一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法技术

本发明专利技术公开了一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，包括：传输模式判断；中间节点在收到兴趣包后，若为Pull模式，则依次查询CS、PIT以及FIB，确定转发接口，将兴趣包送达底层设备；若为Push模式，则依次查询CS与FIB，确定转发接口，将兴趣包送达控制中心；提供者在收到兴趣包后返回匹配的数据包；中间节点在收到数据包后，依次查询CS与PIT完成转发决策，根据名称标志完成数据聚合，利用缓存策略完成缓存决策。本发明专利技术通过采用命名数据网络来进行智慧建筑场景下的数据传输，既满足了海量设备的传输需求，又提高了数据的安全性；在此基础上，两种模式能够覆盖所有类型应用，所涉及的命名方式、传输流程、缓存策略能有效地提高数据传输效率，减少开销。

A named data network transmission method for intelligent building

【技术实现步骤摘要】
一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法
本专利技术涉及物联网通信协议与传输方法
，更具体的说是涉及一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法。
技术介绍
伴随着无线通信、智能感知、大数据以及云计算等技术的发展，物联网(InternetofThings，IoT)应运而生。建筑作为人们生活的重要活动场所已经成为物联网研究的一个重要应用方向。智慧建筑不同于传统建筑。它既可以实现建筑内部的环境监控满足用户的多种需求，又能够合理地管理各种资源达到节能减排的目的，甚至可以通过网络与外部连接以实现办公、娱乐、医疗等智慧城市应用。实现高效、可靠的数据传输是构建智慧建筑的关键。迄今为止，在智慧建筑的场景下数据传输主要分为两条技术路线。一条是由局域网技术演变而来，在BACnet和LonWorks之上设计新的方法与服务。这条技术路线虽然便于建筑内部网络的管理，但是无法令用户远程访问并控制智慧建筑。另一条是伴随着互联网的发展，以TCP/IP为基础，逐渐演变成基于IPv6的解决方案——6LoWPAN。然而，智慧建筑内部包含了海量的设备，兼备多种底层通信技术。如何提供高效、可靠的数据传输服务一直是智慧建筑亟待解决的难题。首先，由于设备尤其是传感器可能随着需求的增加越来越多，相应的地址配置以及地址解析就会越来越复杂；其次，6LoWPAN等方案本身不能提供端到端之间的安全性，需要添加中间件来实现安全功能，实现的复杂性会降低数据传输的性能。综上，以TCP/IP为核心的传统网络构架难以满足智慧建筑日益增长的应用需求，需要一种新的解决方案来提供更优质的数据传输服务。近年来，信息中心网络已成为下一代网络的新范式，为学界与业界广泛讨论。一些研究尝试将经典的命名数据网络(NamedDataNetworking,NDN)应用于物联网的场景中，以期利用NDN的特点与优势提供优质的数据传输服务。首先，NDN按名称转发数据，避免了传统基于TCP/IP网络的复杂的地址配置与解析过程；其次，NDN可通过名称的完整性验证来实现端到端传输的安全性，不需添加额外的中间件，降低了网络架构的复杂性；最后，NDN支持多播与网内缓存，对以数据采集为核心业务的物联网应用有良好的支持。然而，针对物联网的应用场景尤其是在智慧建筑中，目前的设计方案还存在缺陷。一方面，这些方案往往会沿用NDN层次化的命名方法并通过最长前缀匹配进行路由。这种单一化的方式无法满足应用多样化的传输需求，从而降低传输效率。另一方面，这些设计方案往往忽略了命名数据的缓存问题。因此，在智慧建筑场景下，面对海量的数据与有限的设备存储空间，如何设计有效的缓存方案提高传输效率是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，针对智慧建筑中由应用数据繁多而引发的传输低效、缓存失效等问题，在深入分析智慧建筑应用场景的基础上提出了新的数据命名方案，并对数据缓存策略进行了深入改进，从而实现传输速率高，最大限度利用缓存空间的数据传输方法。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，包括以下步骤：S1：中间节点接收到命名兴趣包后，读取所述命名兴趣包的标志位，判断当前所述命名兴趣包的传输模式，并对所述命名兴趣包进行转发；S11：当传输模式为Pull模式时，根据所述命名兴趣包的名称，依次检索当前所述中间节点的CS、PIT以及FIB，从而判断本地是否已有缓存数据，判断是否已收到相同所述命名兴趣包，并选择所述命名兴趣包的下一跳步转发接口；S12：当传输模式为Push模式时，检索当前所述中间节点的CS，判断是否存在匹配的ACK数据包，若存在，则将所述ACK数据包转发至所述命名兴趣包的到来接口，若不存在，则继续查询FIB表项并将所述命名兴趣包转发至匹配的接口；S2：在Pull模式下，作为提供者的终端节点在收到所述命名兴趣包后，生成匹配的命名数据包，所述命名数据包的名称与所述命名兴趣包的名称一致，再将所述命名数据包返回至所述命名兴趣包的到来接口；在Push模式下，作为提供者的控制中心在收到包含数据的所述命名兴趣包之后，生成匹配的ACK数据包，并将其返回至所述命名兴趣包的到来接口作为响应；S3：所述中间节点接收到所述命名数据包后，根据名称检索CS判断是否已存在匹配记录，检索PIT判断是否需要继续转发所述命名数据包，根据所述命名数据包中的“AGG”标志与所述中间节点的拓扑位置判断是否聚合数据，根据所述传输模式与缓存策略决定是否需要缓存当前数据。需要进一步说明的是：消费者向控制中心发起请求，控制中心生成一个兴趣包，并通过命名数据网络逐层向下传播；此外，终端设备也可生成包含数据的兴趣包，并通过命名数据网络向控制中心传播。采用上述技术方案的有益效果为：Push与Pull两种传输模式能够支持智慧建筑场景下的所有应用需求；缓存策略能够最大限度地利用节点的存储空间从而提高数据传输的效率，数据汇聚功能有效地结合网络拓扑结构从而支持物联网数据采集应用。本专利技术通过采用命名数据网络来进行智慧建筑场景中的数据传输，既能够满足海量设备与应用的传输需求，又有效提高了数据安全性；在命名数据网络的基础上，本专利技术采用Pull与Push两种经典的传输模式来支持不同类型应用的数据传输任务，通过设计命名方式、传输流程、缓存策略有效地提高了数据传输的效率，降低了资源开销与网络管理的复杂性。优选的，所述命名兴趣包与所述命名数据包的名称均包括物理命名空间和应用命名空间；其中，所述物理命名空间表示网络节点所处的位置；所述应用命名空间表示上层应用的相关属性；其中，所述相关属性包括通用属性和可选属性，所述通用属性是所有应用在命名数据时都必须设置的属性，所述可选属性是应用根据时间与空间上的需求而设定的属性。需要进一步说明的是：所述网络节点包括路由器、终端设备或传感器等；采用上述技术方案的有益效果为：将智慧建筑场景中层次化的拓扑结构与名称中的线性结构结合起来，从而发挥最长前缀匹配原则的作用，实现兴趣包与数据包的高效转发。优选的，所述命名兴趣包的结构至少依次包括：名称name、时间戳TimeStamp、随机数Nonce、标志位IS_Push和在Push模式下使用的数据字段P_Data；所述命名数据包的结构至少依次包括：名称name、时间戳TimeStamp、随机数Nonce、在Push模式下用于确认所述命名兴趣包的标志位IS_Reply、提供者信息P_ID和数据字段P_Data。优选的，所述中间节点的所述FIB表项中，每一条记录中仅包括所述物理命名空间部分对应的前缀和对应的转发接口；网关节点的所述FIB表项中，每一条记录中包括所述物理命名空间和所述应用命名空间，当接收到来自上层NDN路由器转发的所述命名兴趣包时，所述网关节点利用最长前缀匹配原则寻找下一跳转发接口。采用上述技术方案的有益效果为：先根据名称中的物理命名空间部分转发兴趣包，再根据应用命名空间部分转发兴趣包，从而有效的利用名称中各元素的顺序，节省中间节点的存储开销。优选的，所述Pull模式包括以下四类：1-1-1、1-M-1、1-1-T和1-M-T；其中，所述1-1-1类：消费者发送1个所述命名兴趣包，1个提供者收到所述命名兴趣包之后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：中间节点接收到命名兴趣包后，读取所述命名兴趣包的标志位，判断当前所述命名兴趣包的传输模式，并对所述命名兴趣包进行转发；S11：当传输模式为Pull模式时，根据所述命名兴趣包的名称，依次检索当前所述中间节点的CS、PIT以及FIB，从而判断本地是否已有缓存数据，判断是否已收到相同所述命名兴趣包，并选择所述命名兴趣包的下一跳步转发接口；S12：当传输模式为Push模式时，检索当前所述中间节点的CS，判断是否存在匹配的ACK数据包，若存在，则将所述ACK数据包转发至所述命名兴趣包的到来接口，若不存在，则继续查询FIB表项并将所述命名兴趣包转发至匹配的接口；S2：在Pull模式下，作为提供者的终端节点在收到所述命名兴趣包后，生成匹配的命名数据包，所述命名数据包的名称与所述命名兴趣包的名称一致，再将所述命名数据包返回至所述命名兴趣包的到来接口；在Push模式下，作为提供者的控制中心在收到包含数据的所述命名兴趣包之后，生成匹配的ACK数据包，并将其返回至所述命名兴趣包的到来接口作为响应；S3：所述中间节点接收到所述命名数据包后，根据名称检索CS判断是否已存在匹配记录，检索PIT判断是否需要继续转发所述命名数据包，根据所述命名数据包中的“AGG”标志与所述中间节点的拓扑位置判断是否聚合数据，根据所述传输模式与缓存策略决定是否需要缓存当前数据。...

【技术特征摘要】
1.一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：中间节点接收到命名兴趣包后，读取所述命名兴趣包的标志位，判断当前所述命名兴趣包的传输模式，并对所述命名兴趣包进行转发；S11：当传输模式为Pull模式时，根据所述命名兴趣包的名称，依次检索当前所述中间节点的CS、PIT以及FIB，从而判断本地是否已有缓存数据，判断是否已收到相同所述命名兴趣包，并选择所述命名兴趣包的下一跳步转发接口；S12：当传输模式为Push模式时，检索当前所述中间节点的CS，判断是否存在匹配的ACK数据包，若存在，则将所述ACK数据包转发至所述命名兴趣包的到来接口，若不存在，则继续查询FIB表项并将所述命名兴趣包转发至匹配的接口；S2：在Pull模式下，作为提供者的终端节点在收到所述命名兴趣包后，生成匹配的命名数据包，所述命名数据包的名称与所述命名兴趣包的名称一致，再将所述命名数据包返回至所述命名兴趣包的到来接口；在Push模式下，作为提供者的控制中心在收到包含数据的所述命名兴趣包之后，生成匹配的ACK数据包，并将其返回至所述命名兴趣包的到来接口作为响应；S3：所述中间节点接收到所述命名数据包后，根据名称检索CS判断是否已存在匹配记录，检索PIT判断是否需要继续转发所述命名数据包，根据所述命名数据包中的“AGG”标志与所述中间节点的拓扑位置判断是否聚合数据，根据所述传输模式与缓存策略决定是否需要缓存当前数据。2.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述命名兴趣包与所述命名数据包的名称均包括物理命名空间和应用命名空间；其中，所述物理命名空间表示网络节点所处的位置；所述应用命名空间表示上层应用的相关属性；其中，所述相关属性包括通用属性和可选属性，所述通用属性是所有应用在命名数据时都必须设置的属性，所述可选属性是应用根据时间与空间上的需求而设定的属性。3.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述命名兴趣包的结构至少依次包括：名称name、时间戳TimeStamp、随机数Nonce、标志位IS_Push和在Push模式下使用的数据字段P_Data；所述命名数据包的结构至少依次包括：名称name、时间戳TimeStamp、随机数Nonce、在Push模式下用于确认所述命名兴趣包的标志位IS_Reply、提供者信息P_ID和数据字段P_Data。4.根据权利要求2所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述中间节点的所述FIB表项中，每一条记录中仅包括所述物理命名空间部分对应的前缀和对应的转发接口；网关节点的所述FIB表项中，每一条记录中包括所述物理命名空间和所述应用命名空间，当接收到来自上层NDN路由器转发的所述命名兴趣包时，所述网关节点利用最长前缀匹配原则寻找下一跳转发接口。5.根据权利要求1所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，所述Pull模式包括以下四类：1-1-1、1-M-1、1-1-T和1-M-T；其中，所述1-1-1类：消费者发送1个所述命名兴趣包，1个提供者收到所述命名兴趣包之后返回1个所述命名数据包；所述1-1-T类：所述消费者发送1个所述命名兴趣包，1个所述提供者收到所述命名兴趣包之后每隔时间段T返回1个匹配的所述命名数据包；所述1-M-1类：所述消费者发送1个所述命名兴趣包，M个所述提供者收到所述命名兴趣包之后返回M个匹配的所述命名数据包；所述1-M-T类：所述消费者发送一个所述命名兴趣包，M个所述提供者在收到所述命名兴趣包之后每隔时间段T返回M个匹配的所述命名数据包。6.根据权利要求5所述的一种面向智慧建筑的命名数据网络传输方法，其特征在于，对于所述1-1-1类和所述1-M-1类应用，所述PIT的生存时间计算方法为：其中，TL(i)为第i个所述命名兴趣包的生存时间，k为所述消费者最多能发送同一个所述命名兴趣包的次数，应用设置的最长响应时间为t...

【专利技术属性】
技术研发人员：许昱玮，童率，姚思研，张天天，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32