方法中，各节点只根据自己的当前状态调整Interest发送数量，如果某节点发生拥塞，它发送给上游节点的Data包就会相应减少，从而使上游节点的队列长度e(t)减小，这时，上游节点会认为网络状态良好，进而增大Interest发送速率，导致Interest在拥塞节点处聚集，过多的Interest将导致拥塞节点缓存溢出，进而产生丢包。在参考文献2所述方法中，只在网络已经产生丢包(计时器超时)的情况下才对拥塞做出反应，在丢包至终端做出反应的这段时间中将有更多的包被丢弃。

最后，以上两篇参考文献中所论述的方法都没有考虑流的公平性问题，各个流之间不能公平地分配带宽。此外，如果发生拥塞，则无论是高速率流还是低速率流均进入拥塞状态，这对低速率流是不公平。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的网络拥塞控制方法容易发生误判，公平性不佳等缺陷，从而提供一种及时、公平的网络拥塞控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于内容中心网络的拥塞控制方法，包括：

步骤1)、在路由器中为所要发送的Data包计算CIB值；其中，所述CIB值用于反映路由器当前的拥塞程度；

步骤2)、比较步骤1)计算得到的CIB值与所述所要发送的Data包之前的CIB值，将两者中用于表示路由器拥塞状态最差的CIB值作为所述Data包的CIB值，然后发送所述Data包；

步骤3)、客户端接收到所述Data包后，根据所述Data包的CIB值调整发送窗口的大小；其中，当所述CIB值反映路由器较为空闲时，增大所述发送窗口的大小，当所述CIB值反映所述路由器较为拥挤时，减小所述发送窗口的大小。

上述技术方案中，所述CIB值有N个，其中的一些CIB值表示客户端减小Interest发送窗口，一些CIB值表示客户端增大Interest发送窗口；所述的计算CIB值包括：设置M个阈值，利用所述的M个阈值将队列长度的大小分割为N个区间，每一个区间对应一个CIB值，其中，N＝M+1。

上述技术方案中，所述CIB值用2位表示，包括“00”、“01”、“10”、“11”，分别用来表示路由器当前的拥塞程度为“优”、“良”、“中”、“差”；所述的计算CIB值包括：

步骤1-1)、计算虚拟队列最大长度阈值maxQ与虚拟队列长度最小阈值minQ；

其中，B表示路由器的缓存大小，F表示路由器中所包含的流的数目，maxRatio与minRatio是两个根据实际情况确定的参数；

步骤1-2)、对所要发送的Data包所在流的队列长度Q进行平滑处理，得到avgQ：

其中，Wq为权重因子；n表示第n次计算avgQ；

步骤1-3)、对avgQ与maxQ及minQ进行比较，如果avgQ≤minQ，则CIB设置为“00”，如果avgQ≥maxQ，则CIB设置为“11”，如果minQ＜avgQ＜maxQ，则执行下一步；

步骤1-4)、计算标记概率P：

然后以(1-P)的概率把CIB设置成“00”；以P概率把CIB设置成“01”或者“10”中的一种，如果把CIB设置成“01”，否则，设置为“10”。

上述技术方案中，所述的步骤3)包括：

步骤3-1)、判断CIB值的大小，若CIB值为“00”，执行下一步，若CIB值为“01”，执行步骤3-3)，若CIB值为“10”，执行步骤3-4)，若CIB值为“11”，执行步骤3-5)；

步骤3-2)、比较当前的发送窗口大小Iswnd与预先设定的阈值ssthresh，若Iswnd小于ssthresh，则所述发送窗口大小Iswnd以第一幅度值变大，若所述Iswnd大于或等于ssthresh，则所述窗口大小Iswnd以第二幅度值变大；所述第一幅度值大于所述第二幅度值；

步骤3-3)、保持发送窗口大小Iswnd不变；

步骤3-4)、所述发送窗口大小Iswnd以第三幅度值变小；

步骤3-5)、所述发送窗口大小Iswnd以第四幅度值变小；所述第四幅度值的绝对值大于所述第三幅度值的绝对值。

上述技术方案中，所述第一幅度值的大小为1；所述第二幅度值的大小为1/Iswnd_old，Iswnd_old表示原发送窗口的大小；所述第三幅度值的大小为0.25；所述第四幅度值的大小为0.5。

上述技术方案中，当路由器所要发送的Data包有多个且分属于多个流时，在路由器的缓存中，为每条流维护一个虚拟队列，所述路由器循环地服务每一虚拟队列；所述服务包括：从虚拟队列中取出队首Data包，为该Data包计算CIB值并比较、添加到所述Data包。

本发明的优点在于：

1、不采用基于RTT的拥塞控制机制，避免RTT的动态变化对拥塞控制造成影响；

2、在网络发生丢包之前调整终端Interest发送速率，使终端对拥塞反应更及时，减少甚至避免发生丢包；

3、对各条流公平分配带宽，同时，对各个流分别进行拥塞检测，在网络发生拥塞时，降低高速率流的带宽，保护低速率流的带宽。

附图说明

图1为现有技术中的拥塞控制方法在运行过程中的示意图；

图2为一个内容中心网络的网络结构示意图；

图3为本发明的拥塞控制方法的流程图；

图4为路由器的缓存中所维护的虚拟队列的示意图；

图5为一个仿真实验的拓扑图；

图6为在一个仿真实验中各终端的Iswnd变化情况示意图；

图7为在一个仿真实验中，Router2中总队列与虚拟队列的大小示意图；

图8为在一个仿真实验中，终端及路由器带宽情况示意图。

具体实施方式

为了便于理解，下面首先对本发明中所涉及的一些符号的含义统一进行说明。

B：路由器接口总的缓存大小；

F：当前路由器中的流的个数；

Q：流的虚拟队列的长度；

Wq：权重因子，0<Wq<1；

avgQ：平滑后的虚拟队列长度；

maxQ：虚拟队列长度最大阈值；

minQ：虚拟队列长度最小阈值；

maxRatio：maxQ与B/F的比值；

minRatio：minQ与B/F的比值。

现结合附图对本发明作进一步的描述。

图2为一个内容中心网络的网络结构示意图，如图所示，该网络包括客户端、服务器端以及在所述客户端与服务器端之间的路由器。为了说明方便的需要，在该图中仅仅示出了一个客户端，一个服务器端以及三个路由器，但本领域技术人员很容易理解，在实际的网络中，客户端、服务器端以及路由器的数量绝不限于上述数量，后文中以图2所示的内容中心网络为例，对应用于该网络的本发明的拥塞控制方法做了描述，但本发明的拥塞控制方法同样适用于其他的内容中心网络。

参考图3，下面对本发明的拥塞控制方法的实现步骤做详细说明。

步骤1)、路由器为所要发送的Data包计算CIB值。

正如背景技术中所提到的，当客户端发出Interest包后，位于网络中的路由器接收到该Interest包。此时有两种情况，一是该路由器之前已经储存有与该Interest包相对应的Data包的内容，二是该路由器尚未储存与该Interest包相对应的Data包的内容。对于后一种情况，该路由器需要转发所述Interest包，待服务器端根据所接收到的Interest包返回相应的Data包。无论是路由器之前已经存储有Data包，还是新接收了由存储器所返回的Data包，都需要将所述Data包通过网络返回给客户端，在返回给客户端之前，需要先为所述Data包计算CIB值。

路由器使用所述的CIB值告知客户端其当前的拥塞程度，在本实施例中，所述CIB采用2位(bits)表示，CIB值可分别为“00”、“01”、“10”、“11”，这些值分别用来表示路由器当前的拥塞程度为“优”、“良”、“中”、“差”，“优”表示当前路由器空闲，“差”表示当前路由器十分繁忙。本领域技术人员很容易理解，所述CIB也可用更多的位表示，此时，路由器的拥塞状态能够做更进一步的细分。

路由器在为Data包计算CIB值之前，需要将Data包从路由器的缓存中读出。一般而言，路由器会同时服务多条流，所述的“流”是指具有相同的名字前缀但具有不同的chunk序号的数据包的集合。作为一种优选实现方式，在本实施例中，为了公平服务各条流，如图4所示，在路由器的缓存中，为每条流维护一个虚拟队列，在工作时，路由器从某一条流的虚拟队列中取出队首的Data包，对该Data包计算CIB值，将CIB值添加到Data包，传送到链路上；再从下一条流的虚拟队列中取出队首的Data包，计算并加入CIB信息之后发送出去……。路由器循环服务每条流，使各条流有相同的机会被发送，进而使各条流能够公平地分配带宽。对于那些低速率的流，其虚拟队列长度就小，其Data包的排队延迟也相对较小。在其他实施例中，所述路由器的缓存中仅维护一个队列，属于不同流的Data包在同一队列中进行处理，但这样做显然会降低效率，容易产生带宽分配不公的问题。

下面对CIB值的计算方法做详细的说明。

假设在为一Data包计算CIB值时，路由器中有F条流，则每条流分配的缓存大小应该是B/F，利用maxRatio与minRatio可以计算出两个阈值——maxQ与minQ：

其中，maxRatio与minRatio的值根据实际情况确定，在本实施例中，maxRatio＝0.7，minRatio＝0.3。

对当前流的队列长度Q进行平滑处理，得到avgQ：

其中，权重因子Wq的值根据实际情况确定，在本实施例中，Wq＝0.8。n表示第n次计算avgQ。

对avgQ与maxQ及minQ进行比较，如果avgQ≤minQ，则CIB应该设置为“00”；如果avgQ≥maxQ，则CIB应该设置为“11”；如果minQ＜avgQ＜maxQ，则需要进一步计算，首先计算出一个标记概率P：

以(1-P)的概率把CIB设置成“00”；以P概率把CIB设置成“01”或者“10”中的一种，具体设置成哪一种则看avgQ与的大小，如果把CIB设置成“01”，否则，设置为“10”。

上述的CIB计算方法是针对本实施例中CIB值包括四种可能的情况。若在其他实施例中，CIB可能的取值超过4种，则在进行CIB计算时，除了本实施例中已经采用的阈值minQ、maxQ外，还可设置其他的阈值，共得到M(M≥1)个阈值，从而将队列长度的大小分割为N个区间(N＝M+1)，每一个区间对应一个CIB值。所得到的N个CIB值中的一些表示客户端应该增大Interest发送窗口，用一些CIB值表示客户端减小Interest发送窗口，可用(也可不用)一个值表示保持Interest发送窗口大小不变。不同的CIB值表示的增大(或减小)的幅度不同。

步骤2)、路由器为所要发送的Data包计算出CIB值后，比较计算得到的CIB值与所述Data包之前所带的CIB值，将用于表示路由器拥塞状态最差的CIB值作为Data包所带的CIB值，然后将所述Data包发送到链路上。

之前提到，所述CIB值用于向客户端告知路由器的拥塞状况，因此Data包所带的CIB值应该用来表示链路上拥塞最严重的路由器的拥塞信息。在本步骤中，需要将步骤1)计算得到的CIB值与所述Data包之前所带的CIB值进行比较，根据比较结果决定是保留Data包中之前携带的CIB值，还是将新计算得到的CIB值作为Data包携带的CIB值。若当前的路由器为距离服务器端最近的路由器，则由服务器端返回的Data包中尚未包含CIB值，此时计算得到的CIB值无疑需要添加到Data包中。

步骤3)、客户端接收到Data包后，根据所述CIB值调整发送窗口的大小。

在本步骤中，发送窗口的大小可以用Iswnd表示，它表示客户端已经发出但没有收到相应的Data包的Interest包的最大数目，对Iswnd调整可以达到调整Interest包发送速率的目的，进而达到调整接收Data包的速率的目的。

在调整发送窗口的大小时，需要用到一个预先设定的阈值ssthresh，该阈值的大小可根据实际需要确定，在本实施例中，其大小为512。

Iswnd被初始化为1，然后根据所收到的Data包中的CIB进行调整，表1列举出了在一个实施例中，针对四种不同的CIB值，Iswnd的调整方法。

表1

在其他实施例中，对Iswnd的值进行调整时，每一次调整的幅度并不局限于上述表格中所提到的数值，可根据实际需要加以修改，如当CIB值为“10”时，Iswnd＝Iswnd_old–0.5；当CIB值为“11”时，Iswnd＝Iswnd_old–1。只要总体上满足当拥塞状态为“优”时，Iswnd的值变大，当拥塞状态为“差”时，Iswnd的值变小这一趋势即可。

为验证本方法的具体效果，本申请人基于OMNet++仿真平台对该方法进行了验证，实验拓扑图如图5所示。

三个客户端分别请求三个文件，文件大小均为10MB，但开始请求的时间不同：分别为0秒、4秒、8秒。实验中Interest包大小与Data包的大小采用了CCN中的标准大小：分别为512B、4KB。各路由器接口缓存大小(B)设置为500个Data包的大小(即500x 4KB＝2000KB)，maxRatio＝0.7，minRatio＝0.3，ssthresh＝128。实验中Router1与Router2之间的链路带宽比较小(10Mbps)，于是Router2可能发生拥塞。

实验结果记录了各终端Interest发送窗口(Iswnd)大小变化与Data接收速率、Router2队列长度变化情况与Data发送速率。实验结果如图6所示。从该图中可以看到，在第三个终端开始发起请求之后，前两个终端的Iswnd适当减小，避免了发送过多Interest。同时，Iswnd整体比较平衡，没有大幅震荡，避免了发送速率的大幅震荡，能够提高用户体验。从图7可以看出，在实验过程中，各虚拟队列大小比较平衡，总队列大小也从未超出最大值(最大值设置为500)，在实验中没有丢包情况发生。从图8可以看出，在实验中，各终端始终能够公平地分配带宽，路由器发送带宽也接近其最大值，带宽利用率较高。

最后所应说明的是，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，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种基于内容中心网络的拥塞控制方法，包括：

步骤1)、在路由器中为所要发送的Data包计算CIB值；其中，所述CIB值用于反映路由器当前的拥塞程度；所述CIB值有N个，其中的一些CIB值表示客户端减小Interest发送窗口，一些CIB值表示客户端增大Interest发送窗口；所述的计算CIB值包括：设置M个阈值，利用所述的M个阈值将队列长度的大小分割为N个区间，每一个区间对应一个CIB值，其中，N＝M+1；

所述CIB值用2位表示，包括“00”、“01”、“10”、“11”，分别用来表示路由器当前的拥塞程度为“优”、“良”、“中”、“差”；所述的计算CIB值包括：

\{\begin{matrix} \max Q = \frac{B}{F} \times \max R a t i o, \\ \min Q = \frac{B}{F} \times \min R a t i o . \end{matrix}

{avgQ}_{n} = \{\begin{matrix} Q_{1} & n = 1 \\ (1 - W_{q}) * {avgQ}_{n - 1} + W_{q} * Q_{n} & n > 1 \end{matrix};

其中，Wq为权重因子；n表示第n次计算avgQ；Q_n表示第n次计算avgQ时的队列实际长度；avgQ_n表示第n次计算时得到的avgQ；

步骤1-4)、计算标记概率P：

P = \frac{a v g Q - \min Q}{\max Q - \min Q}

然后以(1-P)的概率把CIB设置成“00”；以P概率把CIB设置成“01”或者“10”中的一种，如果把CIB设置成“01”，否则，设置为“10”；

2.根据权利要求1所述的基于内容中心网络的拥塞控制方法，其特征在于，所述的步骤3)包括：

步骤3-3)、保持发送窗口大小Iswnd不变；

步骤3-4)、所述发送窗口大小Iswnd以第三幅度值变小；

3.根据权利要求2所述的基于内容中心网络的拥塞控制方法，其特征在于，所述第一幅度值的大小为1；所述第二幅度值的大小为1/Iswnd_old，Iswnd_old表示原发送窗口的大小；所述第三幅度值的大小为0.25；所述第四幅度值的大小为0.5。

4.根据权利要求1所述的基于内容中心网络的拥塞控制方法，其特征在于，当路由器所要发送的Data包有多个且分属于多个流时，在路由器的缓存中，为每条流维护一个虚拟队列，所述路由器循环地服务每一虚拟队列；所述服务包括：从虚拟队列中取出队首Data包，为该Data包计算CIB值并比较、添加到所述Data包。