WO2014187123A1

WO2014187123A1 - 一种基于网络编码的自适应dns区文件传输方法和***

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Publication number: WO2014187123A1
Application number: PCT/CN2013/089845
Authority: WO
Inventors: 邓光青; 王胜开; 孔宁; 沈烁
Original assignee: 中国科学院计算机网络信息中心
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-11-27
Also published as: CN103259865A

Abstract

本发明涉及一种基于网络编码的自适应DNS区文件传输方法和***，在现有DNS主服务器上增加四个模块：链路状况监测模块、区文件切分模块、编码系数生成模块、区文件重编码模块；在DNS从服务器上增加一个模块：区文件译码模块，传输方法：1）在DNS主服务器上将原DNS区文件切分成多个文件子数据块，对主从服务器之间的链路状况进行实时检测得到检测指标数据；2）在有限域上对文件子块进行编码，选择编码系数构造生成 M×N编码系数矩阵；3）根据检测指标数据对编码系数矩阵随机抽取P行，得到P×N矩阵，N≤P≤M； 4）编码后的P个数据块附加编码系数并传输给DNS从服务器；从服务器接收到N个不同数据块后，根据对区文件进行译码得到完整传递的区文件。

Description

一种基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法和***

技术领域

本发明涉及一种 DNS区文件传输方法，特别涉及一种基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法和***，属于 DNS***传输领域。背景技术

DNS***是最重要的互联网基础设施之一，它由权威服务器、递归服务器以及客户端组成，权威服务器负责存储区文件，供递归服务器和客户端查询，是 DNS信息的源头。递归服务器负责接收客户端（解析器）发送的请求，然后通过向各级权威服务器发出查询请求，以获得用户需要的查询结果，最后返回给客户端的解析器。客户端可以直接向权威服务器请求资源记录，但一般通过递归服务器来查询各类资源记录，以提高响应速度。为提高服务的可扩展性与可靠性，一个区一般会部署多个权威服务器，这就涉及到多个权威服务器之间的区文件同步和更新问题。在众多的权威服务器中，有一个为主服务器，其余为从服务器，主权威服务器根据用户在注册域名时提交的信息来生成区文件，并周期性地将新生成的区文件发送给从权威服务器。

在现有技术中，为保证区文件传输的可靠性，从服务器首先与主服务器建立 TCP连接，然后从主服务器处下载最新的区文件。对于像 " .cn"、 " .中国"这样的顶级域来说，来自国外的查询次数已超过国内的查询次数，为提高国外用户的查询体验（即减小查询时延），一般会在国外部署从服务器，以使从服务器更加靠近用户（包括解析服务器和客户端），从而减小用户查询时延。这就涉及到主服务器与国外从服务器之间的区文件同步问题。

然而，国际链路的状况一般较差，主要体现在链路的时延长、丢包率高、网络扰动大等。这使得主服务器与国外从服务器之间的 TCP连接不太稳定，区文件许多时候存在反复重传的现象。

具体来说，现有的区文件同步机制存在以下主要缺点：

( 1 ) 由于主服务器与国外从服务器之间的链路状况很差，因此导致 TCP传输的重传率很高，即发送端（主服务器）需反复向接收端（从服务器）发送同一个数据片段，导致链路利用率很低；

(2)一旦某次 TCP传输失败，则在进行下一次 TCP传输时，接收端在上次 TCP传输中已收到的数据将被丢弃，发送端需重新发送区文件；

(3) 由于链路状况以及 TCP传输机制的特点，导致区文件传输的时间很长，影响了从服务器区文件的及时传输，给 DNS***的安全运行带来隐患 < 发明内容

本发目的在于：

( 1 ) 减小 DNS区文件传输的粒度，防止 TCP传输失败时大段数据被丢弃；

( 2 )基于网络编码的基本原理，设计高容错性的 DNS区文件传输机制，避免因链路状况差而导致的区文件重传；

( 3 ) 提高 DNS区文件一次传输成功率，减少区文件传输时延。

基于上述目的，本发明提出基于网络编码的基本原理对 DNS区文件进行编码，并根据 DNS 主服务器与从服务器之间的网络拥塞程度，自适应地调整编码系数，以便尽可能提高 DNS区文件传输成功率，减小区文件传输时延。

本发明需在现有 DNS主服务器上增加四个模块：链路状况监测模块、区文件切分模块、编码系数生成模块、区文件重编码模块；在 DNS从服务器上增加一个模块：区文件译码模块。

本发明的核心思想是：利用网络编码的特性，通过增加冗余信息来提高区文件传输的一次成功率，避免在区文件传输过程中因链路状况不好而导致反复重传。

本发明的主要步骤包括：

1 )在 DNS主服务器上将原始 DNS区文件切分成多个文件子数据块，对主从服务器之间的链路状况进行实时检测得到检测指标数据；

2 )在有限域中对所述文件子数据块进行编码，选择编码系数构造生成 M x N编码系数矩阵；

3 ) 根据所述检测指标数据对所述编码系数矩阵随机抽取 P行，得到 Px N矩阵， N≤P≤M；

4 )编码后的 ^个数据块附加编码系数并传输给 DNS从服务器；所述从服务器接收到个不同数据块后，对所接收到的子数据块进行译码得到原始 DNS区文件。

更进一步，所述检测的指标数据包括但不限于丢包率、往返时延。

更进一步，构造的 ^M 编码系数矩阵的构造方法包括但不限于如下方法：

有限域中任何能满足行向量线性无关的^ >< ^矩阵皆可视为编码系数矩阵。更进一步， PxN矩阵构造方法如下: "21

其中，式中秩为 N，其中 P的大小由链路状况监测模块提供的丢包率与往返时延数据等决定。

更进一步，若链路状况好于一设定阀值，则 ^值较小或 P值可为 N，若链路状况差于一设定阀值，则 P值较大或 P值可为 M。

更进一步，对所述 PxN编码方法为：

1) 设区文件切分模块生成了 N个文件子块，记该 N个文件子块组成的向量为： - h]- 2) 启动编码，编码过程如下：

其中，为原始数据的分块，即文件子块，； _C1,_C2,...,_CP为运算后的数据；

3 ) 编码后的数据块变为 P 块，其中 N≤P≤M ，且编码后数据块

C_; & ₂ +〜 + (¾v * w ，编码系数为"! _Ί, <½,…， <¾v ° 更进一步，所述编码后数据块 ς.需将其编码系数 , ¾v附在其数据的头部、尾部或其它指定位置发送给 DNS从服务器。

更进一步，设区文件译码模块接收到的 N个文件子块为： c ... c ], 则这 N个文件子块的编码系数构成的矩阵为：

— —

所述 N个文件子块的编码系数构成的矩阵的逆矩阵: "

原始数据块 i b₂ ... 可由下述方法获得:

将得到的文件子块 b₂ ... 进行合并后，得到原始 DNS区文件。本发明还提出一种基于网络编码的自适应 DNS区文件传输***，其特征在于，包括一 DNS 主服务器，和多个 DNS从服务器，所述 DNS主服务器上加载链路状况监测模块、区文件切分模块、编码系数生成模块以及区文件重编码模块，所述在 DNS从服务器上增加区文件译码模块；

( 1 ) 链路状况监测模块：实时检测主从服务器之间的链路状况，检测的指标包括但不限于丢包率（可参见 S. Kal idindi, M. Zekauskas, etc. A One-way Packet Loss Metric for IPPM. IETF RFC 2680. ) 往返时延（可参见 S. Kal idindi, M. Zekauskas, etc. A Round-trip Delay Metric for IPPM. IETF RFC 2681. ) 等。

( 2 )编码系数生成模块：根据链路状况监测模块提供的数据，选择合适的编码系数，编码系数的作用是与待传输的数据进行运算得到新数据。本发明所涉及的编码系数其实是一个有限域上的矩阵，这个矩阵的特点是：矩阵的各行是线性无关的。

( 3 ) 区文件切分模块：将原始 DNS区文件切分成若干个文件子块，每个文件子块的大小可为 1兆字节，以减小文件传输的粒度，提高传输的成功率。

具体的切分方法如下：设区文件切分模块将原始 DNS区文件切分成 N个文件子块，则编码系数生成模块首先产生一个^ >< ^的编码系数矩阵，其中 M > N。该编码系数矩阵的特征是：矩阵是基于有限域（即伽罗华域）的，（具体可参见陈志江，董文，贾中云. 伽罗瓦域运算的软件实现. 杭州师范大学学报 (自然科学版) . 2011， 10 (5) : 466-469。) 也就是说，矩阵的所有系数都取自伽罗华域，建议选 GF(2 ); 矩阵的秩为 N ; 从该矩阵中任取 N行构成的新的 NxN矩阵的秩亦为 N，也就是说，从 MxN的编码系数矩阵任取的 N行都是线性无关的。具备该特性的以下这种构造方法：

上式中， Μ、 Ν为矩阵的行数和列数， ^表示的1次幂； ί^-¹表示 _fl N次幂数 ¾均来自有限域， _ai≠_aj,if i≠ j。如无特殊说明，下面所涉各运算均为有限域上的运算，以减少计算量。根据范德蒙不等式（具体可参见黄朝霞. 范德蒙德行列式的推广. 集美大学学报 (自然科学版）， 2008, 13(1) :88-91) 的性质，可以轻易证明：从上述 M x N矩阵中任取 N行构成的新的 NxN矩阵的秩亦为 N，即从上述 MxN矩阵中任取的 N行向量是线性无关的。

(4)编码系数生成模块：根据链路状况监测模块提供的丢包率与往返时延数据，从 MxN 的编码系数矩阵中随机抽取行，随机抽取的的行数与链路状况相关，构成一个新的 PxN的矩阵，其中 N≤尸≤M。尸 xN

fl_u表示行数为 1，列数为 1的子块， α_1Λί表示行数为 1，列数为 Ν的子块。根据上述讨论，矩阵的秩为 N，其中 P的大小由链路状况监测模块提供的丢包率与往返时延数据决定。如果链路状况较好，则 ⁵的值较小，反之则较大；如果链路状况很好，则 ^的值可为 N，反之，如果链路状况非常差，则 ⁵的值可为。

设区文件切分模块生成了 N个文件子块，记这 N个文件子块组成的向量为：

[ … (3) 接下来，区文件重编码

为原始数据的分块，即文件子块，； , ^为运算后的数据 _c 编码后的数据块变为块，其中 N≤P≤M。且称系数 , a_i2, ... , «^为编码后数据块 c,的编码系数。编码后每个数据块需附加其编码系数，并传输给 DNS从服务器。例如，数据块 c,需将其编码系数 . , 附在其数据的头部、尾部或其它指定位置发送给 DNS从服务器。

(5)区文件重编码模块：将上述编码后的 ⁵个数据块依次或同时发送给 DNS从服务器， DNS从服务器的区文件译码模块负责接收来自 DNS主服务器区文件重编码模块发送的数据块。 DNS从服务器的区文件译码模块无需将 DNS主服务器发送的全部 P个数据块都接收后再译码，只要 DNS从服务器的区文件译码模块接收到了 W个不同的数据块，就可以启动译码，并恢复出原始信息 ¾ K … ]。也就是说，即使在传输过程中丢失了多达 0 - Λ 个的数据块， DNS从服务器的区文件译码模块依旧能恢复出原始信息，而无需反复重传，从而可以减少传输时延，提高 DNS区文件的传输成功率。

DNS从服务器的区文件译码模块的译码流程如下所述：设区文件译码模块接收到的 N个文件子块为：

' ] (6) 设这 N个文件子块的编码系数构成的矩阵为：

a a a

C (7) a

即

为了解码，区文件译码模块首先求矩阵 (7)的逆矩阵:

C (9)

那么，原始数据块 b₂ ... b_w ]可由下述方法获得:

区文件译码模块将得到的文件子块 b₂ ... b_w ]进行合并后，即可得到原始 DNS区文件。

本发明的有益效果

( 1 ) 以较小的粒度传输 DNS区文件，有效避免了 TCP连接中断后造成的大量数据被丢弃的现象；

(2)避免了主从 DNS服务器之间链路状况较差时（尤其是国际链路）造成的反复重传；

(3) 缩短了主从 DNS服务器之间区文件传输的时延。附图说明

图 1是本发明一种基于网络编码的自适应 DNS区文件传输***示意图。具体实施方式

下面将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，可以理解的是，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。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。

现举例说明如下：

如图 1所示是本发明一种基于网络编码的自适应 DNS区文件传输***示意图。

假设选定的有限域为 GF(2 )，即该有限域中只有 0~7这八个数；此外，下述运算皆为有限域上的运算。假设原始 DNS区文件包含的数据为： β = [0,3, 2,1, 6,7,5,3,7]，共 9个数。 DNS 区文件被切分成 3块（即 Ν=3)，这样就构成了一个矩阵 Β，如下所示： 0 3 2

1 6 7 (Π)

5 6 7

下面构造一个有限域 GF(2^A3)上的 6x3矩阵（即 M=6， N=3)，如下所示:

假设主从 DNS服务器之间的网络状况较差，则从上述矩阵中随机挑出 5行（即 P=5)，得到个 5x3的矩阵 P，如下所示：

1 0 0

1 1 1

1 2 4 (13)

1 3 5

1 5 7

区文件重编码模块将编码系数矩阵 (13)与原始数据 (11)相乘，得到编码后的码字 C，即 C = P*B , 如下所示：

然后，区文件重编码模块将编码得到的码字 [0，3，2； 4,3,2; 0,1,6; 4,1,6; 3,4,7]与对应的编码系数发往 DNS从服务器。由于 DNS主从服务器之间的链路状况很差，导致大量的丢包，区文件重编码模块发往 DNS从服务器的 5组码字丢失了 2组，丢包率高达 67%。最终， DNS从服务器收到了 5组码字中的 3组，假设为：

0 3 2

0 1 6 (15)

3 4 7

此时， DNS从服务器依然可从上述 3组码字中恢复出原始信息，由于每组码字会将其对应的编码系数发送给 DNS从服务器，即码字 [0,3,2]会将其对应的编码系数 [1,0,0]、码字 [0,1,6] 会将其对应的编码系数 [1，2，4]、码字 [3,4,7]会将其对应的编码系数 [1，5，7]发送给 DNS 从服务器。这样， DNS从服务器在收到编码码字的同时会收到对应的编码系数矩阵，如下所示:

1 0 0

1 2 4 (16)

1 5 7

此时， DNS从服务器根据下述方法来恢复原始信息:

首先求式 (16)的逆矩阵，所得逆矩阵如下所示：

1 0 0

7 1 6 (17)

1 2 3

而后 DNS从服务器将式 (17)与接收到的码字矩阵 (15)相乘，即可恢复出原始信息。设式 (17) 与 (15)相乘的结果为 D，贝 I :

由式（18 )可以看出， D与原始信息，即式 (11)是完全一样的。也就是说， DNS从服务器在丢包率高达 67%的条件下，依然能恢复出原始信息。这样就避免了反复重传，提高了区文件传输时延。

Claims

权利要求书

1.一种基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法，其步骤包括：

2 ) 在有限域中对所述文件子数据块进行编码，选择编码系数构造生成 M x N编码系数矩阵；

3 )根据所述检测指标数据对所述编码系数矩阵随机抽取 P行，得到 Px N矩阵， N≤P≤M

4)编码后的 ^个数据块附加编码系数并传输给 DNS从服务器；所述从服务器接收到个不同数据块后，对所接收到的子数据块进行译码得到原始 DNS区文件。

2.如权利要求 1所述的基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法，其特征在于，所述检测的指标数据包括丢包率、往返时延。

3.如权利要求 1 所述的基于网络编码的自适应 DNS 区文件传输方法，其特征在于，构造的 ^M 编码系数矩阵的构造方法如下：

1 ,, ,. .α 」

上式中 Μ、 Ν为矩阵的行数和列数，数^^，…，均来自有限域， _ai≠a_pif i≠ j。

4.如权利要求 1所述的基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法，其特征在于，所述 P x N 矩阵构造方法如下：

其中，式中秩为 N，其中 P的大小由链路状况监测模块提供的丢包率与往返时延数据决定。

5.如权利要求 4所述的基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法，其特征在于，若链路状况值小于一设定阀值，则 ⁵值较小或 ⁵值可为 N，若链路状况值大于一设定阀值，则 ⁵值较大或值可为 M。

6. 如权利要求 1所述的基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法，其特征在于，对所述区文件的编码方法为： 1) 设区文件切分模块生成了 N个文件子块，

[

2) 启动编码，编码过程如下

其中，为原始数据的分块，即文件子块； _Cl,c₂,...,_Cp为运算后的数据；

3 ) 编码后的数据块变为 P 块，其中 N≤P≤M ，且编码后数据块 c_; = α_Ά *^+ a_i2 *b₂+... + a_iN *b_N ，编码系数为" _!Ί， <¾，…， °

7. 如权利要求 6所述的基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法，其特征在于，所述编码后数据块需将其编码系数 a_i2, ... , a_iN附在其数据的头部、尾部或其它指定位置发送给 DNS 从服务器。

8.如权利要求 1所述的基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法，其特征在于，设区文件译码模块接收到的 W个文件子块为： c ... c'_N], 则这 N个文件子块的编码系数构成的矩阵为：

所述 N个文件子块的编码系数 :

原始数据块 b₂ ... 可由下述方法获得:

将得到的文件子块 b₂ ... 进行合并后，得到原始 DNS区文件。

9.如权利要求 1所述的基于网络编码的自适应 DNS区文件传输方法，其特征在于，所述有限域包括 GF (2 -8)。

10.—种基于网络编码的自适应 DNS区文件传输***，其特征在于，包括一个 DNS主服务器，和多个 DNS从服务器，所述 DNS主服务器上加载链路状况监测模块、区文件切分模块、编码系数生成模块以及区文件重编码模块，所述在 DNS从服务器上增加区文件译码模块；

所述载链路状况监测模块，实时检测主从服务器之间的链路状况数据，检测的指标包括丢包率、往返时延；检测得到的链路状况数据进入区文件切分模块和编码系数生成模块；所述区文件切分模块，将原始 DNS区文件切分成若干个文件子块；

所述编码系数生成模块，将编码后每个数据块附加其编码系数，并传输给 DNS从服务器; 所述区文件重编码模块，将编码后的数据块依次或同时发送给 DNS从服务器， DNS从服务器的区文件译码模块负责接收来自 DNS主服务器区文件重编码模块发送的数据块；

所述译码模块，接收从 DNS主服务器的区文件重编码模块传输的编码数据，并对所述编码数据进行译码。