CN110958186A - 网络设备数据处理方法及*** - Google Patents

网络设备数据处理方法及*** Download PDF

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杨坚
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Abstract

本发明公开了一种网络设备数据处理方法及***，通过自动的检测、缓存和提前响应，可以在无需其他算法配合的情况下透明、自动地优化网络负载。本发明可以优化目前网络中大量重复数据传输的问题，避免额外的专用硬件开销，也无需复杂的负载均衡算法。此外，本发明也不需要服务器端和客户端的软件算法配合，无需CDN那样需要一个调控中心，也无需人工配置数据镜像，这一切都在网络设备上完成，对于服务器端和客户端都是透明的。对于能检测出来的数据流量和请求流量，会自动地缓存，对重复的数据请求会自动地通过缓存来加速，对于所有其他流量则像正常的交换机一样转发，因此本发明对于现有的网络软件硬件具有良好的兼容性。

Description

网络设备数据处理方法及***
技术领域
本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种网络设备数据处理方法及***。
背景技术
近十年来，随着互联网和移动互联网的发展，网络流量的特征已经发生了巨大的变化。互联网在提出之初，以连接不同的设备、主机为主要目标，数据在相互连接的两台主机之间传输。随着互联网越来越深入大众，互联网成为大众获取媒体信息的主要途径，例如，网络中视频传输的流量大大增加，根据有关资料显示，仅视频服务提供商Youtube和Netflix就占据了北美地区下行流量的50.3％。大量的多媒体流量给网络运营商产生了巨大的压力与成本。这些多媒体流量中有很大一部分是内容分发型业务带来的冗余流量，消耗了大量的网络资源。
在传统的内容分发中，用户每获取一个多媒体文件，就要与服务器建立一次连接，这使得大量用户获取相同文件时需要同时与服务器建立连接，而建立连接需要服务器的资源，从而对服务器产生巨大的负担。另外，当前互联网中大量的内容分发型业务会产生大量冗余的内容，内容的重复传输也占用了大量的网络带宽，这些都会降低网络资源利用效率和用户体验。针对重复流量的传输，目前有以下方法：
(1)采用更大的服务器集群和更高的带宽来应对流量需求的增长：内容提供商方面，大型视频网站都趋于采用服务器集群来部署视频分发服务，并且在不断增加服务器的数量，购置更高性能的服务器，以及为数据中心接入更高的网络带宽。运营商方面，也在部署新的网络节点，通过更新设备等来拓展已有网络的吞吐量和带宽。这使得内容提供商可以同时连接(并服务)更多的用户，为用户提供更高的带宽，更高质量的多媒体视频。然而，提升硬件的方法会给内容提供商和运营商带来高额的成本，一方面这不利于企业的发展，另一方面企业也会倾向于让用户来分担这部分成本，从而影响用户体验。
(2)使用内容分发网络(CDN)：CDN通过部署在各地网络边缘的服务器，缩短服务器与用户的距离，在边缘服务器上存储要分发的媒体文件的镜像，通过中心平台的负载均衡、调度等模块，实现高效的内容分发。CDN是目前较为广泛使用的内容分发加速方法，由第三方CDN服务提供商来提供服务。CDN虽然也需要大量服务器，但由于服务器部署在网络边缘，距离用户较近，既可以提供较好的内容分发服务，又节省了骨干网的网络开销。然而，CDN依然需要复杂的算法来进行负载均衡和调度，对于内容提供商而言，购买CDN服务依然需要承担较高成本。
(3)采用新的网络架构，如信息中心网络(ICN)：在ICN中，数据发送方与接收方不需要直接连接，发送方只需要向网络(而不是特定用户)发送数据，接收方则向网络请求数据，双方不需要建立直接的连接也能完成数据的传输，大大减少了重复流量的传输，并且相较于CDN具有更高的效率。然而，当前的互联网一直是在TCP/IP协议上发展的，大量设备、软件都为TCP/IP协议设计，ICN的部署需要现有硬件设备和配套软件的全新升级，对整个互联网而言都是巨大的成本，因而一直没有得到有力推动。
综上所述，对于互联网中大量重复的内容分发问题，各种解决方法都有其优缺点，成本高昂、部署困难以及算法复杂是其难以克服的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种网络设备数据处理方法及***，可以利用节点的缓存能力来消除冗余内容的传输，从而提高网络资源利用率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种网络设备数据处理方法，包括：
对输入的流量进行识别，确定对应的分组类别；
若为请求分组，则从流量中提取出数据的唯一内容标识，并在内容缓存表中进行匹配；如匹配成功，则从内容缓存表取出相应的数据，构造一个或者一系列响应分组，并发送给请求分组的发送方；如匹配失败，则将数据的唯一内容标识添加到请求记录表中；
若为数据分组，则送入数据缓存模块，并由数据缓存模块将流量中数据的唯一内容标识在请求记录表进行匹配，如匹配成功，则将相应数据存入内容缓存表；最后，数据缓存模块将相应数据按照目的地址向外转发。
一种网络设备数据处理***，包括：流量识别模块、数据缓存模块、转发与数据获取模块、内容缓存表以及请求记录表；其中：
流量识别模块，用于对输入的流量进行识别，确定对应的分组类别；
若为请求分组，则转发与数据获取模块，提取出流量中数据的唯一内容标识，并在内容缓存表中进行匹配；如匹配成功，则从内容缓存表取出相应的数据，构造一个或者一系列响应分组，并发送给请求分组的发送方；如匹配失败，则将数据的唯一内容标识添加到请求记录表中；
若为数据分组，则送入数据缓存模块，并由数据缓存模块将流量中数据的唯一内容标识在请求记录表进行匹配，如匹配成功，则将相应数据存入内容缓存表；最后，数据缓存模块将相应数据按照目的地址向外转发。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，对流量进行分析识别，可以将分类为请求分组和数据分组，通过对数据分组进行缓存，可以实现重复请求到达时从缓存取得对应内容数据，从而减少网络传输，提高网络资源利用率的目的，并且不用修改网络协议和客户端软件，对于用户透明；此外，相较于现有方案而言还可以节约大量成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种网络设备数据处理方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种网络设备数据处理***的整体框示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
传统的网络多媒体文件分发需要用户与服务器建立连接才能传输，这是导致大量重复流量占用带宽的根源，而无连接的新一代NDN网络的推行又面临重重阻力。考虑到目前互联网中重复内容传输的根本原因是数据流是根据五元组来标识的，其中没有内容信息，如果在网络节点上能获得内容信息，则可以利用节点的缓存能力来消除冗余内容的传输。因此，在新一代智能网络设备(智能交换机)的基础上，本发明提出一种基于流量识别和网内缓存的网络设备数据处理方法，该方法在每一个网络设备内部执行，如图1所示，其主要包括如下步骤：
步骤1、对输入的流量进行识别，确定对应的分组类别。
本领域技术人员可以理解，流量指经过网络设备的所有分组，数据指一个分组要传输或者请求的内容(图片、音频、视频)，也就是说，数据属于流量的一部分。
本发明实施例中，可以采用深度包检测(DPI)技术或者基于机器学习的流量识别技术，识别流量的分组类别。
如果是用于请求特定的数据，则视为请求分组；例如HTTP协议中客户端向服务器发出的对某个URL(统一资源定位符)的请求。
如果是对于某个请求的响应数据(之一)，则视为数据分组，数据分组是承载文件与媒体数据的分组；例如服务器的响应报文。
除了上述两种分组之外的均视为其他分组；对于其他分组，按照传统方式处理，即直接按照目的地址向外转发。
步骤2、若为请求分组，则从流量中提取出数据的唯一内容标识，并在内容缓存表中进行匹配；如匹配成功，则从内容缓存表取出相应的数据，构造一个或者一系列响应分组，并发送给请求分组的发送方；如匹配失败，则将数据的唯一内容标识添加到请求记录表中。
内容缓存表是缓存经过网络节点的文件和媒体数据的数据结构。数据缓存模块会将需要缓存的数据送到内容缓存表，以便在需要时从内容缓存表中提取需要的数据来构造响应分组，内容缓存表中存储有若干数据以及相应数据的唯一内容标识。
通过对请求分组进行解析，可以提取出唯一内容标识，例如，URL或者相应的哈希值。
将提取出唯一内容标识在进行匹配，如果匹配成功，则说明内容缓存表中缓存有相应数据，此时构造一个或者一系列响应分组，并发送给请求分组的发送方，即发送回源地址。如果匹配失败，则说明内容缓存表中未缓存相应数据，此时，将数据的唯一内容标识添加到请求记录表中，同时根据请求分组的目的地址将请求分组转发。一方面保证网络设备的基本功能，另一方面以备对应的数据分组经过网络设备时进行保存(步骤3中会进行介绍)。
步骤3、若为数据分组，则送入数据缓存模块，并由数据缓存模块将流量中数据的唯一内容标识在请求记录表进行匹配，如匹配成功，则将相应数据存入内容缓存表；最后，数据缓存模块将相应数据按照目的地址向外转发。
请求记录表中主要记录而内容缓存表没有匹配到的请求分组，请求记录表的主要内容就是被请求的数据的唯一内容标识。
数据缓存模块，同样会解析数据分组，并提取出数据中的唯一内容标识，然后，在请求记录表进行匹配。如匹配成功，说明对应数据的请求曾经网络设备，对应的数据请求再次经过交换机的概率较大，所以将提取出数据分组中的数据，保存在内容缓存表中。如果不能匹配，则不做行动。最后，根据数据分组的目标地址将该分组转发，以保证网络设备的正常功能。没有将数据分组都保存在内容缓存表中中，是为了节省不必要的缓存写入开销。
本领域技术人员可以理解，所述网络设备可以是智能网络设备，例如，新华三、华为等为代表的网络设备提供商推出具有计算能力和缓存空间的智能网络设备。
本发明提出了一种网络设备数据处理方法，通过自动的检测、缓存和提前响应，可以在无需其他算法配合的情况下透明、自动地优化网络负载。本发明可以优化目前网络中大量重复数据传输的问题，同时避免了额外的专用硬件(例如部署在网络边缘的服务器)开销，也无需复杂的负载均衡算法，因为本发明本身就能够减轻网络负载，此外，本发明也不需要服务器端和客户端的软件算法配合，无需CDN那样需要一个调控中心，也无需人工配置数据镜像，这一切都在网络设备上完成，对于服务器端和客户端都是透明的。对于能检测出来的数据流量和请求流量，会自动地缓存，对重复的数据请求会自动地通过缓存来加速，对于所有其他流量则像正常的交换机一样转发，因此本发明对于现有的网络软件硬件具有良好的兼容性。
本发明另一实施例还提供一种网络设备数据处理***，如图2所示，其主要包括：流量识别模块(Traffic Identification，TI)、数据缓存模块(Data Cache，DC)、转发与数据获取模块(Forwarding and Data Acquisition，FDA)、内容缓存表(CacheTable，CT)以及请求记录表(pendingrequest table，PRT)；其中：
流量识别模块，用于对输入的流量进行识别，确定对应的分组类别；
若为请求分组，则转发与数据获取模块，提取出流量中数据的唯一内容标识，并在内容缓存表中进行匹配；如匹配成功，则从内容缓存表取出相应的数据，构造一个或者一系列响应分组，并发送给请求分组的发送方；如匹配失败，则将数据的唯一内容标识添加到请求记录表中；
若为数据分组，则送入数据缓存模块，并由数据缓存模块将流量中数据的唯一内容标识在请求记录表进行匹配，如匹配成功，则将相应数据存入内容缓存表；最后，数据缓存模块将相应数据按照目的地址向外转发。
本发明实施例中，采用深度包检测技术或者基于机器学习的流量识别技术，识别流量的分组类别。
本发明实施例中，如果是用于请求特定的数据，则视为请求分组；如果是对于某个请求的响应数据，则视为数据分组，数据分组是承载文件与媒体的分组；除了上述两种分组之外的均视为其他分组；对于其他分组，直接按照目的地址向外转发。
本发明实施例中，所述内容缓存表中存储有若干数据以及相应数据的唯一内容标识。
本发明实施例中，所述唯一内容标识为统一资源定位符或者相应的哈希值。
本发明实施例中，上述***设置在每一个网络设备内部。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将***的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
下面结合本发明实施例上述方案，给出应用场景中的具体示例。
针对视频网站的视频分发问题，用户在与视频网站建立TCP连接后，点击需要看的视频时，用户浏览器向视频网站发起一个HTTP请求，请求的URL为该地址。该用户请求包经过网络设备时，首先由流量检测模块通过机器学习算法检测出该包属于HTTP请求，接着由FDA模块提取出该请求的URL，URL唯一定位了用户需要请求的视频。FDA用该URL来匹配内容缓存表中的缓存，假设该视频尚未缓存，则将该URL保存到PRT，并且按正常的目的地址将该请求包发送出去。当视频服务器对请求进行响应，响应的数据包经过智能交换机时，智能交换机能检测出其为一个HTTP响应包，送到数据缓存模块。数据缓存模块提取出该包的URL，并将此URL在PRT内搜索，发现匹配，则在正常转发该数据包的同时将其有效载荷缓存到CT。如此，CT就缓存了最近被请求过的数据。
当另一用户也登陆该视频网站，请求同一个视频时，其浏览器发送的HTTP请求经过智能网络设备，流量检测模块检测到该请求后，交给FDA，FDA将其URL送到CT检索，发现其请求的URL已经被缓存，于是可以根据其请求的目标IP地址、端口号等信息，代替目标服务器构造出响应报文，发送给客户端。这样，服务器的负担得到了减轻，客户端的响应时间也得到缩短，重复的数据传输也被避免了。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种网络设备数据处理方法，其特征在于，包括：
对输入的流量进行识别，确定对应的分组类别；
若为请求分组，则从流量中提取出数据的唯一内容标识，并在内容缓存表中进行匹配；如匹配成功，则从内容缓存表取出相应的数据，构造一个或者一系列响应分组，并发送给请求分组的发送方；如匹配失败，则将数据的唯一内容标识添加到请求记录表中；
若为数据分组，则送入数据缓存模块，并由数据缓存模块将流量中数据的唯一内容标识在请求记录表进行匹配，如匹配成功，则将相应数据存入内容缓存表；最后，数据缓存模块将相应数据按照目的地址向外转发。
2.根据权利要求1所述的一种网络设备数据处理方法，其特征在于，采用深度包检测技术或者基于机器学习的流量识别技术，识别流量的分组类别。
3.根据权利要求1或2所述的一种网络设备数据处理方法，其特征在于，
如果是用于请求特定的数据，则视为请求分组；
如果是对于某个请求的响应数据，则视为数据分组，数据分组是承载文件与媒体数据的分组；
除了上述两种分组之外的均视为其他分组；对于其他分组，直接按照目的地址向外转发。
4.根据权利要求1所述的一种网络设备数据处理方法，其特征在于，所述内容缓存表中存储有若干数据以及相应数据的唯一内容标识。
5.根据权利要求1所述的一种网络设备数据处理方法，其特征在于，所述唯一内容标识为统一资源定位符或者相应的哈希值。
6.一种网络设备数据处理***，其特征在于，包括：流量识别模块、数据缓存模块、转发与数据获取模块、内容缓存表以及请求记录表；其中：
流量识别模块，用于对输入的流量进行识别，确定对应的分组类别；
若为请求分组，则转发与数据获取模块，提取出流量中数据的唯一内容标识，并在内容缓存表中进行匹配；如匹配成功，则从内容缓存表取出相应的数据，构造一个或者一系列响应分组，并发送给请求分组的发送方；如匹配失败，则将数据的唯一内容标识添加到请求记录表中；
若为数据分组，则送入数据缓存模块，并由数据缓存模块将流量中数据的唯一内容标识在请求记录表进行匹配，如匹配成功，则将相应数据存入内容缓存表；最后，数据缓存模块将相应数据按照目的地址向外转发。
7.根据权利要求6所述的一种网络设备数据处理***，其特征在于，采用深度包检测技术或者基于机器学习的流量识别技术，识别流量的分组类别。
8.根据权利要求6或7所述的一种网络设备数据处理***，其特征在于，
如果是用于请求特定的数据，则视为请求分组；
如果是对于某个请求的响应数据，则视为数据分组，数据分组是承载文件与媒体的分组；
除了上述两种分组之外的均视为其他分组；对于其他分组，直接按照目的地址向外转发。
9.根据权利要求6所述的一种网络设备数据处理***，其特征在于，所述内容缓存表中存储有若干数据以及相应数据的唯一内容标识。
10.根据权利要求6所述的一种网络设备数据处理***，其特征在于，所述唯一内容标识为统一资源定位符或者相应的哈希值。
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