CN108347379A - 基于区域集中存储的内容中心网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，属于通讯技术领域。本发明方法包括：每个区域引入一个控制器，控制器选取一个或多个节点作为本域的特殊节点，各区域的特殊节点负责本域资源的集中存储；当收到兴趣包的边缘节点向本域的控制器发出资源查询请求时，控制器在本域资源中或者通过多域交互的方式在其他区域资源中进行用户需求资源的查找，并根据查找的情况决定兴趣包采取何种路由策略进行传送或者请求失败。本发明通过特殊节点对资源的专门存储，节约存储资源；控制器的集中控制改善多路径转发时造成的冗余流量，单路径转发时可能无法充分利用周围更近的缓存副本问题，从而实现高效路由，整体提高网络性能。

Description

基于区域集中存储的内容中心网络路由方法

技术领域

本发明属于通讯技术领域，特别涉及一种基于区域集中存储的内容中心网络路由方法。

背景技术

当前以“主机到主机”通信为核心的互联网体系中，通信双方通过建立单一连接来实现IP数据包传送，如今互联网的发展速度却远远超出了最初的预测。以TCP/IP为核心的网络体系也在其他方面逐渐暴露出一些弊端，如可扩展性、灵活性、安全性、移动性等。未来网络架构的提出正是为了解决当今网络在架构上缺陷，以适应互联网的发展。这种革命式的未来网络方案中，以信息为中心的网络架构(Information Centric Network,ICN)是被广泛认可的可行方案。而内容中心网络(Content-centric Network,CCN)从众多采用ICN架构的项目中脱颖而出，成为极具代表性的典型方案。CCN由美国PACK中心的Jacobson教授于2009年提出,它以内容为中心，把信息在网络层中从主机解耦，提高了数据内容的可移动性。对内容进行统一命名并基于名称标识进行定位，路由和传输，使用网内内置缓存加速内容分发，将网络打造成为内容传输、存储和服务的一体化平台。

内容名作为CCN网络中数据内容的唯一标示，也是CCN网络路由转发策略转发的依据。网络中的用户可以不必知晓整个网络的拓扑，只需要知道所请求的数据的内容名，就能通过该名字发起对数据内容的请求。CCN支持动态的泛在缓存，网络内缓存有大量内容副本供用户使用，使内容请求能够使用最近的缓存副本而无需通过匹配转发到原始资源提供者处再获取相应内容，这样可以大大减少用户内容的获取时延，缓解服务器的访问压力。内容中心网络区别于IP网的最突出的2个特征就是路由节点内置缓存和多路径路由。正是因为多路径路由会使同一个内容请求向节点中匹配的多个端口转发出去，会造成网络内大量的冗余流量，尤其是CCN网络连接度较高时，这种冗余现象会更加明显。

传统的路由策略主要有全转发策略、随机转发策略和蚁群转发策略，他们侧重的方面各有不同，全转发策略可以较快获取数据包，但冗余流量大，随机转发策略即单路径转发虽然能有效减少网络冗余流量，但无法保证服务质量，蚁群转发策略主要通过发送嗅探出一条最佳路径，选择一个最优端口进行转发。但探测包会带来额外的开销压力，且路径收敛后难以充分利用临近缓存资源。现有的改进策略也是通过发送信息探测包、构建辅助转发表等方式去获得较为可靠的一个或多个端口进行转发，以降低平均请求时间，提高缓存资源命中率，但同时都增加了网络中额外流量的传输和使用额外的节点存储空间。

发明内容

针对上述提到的数据流冗余量大、服务质量不高及难以利用临近缓存资源等问题，本专利提出了一种基于区域集中存储的内容中心网络路由方法。

本发明的方法包括：每个区域引入一个控制器，根据各个区域的情况，控制器选取一个或多个节点作为本域的特殊节点，各区域的特殊节点负责本域资源的集中存储；当收到兴趣包的边缘节点向本域的控制器发出资源查询请求时，控制器在本域资源中或者通过多域交互的方式在其他区域资源中进行用户需求资源的查找，并根据查找的情况决定兴趣包采取何种路由策略进行传送或者请求失败。

进一步的，所述控制器还用于获取本域资源存储情况和网络拓扑结构，以及根据网络拓扑结构计算本域内任意一节点到其余节点的最短路由。

进一步的，控制器获取本域资源存储情况和网络拓扑结构的方法如下：

1)在初始状态下，控制器对本域每个节点进行命名，并将命名标签信息发送给对应的节点；

2)本域内每个获得命名的节点都收集与周围节点的连接信息，并发送给控制器；特殊节点还将资源存储情况发送给控制器；

3)控制器获取本域的网络拓扑结构，以及掌握本域的资源存储情况。

进一步的，收到兴趣包的边缘节点向本域的控制器发出资源查询请求之前进行如下操作：收到兴趣包的边缘节点在待定兴趣表中查看是否有相同请求条目，如果有，则丢弃兴趣包，不再发出资源查询请求。

进一步的，所述根据查找的情况决定兴趣包采取何种路由策略或者请求失败，具体包括：

1)若控制器在本域特殊节点存储的资源中查找到有用户需求资源，则兴趣包采取本域路由策略进行传送，所述本域路由策略是指兴趣包到本域特殊节点的最短路由路径；

2)若控制器在本域特殊节点存储的资源中没有查找到有用户需求资源，而控制器之间经过多域交互的方式在外域查找到用户需求资源，则兴趣包采取多域路由策略进行传送，所述多域路由策略是指兴趣包通过初始域和经过域的节点到达目的域的特殊节点的最短路由路径；

3)如果所有区域特殊节点的存储资源中均没有查找到有用户需求资源，则本域的控制器给该请求资源查询的边缘节点发送请求失败的信息。

进一步的，在多域路由策略中，兴趣包要经过初始域的一个特殊节点。

进一步的，在兴趣包的传送过程中，若经过的中间节点待定兴趣表中有相同请求条目，则不再向目的域的特殊节点传送兴趣包。

进一步的，控制器选取一个或多个节点作为本域的特殊节点的具体方法为：

将节点的介数中心性、度中心性、紧密中心性和凝聚度作为衡量节点特殊性的指标，并结合上述每个指标各自在四个指标中所占的权重计算出一个度量值，根据区域大小选择度量值最大的一个节点或较大的多个节点作为特殊节点；

所述较大的多个节点是将度量值计算结果进行从大到小的排序，从而选择排序靠前的几个节点称为较大的多个节点。

进一步的，度量值的计算公式如下：

Q(i)＝α*B(i)+β*C(i)+γ*D(i)+λ*G(i)

其中：B(i)表示节点i的介数中心性，C(i)表示节点i的度中心性，D(i)表示节点i的紧密中心性，G(i)表示节点i的凝聚度；α表示介数中心性在四个指标中所占的权重；β表示度中心性在四个指标中所占的权重；γ表示紧密中心性在四个指标中所占的权重；λ表示凝聚度在四个指标中所占的权重。

进一步的，所述介数中心性指网络中经过某节点的最短路径数与网络中所有最短路径总数之比，其计算公式如下：

其中，a_jk代表节点j至节点k最短路径的数量，a_jk(i)代表节点j至节点k的最短路径中经过节点i的路径的数量，V表示所有节点的集合；

所述紧密中心性指经过某节点到其它所有节点距离之和的倒数，其计算公式如下：

其中，h_ij表示从节点i到节点j的最短路径中所包含的边的数量,n为节点总数；

所述度中心性指某节点的实际顶点度与可能存在最大的顶点度之比，其计算公式如下：

其中，d_i为节点i的实际顶点度，即网络中与该节点相连的边数；n为节点总数；

凝聚度指收缩节点后的网络节点与网络中所有节点对的平均路径长度之积的倒数，其计算公式如下：

其中，V-i是删除节点i的集合，h_jk表示从节点j到节点k的最短路径所包含的边数。

本发明的有益技术效果为：基于区域集中存储的路由方案的基本思想是将网络划分为各个区域，根据复杂网络中衡量节点重要性的基本指标，综合选取本域的特殊路由节点负责本域资源的集中存储，剩余普通路由节点只进行高速转发。因为所有节点的处处缓存会造成网络中大量的内容冗余,忽略了不必要节点缓存对网络性能的影响，部分高介数节点缓存就可以达到很好的效果，同时还可以降低非存储路由节点缓存及路由操作开销。在此基础上结合引入的区域控制器实现本域路径下发和邻域之间的缓存信息交流，可改善多路径转发时造成的冗余流量和网络负担，单路径转发时可能无法充分利用周围更近的缓存副本问题，从而实现高效路由，整体提高网络性能。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明基于区域集中存储的内容中心网络路由方法的流程图；

图2为用户需求资源在本域获取时的示意图；

图3为用户需求资源在外域获取时的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域人员能更好地理解本发明的目的、技术方案和有益效果，下面结合具体实施例和说明附图来进行完整的描述。

参照图1，发明提出的一种基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，该方法可以大致分为三个步骤，：

S1：在各区域引入控制节点，主要用于拓扑信息的收集和路由计算，同时掌握本域资源缓存情况；

S2：参考复杂网络中衡量节点重要性的基本度量，通过控制器对度量指标进行综合计算根据区域大小选取最高的一个或多个路由节点作为本域的特殊节点，负责集中存储；

S3：当边缘路由节点收到兴趣包，向控制器发送查询请求，控制器根据资源查找情况向发出请求的节点反馈路径信息，如果未查到则发送请求失败消息。

步骤S1的具体实现方式如下：

初始状态下，首先控制器对本域每个CCN网络中的路由节点进行命名并下发命名标签信息，命名标签信息包括节点的名称及端口号，然后本域节点向控制器发送某节点与周围节点的连接信息，包括相连节点的名称，端口号等信息，是本域控制器获取本域的网络拓扑结构。特殊节点还会将其存储的资源发送给控制器，使其能够掌握本域的资源存储情况。当本域链路或节点故障或是新节点加入时，发现网络拓扑变化的路由节点将该信息发送给控制器，控制器根据情况舍弃故障节点或者对新节点进行命名，及时获取网络拓扑信息。

当控制器掌握拓扑信息后，计算本域任意一个路由节点到剩余其他节点的最短路由，及其下一跳转发端口(或许多个端口)，下发给对应的节点。当本域拓扑发生变化时，控制器依据新的网络拓扑结构向相关节点下发路由表更新信息。待本域缓存有新资源时，控制器还会与该缓存节点交互缓存信息，以确保控制器掌握本域最新的资源缓存情况，为后续资源查询提供依据。

因为只选取了个别节点作为特殊节点缓存资源，大大减少了缓存节点与控制器的交互开销。

步骤S2实现的具体方式为：

将节点的介数中心性、度中心性、紧密中心性和凝聚度作为衡量节点特殊性的指标，并结合上述每个指标各自在四个指标中所占的权重计算出一个度量值，根据区域大小选择度量值最大的一个或前几大的多个节点作为特殊节点。

将这四个指标分配权值进行计算，不但解决4个中心性各自存在的缺陷，还有效地将他们的差异进行折中融合。根据不同业务的需求，决定4个度量所占的权重分别为α，β，γ和λ，并计算出一个总分。

其公式为：α*B(i)+β*C(i)+γ*D(i)+λ*G(i)。

其中，介数中心性B(i)：指网络中经过该节点的最短路径数与网络中所有最短路径总数之比，

a_jk代表节点j至节点k最短路径的数量，a_jk(i)代表节点j至节点k的最短路径中，经过节点i的路径的数量。

紧密中心性C(i)：指经过该节点到其它所有节点距离之和的倒数，其中的计算公式为：

h_ij表示从起始节点i到终止节点j的最短路径中所包含的边的数量,n为节点总数。

度中心性D(i)：指该节点的实际顶点度与可能存在最大的顶点度之比，其中的计算公式为：

d_i为节点i的顶点度，即网络中与该节点相连的边数,n为节点总数。

凝聚度G(i)：指收缩节点后的网络节点与网络中所有节点对的平均路径长度之积的倒数，

V-i是删除节点i的集合，h_jk表示从节点j到节点k的最短路径所包含的边数。

步骤S3所述的控制器根据资源查找情况向发出请求的节点反馈路径信息包括：1)控制器根据内容名进行最长匹配查找到本域特殊节点有缓存相应的资源时，则进行本域路由，控制器给发出资源查询请求的路由节点下发到本域特殊节点的路由路径；2)如果控制器查询本域无相应的资源，而经过多域交互查找到资源在外域，则下发给发出资源查询请求的节点下发到下一区域边界节点的路径，进行多域路由，直到到达外域的目的特殊节点。

当用户请求资源时，收到兴趣包的边缘节点首先查看PIT待定兴趣表中是否有相同请求条目，如果有则丢弃兴趣包，并在PIT中增加相应端口号，如果没有，边缘节点则向控制器发送资源查询消息，等待控制器的资源路径反馈信息或是请求失败信息。

若是在本域特殊节点查询到用户需求资源，如图2所示，则根据兴趣包中携带的路径信息进行下一跳的转发，直到到达目的本域的特殊节点。特殊节点收到兴趣包时，根据内容名在内容存储表CS(Content Store)内进行最长匹配找到用户需求的资源，将该资源以数据包形式根据兴趣包来时的路径返回到请求用户。

当控制器查到本域特殊节点没有查询到用户需求的资源，而通过控制器之间相互查询各域的缓存资源情况，找到相应资源位置时，各域会下发本域路径给边缘节点引导本域路由，如图3所示。目的域会给边缘节点下发到本域缓存资源的特殊节点的路由路径，而其他经过域会给边缘节点下发到下一域边界节点的路由路径。所述目的域是指查找到特殊节点中存储有用户需求资源的外域；初始域是指从发出资源查询请求的边缘节点所在的区域，也即是兴趣包进行多域路由所经过的第一个区域。经过域是指从发出资源查询请求的边缘节点到目的域的特殊节点中经过的外域。跨域节点可通过域标签识别实现域间路由中继，完成到外域节点的资源获取。

如果在本域及外域的特殊节点中均没有查询到有用户需求的资源，那么则认为请求失败，有控制器给该发出资源查询请求的节点发送请求失败的信息。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于：

每个区域引入一个控制器，根据各个区域的情况，控制器选取一个或多个节点作为本域的特殊节点，各区域的特殊节点负责本域资源的集中存储；当收到兴趣包的边缘节点向本域的控制器发出资源查询请求时，控制器在本域资源中或者通过多域交互的方式在其他区域资源中进行用户需求资源的查找，并根据查找的情况决定兴趣包采取何种路由策略进行传送或者请求失败。

2.根据权利要求1所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于，所述控制器还用于获取本域资源存储情况和网络拓扑结构，以及根据网络拓扑结构计算本域内任意一节点到其余节点的最短路由。

3.根据权利要求2所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于，控制器获取本域资源存储情况和网络拓扑结构的方法包括：

1)在初始状态下，控制器对本域每个节点进行命名，并将命名标签信息发送给对应的节点；

2)本域内每个获得命名的节点都收集与周围节点的连接信息，并发送给控制器；特殊节点还将资源存储情况发送给控制器；

3)控制器获取本域的网络拓扑结构，以及掌握本域的资源存储情况。

4.根据权利要求1所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于，收到兴趣包的边缘节点向本域的控制器发出资源查询请求之前进行如下操作：收到兴趣包的边缘节点在待定兴趣表中查看是否有相同请求条目，如果有，则丢弃兴趣包，不再发出资源查询请求。

5.根据权利要求1所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于，所述根据查找的情况决定兴趣包采取何种路由策略或者请求失败，具体包括：

1)若控制器在本域特殊节点存储的资源中查找到有用户需求资源，则兴趣包采取本域路由策略进行传送，所述本域路由策略是指兴趣包到本域特殊节点的最短路由路径；

2)若控制器在本域特殊节点存储的资源中没有查找到有用户需求资源，而控制器之间经过多域交互的方式在外域查找到用户需求资源，则兴趣包采取多域路由策略进行传送，所述多域路由策略是指兴趣包通过初始域和经过域的节点到达目的域的特殊节点的最短路由路径；

3)如果所有区域特殊节点的存储资源中均没有查找到有用户需求资源，则本域的控制器给该请求资源查询的边缘节点发送请求失败的信息。

6.根据权利要求5所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于：在多域路由策略中，兴趣包要经过初始域的一个特殊节点。

7.根据权利要求5所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于：在兴趣包的传送过程中，若经过的中间节点待定兴趣表中有相同请求条目，则不再向目的域的特殊节点传送兴趣包。

8.根据权利要求1所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于，控制器选取一个或多个节点作为本域的特殊节点的具体方法包括：

将节点的介数中心性、度中心性、紧密中心性和凝聚度作为衡量节点特殊性的指标，并结合上述每个指标各自在四个指标中所占的权重计算出一个度量值，根据区域大小选择度量值最大的一个节点或较大的多个节点作为特殊节点。

9.根据权利要求8所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于，度量值的计算公式包括：

Q(i)＝α*B(i)+β*C(i)+γ*D(i)+λ*G(i)

其中：B(i)表示节点i的介数中心性，C(i)表示节点i的度中心性，D(i)表示节点i的紧密中心性，G(i)表示节点i的凝聚度；α表示介数中心性在四个指标中所占的权重；β表示度中心性在四个指标中所占的权重；γ表示紧密中心性在四个指标中所占的权重；λ表示凝聚度在四个指标中所占的权重。

10.根据权利要求8或9所述的基于区域集中存储的内容中心网络路由方法，其特征在于：

所述介数中心性指网络中经过某节点的最短路径数与网络中所有最短路径总数之比，其计算公式如下：

其中，a_jk代表节点j至节点k最短路径的数量，a_jk(i)代表节点j至节点k的最短路径中经过节点i的路径的数量，V表示所有节点的集合；

所述紧密中心性指经过某节点到其它所有节点距离之和的倒数，其计算公式如下：

其中，h_ij表示从节点i到节点j的最短路径中所包含的边的数量,n为节点总数；

所述度中心性指某节点的实际顶点度与可能存在最大的顶点度之比，其计算公式如下：

其中，d_i为节点i的实际顶点度，即网络中与该节点相连的边数；n为节点总数；

凝聚度指收缩节点后的网络节点与网络中所有节点对的平均路径长度之积的倒数，其计算公式如下：

其中，V-i是删除节点i的集合，h_jk表示从节点j到节点k的最短路径所包含的边数。