NDN网络中移动视频直播车无缝提供服务的系统和方法

摘要

本发明涉及一种NDN网络中移动视频直播车无缝提供服务的系统和方法。该系统包括NDN网络控制器、NDN节点、视频直播车、内容请求者、接入点；所述视频直播车游走于整个网络拓扑范围，负责接收Interest包和发送Data包，并在切换接入点时向NDN网络控制器发送包含移动信息的MoveInfo包；所述内容请求者发送Interest包，并接收Data包；所述NDN网络控制器负责在视频直播车切换接入点时，根据其即将连接的新NDN节点重新计算网络中各节点的转发出口，使网络中的Interest包被正确地转发给视频直播车。本发明能够有效地缩短请求响应的往返时延，减少控制流量，以及改善用户体验。

说明书

技术领域

本发明专利申请属于计算机网络领域，具体地涉及一种命名数据网络(NDN)中移动视 频直播车无缝提供服务的系统和方法。

背景技术

随着3G/4G/LTE基站和无线热点的广泛部署以及无线通信技术的迅猛发展，移动设备不 但可以随时随地的连接到互联网上，而且与互联网上其他设备的通信也变得越来越方便。因 此，移动设备不仅能够作为获取内容的用户，也具备了作为内容提供者(Content Provider， CP)提供服务的能力。视频直播车是一种典型的移动CP。

视频直播车作为CP，会存在很多问题。例如，由于移动，直播车在提供服务时会切换无 线接入点，可能造成用户请求无法按设备已有转发规则到达直播车。这一问题会引发无效的 网络流量，严重时可能导致网络拥塞；同时也会降低用户的服务质量体验。

命名数据网络(NDN)是信息中心网络(ICN)很重要的一种设计，并且有希望成为未 来网络的体系结构。在NDN网络中，用户(Consumer)移动性带来的问题可以通过重新发 送请求得到解决；但是，CP移动性带来的问题仍然有待研究。

目前，针对NDN网络中CP移动性问题，大多数解决方案采用的是ID/Locator分离机制。 例如，Hermans，Ngai和Gunningberg(F.Hermans,E.Ngai and P.Gunningberg,Global Source  Mobility in the Content-Centric Networking Architecture,in Proc.of NoM’12,pp,13-18,2012.)使 用家乡代理来记录CP的当前位置。CP每次切换无线接入点，都需要首先到家乡代理更新自 己的当前位置。当Consumer要请求内容的时候，它并不会直接向CP发出请求，而是需要首 先发送请求给CP的家乡代理，然后由家乡代理代替Consumer向CP请求内容。很明显，该 转发策略不仅会引发不必要的网络流量，而且会增加内容获取延迟。

Jiang等人(X.Jiang,J.Bi,Y.Wang,P.Lin and Z.Li,A Content Provider Mobility Solution of  Named Data Networking,in Proc.of ICNP’12,pp.1-2,2012.)使用了一个映射系统将CP的ID 和它的位置信息映射起来。为了实现的需要，作者在Interest包中添加了一个存储位置信息的 字段Locator，并把原来的内容名字用作ID。转发过程中，在与Content Store(CS)或Pending  Interest Table(PIT)进行匹配时使用的是Interest的ID字段，也就是请求内容的名字；而在 与Forwarding Information Base(FIB)进行匹配时则使用Interest中的Locator字段。这一设 计原则，需要映射系统同时掌握网络的拓扑信息以及内容的分发信息。

此外，Luo等人(Y.Luo,P.N.Tran,C.An,J.Eymann,L.Kreft and A.Timm-Giel,A Novel  Handover Prediction Scheme in Content Centric Networking using Nonlinear Autoregressive  Exogenous Model,in Proc.of VTC Srping’13,pp.1-5,2013.)提出了一种基于接收信号强弱的新 切换预测机制。这种机制可以有效地预测由于CP移动而造成的连接中断问题，同时能为无 缝切换做准备。然而，这种机制在进行预测之前需要一个复杂的学习过程，无形中增加了它 的部署和操作的难度。

转发策略是指在每一个节点选择一个合适的出口来转发收到的数据包的方法。转发策略 的研究是一个非常热门的话题。例如，Yi等人(C.Yi,A.Afanasyev,L.Wang,B.Zhang,L.Zhang, AdaptiveForwarding in Named Data Networking,ACM SIGCOMM ComputerCommunication  Review,vol.42,no.3,pp.62-67,2012.)为NDN提出了一种自适应的转发策略。该策略利用 NDN路由器的数据报文的状态建立了一个智能的、自适应的数据平面。该方案使用绿、黄、 红三种颜色记录节点上每个出口的转发状态。转发策略首先查找被标记为绿色的出口进行转 发；如果不存在绿色的出口，则会继续查找被标记为黄色的出口进行转发；但是，任何内容 都不会从被标记为红色的出口转发出去。作者通过这种机制来达到使用最优路径获取内容的 目的。但是，当内容源具有移动性时，这种机制无法及时调整转发表，会造成内容源丢失。

Qian等人(H.Qian,R.Ravindran,G.Wang,D.Medhi,Probability-BasedAdaptive Forwarding  Strategy in Named Data Networking,IFIP/IEEEInternational Symposium on IM 2013,pp. 1094-1101,2013.)提出了一种基于概率的自适应转发策略。这种策略根据各个出口的质量按 照概率选取最终的转发出口。各个出口的质量可以通过Interest和Data进行衡量。这种转发 策略并没有考虑内容源移动性，同样会出现网络节点的转发表更新不及时，造成内容源在网 络中丢失。

此外，Silva等人(F.Silva,D.Dujovne,Predictive mobility applied to content centricnetworks, 2013 IEEELATINCOM,pp.1-6,2013.)从基础设施层面提出了一种选择性的将Interest向外转 发的解决方案。结果显示该解决方案可以有效地降低延迟并提高命中率。这种机制的主要策 略是，当用户具有移动性时，将请求最频繁的内容或是将来一段时间内最有可能被请求的内 容就近缓存到位于用户请求路径上的某个节点中。当用户请求相应内容时，可以就近获取。 这种机制是针对用户移动性提出的解决方案，无法支持内容源的移动性。

发明内容

本发明为了降低使用ID/Locator分离机制产生的不必要的控制信息，同时提高用户的服 务质量体验，提出一种NDN网络中移动视频直播车无缝提供服务的系统和方法。

一种NDN网络中移动视频直播车无缝提供服务的系统，主要系统组件包括NDN网络控 制器(NDN Controller,NDNC)、NDN节点(NDN Node,NDNN)、视频直播车(Television  Transmission Vehicles,TTV)、内容请求者(Content Consumer,CO)，无线接入点(Access Point, AP)；该系统所使用的包类型包括Interest包、Data包、MoveInfo包。

所述TTV与所述AP通过无线网络连接，所述AP与所述NDNN、所述CO与所述NDNN 以及所述NDNN之间通过NDN网络连接，所述NDNN与所述NDNC通过Internet建立安全 连接。所述TTV主要包括NDN协议栈，并通过无线网络接口与AP连接，主要负责接收Interest 包、发送Data包；当所述TTV切换AP时，会发送MoveInfo包；所述TTV随机游走于整个 网络拓扑范围。

所述CO主要发送Interest包，接收Data包。

所述NDNN包括原有NDN网络的FIB(Forwarding Information Base：用于记录Interest 包的转发信息)、PIT(Pending Interest Table：用于记录待响应的Interest信息)和CS(Content  Store：用于缓存Data内容)功能，按照NDN网络的逻辑转发网络中的Interest包和Data包， 具备与NDNN、AP连接的网络接口以及与Internet连接的网络接口，并且能够将从TTV接 收到的MoveInfo包转发给NDNC。

所述NDNC包括与Internet连接的网络接口，主要负责在TTV切换AP时，根据其即将 连接的新NDNN重新计算网络中各节点的转发出口。所述新NDNN是移动TTV将会连接并 获取内容的AP所连接的NDNN。

所述Interest包和所述Data包为原NDN网络的Interest和Data包。

所述MoveInfo包主要包括Packet Name、Provider Info和AP-ID字段。Packet Name字段 用于标明此包的类型；Provider Info字段包含TTV携带的内容的名字、以及TTV的身份信息； AP-ID字段包含用于标明TTV原来连接以及即将连接的AP的身份信息。

所述Interest包由CO发送，用于向TTV请求内容；所述Data包由TTV发送，用于向 CO反馈内容；所述MoveInfo包由TTV发送，用于在TTV切换AP时，向NDNC报告其移 动信息。

所述NDNC收到TTV报告的移动信息之后，首先要根据设置的阈值N判断进行全局/局 部FIB更新，并根据最短路径优先的规则以及各条链路的拥塞状况，重新选择各NDNN到达 新NDNN的转发出口。所述阈值N为所述NDNN之间的跳数。所述全局更新为所述TTV切 换时，由所述NDNC更新网络中所有转发出口发生变化的NDNN的FIB。所述局部更新为所 述TTV切换时，由所述NDNC更新TTV当前所连接AP到即将连接的AP之间所经过的所 有NDNN的FIB。

所述判断全局/局部更新的过程为：由NDNC记录与TTV初始状态所连接的AP直接关 联的NDNN，当TTV切换时，计算新NDNN距离所记录的NDNN之间的跳数。如果跳数值 小于N，只进行局部更新；否则，进行全局更新，并用新NDNN的值更新NDNC所记录的 NDNN的值。

所述NDNC根据计算结果(即计算出的转发出口)，向需要更新FIB的NDNN下发相应 转发规则。如果所述TTV在网络中随机移动，并未真正切换到所报告的新AP时，会造成FIB 更新发生错误，导致CO无法找到TTV。这种情况下，ID/Locator机制将会被启动；当再次 找到TTV之后，ID/Locator机制将关闭，并重启本发明所提出的机制。

一种NDN网络中移动视频直播车无缝提供服务的方法，包括如下步骤：

1)CO发送Interest包，请求所需内容；

2)NDNN根据FIB记录的Interest包的转发信息，将Interest包转发给TTV；

3)TTV在移动过程中切换无线接入点(即AP)，在切换前，TTV向NDNC发送包含移 动信息的MoveInfo包；

4)NDNC根据收到的MoveInfo包中新AP-ID获取与之相连的NDNN作为新NDNN；

5)NDNC根据新NDNN以及阈值N判断进行全局/局部FIB更新，并根据最短路径优先 的规则以及各条链路的拥塞状况，重新选择各NDNN到达新NDNN的转发出口；

6)NDNC根据计算结果(即计算出的转发出口)，向相应的NDNN下发新转发规则，更 新其FIB，使网络中的Interest包能够被正确地转发给TTV。

如果因TTV的随机移动，而产生错误的FIB更新，致使CO无法找到TTV，则ID/Locator 机制将会启动；当再次正确找到TTV之后，ID/Locator机制将关闭，并重新启动本方法。

本发明根据视频直播车即将接入的接入点(AP)信息以及网络中各链路的拥塞状况，计 算并更新网络设备的转发表项，使用户请求可以快速到达视频直播车移动后的位置，降低用 户获取所请求内容的延迟并提高用户请求的响应率。同时，设置阈值，根据视频直播车切换 的跳数信息，有选择地对网络设备进行全局/局部的转发表更新，有效减少网络中的控制流量。 此外，选用ID/Locator机制作为后备机制，当转发表更新发生错误时，启动ID/Locator机制； 待网络恢复正常工作之后，关闭ID/Locator机制并重新启动本发明所提出的机制。

与其他解决方法相比，本方法通过在TTV切换AP之前，向NDNC发送移动信息，在 TTV切换的同时，由NDNC完成转发路径的重新计算以及相应NDNN的FIB更新，达到TTV 切换和NDNN中FIB更新同时进行的目的，可以有效地缩短请求响应的往返时延。根据阈值 N，选择性的进行全局/局部更行，有效地减少控制流量。通过NDNC更新必要NDNN的FIB， 使得TTV的移动对用户感知透明，提高用户服务质量体验。

附图说明

图1：NDN网络的结构图。

图2：NDN网络的请求响应示意图。

图3：本发明方法与传统ID/Locator分离的方法通信延迟的比较示意图。

图4：本发明方法与传统ID/Locator分离的方法响应率的比较示意图。

图5：本发明方法不同移动速度情况下产生的控制流量的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图， 对本发明做进一步说明。

本方法的目的是使NDNC计算TTV要移动的位置并预先更新相关NDNN的FIB表，从 而达到TTV无缝切换的目的。

图1描述了整个方案的主要结构。其中1是CO，2是NDNN，3是AP，4是TTV，5是 NDNC，6是CO与NDNN或者AP与NDNN或者NDNN与NDNN之间的传输链路，7是 NDNN与NDNC之间的控制链路8是TTV与NDNN之间的无线传输链路，9是TTV的移动 轨迹。如图所示，CO和TTV发送的任何信息都会首先经过各自所连接的NDNN，然后由 NDNN进行转发。TTV是移动的，并且在进入两个AP交叉覆盖的区域时会根据接收到的AP 的信号强弱适时切换AP。

下面以一个实例说明本方法。TTV与AP之间的通信、NDNN之间的通信、NDNN与 AP(或CO)之间的通信均基于NDN协议。另外，本方法利用现有的OpenFlow协议，作为 NDNC与NDNN之间的通信协议。

假设TTV正在直播汽车拉力赛，通过无线连接到沿途经过的不同AP。网络中的某个CO 正在从TTV处请求直播赛事，进行播放。随着车辆的行驶，TTV也将高速移动，并且不断切 换AP。

系统工作流程如图2所示，其中21是Interest包的传输路径，22是Data包的传输路径， 23是MoveInfo包的传输路径，24是NDNC控制信息的传输路径。Interest包、Data包、MoveInfo 包的内部结构分别如下面表1、表2、表3所示。

表1.Interest包结构

表2.Data包结构

表3.MoveInfo包结构

如图2所示，系统工作流程步骤如下。

1.首先为各个TTV携带的内容命名。由于OpenFlow技术目前不支持内容名字的识别， 本系统使用特殊的名字“/00:00:00:00:00:01”对内容进行命名。并使用特定的名字“/127.0.0.1” 标示MoveInfo包。

2.CO发送Interest包。Interest包包含如下字段：ContentName代表请求内容的名字；Selector 包括一些可选字段；Nonce用于检测循环路由。

3.NDNN收到Interest包，首先根据Interest包的ContentName字段检查自身CS，如果找 到匹配的内容，则直接返回相应的Data包；否则，即如果没有找到匹配的内容，查找PIT， 如果PIT表中已经存在对相应内容的请求项，则将Interest包的入口添加到相应项中；否则， 即如果PIT表中不存在对相应内容的请求项，查找FIB，如果FIB表中存在对应的转发出口， 则将Interest包从相应出口中转发出去，同时在PIT表中添加新的PIT表项，记录Interest包 的转发情况；否则，即如果FIB表中不存在对应的转发出口，则将Interest包丢弃。

4.当沿途各NDNN均没有对应内容的缓存时，Interest包最终会到达TTV，由TTV对收 到的Interest包进行响应返回Data包。Data包包含以下字段：ContentName代表携带Data的 名字；Signature携带TTV的签名；SignedInfo携带与验证签名有关的信息；Data代表携带的 内容。

5.Data包沿着与Interest包相反的方向进行传输。当NDNN收到Data包时，首先查找PIT， 如果PIT表中存在相应的表项，则将Data包从表项中记录的各个出口转发出去，并删除相应 的PIT表项；否则将Data包丢弃。Data包最终到达CO。

6.TTV不断移动，当TTV进入两个AP交叉覆盖的区域时会根据收到的不同AP的信号 强弱，选择连接的AP。当收到的新的AP的信号强度大于当前所连接的AP信号强度时，TTV 会切换到新的AP。

7.切换之前，TTV发送MoveInfo包；MoveInfo包通过无线连接到达AP，AP会将MoveInfo 包转交给直接相连的NDNN，再由NDNN通过控制链路将MoveInfo包转交给NDNC。 MoveInfo包包含如下字段：PacketName用于标明MoveInfo包；ProviderInfo用于携带TTV 的身份信息以及携带的内容的名字；AP-ID用于携带TTV原来连接以及将要连接的AP身份 信息。

8.NDNC收到MoveInfo包后，根据MoveInfo包内将要连接的AP的身份信息以及网络拓 扑，计算出该AP直接相连的NDNN作为新NDNN。

9.当获取到新NDNN之后，NDNC判断进行全局/局部FIB更新。判断的方法为：初始状 态下，NDNC记录当时的与TTV所连AP直接关联的NDNN的信息，当TTV切换AP时， NDNC计算新NDNN与所记录的NDNN之间的跳数，并与阈值N进行比较。当跳数小于N 时，则进行局部FIB更新；否则，进行全局FIB更新，并使用新NDNN更新NDNC记录的 NDNN的信息。

10.当NDNC决定进行全局/局部更新之后，NDNC根据最短路径优先、最好链路状态其 次的原则，计算网络中各个NDNN到达新NDNN的转发出口。

11.NDNC将计算得到的NDNN到达新NDNN的转发出口以及由此可以请求到的内容名 字封装成控制信息，下发给网络中对应的NDNN。

12.NDNN收到NDNC发来的控制信息，提取出其中的内容名字与对应的转发出口，更 新FIB表中原有的对应表项。

13.当TTV在网络中自由随机移动，并出现未连接到所报告的新AP的情况，将会发生 NDNC发送错误的FIB更新。当因TTV移动而造成FIB更新错误，致使CO无法获取到内容 时，ID/Locator机制将被启动；当CO再次找到TTV之后，ID/Locator机制将会关闭，本方 案所使用机制将会被重新启动。

根据大量实验结果，与传统ID/Locator分离的方法相比，本发明方法可以用更少的时间 获取所请求的内容；两种方法的通信延迟如图3所示。本发明方法可以在发送同样多请求的 情况下，得到更多的响应，两种方法的响应率如图4所示。另外，本发明方法可以通过设置 阈值N有效地减少控制流量，不同阈值下的控制流量如图5所示。

本领域的技术人员可以理解：实现上述系统和方法实施例的全部或部分可以通过程序指 令相关的硬件完成，也可以通过软件完成。以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非 对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解：其 依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替 换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的精神和范围， 本发明的保护范围应以权利要求书所述为准。