基于位置信息和内容推送的命名数据网络综合路由方法技术

本发明专利技术涉及基于位置信息和内容推送的命名数据网络综合路由方法，属于计算机网络路由优化技术领域。包括设置网络管理服务器、确定各个结点的链路状态并启动链路状态定时器、建立NDN全网拓扑结构图并启动网络拓扑定时器、建立网络拓扑应用记录表、建立全网数据名称和内容源名称匹配列表并启动统计间隔定时器、用户发送位置请求兴趣包及网络管理服务器回复位置数据包、用户计算转发路径并发送数据请求兴趣包及内容源回复内容数据包、网络管理服务器评估数据流行度及内容源推送数据名称补充NDN结点的FIB表、定期检测链路状态更新网络拓扑和推送高流行度数据名称。本方法复杂度较低、带宽开销较小，可实现快速建立FIB表和高效转发兴趣包。

Integrated Routing Method for Named Data Networks Based on Location Information and Content Push

【技术实现步骤摘要】
基于位置信息和内容推送的命名数据网络综合路由方法
本专利技术涉及一种基于位置信息和内容推送的命名数据网络综合路由方法，尤其涉及命名数据网络NDN(NamedDataNetworking)中一种基于位置信息和内容推送的综合路由方法，属于计算机网络路由优化

技术介绍
命名数据网络NDN是一种以命名数据为主要通信对象的网络体系，是信息中心网络的一种特例。在NDN中，通过对数据命名并根据数据包的名字信息进行通信，改变了目前网络基于IP地址的通信方式，实现了数据内容和主机地址的分离，其鲁棒性和扩展性相对于TCP/IP网络更优。NDN中的通信由内容请求者驱动，即内容请求者需要首先发送数据请求，内容发布者再根据数据请求将相应的数据回复给内容请求者。NDN中包含两种格式的包，分别是兴趣包(InterestPacket)和数据包(DataPacket)，其中兴趣包是用户即内容请求者为请求数据而发送的包含所需数据名字的请求包，数据包是内容源即内容发布者为响应兴趣包而回复的，包含用户所请求的数据的包，并且数据包和相应兴趣包的命名相同。由于NDN中的包不携带目的地址信息，所有包均被路由器以逐跳转发的方式进行处理。NDN中每个路由器包含三种表结构，分别是转发信息表FIB(ForwardingInformationBase)、待定请求表PIT(PendingInterestTable)和内容存储表CS(ContentStore)。FIB表记录的是相应名字的兴趣包可以被转发的“下游”(DownStream)接口集合，用来将兴趣包转发到匹配的下一接口，如果没有匹配接口，则这个兴趣包将被丢弃。PIT表存储的是已经被当前结点转发出去的兴趣包的名字及其对应的“上游”(UpStream)接口，便于收到数据包后，按照兴趣包转发的反向路径将数据包回复给内容请求者。CS中存储的是内容发布者发送而来的数据，在数据包的转发过程中，沿途路由器将数据包缓存在其CS中，则邻近用户可以直接从该路由器中获取数据，而无需发送兴趣包到内容发布者。由于NDN中的兴趣包不携带目的地址信息，即内容发布者的位置信息，NDN中兴趣包的转发是以逐跳转发的方式处理，即从内容请求者经多个路由器逐跳转发到达内容发布者。因此如何高效建立FIB表以转发兴趣包是NDN领域的研究热点。目前提出的路由方法包括：通过路由信息泛洪建立FIB表和基于辅助信息建立FIB表，其中泛洪路由根据发起对象的不同又分为内容发布者主动通告路由和内容请求者主动发起的按需路由。三种路由方法的通信流程分别描述为：(a)按需路由1.当用户需要内容时主动发起请求，兴趣包在NDN中泛洪扩散；2.找到内容源后，内容源发送数据包沿着兴趣包转发的反向路径逐跳返回用户。(b)主动通告路由1.内容源向NDN全网主动通告其持有数据，在各个结点中建立FIB表；2.用户请求数据时，发送兴趣包根据建立的FIB表逐跳转发到达内容源；3.内容源响应请求，按照兴趣包转发的反向路径把数据包回复给用户。(c)基于位置信息的路由1.内容源为每一个内容分配含有位置信息的键值，并向其周围结点通告绑定消息<名字，主机>；2.用户发起请求前，首先计算内容的键值，并通过底层协议找到某个含有绑定消息<名字，主机>的结点，并以单播方式获取内容源位置信息；3.请求者根据获取的内容源位置信息，采用单播方式取回数据。研究表明：泛洪路由的有效性和可达性比基于位置信息的路由更高，其中按需路由优于主动通告路由，但泛洪操作也带来了更高的带宽开销。基于位置信息的路由算法复杂，但可以有效降低通信开销。因此，对于将要承载多种业务的NDN网络，上述路由方法不能有效地实现带宽开销和算法复杂度的平衡，极大地限制了路由方法的适用性。因此，NDN中需要一种算法复杂度较低且带宽开销较小的路由方法，实现高效的FIB表建立和兴趣包转发，从而使NDN能够承载多种类型的业务，实现兴趣包高效转发和数据传输低时延。
技术实现思路
本专利技术的目的在于进一步降低NDN中路由方法的算法复杂度以及带宽开销，实现NDN中路由器FIB表的快速建立和兴趣包的高效转发，有效支持NDN中的多兴趣包转发业务，提出了基于位置信息和内容推送的命名数据网络综合路由方法。本专利技术的技术方案包括以下几部分：设置网络管理服务器、确定各个结点的链路状态并启动链路状态定时器、建立NDN全网拓扑结构图并启动网络拓扑定时器、建立网络拓扑应用记录表、建立全网数据名称和内容源名称匹配列表并启动统计间隔定时器、用户发送位置请求兴趣包以及网络管理服务器回复位置数据包、用户计算转发路径并发送数据请求兴趣包以及内容源回复内容数据包、网络管理服务器评估数据流行度以及内容源推送数据名称补充NDN结点的FIB表、定期检测链路状态更新网络拓扑和推送高流行度数据名称。所述命名数据网络综合路由方法，包括以下步骤：步骤1、设置网络管理服务器，具体包括如下子步骤：步骤1.1在NDN网络中心区域选定结点H，作为网络管理服务器；步骤1.2结点H向全网广播认证兴趣包，通告管理信息，所有收到认证兴趣包的结点在其FIB表中添加一条关于结点H的路由条目，所述路由条目的转发接口为收到认证兴趣包的接口；其中，接口是指硬件接口，即主机或路由器的对外接口，通过接口接入其他硬件设备；所述其他硬件设备是相对于本结点主机的硬件设备，即除本结点主机以外的硬件设备；所述步骤1.2用于保证NDN中所有除结点H以外的结点对结点H是可达的；步骤2、确定各个结点的链路状态并启动链路状态定时器，具体包括如下子步骤：步骤2.1NDN中每两个相邻结点互相向对方发送一次问候兴趣包；其中，相邻结点指的是NDN中任意两个通过一条链路直接相连的结点；问候兴趣包的内容是“本结点名字信息以及向本结点发送数据的路由代价”；所述步骤2.1用来确定NDN中相邻结点的名字及可达性；步骤2.2NDN中各个结点根据收到的所有问候兴趣包，记录本结点的所有相邻结点的名字信息以及对应链路的路由代价，形成各个结点的链路状态数据库；其中，链路状态是指“本结点及其相邻结点以及对应链路的路由代价”；步骤2.3在NDN各个结点中设置链路状态定时器T1，启动T1开始计时；其中，链路状态定时器T1的时间取值范围为1s到60s；链路状态定时器T1的设置是为了定期监测相邻结点间的链路状态，即相邻结点的可达性信息，以便及时更新网络拓扑；步骤3、基于定位兴趣包的汇总建立NDN全网拓扑结构图并启动网络拓扑定时器，具体包括如下子步骤：步骤3.1网络中除结点H以外的所有结点，向结点H发送定位兴趣包；其中，定位兴趣包的内容是“本结点名字、本结点的相邻结点以及对应链路的路由代价”；即本结点的所有链路状态信息；步骤3.2结点H根据收到的所有定位兴趣包，汇总建立NDN全网拓扑结构图；步骤3.3在NDN各个结点中设置网络拓扑定时器T2，启动T2开始计时；其中，网络拓扑定时器T2的时间取值范围为1min到60min；网络拓扑定时器T2的设置是为了定期更新NDN全网拓扑结构图；步骤4、建立网络拓扑应用记录表，具体为：在结点H中建立一个网络拓扑应用记录表；其中，网络拓扑应用记录表中记录的内容是“拥有最新NDN全网拓扑结构图的用户”；所述步骤4用来记录已经拥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于位置信息和内容推送的命名数据网络综合路由方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、设置网络管理服务器，具体包括如下子步骤：步骤1.1在NDN网络中心区域选定结点H，作为网络管理服务器；步骤1.2结点H向全网广播认证兴趣包，通告管理信息，所有收到认证兴趣包的结点在其FIB表中添加一条关于结点H的路由条目，所述路由条目的转发接口为收到认证兴趣包的接口；所述步骤1.2用于保证NDN中所有除结点H以外的结点对结点H是可达的；步骤2、确定各个结点的链路状态并启动链路状态定时器，具体包括如下子步骤：步骤2.1 NDN中每两个相邻结点互相向对方发送一次问候兴趣包；其中，相邻结点指的是NDN中任意两个通过一条链路直接相连的结点；问候兴趣包的内容是“本结点名字信息以及向本结点发送数据的路由代价”；所述步骤2.1用来确定NDN中相邻结点的名字及可达性；步骤2.2 NDN中各个结点根据收到的所有问候兴趣包，记录本结点的所有相邻结点的名字信息以及对应链路的路由代价，形成各个结点的链路状态数据库；其中，链路状态是指“本结点及其相邻结点以及对应链路的路由代价”；步骤2.3在NDN各个结点中设置链路状态定时器T1，启动T1开始计时；步骤3、基于定位兴趣包的汇总建立NDN全网拓扑结构图并启动网络拓扑定时器，具体包括如下子步骤：步骤3.1网络中除结点H以外的所有结点，向结点H发送定位兴趣包；其中，定位兴趣包的内容是“本结点名字、本结点的相邻结点以及对应链路的路由代价”；即本结点的所有链路状态信息；步骤3.2结点H根据收到的所有定位兴趣包，汇总建立NDN全网拓扑结构图；步骤3.3在NDN各个结点中设置网络拓扑定时器T2，启动T2开始计时；步骤4、建立网络拓扑应用记录表，具体为：在结点H中建立一个网络拓扑应用记录表；其中，网络拓扑应用记录表中记录的内容是“拥有最新NDN全网拓扑结构图的用户”；所述步骤4用来记录已经拥有最新NDN全网拓扑结构图的用户名称，以便在后续步骤中决定结点H是否需要为用户传送最新NDN全网拓扑结构图；步骤5、基于内容兴趣包的汇总建立全网数据名称和内容源名称匹配列表并启动统计间隔定时器，具体包括如下子步骤：步骤5.1 NDN所有内容源向结点H发送内容兴趣包，通知结点H本内容源持有的数据；其中，内容兴趣包的内容包括“本内容源名字以及本内容源持有的所有数据的名称”；步骤5.2内容兴趣包依据步骤1.2中在各个结点中添加的关于结点H的路由条目，在NDN中经过多个结点逐跳转发到达结点H；内容兴趣包在转发过程中，途经结点在其FIB表中添加关于该内容源的路由条目，所述路由条目的转发接口为收到内容兴趣包的接口，方便后续结点H与内容源之间的通信；步骤5.3结点H根据收到的内容兴趣包，汇总并记录各个内容源持有的数据的名称，建立全网数据名称和内容源名称匹配列表，该列表的内容包括“数据名称、对应的内容源名称、数据的用户请求次数”；步骤5.4将全网数据名称和内容源名称匹配列表中各数据的用户请求次数初始化为0；步骤5.5在结点H中设置统计间隔定时器T3，启动T3开始计时；步骤6、用户发送位置请求兴趣包以及结点H回复位置数据包，具体包括如下子步骤：步骤6.1当NDN中用户需要请求数据时，用户根据数据名称查询FIB表，若发现匹配的路由条目，则直接向该条目记录的转发接口发送数据请求兴趣包，执行NDN常规的数据通信流程：数据请求兴趣包经多个结点逐跳转发到达内容源，内容源回复内容数据包给用户；若FIB表中没有匹配的路由条目，则用户向结点H发送位置请求兴趣包，并执行以下步骤；其中，位置请求兴趣包的内容是“请求数据的名称以及用户名称”；步骤6.2结点H收到位置请求兴趣包，提取数据名称和用户名称，查找全网数据名称和内容源名称匹配列表，找到该数据对应的内容源名称，并将该数据对应的用户请求次数加1；步骤6.3结点H根据用户名称查询网络拓扑应用记录表，若表中已经包含该用户名称，则执行6.3.1；若表中不包含该用户名称，则执行6.3.2；6.3.1若网络拓扑应用记录表中包含该用户名称，表明此前该用户通过向结点H发送位置请求兴趣包，已经获得了最新NDN全网拓扑结构图；则结点H生成与位置请求兴趣包相同名称的位置数据包，将用户所需数据对应的内容源名称放入位置数据包回复给用户；6.3.2若网络拓扑应用记录表中不包含该用户名称，表明此前该用户没有发送过位置请求兴趣包，或者由于NDN全网拓扑结构图更新，网络拓扑应用记录表中的用户记录被擦除；则结点H将用户名称记录在网络拓扑应用记录表中，并生成与位置请求兴趣包相同名称的位置数据包，将用户所需数据对应的内容源名称以及最新NDN全网拓扑结构图放入位置数据包回复给用户；步骤7、用户计算转发路径并发送数据请求兴趣包以及内容源回复内容数据包，具体包括如下子步骤：步...

【技术特征摘要】
1.基于位置信息和内容推送的命名数据网络综合路由方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1、设置网络管理服务器，具体包括如下子步骤：步骤1.1在NDN网络中心区域选定结点H，作为网络管理服务器；步骤1.2结点H向全网广播认证兴趣包，通告管理信息，所有收到认证兴趣包的结点在其FIB表中添加一条关于结点H的路由条目，所述路由条目的转发接口为收到认证兴趣包的接口；所述步骤1.2用于保证NDN中所有除结点H以外的结点对结点H是可达的；步骤2、确定各个结点的链路状态并启动链路状态定时器，具体包括如下子步骤：步骤2.1NDN中每两个相邻结点互相向对方发送一次问候兴趣包；其中，相邻结点指的是NDN中任意两个通过一条链路直接相连的结点；问候兴趣包的内容是“本结点名字信息以及向本结点发送数据的路由代价”；所述步骤2.1用来确定NDN中相邻结点的名字及可达性；步骤2.2NDN中各个结点根据收到的所有问候兴趣包，记录本结点的所有相邻结点的名字信息以及对应链路的路由代价，形成各个结点的链路状态数据库；其中，链路状态是指“本结点及其相邻结点以及对应链路的路由代价”；步骤2.3在NDN各个结点中设置链路状态定时器T1，启动T1开始计时；步骤3、基于定位兴趣包的汇总建立NDN全网拓扑结构图并启动网络拓扑定时器，具体包括如下子步骤：步骤3.1网络中除结点H以外的所有结点，向结点H发送定位兴趣包；其中，定位兴趣包的内容是“本结点名字、本结点的相邻结点以及对应链路的路由代价”；即本结点的所有链路状态信息；步骤3.2结点H根据收到的所有定位兴趣包，汇总建立NDN全网拓扑结构图；步骤3.3在NDN各个结点中设置网络拓扑定时器T2，启动T2开始计时；步骤4、建立网络拓扑应用记录表，具体为：在结点H中建立一个网络拓扑应用记录表；其中，网络拓扑应用记录表中记录的内容是“拥有最新NDN全网拓扑结构图的用户”；所述步骤4用来记录已经拥有最新NDN全网拓扑结构图的用户名称，以便在后续步骤中决定结点H是否需要为用户传送最新NDN全网拓扑结构图；步骤5、基于内容兴趣包的汇总建立全网数据名称和内容源名称匹配列表并启动统计间隔定时器，具体包括如下子步骤：步骤5.1NDN所有内容源向结点H发送内容兴趣包，通知结点H本内容源持有的数据；其中，内容兴趣包的内容包括“本内容源名字以及本内容源持有的所有数据的名称”；步骤5.2内容兴趣包依据步骤1.2中在各个结点中添加的关于结点H的路由条目，在NDN中经过多个结点逐跳转发到达结点H；内容兴趣包在转发过程中，途经结点在其FIB表中添加关于该内容源的路由条目，所述路由条目的转发接口为收到内容兴趣包的接口，方便后续结点H与内容源之间的通信；步骤5.3结点H根据收到的内容兴趣包，汇总并记录各个内容源持有的数据的名称，建立全网数据名称和内容源名称匹配列表，该列表的内容包括“数据名称、对应的内容源名称、数据的用户请求次数”；步骤5.4将全网数据名称和内容源名称匹配列表中各数据的用户请求次数初始化为0；步骤5.5在结点H中设置统计间隔定时器T3，启动T3开始计时；步骤6、用户发送位置请求兴趣包以及结点H回复位置数据包，具体包括如下子步骤：步骤6.1当NDN中用户需要请求数据时，用户根据数据名称查询FIB表，若发现匹配的路由条目，则直接向该条目记录的转发接口发送数据请求兴趣包，执行NDN常规的数据通信流程：数据请求兴趣包经多个结点逐跳转发到达内容源，内容源回复内容数据包给用户；若FIB表中没有匹配的路由条目，则用户向结点H发送位置请求兴趣包，并执行以下步骤；其中，位置请求兴趣包的内容是“请求数据的名称以及用户名称”；步骤6.2结点H收到位置请求兴趣包，提取数据名称和用户名称，查找全网数据名称和内容源名称匹配列表，找到该数据对应的内容源名称，并将该数据对应的用户请求次数加1；步骤6.3结点H根据用户名称查询网络拓扑应用记录表，若表中已经包含该用户名称，则执行6.3.1；若表中不包含该用户名称，则执行6.3.2；6.3.1若网络拓扑应用记录表中包含该用户名称，表明此前该用户通过向结点H发送位置请求兴趣包，已经获得了最新NDN全网拓扑结构图；则结点H生成与位置请求兴趣包相同名称的位置数据包，将用户所需数据对应的内容源名称放入位置数据包回复给用户；6.3.2若网络拓扑应用记录表中不包含该用户名称，表明此前该用户没有发送过位置请求兴趣包，或者由于NDN全网拓扑结构图更新，网络拓扑应用记录表中的用户记录被擦除；则结点H将用户名称记录在网络拓扑应用记录表中，并生成与位置请求兴趣包相同名称的位置数据包，将用户所需数据对应的内容源名称以及最新NDN全网拓扑结构图放入位置数据包回复给用户；步骤7、用户计算转发路径并发送数据请求兴趣包以及内容源回复内容数据包，具体包括如下子步骤：步骤7.1用户收到来自结点H的位置数据包，从位置数据包中获取所需数据对应的内容源名称；检查位置数据包中是否包含NDN全网拓扑结构图，若位置数据包中包含NDN全网拓扑结构图，则保存NDN全网拓扑结构图或替换结点中原有的NDN全网拓扑结构图；否则跳至步骤7.2继续执行；步骤7.2用户根据本结点中现有的NDN全网拓扑结构图和用户、内容源的名称信息找到用户及内容源的位置，使用Dijkstra算法计算出从用户到内容源的最优转发路径；步骤7.3用户发送数据请求兴趣包，并采用Dijkstra算法计算得到转发路径，将转发路径写入数据请求兴趣包，数据请求兴趣包按照这一转发路径，在NDN中逐跳转发，并将请求数据的名称和对应的下一转发接口写入途经结点的FIB表中，建立从用户到内容源的关于该数据的完整的数据请求兴趣包转发路径；其中，数...

【专利技术属性】
技术研发人员：安建平，刁文澜，李彤，胡晗，张宇，于季弘，范戎飞，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11