一种内容中心无线网络中的管理与控制节点选择方法

摘要

本发明公开了一种内容中心无线网络中的管理与控制节点选择方法，该方法包括：将当前网络拓扑抽象为带权无向图G，并计算图G中每一节点的拓扑势；任选初始节点n

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种内容中心无线网络中的管理与控制节点 选择方法。

背景技术

随着网络技术与应用的快速发展，网络资源有限性、僵化、管控能力差与网络需求 多样性、突发性成为网络运营面临的主要矛盾。如何高效利用现有网络资源，最大化满 足用户的业务需求和对服务质量的要求成为一个亟待解决的重要问题。

在对未来网络体系架构的研究中，内容中心网络(CCN)针对用户对内容相关业务日益 增长的需求，研究以内容作为网络标识，来替换现有网络IP细腰的新的网络架构。研究通 过采取网络资源与位置分离的方式，实现业务与资源的解耦，提高资源的利用率和使用 灵活性。然而，随着CCN网络规模不断扩大，以洪泛模式转发兴趣包的搜索模式将会导 致网络性能陡降，必须通过拓扑规划与资源缓存等技术，一方面抑制洪泛数据的泛滥， 另一方面提高内容分发的成功率与效率。

随着用户对于移动办公与随身携带设备（BYOD）的广泛使用，网络中各终端的性能 参差不齐，网络异构特性逐渐显著。同时，移动网络传输方式与传输速率的有限性与差 异性，限制了内容分发效率，降低了用户体验。这就需要动态评估网络中各终端与链路 的可用性，通过合理规划网络的拓扑结构，选择适合的网络缓存节点等技术手段，优化 网络运行模式，改善用户体验。

现有技术中，提出了基于最小化网络流量的动态网络管理/监控节点选择Pressure算 法，通过优化网络中的信息收集节点(ICP)的部署，降低信息收集过程中产生的数据流 量，提高网络的使用率，减少网络拥。但是，该算法本质上是对网络带宽资源的优化配 置策略。算法仅将流量压力参数作为唯一单项指标来选择ICP节点，并未对节点的处理能 力、存储能力等其他属性进行综合评估，无法保证被选中的ICP节点具备足够的管理能 力，从而导致监控能力不足甚至失效。另外，算法仅考虑网络总体流量，并未针对网络 中具体各条链路的可用流量情况进行具体分析，将会导致局部链路负载过大，降低传输 质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种内容中心无线网络中的管理与控制节点选择方法，缩短了社 区中内容搜索与反馈的时延，提升了全网通信服务质量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种内容中心无线网络中的管理与控制节点选择方法，该方法包括：

将当前网络拓扑抽象为带权无向图G，并计算图G中每一节点的拓扑势；

任选初始节点n_i，并基于拓扑势开始搜索，直至找到局部拓扑势最大的节点；再从 所述局部拓扑势最大的节点沿拓扑势下降方向搜索直至达到末梢节点；将沿拓扑势下降 方向搜索过程中所涉及到的节点划分为一个虚拟网络社区；

当所述图G中所有节点均划分完毕后，将每一虚拟网络社区中局部拓扑势最大的节点 作为该虚拟网络社区的管理与控制节点。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，能够根据网络中节点与链路的性能自发、动 态的构造虚拟网络社区，从而缩小网络规模，减少兴趣包转发的次数；另外，实现管理 与控制节点的选择，能够减少传输数据量，降低传输时延，同时又能够在异构无线网络 环境下，确保优势资源得到充分的利用，避免出现节点和传输能力受限所引起的网络拥 塞。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于 本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得 其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种内容中心无线网络中的管理与控制节点选择方法的 流程图；

图2为本发明实施例二提供的一种内容中心无线网络中的管理与控制节点选择方法的 流程图；

图3为本发明实施例二提供的一种基于虚拟网络社区管理与控制节点的分布式内容搜 索的流程图。

具体实施方式

下面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，显然，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 本发明的实施例，本领域普通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，都属于本发明的保护范围。

相对于传统IP网络依照固定路由将用户的需求发送至指定的服务器，CCN网络采用 洪泛的方式发送兴趣包，询问网络中各个节点是否包含所需内容，网络所能够提供的服 务质量与网络规模、网络中各个节点的数据处理能力以及网络中各链路的可用带宽密切 相关。如何缩小兴趣包在网络中的传播规模，选择处理能力与传输带宽较高的转发节 点，将直接影响内容搜索的效率和用户体验。考虑到移动网络中用户的接入与离开具有 不确定性，因此需要研究能够自发将整个网络合理拆分为若干小规模的虚拟网络社区的 方法，使得兴趣包的转发以及内容的返回历经较少的网络节点；进一步在综合考虑网络 中各节点性能及链路传输速率的情况下，选择优质的节点作为局部网络中的内容资源管 理与控制节点（又称管控节点），承担内容的缓存与分发职能，使得其它用户节点得以 快速、便捷的获取资源。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种内容中心无线网络中的管理与控制节点选择方法的 流程图。如图1所示，该方法主要包括如下步骤：

步骤11、将当前网络拓扑抽象为带权无向图G，并计算图G中每一节点的拓扑势。

本发明实施例中，带权无向图G可表示为：G＝(N,E)，其中，N表示图G的节点 集，E为图G的的边集，e_ij表示节点n_i与n_j之间的链路；

A＝(a_ij)_K×K表示图G的邻接矩阵，其中，$a_{\mathrm{ij}}=\left(\begin{array}{cc}1,& e_{\mathrm{ij}}\in E\\ 0,& e_{\mathrm{ij}}\notin E\end{array},i,j=\mathrm{1,2},...,N.\right)$

本发明实施例运用场理论将网络中节点与链路的可用资源进行综合评估和量化，根 据加权拓扑势能的高低分布自发将整个网络划分成规模较小的若干虚拟网络社区，并选 择局部资源最优节点对本社区进行管理与控制，以保证社区内部节点之间能够实现低时 延、高成功率的内容传输。

基于数据场理论，将网络看作一个包含K个节点并相互作用的物理系统。每一个节点 n_i均存在一个场，所有节点n_j＝{n_j∈N,(i≠j)}都受到n_i场的作用；且节点n_i也受到网络 中其他节点场的影响。根据场理论的特点可知，节点的作用力随着节点自身质量的增加 而增大，而节点作用力的范围随着网络距离的增长而衰减。采用代表短程场且具有良好 数学性质的高斯势函数描述网络中节点之间的相互作用。定义节点n_i的拓扑势W(n_i)为：

$W\left(n_i\right)=\underset{j=1}{\overset{K}{\Sigma }}\bar{c}\left(n_j\right)\times e^{-{\left(\frac{d(i,j)}{{\gamma }_j\times {\mathrm{bw}}_a\left(j\right)}\right)}^2;}$

其中，是衡量物理网络中各个节点考虑设备处理能力与存 储能力的加权指标，α_j和β_j分别表示节点设备n_j的处理能力c(n_j)与存储能力v(n_j)的加 权系数；表示与物理节点n_j相连的各条链路剩余可用传输速率总和，γ_j表示链路可用传输速率总和的加权系数；d{i,j}表示节点n_i与n_j间的距离。

步骤12、任选初始节点n_i，并基于拓扑势开始搜索，直至找到局部拓扑势最大的节 点；再从所述局部拓扑势最大的节点沿拓扑势下降方向搜索直至达到末梢节点；将沿拓 扑势下降方向搜索过程中所涉及到的节点划分为一个虚拟网络社区。

本步骤的处理过程具体为：任选初始节点n_i，通过查询所述图G的邻接矩阵A，获得 与节点n_i存在连接的相邻节点集，比较节点n_i与其相邻节点集的拓扑势；选择所述相邻 节点集中拓扑势最高的节点作为节点n_i点的爬山上升方向，直至找到一个节点的拓扑势 高于其所有相邻节点，则该节点为局部拓扑势最大的节点；自获得的局部极大势值节点 沿全部相邻节点的拓扑势下降方向搜索，直至到达所有末梢节点，将沿拓扑势下降方向 搜索过程中所涉及到的节点划分为一个虚拟网络社区。所述末梢节点包含若干个，每一 末梢节点的拓扑势小于其相邻节点拓扑势，且沿末梢节点相邻节点进行爬山搜索后，到 达不同的局部拓扑势最大节点。

步骤13、当所述图G中所有节点均划分完毕后，将每一虚拟网络社区中局部拓扑势最 大的节点作为该虚拟网络社区的管理与控制节点。

重复执行步骤12直至图G中所有节点均划分完毕，至此，虚拟网络社区划分完成。在 整个网络中，形成了以局部极大势值点（局部拓扑势最大的节点）为中心的拓扑势高 地，末梢节点集组成势值低谷，分隔相邻的虚拟网络社区。

由于虚拟网络社区中的极大势值节点拥有社区内最高的拓扑势，即节点综合能力 （含处理能力、存储空间、网络带宽）评估值最高，因此，将虚拟网络社区极大势值节 点为本虚拟网络社区的管理与控制节点。

进一步的，本发明实施例中基于所述管理与控制节点进行内容搜索能够避免兴趣包 在全网中以洪泛方式转发，进一步降低兴趣包转发次数和内容搜索时延，提高搜索效 率。

在虚拟网络社区中，管理与控制节点需要履行对内和对外两份职责。对内职责：管 理与控制节点需要缓存本网络社区内的所有内容资源，并响应社区内部的资源需求。对 外职责：在社区形成之初，各管理与控制节点即通过握手，获取相邻虚拟网络社区标 识，并缓存与相邻社区管理与控制节点之间的通信路由。与全网洪泛式搜索不同，基于 虚拟网络社区管理与控制节点协助的内容搜索，首先在社区内部进行特定方向的搜索， 当本社区不包含所需内容时再进行跨社区搜索；具体的：某一虚拟网络社区中的节点根 据内容搜索指令，生成兴趣包并沿拓扑势上升方向发送；转发节点收到该兴趣包后，判 断本地是否缓存了所述兴趣包对应的内容；若是，则按照兴趣包发送的相反方向反馈对 应的内容；否则，判断其自身是否为当前虚拟网络社区中的管理与控制节点。若是，则 向相邻虚拟网络社区的管理与控制节点转发给兴趣包；否则，继续沿拓扑势上升方向转 发兴趣包；当所述相邻虚拟网络社区缓存了所述兴趣包对应的内容时，按照兴趣包发送 的相反方向反馈对应的内容。另外，当所述相邻虚拟网络社区未缓存所述兴趣包对应的 内容，则判断当前兴趣包转发次数是否超过阈值；若是，则反馈搜索失败信息；否则， 继续转发该兴趣包。

本发明实施例能够根据网络中节点与链路的性能自发、动态的构造虚拟网络社区， 从而缩小网络规模，减少兴趣包转发的次数；另外，实现管理与控制节点的选择，能够 减少传输数据量，降低传输时延，同时又能够在异构无线网络环境下，确保优势资源得 到充分的利用，避免出现节点和传输能力受限所引起的网络拥塞。

实施例二

为了便于理解本发明，下面结合附图2-3对本发明做进一步说明。

本发明实施例中，将网络拓扑为带权无向图G＝(N,E)，其中，N表示图G的节点 集，E为图G的的边集，e_ij表示节点n_i与n_j之间的链路；A＝(a_ij)_K×K表示图G的邻接矩 阵，其中，$a_{\mathrm{ij}}=\left(\begin{array}{cc}1,& e_{\mathrm{ij}}\in E\\ 0,& e_{\mathrm{ij}}\notin E\end{array},i,j=\mathrm{1,2},...,N.\right)$

本发明实施例运用场理论将网络中节点与链路的可用资源进行综合评估和量化，根 据加权拓扑势能的高低分布自发将整个网络划分成规模较小的若干虚拟网络社区，并选 择局部资源最优节点对本社区进行管理与控制，以保证社区内部节点之间能够实现低时 延、高成功率的内容传输。

其中，节点的可用资源随着节点的状态变化而动态变化。本发明实施例利用向量 [c(n_i),v(n_i)]描述节点可用资源，其中c(n_i)表示节点n_i（节点集N中的任一节点）的可用 处理能力，如节点CPU；v(n_i)表示节点的可用缓存空间；利用bw_ij表示链路e_ij的可支配 传输速率。

基于数据场理论，将网络看作一个包含K个节点并相互作用的物理系统。每一个节点 n_i均存在一个场，所有节点n_j＝{n_j∈N,(i≠j)}都受到n_i场的作用；且节点n_i也受到网络 中其他节点场的影响。根据场理论的特点可知，节点的作用力随着节点自身质量的增加 而增大，而节点作用力的范围随着网络距离的增长而衰减。采用代表短程场且具有良好 数学性质的高斯势函数描述网络中节点之间的相互作用。定义节点n_i的拓扑势W(n_i)为：

$W\left(n_i\right)=\underset{j=1}{\overset{K}{\Sigma }}\bar{c}\left(n_j\right)\times e^{-{\left(\frac{d(i,j)}{{\gamma }_j\times {\mathrm{bw}}_a\left(j\right)}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中，是衡量物理网络中各个节点考虑设备处理能力与存 储能力的加权指标，α_j和β_j分别表示节点设备n_j的处理能力c(n_j)与存储能力v(n_j)的加 权系数；表示与物理节点n_j相连的各条链路剩余可用传输速率总和，γ_j表示链路可用传输速率总和的加权系数；d{i,j}表示节点n_i与n_j间的距离，采用最短路 径跳数衡量。根据不同的优化目标，可以定义节点与链路资源与之相关的加权系数，从 而可以从例如能效、成本等不同角度对网络进行评估。例如，当以网络能效为优化目标 时，加权系数为使用单位资源所消耗的能量；当以网络运营成本为优化目标时，加权系 数则选取占用单位资源所导致的开销。

据高斯函数的数学性质，每个节点n_j的影响范围近似为跳，当距离 大于此范围时，势函数很快衰减为0。也就是说，处于网络连接密集区域的节点，具有较 高的拓扑势。当节点的对外可用带宽逐渐减少时，节点的拓扑势逐渐降低，节点在网络 中的重要性随即下降。由此可以看出，节点的加权拓扑势W(n_i)既能定量的将节点的处 理、存储能力的强弱综合表达出来，又能定量的反应节点拓扑位置及节点间的作用强 度。

本发明实施例提供的管理与控制节点选择方法是基于拓扑势的大小来选择的。具体 来说，是基于拓扑势来划分虚拟网络社区，再选择虚拟网络社区中的管理与控制节点。 该方法可以在全网统一的控制平台上实现，网络控制平台具有如下两个主要功能：一方 面，网络控制平台需要收集网络中各节点和链路的资源属性；另一方面划分虚拟网络社 区并控制路由方式。

该方法可概括为以下三个步骤：1）获取网络资源并计算各节点加权拓扑势；2）通 过比较节点间拓扑势的走势，判断拓扑势形成的高地与低谷，将一片连续的拓扑势高地 划分为一个虚拟网络社区；3）在每一个网络社区内部选择适当的节点作为该虚拟网络社 区的管理与控制节点。本专利设计的方法考虑到无线网络节点与链路的动态特性，基于 网络当前可用资源自适应实现虚拟网络社区的划分。具体的流程可参见图2，主要包括如 下步骤：

1）运用公式(1)，计算网络中各节点的拓扑势。

2）任选初始节点n_i，通过查询所述图G的邻接矩阵A，获得与节点n_i存在连接的相 邻节点集，比较节点n_i与其相邻节点集的拓扑势。

3）选择所述相邻节点集中拓扑势最高的节点作为节点n_i点的爬山上升方向。

4）重复步骤2）和步骤3）直至找到一个节点的拓扑势高于其所有相邻节点，此时， 完成爬山算法，当前节点即为一个局部极大势值节点（局部拓扑势最大的节点）。

5）自获得的局部极大势值节点沿全部相邻节点的拓扑势下降方向搜索，直至到达所 有末梢节点，即存在该节点拓扑势小于相邻节点拓扑势，且沿此相邻节点进行爬山搜索 后，到达不同的局部极大值节点；

6）步骤5）中遍历到的节点即形成一个虚拟网络社区。

7）任选择尚未划分虚拟网络社区的节点，重复步骤2）—步骤6），直至网络中所有 节点均形成虚拟网络社区。至此，网络虚拟网络社区划分完成。在整个网络中，形成了 以局部极大势值点为中心的拓扑势高地，末梢节点集组成势值低谷，分隔相邻的虚拟网 络社区；

8）由于虚拟网络社区中的极大势值节点拥有虚拟网络社区内最高的拓扑势，即节点 综合能力（含处理能力、存储空间、网络带宽）评估值最高，因此，将虚拟网络社区极 大势值节点为本虚拟网络社区的管理与控制节点。

上述虚拟网络社区划分方法，不需要用户事先指定社区的数量，而是对网络中节点 与链路可用资源进行计算，就能够自发的实现社区的划分；社区网络管理与控制节点也 由当前社区中拓扑势值最高的节点承担。因此，当网络中新增/移除节点或链路传输能力 变化时，此算法能够根据资源的属性，自动更新网络社区划分，重新选择适合的管理与 控制节点，保障了无线网络环境下管理的连续性。

进一步的，本发明实施例中基于所述管理与控制节点进行内容搜索能够避免兴趣包 在全网中以洪泛方式转发，进一步降低兴趣包转发次数和内容搜索时延，提高搜索效 率。

在虚拟网络社区中，管理与控制节点需要履行对内和对外两份职责。对内职责：管 理与控制节点需要缓存本网络社区内的所有内容资源，并响应社区内部的资源需求。对 外职责：在社区形成之初，各管理与控制节点即通过握手，获取相邻虚拟网络社区标 识，并缓存与相邻社区管理与控制节点之间的通信路由。与全网洪泛式搜索不同，基于 虚拟网络社区管理与控制节点协助的内容搜索，首先在社区内部进行特定方向的搜索， 当本社区不包含所需内容时再进行跨社区搜索；具体流程如图3所示，主要包括：某一虚 拟网络社区中的节点根据内容搜索指令，生成兴趣包并沿拓扑势上升方向发送；转发节 点收到该兴趣包后，判断本地是否缓存了所述兴趣包对应的内容；若是，则按照兴趣包 发送的相反方向反馈对应的内容；否则，判断其自身是否为当前虚拟网络社区中的管理 与控制节点。若是，则向相邻虚拟网络社区的管理与控制节点转发给兴趣包；否则，继 续沿拓扑势上升方向转发兴趣包；当所述相邻虚拟网络社区缓存了所述兴趣包对应的内 容时，按照兴趣包发送的相反方向反馈对应的内容。

另外，为了控制网络中兴趣包的转发次数，避免兴趣包数据泛滥，降低网络性能， 事先需设定最大转发次数，并使用计数器跟踪兴趣包转发次数。当所述相邻虚拟网络社 区未缓存所述兴趣包对应的内容，则判断当前兴趣包转发次数是否超过阈值；若是，则 反馈搜索失败信息；否则，继续转发该兴趣包。

本发明实施例能够根据网络中节点与链路的性能自发、动态的构造虚拟网络社区，从 而缩小网络规模，减少兴趣包转发的次数；另外，实现管理与控制节点的选择，能够减 少传输数据量，降低传输时延，同时又能够在异构无线网络环境下，确保优势资源得到 充分的利用，避免出现节点和传输能力受限所引起的网络拥塞。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以 通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理 解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一 个非易失性存储介质（可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等）中，包括若干指令用以使得 一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施 例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。