一种基于内容流行度的信息中心网络移动性管理方法

摘要

一种基于内容流行度的信息中心网络移动性管理方法，属于下一代互联网技术研究技术领域。请求者侧移动，内容请求者发送Interest包请求，网络中的路由器收到Interest消息，首先查找本地缓存，若本地缓存有该内容则直接返回给请求者，否则查询PIT表；代理节点根据该内容的流行度与流行度阈值K进行比较；内容源移动到新位置，向proxy node发送“切换完成”消息，M标识位置为“2”表示切换结束，K标识位置为“NULL”。本发明实现了内容中心网络移动节点的移动性，基于代理节点和网络缓存两种形式的移动性管理方法，避免了单故障节点和链路失效导致的通信中断；一旦代理节点出现故障无法继续服务，网络可自动选择通过网络缓存的方式执行切换，保证通信的正常进行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于内容流行度的信息中心网络移动性管理方法，属于下一代互联网 技术研究技术领域。

背景技术

下一代互联网研究正在如火如荼、热烈的进行中。当前的互联网面临着前所未有的技 术和非技术的挑战，很难满足内容分发、移动性、安全性等方面的需求。从技术层面来讲， 互联网40年前设计，设计原则简单，IP网络的沙漏模型很难修改，通过不断的打补丁和叠 加网方法增加新的功能，增量改变很难支持不断增长的内容分发、移动性、可靠性需求。 缺乏内在安全性，常遭受日益复杂的网络攻击。从非技术层面来讲，当前互联网大量流量 来自静态和动态生成的网页信息以及多媒体检索服务，用户关心得到信息而不是IP协议采 用的端点地址，因此互联网从主机到主机的包分发模式需要转变到支持数据、内容和用户 的多样化模式。

改变目前互联网面向主机设计模式，基于信息为中心设计互联网结构，将基于IP的设 计转换成基于内容或数据分发的设计，可以满足目前和未来互联网内容分发、移动性、安 全性等方面的需求，目前有关研究和标准化进程取得了较大进展。然而有关信息为中心架 构的名字扩展性和聚合，数据和内容缓存管理，安全和隐私等发面还需要进一步研究，特 别是结合移动网络的信息为中心移动互联网架构和算法研究还有较大的研究空间。

信息中心网络是一种新的网络架构，改变了原有TCP/IP网络端到端的通信方式，通过 内容名字来标识数据，网络中请求该内容的节点无需知道内容的位置，而是广播所请求的 内容的名字即可从缓存有该内容的中间路由器或内容源处获得。设计主要出发点是当前互 联网使用模式[1]（约90%流量）是从数据源到用户的数据分发，信息中心网络就是为了使 用当前互联网使用模式而设计的。

目前有很多研究项目在开展信息为中心网络的研究，如欧洲的PSIRP，4WARD，PURSUIT， SAIL和美国的CCN，DONA，NDN。为交流思想，2011年IRTF成立信息中心网络研究组[2]。 在所提出的内容为中心网络的方案中，虽然他们的网络结构不同，但是都有相同的假设， 目标和某些结构属性，并且能较好的适应通信服务的中断、干扰和闪拥等影响。在内容为 中心网络中，通信是由接收者请求信息实体来初始的[3]，网络可以通过持有这个数据或数 据拷贝的源来满足这个请求，同时网络支持有效的独立的缓存功能。

虽然信息中心网络在内容共享方面具有较好的优势，但是对于内容源和请求者是移动 的场景下这种优势就不再明显。因此信息中心网络的移动性机制问题也要在两种场景下分 别讨论：基于内容源的移动性场景和基于请求者移动的场景。

信息中心网络固有的支持请求者移动的场景，当请求者在通信过程中执行切换时，网 络中的路由器不知道请求者的位置改变了，因此，从内容源传回的数据包被反向路由到请 求者的原位置。当请求者切换到新位置时，仍需重传这些已发送但是没有被请求者接收到 的数据包，这样就带来了不必要的网络资源损耗。同时，由于路由表的更新，缓存在请求 者原位置附近节点上的数据包也不能就近的提供实时服务，请求者可能仍需从较远的内容 源重新请求数据。为了发现本地缓存的内容，需要更新路由协议，这就使信息中心网络的 层次命名路由变得更加复杂。

对于内容源的移动性，内容源在在切换后需要通告网络中所有的路由器更新路由表， 以便成功接收未来或正在进行的请求消息，由于更新路由表需要较长的时间，请求消息也 不能及时准确的发送到内容源。同时，由于请求者不知道是网络问题还是节点移动性造成 的数据包无法返回，而重新发送请求消息带来了不必要的带宽和资源损耗。另外，考虑到 路由聚合的影响，根据切换后位置的网络拓扑信息，将内容进行重新命名有利于路由的收 敛，但是由于请求内容的名字改变，请求者无法获得新的内容名字，导致内容源切换过程 中的通信中断也是需要考虑的问题。所以在内容源移动的场景下，既要考虑到内容名字更 新对路由收敛的影响，又要考虑重传带来的网络开销和资源损耗问题，这就给信息中心网 络移动性管理带来了严峻考验。

1.与本发明相关的现有技术一：

1.1由于移动技术和多媒体技术（如消息，网页浏览，摄像机，媒体播放器）的快速发 展，用户发布的移动数据流量不断增加，从数量、质量和实时性方面考虑，当前的网络已 不能满足用户的需求。信息中心网络作为一种新兴的网络架构诞生，但是没有考虑对于设 备移动性的问题。

文献[4]提出采用一种部分路径扩展机制来满足内容中心网络中内容源的移动性。当内 容源节点执行切换时，源节点向原位置的路由器通告‘Prefix registration’消息，网络 中所有途径的路由器对照自己的本地前缀进行比较，若一致则标识该消息到来的相应接口 为‘valid’，同时将与该前缀匹配的接口状态条目标记为‘tentative’；否则根据FIB （Forwarding Information Base）表将‘Prefix registration’消息发往下一跳路由器。 原位置的路由器收到该消息后，发送‘Preg confirmation’消息并反向传给内容源，这样 在内容源的原位置和新位置之间建立了一条路径，所有发往原位置的数据包都通过该路径 转发给新位置。如果内容源的前一跳拓扑位置不是原位置，则原位置路由器需要发送 ‘Prefix revocation’消息给内容源的前一跳路由器以解除与原位置路由器间的路径，途 径的网络间的路由器也要更新路由信息，将相应的端口条目标记为‘stale’。这种方式为 内容中心网络的移动性管理提供了较快的服务接入时延并且网络只承担较低的路由开销。

1.2现有技术一的缺点：

现有技术一虽然提出了一种解决内容中心网络中内容源移动场景的方案，但是仅在原 始域路由器和移动域路由器间建立一条扩展路径，没有考虑路由可扩展性、路由失效以及 链路失效问题。一旦原始域路由器故障或路径上的任一路由器发生故障，则无法建立原始 域到移动域间的连接，导致丢包，通信中断。

2.与本发明相关的现有技术二：

2.1文献[5]提出在内容源切换过程中采用临时前缀封装的方式。在内容中心网络中， 假设每个路由器广播自己的前缀信息，每个内容源有一个全网唯一的家乡路由器节点，内 容源通过时时监测所接入路由器通告的前缀信息判断自己的位置，若前缀信息不一致，说 明内容源的位置发生移动。

内容源检测到发生切换后，根据持有的内容名字前缀和接入路由器通告的前缀生成一 个临时前缀，并将临时前缀携带在“Prefix update（PU）”消息中发往内容源的家乡路由 器，途径的所有路由器通过检查消息包头中携带的家乡前缀，并与自己的前缀进行比较， 若一致则判断该路由器为内容源的家乡路由器，否则按照FIB表的条目发往下一跳节点。 家乡路由器收到PU消息后提取临时前缀并发送“PU acknowledgment（PACK）”消息反向传 给内容源，这样就在内容源的家乡域和移动域之间形成了一条隧道执行切换过程的通信。 切换过程中，所有请求内容源的数据包都会发往内容源的家乡路由器，家乡路由器将请求 信息（Interest）进行封装，即在数据包头封装内容源的临时地址，经过中间路由器发往 内容源，此时中间路由器将请求包解封装获得请求消息的原始前缀以建立PIT（Pending  Interest Table）表。内容源收到请求消息将与请求内容名字对应的数据在Data包反向路 由给家乡路由器，同样Data包头也要封装内容源的临时前缀，中间路由器将Data包解封 装，获得原始前缀对应的数据内容，存储在本地缓存中，Data包到达家乡路由器进行解封 装，再根据PIT表将内容数据路由到各个请求者。

2.2现有技术二的缺点

现有技术二提出了一种基于隧道的内容中心网络移动性管理方案，在内容源的家乡域 和移动域间建立一条隧道，所有发往内容源或从内容源发出的数据包都要经由家乡域路由 器封装和解封装。这种机制虽然减小了路由更新的开销，但是同现有技术一，仍然存在着 路由器故障和链路失效的可能性，家乡路由器管理着切换过程的所有数据流，形成了单故 障节点，一旦路由器失效，网络通信被中断，并且不可恢复。另外，对Interest和Data 包的封装不易实现，文中也并没有考虑到封装带来的系统开销和时延问题。

3.与本发明相关的现有技术三

3.1参考文献[6]提出一种请求包转发方式。当内容源即将执行切换时，向上一跳接入 路由器发送切换通告信息，此时接入路由器接收所有发往内容源的Interest包并缓存，当 内容源切换到新的接入路由器下，发送一条虚拟请求“virtual interest”消息，该消息 携带有内容源的名字信息，网络会根据FIB表的最长前缀匹配原则转发到原接入路由器， 途径的所有路由器更新FIB表中与内容名字对应的接口信息。原接入路由器收到“virtual  interest”消息后，将缓存的Interest消息反向传给内容源，后续的Interest包可以根 据FIB表直接转发而不必经原接入路由器转发。

3.2现有技术三的缺点

现有技术三通过“virtual interest”消息，将内容源的原位置和新位置之间的路由 器FIB表进行更新，同时原接入路由器的缓存功能将切换过程中的Interest包反向传给内 容源，后续的Interest消息则根据更新后的FIB表进行路由。这种方案虽然减小了路径更 新开销和切换时延，但是由于内容源切换过程中始终保持内容名字不变，没有考虑切换后 的路由聚合收敛问题，会造成FIB表条目过大，给服务器带来负担。

部分参考文献：

[1]V.Jacobson,D.K.Smetters,J.D.Thornton,M.F.Plass,N.H.Briggs, and R.L.Braynard.Networking named content.In Proceedings of the5th  international conference on Emerging networking experiments and technologies,ser. CoNEXT'09.New York,NY,USA:ACM,2009.

[2]Information-Centric Networking Research Group(ICNRG).

http://trac.tools.ietf.org/group/irtf/trac/wiki/icnrg,2012.01.20.

[3]Zhang L,Estrin D,Burke J,et al.Named data networking(ndn)project[J]. Relatório Técnico NDN-0001,Xerox Palo Alto Research Center-PARC,2010.

[4]J.Lee and D.Kim,“Mobility Management for Mobile Consumer Devices in  Content Centric Networking(CCN),”IEEE Int’l.Conf.Consumer Electronics(ICCE), Jan.2012.

[5]J.Lee,S.Cho and D.Kim,“Device Mobility Management in Content-Centric  Networking,”IEEE Communications Magazine,Dec.2012.

[6]D.Kim,J.Kim,Y.Kim,H.Yoon,and I.Yeom,“Mobility Support in Content  Centric Networks,”In Proc.SIGCOMM Workshop on ICN,2012.

发明内容

本发明的目的是提出一种在信息中心网络中基于内容流行度的移动性管理方法，通过 内容流行度阈值的比较选择合适的移动性方案。

本发明基于内容中心网络，提出了一种该网络下基于内容流行度的移动性管理方法。 本发明涉及两种移动性场景，即请求者侧移动和内容源侧移动。请求者侧移动场景下，内 容请求者发送Interest包请求一个内容，网络中的路由器收到Interest消息，首先查找 本地缓存，若本地缓存有该内容则直接返回给请求者，否则查询PIT表，若PIT表中有与 该内容名字对应的选项，说明该内容在已被请求过且生存时间没有到期，此时将Interest 丢弃，若没有则建立PIT选项同时查找FIB表根据最长前缀匹配原则继续转发。当请求者 在请求数据时发生切换，只需在切换执行后重新发送未收到Data数据的Interest包继续 请求，内容中心网络固有地支持请求者的移动性。内容源的移动场景根据内容流行度不同 分为两种情况：基于代理节点的移动性管理方法和基于网络缓存的移动性管理方法。基于 代理节点的移动性管理方法是通过在网络中部署代理节点“proxy node”负责管理切换过 程中的信息交互、Interest缓存并进行内容源新旧名字间的替换。

在内容源执行切换前，源节点向代理节点发送“切换通告”消息，M标识位置为“0” 表示切换请求消息，K标识位置为“NULL”。

请求的内容服从Zipf分布，即流行度高的内容在网络中被请求的次数越多，网络节点 缓存该内容的概率越大，内容易于从邻近节点取得；同样流行度低的内容被请求的次数越 低，网络节点缓存的概率越小，请求的内容不易于从邻近节点取得。

代理节点收到该消息后计算请求消息中携带的内容名字的流行度阈值

j表示所请求的内容，k表示请求内容j的次数，α表示内容分布 的密集程度，α越大，分布越密集，α∈(0,1)，根据互联网网站发布内容的数量和访问比例， 我们通常此处α=0.9。内容流行度服从Zipf分布。

代理节点根据该内容的流行度与流行度阈值K进行比较，小于K则通过代理节点的方 式执行切换过程，大于K则通过网络缓存的方式获取Data消息。代理节点判断执行哪种切 换方式后，发送“切换确认”消息给请求者，M标识位置为“1”表示切换确认，K标识位 置为“0”表示基于代理节点的方式，K标识位置为“1”表示基于网络缓存的方式。

内容源移动到新位置，向proxy node发送“切换完成”消息，M标识位置为“2”表示 切换结束，K标识位置为“NULL”。

所述内容流行度ρ(j)是根据网络中每节点统计的接收到的Interest的请求包来计算 的，每节点根据本地PIT表接收到的带有不同前缀的Interest消息，计算请求不同前缀的 Interest包的百分比，所以内容流行度是一个百分数（<1）。

本发明提出一种内容中心网络基于内容流行度的移动性管理方案，根据内容流行度阈 值选择合适的移动性场景。设计了网络代理节点，负责管理基于代理节点的切换过程中的 所有数据流，缓存切换过程中的请求数据包。设计了名字前缀替换策略，在切换过程中进 行内容的新旧名字替换，使切换过程对请求者透明。设计了三种切换信令：“切换通告”消 息，“切换确认”消息，“切换完成”消息。

本发明的有益效果：

本发明在内容中心网络中，采用基于内容流行度的移动性管理方案，实现了内容中心 网络移动节点的移动性。对于基于代理节点和网络缓存两种方式，移动节点可根据内容流 行度选择执行哪种移动性方案。内容的流行度越高，网络中缓存该内容节点数目越多，在 执行切换之后，可以从就近的节点获取数据。相反内容的流行度较低，网络中缓存该内容 的节点数目较少，考虑到路由收敛特性，则通过代理节点的方式进行移动性管理更适合特 定的网络拓扑。

这种可选择的移动性管理方案可以减小网络切换时延，减小切换过程中信令传输开销， 同时代理节点将内容源的新旧名字进行替换，对于请求者来说是完全透明的，保证了切换 的透明传输。

采用基于代理节点和网络缓存两种形式的移动性管理方法，可以有效避免了单故障节 点和链路失效导致通信中断的可能性。一旦代理节点出现故障无法继续服务，网络可以自 动选择通过网络缓存的方式执行切换，保证通信的正常进行。

附图说明

图1是本发明基于流行度的内容中心网络请求者移动示意图。

图2是本发明基于流行度的内容中心网络内容源移动示意图。

图3是本发明流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

一种基于内容流行度的信息中心网络移动性管理方法，

本发明主要解决以下问题：

在网络中部署代理节点，负责接收处理内容源的预切换信令，缓存切换过程中的 Interest消息，同时负责内容源的新位置名字和原位置名字的替换。

定义流行度阈值，根据请求内容的流行度计算阈值K，决定采用基于代理节点或网络缓 存的方式来解决内容源的移动性问题。

定义“切换通告”，“切换确认”，“切换完成”三条切换信令。

本发明提供的技术方案是，

（1）请求者侧移动

本发明实现的基于流行度的内容中心网络移动性管理方案拓扑如图1，图2所示。

图1是本发明基于流行度的内容中心网络请求者移动场景示意图。

对于请求者侧的移动性如图1所示，请求者请求内容名字为“/ccn/CR1/ccnfile.doc” 的文件。通信执行过程中内容请求者从接入内容路由器1切换到内容路由器n，只需在切换 完成后重新发送未收到Data包回复的Interest请求包即可。由于内容中心网络是基于内 容名字来请求数据的，不同于TCP/IP网络的IP地址，请求者的移动与请求内容的位置信 息无关。

（2）内容源移动

对于内容源的移动性如图2所示，图2是本发明基于流行度的内容中心网络内容源移 动场景。内容源携带内容名字为“/ccn/CR1/ccnfile.doc/”的文件从接入内容路由器1 （Content Router1，CR1）切换到内容路由器n（Content Router n，CRn）。

基于流行度的内容源移动的方法，该方法步骤为：

步骤一：请求者向网络发送名字前缀为“/ccn/CR1/ccnfile.doc”的Interest请求消 息消息。

步骤二：内容源收到请求包，将与请求信息名字前缀匹配的内容通过Data消息发送给 请求者。

步骤三：内容源预进行移动性切换，向内容源注册的代理节点(proxy node)发送“切 换通告”消息，M标识位置“0”，K标识位置“NULL”，消息中携带有内容源持有的内容名 字“/ccn/CR1/ccnfile.doc”。

步骤四：代理节点收到“切换通告”消息后，根据内容名字计算内容流行度阈值K，将 内容名字的流行度ρ(j)与K进行比较，若ρ(j)<K采用基于代理节点的移动性管理方法， 若ρ(j)>K采用基于网络缓存的移动性管理方法。

步骤五：代理节点发送“切换确认”消息给内容源，M标识位置为“1”，消息中携带 有K标识位，K=0表示基于代理节点的方式；K=1表示基于网络缓存的方式。若K=0，则代 理节点从此时开始接收网络中发往名字前缀为“/ccn/CR1/ccnfile.doc”的请求消息并缓 存在本地缓存中。若K=1，代理节点不进行任何操作，此时请求者通过重发请求消息从邻近 的网络缓存中获得请求的内容

步骤六：内容源收到“切换确认”消息后检查K标识位以判断执行哪种切换策略，同 时从内容路由器1切换到内容路由器n。考虑到路由收敛，内容源在切换到内容路由器n后， 根据网络拓扑的变化，相应的内容名字前缀更新为“/ccn/CRn/ccnfile.doc”。若K=0，则 向代理节点发送携带有名字前缀为“/ccn/CRn/ccnfile.doc”的“切换完成”消息表明切 换完成，M标识位置“2”，K标识位置“NULL”，同时告知代理节点已经更新的名字前缀。

步骤七：代理节点收到“切换完成”消息查找更新的名字前缀，将切换过程中缓存的 Interest请求消息的名字前缀更新为“/ccn/CRn/ccnfile.doc”发送给内容源，内容源收 到请求消息，按照内容中心网络Data转发规则转发。

步骤八：代理节点收到名字前缀为“/ccn/CRn/ccnfile.doc”的Data包，再次将名字 替换为“/ccn/CR1/ccnfile.doc”转发给请求者。

（3）信令格式

根据本发明的移动性管理方案，定义了切换过程的相应信令，具体定义如下：

1）切换通告消息

索引值：标识消息序号，一对Interest-Data消息用唯一的索引值标识。

范围：限制了Interest扩散的位置。

范围=0限制在本地查找

范围=1向内容源扩散

范围=2只扩散一跳

保留位：用作扩展使用

Interest生存时间：Interest包的生存时间，在生存时间之内则丢弃相同名字的 Interest消息，生存时间超时则重新发送Interest请求。

长度：表示后面字段的bit长度。

M标识位：用来表示切换信令。M=0表示“切换通告”消息。

K标识位：表示切换执行策略。此消息中置为“NULL”。

名字：内容源的新（旧）名字。

2）切换确认消息

索引值：标识消息序号，一对Interest-Data消息用唯一的索引值标识。

范围：限制了Interest扩散的位置。

范围=0限制在本地查找

范围=1向内容源扩散

范围=2只扩散一跳

保留位：用作扩展使用

Interest生存时间：Interest包的生存时间，在生存时间之内则丢弃相同名字的 Interest消息，生存时间超时则重新发送Interest请求。

长度：表示后面字段的bit长度。

M标识位：用来表示切换信令。M=1表示“切换确认”消息。

K标识位：表示切换执行策略。K=0表示采用基于代理节点的移动性管理方法；K=1表 示采用网络缓存方式的移动性管理方法。

名字：内容源的新（旧）名字。

3）切换完成消息

索引值：标识消息序号，一对Interest-Data消息用唯一的索引值标识。

范围：限制了Interest扩散的位置。

范围=0限制在本地查找

范围=1向内容源扩散

范围=2只扩散一跳

保留位：用作扩展使用

Interest生存时间：Interest包的生存时间，在生存时间之内则丢弃相同名字的 Interest消息，生存时间超时则重新发送Interest请求。

长度：表示后面字段的bit长度。

M标识位：用来表示切换信令。M=2表示“切换完成”消息。

K标识位：表示切换执行策略。此消息中置为“Null”。

名字：内容源的新（旧）名字。

本发明内容中心网络移动性管理方案涉及两种场景：基于请求者的移动性和基于内容 源的移动性。对于请求者的移动性，请求者在切换之后只需重新发送没有收到回复的 Interest请求消息即可。对于内容源，由于内容中心网络是通过请求内容名字来获得数据 的，为了便于路由收敛，内容源在切换之后，内容名字要根据网络拓扑进行更新，所以在 基于代理节点的移动性管理方案下，代理节点负责接收切换时发往内容源的所有数据包， 待内容源切换完毕后将缓存的Interest包发给内容源，同时负责在请求者和内容源之间替 换数据包的内容名字，对于请求者实现透明切换。

本发明采用可选择的移动性管理方案，根据内容的流行度选择基于代理节点或网络缓 存的方式解决内容源的切换问题。由于切换会带来网络拓扑的变化并且节点切换的位置也 是随机的，对于流行度低的内容，我们在网络中部署一个代理节点，有代理节点管理切换 过程中的请求消息，负责转发给切换后内容源的新位置，并将内容的名字进行替换；对于 流行度高的内容，网络中缓存该内容的节点数较多，在切换之后可以从邻近节点获得数据 而无需经过代理节点，减少了由于所有数据都要经由代理节点而产生的不必要的开销。

本发明提出一种内容中心网络基于内容流行度的移动性管理方案，根据内容流行度阈 值选择合适的移动性场景。设计了网络代理节点，负责管理基于代理节点的切换过程中的 所有数据流，缓存切换过程中的请求数据包。设计了名字前缀替换策略，在切换过程中进 行内容的新旧名字替换，使切换过程对请求者透明。设计了三种切换信令：“切换通告”消 息，“切换确认”消息，“切换完成”消息。本发明在内容中心网络中采用基于内容流行度 的移动性管理方案，实现了内容中心网络移动节点的移动性。对于基于代理节点和网络缓 存两种方式，移动节点可根据内容流行度选择执行哪种移动性方案。内容的流行度越高， 网络中缓存该内容节点数目越多，在执行切换之后，可以从就近的节点获取数据。这样可 以减小网络切换时延，减小切换过程中信令传输开销，同时代理节点将内容源的新旧名字 进行替换，对于请求者来说是完全透明的，保证了切换的透明传输。采用基于代理节点和 网络缓存两种形式的移动性管理方法，可以有效避免了单故障节点和链路失效导致通信中 断的可能性。一旦代理节点出现故障无法继续服务，网络可以自动选择通过网络缓存的方 式执行切换，保证通信的正常进行。