一種降低ndn網(wǎng)絡(luò)移動用戶內(nèi)容獲取延遲的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利申請屬于計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，具體地涉及命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(以下簡稱NDN網(wǎng)絡(luò))中提高移動用戶獲取內(nèi)容性能的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著移動技術(shù)的快速發(fā)展，海量增長的移動設(shè)備數(shù)量及其移動特性使得傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的性能和服務(wù)質(zhì)量下降，同時也大大降低了移動用戶的服務(wù)體驗質(zhì)量。尤其當(dāng)移動用戶在不同的接入點之間進(jìn)行切換時，重復(fù)請求相同的內(nèi)容不僅浪費網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且大大降低了從發(fā)送請求到收到數(shù)據(jù)內(nèi)容的時間間隔(以下簡稱通信時延)。
[0003]近年來已經(jīng)提出多種解決方案，致力于解決移動用戶數(shù)量快速增長以及無縫切換的問題。
[0004]移動IP是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中解決移動性問題的方法之一(L.Morand andS.Tessier,“Global mobility approach with Mobile IP in〃All IP〃networks,，，in Proc.0f IEEE Internat1nal Conference on Communicat1ns(ICC，02)，pp.2075-2079，2002)。它使移動節(jié)點在切換接入點后仍保持正在進(jìn)行的通信。在移動IP中，移動節(jié)點都有一個固定的家鄉(xiāng)代理，當(dāng)移動節(jié)點檢測到切換到其他的接入點并獲得轉(zhuǎn)交地址時，移動節(jié)點向家鄉(xiāng)代理注冊當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址。同時家鄉(xiāng)代理和其他路由器也會廣播對移動節(jié)點家鄉(xiāng)地址的可達(dá)性并接收發(fā)往移動節(jié)點家鄉(xiāng)地址的數(shù)據(jù)包。家鄉(xiāng)代理收到數(shù)據(jù)包后，通過隧道送往移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址。移動IP方案的最主要缺陷如下:(1)三角路由問題。當(dāng)移動節(jié)點切換到一個新的接入點時，數(shù)據(jù)包總是要先被轉(zhuǎn)發(fā)到家鄉(xiāng)代理，然后再被轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點，這在一定程度上降低了數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)效率，而且增加了通信時延。當(dāng)移動節(jié)點切換的比較頻繁時，這一問題將會更加嚴(yán)重。(2)難以實現(xiàn)無縫切換。移動IP只是描述了切換的方法，并沒有對如何降低切換延時、降低丟包率等方面深入考慮。(3)移動節(jié)點注冊的轉(zhuǎn)交地址開銷較大。當(dāng)移動節(jié)點切換比較頻繁時，綁定更新的次數(shù)增加，再加上移動節(jié)點的數(shù)目之多，不僅考驗著代理服務(wù)器的存儲能力和計算能力，而且傳輸過程也將給網(wǎng)絡(luò)增加很大的負(fù)擔(dān)。
[0005]LISP類似于移動IP，只是LISP中的Locator的IP(RLOC)和目的節(jié)點ID的IP (EID)，不止可以是IP地址，也可以是類似于GPS坐標(biāo)，MAC地址等任意元素(D.Farinacci, V.Fuller, D.Meyer and D.Lewis, “The locator/ID separat1nprotocol (LISP), ” RFC 6830，2013)。LISP 將 RLOC 和 EID 分離，主要是為了減少全球路由表的條目數(shù)量。LISP中，在網(wǎng)絡(luò)層傳輸時只根據(jù)RLOC轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)?shù)竭_(dá)站點邊緣時，則使用EID作為標(biāo)識轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點。這種方案的主要缺點如下:(I)增大了報文大小。在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，攜帶著RLOC的LISP頭被加到報文中，這無疑增大了報文的大小，在網(wǎng)絡(luò)傳輸中也占用了部分網(wǎng)絡(luò)帶寬。(2)增加了延時和丟包率。這種方案中，報文封裝之后，只有當(dāng)查找到EID-to-RL0C mapping匹配項之后，報文才會被發(fā)送出去，而且在轉(zhuǎn)發(fā)給移動節(jié)點之前，又需先將LISP頭去掉，才能將其轉(zhuǎn)發(fā)出去。這些處理過程都會增加包延時。如果在EID-to-RLOC mapping中沒有找到匹配項或者匹配還沒來得及更新，則報文丟失，這會導(dǎo)致較高的丟包率。
[0006]NDN網(wǎng)絡(luò)是一種新型的以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它通過重新請求機制支持移動用戶的通信(V.Jacobson, D.K.Smetters, J.D.Thornton, M.F.Plass, N.H.Briggsand R.L.Braynard, “Networking Named Content,，，in Proc.0f the 5th internat1nalconference on Emerging networking experiments and technologies(CoNEXT’ 09)，pp.1-12，2009)。
[0007]PCNDN方法是針對NDN網(wǎng)絡(luò)提出的一個預(yù)先緩存的解決方案(Y.Rao, H.Zhou, D.Gao, H.Luo and Y.Liu, “Proactive Caching for Enhancing User-Side Mobility Supportin Named Data Networking,，，in Proc.0f 7th Internat1nal Conference on InnovativeMobile and Internet Services in Ubiquitous Computing(IMIS’13)，pp.37 - 42，2013)。PCNDN的主要思想是通過控制信息提前通知邊緣的NDN節(jié)點，使其提前獲取數(shù)據(jù)并緩存下來，以對完成切換的移動節(jié)點提供就近服務(wù)。具體過程如下:當(dāng)移動節(jié)點檢測到切換事件時，它就會發(fā)送一個控制消息到其邊緣NDN節(jié)點I，之后該NDN節(jié)點不是將Data內(nèi)容返回給移動節(jié)點，而是緩存下來，并向目的子網(wǎng)的邊緣NDN節(jié)點2發(fā)送控制消息，進(jìn)而2向I發(fā)送Interest包請求相應(yīng)的Data內(nèi)容并緩存下來。當(dāng)移動節(jié)點完成切換過程之后，再向2發(fā)送控制信息并獲取因切換過程沒得到的Data內(nèi)容，這時2的緩存里已存在相應(yīng)的Data內(nèi)容，便可代替源節(jié)點就近服務(wù)了。這一方案的缺陷在于:(1)引入了大量的控制信息。大量的控制信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸中會占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。(2)大量的控制信息交互也會增大通信延時。在移動節(jié)點切換的過程中，每一個處理過程都離不開控制信息的交互，對控制信息的處理過程增加了通信延時。
[0008]X.Vasilakos 等人提出的 Selective Neighbor Caching(SNC)是基于 ICN 網(wǎng)絡(luò)的一個增強無縫移動的方法(Xenofon Vasilakos, Vasil1s A.Siris, George C.Polyzos, andMar1s Pomonis.Proactive Selective Neighbor Caching for Enhancing MobilitySupport in Informat1n-Centric Networks, Proc.ACM ICN' 12workshop, in conjuct1nwith SIGCOMM，2012)。該方法主要基于將請求及其相應(yīng)的內(nèi)容預(yù)先緩存到當(dāng)前接入點的鄰居節(jié)點集合中，首先通過權(quán)衡延時和緩存開銷這兩個因素建立了一個目標(biāo)開銷函數(shù)，以選擇鄰居節(jié)點的子集S*作為下一接入點，這個子集S*可最小化目標(biāo)開銷函數(shù)；當(dāng)一個移動節(jié)點與當(dāng)前接入點APi斷開連接時，i通知S*開始緩存與用戶訂閱匹配的內(nèi)容；當(dāng)移動節(jié)點連接上一個新的接入點APj,這個便通知APi該移動節(jié)點已經(jīng)重新連接上接入點了，然后AP i通知S*中所有AP停止APj緩存內(nèi)容。該方法的不足有:(I)在為尋找下一接入點所建立的模型中沒有考慮移動節(jié)點的移動速度、移動方向等因素，只是簡單假設(shè)當(dāng)前接入點所有鄰居節(jié)點是下一個接入點的概率相同，因此缺少移動性因素的分析。(2)在實驗過程中，只是估計不同的延時開銷比率和緩存開銷比率，并設(shè)為不同的定值進(jìn)行實驗，因此實驗結(jié)果缺乏可靠性。(3)在熱點區(qū)域如學(xué)校、商場等這些實際場景中，一段時間后，這些接入點緩存開銷很大，假設(shè)一個熱點區(qū)域的接入點因為緩存開銷總是被目標(biāo)開銷函數(shù)所舍棄掉，即不包含在S*中，然而移動用戶的下一接入點往往是這一個被舍棄的接入點，因此這一方法不僅浪費了其他鄰居接入點的緩存開銷，而且因必須到內(nèi)容提供者獲取內(nèi)容引起的延時開銷也總是最大的，所以該方法在這種場景中是失效的。(4)在移動用戶高速移動并切換不同網(wǎng)絡(luò)的場景中，移動用戶與鄰居接入點的鏈路持續(xù)時間不足以讓鄰居接入點將所需內(nèi)容緩存下來，如果緩存既浪費鄰居節(jié)點緩存，也未滿足移動無縫切換的需求，因此這一場景中該方法也是失效的。
[0009]另外，Vasil1s A.Siris等人還提出一種分布式預(yù)先緩存方法(Vasil1sA.Sirisj Xenofon Vasilakos, and George C.Polyzos.Efficient Proactive Caching forSupporting Seamless Mobility，Proc.1EEE World of Wireless, Mobile and MultimediaNetworks (WoWMoM)，2014)，該方法主要基于在更充分有效地利用緩存存儲空間的模式下的擁塞開銷，以更有效地選擇出需要緩存的節(jié)點。文章中分別考慮了延時與請求內(nèi)容大小無關(guān)和延時與請求內(nèi)容大小相關(guān)這兩種情況，還提出一層、二層的預(yù)先存儲方案。但是他們同樣沒有考慮移動性因素，而且實驗也是基于多個假定條件進(jìn)行的。同樣這一方法也面臨著SNC方法中的(3)和⑷中所述的不適應(yīng)場景的情況。
[0010]G.Xylomenos等人提出了一個全新的以信息為中心的發(fā)布_訂閱互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)(publish-subscribe Internet:PSI) (George Xylomenos,Xenofon Vasilakos, ChristosTsilopoulosjVasil1s A.Sirisj George C.Polyzos.Caching and mobility supporti