内容中心网络边缘节点势能增强路由方法技术

本发明专利技术涉及一种内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，属于互联网领域。针对内容中心网络无法感知缓存内容导致路由效率低的问题，提出了一种基于势能的ENPER，建立了节点的势能模型，并通过增强边缘节点的势能，将兴趣包吸引到就近缓存节点进行响应，以达到减少兴趣包的转发时间，提高缓存命中率的目的；此外，ENPER通过边缘节点统计并预测内容的流行度，结合网络的大小，区分不同流行度内容的势能通告范围，以达到降低网络开销的目的。本发明专利技术有效地降低了发布者服务器的负载和缓存通告开销，内容的平均请求时延比Best‑routing减少了43％。

Potential energy enhancement routing method for content center network edge nodes

【技术实现步骤摘要】
内容中心网络边缘节点势能增强路由方法
本专利技术属于互联网领域，涉及一种内容中心网络边缘节点势能增强路由方法。
技术介绍
根据CiscoVNI的预测报告，2021年视频类应用产生的流量将约占网络总流量的82％。视频内容的大量复制传播的需求带来了内容分发网络(ContentDeliveryNetworking,CDN)和对等网络(EertoPeer,P2P)的流行和商用。这二者均提高了用户访问内容的速度，但CDN通过DNS重定向方式将用户请求转发到网络的边缘服务器，其内容存放地点受限；P2P对每个内容生成一个跟踪器，其交付有效性低。由于二者均无法摆脱基于IP地址的端到端转发模式，造成了诸如DDoS攻击等安全事故。因此，研究者们提出了一种全新的未来网络架构——信息中心网络(InformationCentricNetworking,ICN)，从根本上解决当前面向连接的互联网模式与快速增长的流量需求之间的冲突。ICN通过内容的名字而不是分配的IP地址进行标识，因此用户发出的请求只需关注内容的本身，而不关注内容存储的位置。典型的ICN架构有DONA、PURSUIT、CCN、COMET、PSIRP，其中CCN(ContentCentricNetworking)被认为是最有前途的方案之一。CCN架构采用了类似URL的命名的方式，提供端到内容的服务，并且支持扩展路由节点的功能，使得路由器不仅具有传统的转发功能，还具有一定存储的能力，其目的是通过“存储换带宽”的方式降低数据包在网络中的传输时间，实现比CDN更加灵活的分布式缓存网。然而，在传统的CCN路由机制中，这种“分布式缓存”的优势并未得到很好的发挥，这是因为传统的路由机制只能实现兴趣包向发布者进行路由，而路径外的大量就近缓存无法感知利用，导致了大量带宽资源的浪费。因此，需要设计出一种高效可靠的缓存感知的路由机制来充分发挥CCN的缓存优势。对于CCN的缓存感知的机制，主要解决的问题可以归结为两点：1)如何发现缓存内容；2)如何朝着最近的一个内容源转发兴趣包。现有缓存感知路由机制可分为两类，一类是请求者主动发布报文探测缓存内容的位置：现有文献提出一种邻居缓存探测的路由机制(NeighborCacheExploreRouting,NCE)，该方案利用分布式蚁群算法计算最短路径，可实现局部缓存的感知。但该方案并未明确指出探测的深度，当网络范围增大时，可能造成开销过大。另一类是由缓存节点向周围发布已经缓存的内容信息，请求者被动接收后进行综合判断，再选出最优路径：文献提出了一种基于势能的路由机制(CacheAwareTargetIdentification,CATT)，该方案对于稳定的发布者节点构建永久势场(PermanetPotentialField,PPF)，采用类似于传统CCN的洪泛通知方式实现；对易变的缓存节点构建易变势场(volatilepotentialfield,VPF)，采用固定跳数的通告邻居节点内容的势能，兴趣包依据收到的最小势能确定下一跳的转发端口从而获取最近的内容。但该方案并未区分缓存节点和发布者节点的服务器性能，造成兴趣包并未选择最近的缓存节点路由，内容的请求时延大；同时CATT将缓存的所有内容以相同的跳数向周围节点进行通告，造成巨大的带宽开销。由于CCN路由器的主要功能仍然是快速转发数据包，因此需要考虑路由器缓存功能的有限性。另外，在多数真实场景下，位于网络核心及中间的路由器不会产生内容请求，兴趣包均来自靠近网络边缘的用户，因此也需要考虑利用网络边缘的缓存，将兴趣包尽可能的吸引到就近的缓存节点，提高内容的响应速度。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，提出了一种边缘节点势能增强的路由机制。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，该方法包括以下步骤：S1：兴趣包达到缓存节点；S2：服务器根据收到的兴趣包发送相应数据包，并沿原路返回；S3：建立边缘节点增强路由机制(EdgeNodePotential-enhancedRouting,ENPER)势能模型；S4：利用缓存节点内容通告机制将势能扩散出去。进一步，所述S1具体为：当兴趣包到达某个节点时，将根据内容中心网络(ContentCentricNetworking,CCN)的路由特点查询内容存储表(ContentStore,CS)；如果匹配到相关条目，则直接返回数据包；如果没有匹配到相关条目，则查询待定兴趣表(PendingInterestTable,PIT)；如果在PIT中查询到之前已有兴趣包请求该内容，则将请求端口添加到PIT条目中，并等待数据包的返回；如果PIT中没查询到相应匹配项，则在PIT中添加请求条目，兴趣包查找转发信息表(ForwardingInformationBase,FIB)中具有最小的势能值的转发接口进行转发；如果此时在FIB中也查询不到，则丢弃兴趣包；进一步，所述S2具体为：发布者服务器收到兴趣包后，发送相应数据包并沿原路返回；每经过一跳，检查PIT，如果PIT中存在多个端口，则复制数据包发送给多个请求者；然后将数据包存储在CS中，并建立自治域内的节点势场。进一步，所述S3具体为：将网络抽象成无向图，当产生一个新的内容k时，将网络中的所有节点分成内容发布者节点np、缓存节点nc和无内容缓存的节点ni，得到叠加势能；S表示缓存内容k的节点集合：缓存节点的势能参数其中，的取值范围在0到1之间；L为路由器负载的大小，当兴趣包的请求量过大、路由器无法满足请求时，L减小，参数值降低；为任意缓存节点到发布者的跳数，为边缘缓存节点到发布者服务器np之间的跳数；越靠近网络边缘的缓存，值越接近1，势能的绝对值越大；越靠近发布者的缓存，值越接近于0，势能的绝对值越小。进一步，所述发布者节点np的势能计算方法为：将发布者服务器设置为长期稳定的负点电荷，形成自治域内的全网势场；所述全网势场在内容未发生变化时，保持稳定状态；网络中任意节点ni受到发布者np的吸引力为根据两者之间的跳数、时延或链路带宽进行计算：其中，为发布者生产内容的质量，为节点ni到发布者节点np之间的最小跳数；n是符号，当为np时，势能的计算公式为当为ni时，势能的计算公式为随着跳数的增加，越远离发布者的节点ni受到的势能吸引力越小，即越小。进一步，所述缓存节点nc的势能计算方法为：设置α为缓存节点nc的内容质量比例系数：其中，为发布者生产内容的质量，为节点ni到发布者np之间的最小跳数，α为0.1到0.3之间的常数。进一步，所述叠加势能计算方法为：其中，为发布者生产内容的质量，为节点ni到发布者节点np之间的最小跳数，α为0.1到0.3之间的常数。进一步，所述S4具体为：CCN网络的内容流行度根据内容的请求次数进行计算，假设一个k内容在请求节点ni上某个时间段T内收到的兴趣包请求次数为定义该内容的流行度为：其中，K表示该缓存节点的内容种类，表示在T时间段内到达ni的总共请求的次数；采用简单的预测机制对流行度进行修正，σ为预测权重：PT+1(k)＝σPT(k)+(1-σ)PT-1(k)当第一次请求k内容时，边缘节点将收集下游的请求总次数，并在向上本文档来自技高网...

【技术保护点】
内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：兴趣包达到缓存节点；S2：服务器根据收到的兴趣包发送相应数据包，并沿原路返回；S3：建立边缘节点增强路由机制(Edge Node Potential‑enhanced Routing,ENPER)势能模型；S4：利用缓存节点内容通告机制将势能扩散出去。

【技术特征摘要】
1.内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：兴趣包达到缓存节点；S2：服务器根据收到的兴趣包发送相应数据包，并沿原路返回；S3：建立边缘节点增强路由机制(EdgeNodePotential-enhancedRouting,ENPER)势能模型；S4：利用缓存节点内容通告机制将势能扩散出去。2.如权利要求1所述的内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，其特征在于：所述S1具体为：当兴趣包到达某个节点时，将根据内容中心网络(ContentCentricNetworking,CCN)的路由特点查询内容存储表(ContentStore,CS)；如果匹配到相关条目，则直接返回数据包；如果没有匹配到相关条目，则查询待定兴趣表(PendingInterestTable,PIT)；如果在PIT中查询到之前已有兴趣包请求该内容，则将请求端口添加到PIT条目中，并等待数据包的返回；如果PIT中没查询到相应匹配项，则在PIT中添加请求条目，兴趣包查找转发信息表(ForwardingInformationBase,FIB)中具有最小的势能值的转发接口进行转发；如果此时在FIB中也查询不到，则丢弃兴趣包。3.如权利要求1所述的内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，其特征在于：所述S2具体为：发布者服务器收到兴趣包后，发送相应数据包并沿原路返回；每经过一跳，检查PIT，如果PIT中存在多个端口，则复制数据包发送给多个请求者；然后将数据包存储在CS中，并建立自治域内的节点势场。4.如权利要求1所述的内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，其特征在于：所述S3具体为：将网络抽象成无向图，当产生一个新的内容k时，将网络中的所有节点分成内容发布者节点np、缓存节点nc和无内容缓存的节点ni，得到叠加势能；S表示缓存内容k的节点集合：缓存节点的势能参数其中，的取值范围在0到1之间；L为路由器负载的大小，当兴趣包的请求量过大、路由器无法满足请求时，L减小，参数值降低；为任意缓存节点到发布者的跳数，为边缘缓存节点到发布者服务器np之间的跳数；越靠近网络边缘的缓存，值越接近1，势能的绝对值越大；越靠近发布者的缓存，值越接近于0，势能的绝对值越小。5.如权利要求4所述的内容中心网络边缘节点势能增强路由方法，其特征在于：所述发布者节点np的势能计算方法为：将发布者服务器设置为长期稳定的负点电荷，形成自治域内的全网势场；所述全网势场在内容未发...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡岳平，樊欣唯，邱娅，谭兵，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50