一種基于選擇性緩存的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計算機網(wǎng)絡(luò)，特別是設(shè)及一種基于選擇性緩存的內(nèi)容中屯、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路 由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是上世紀六走十年代建立的。在互聯(lián)網(wǎng)建立之初，互聯(lián)網(wǎng)主要用 于主要科研機構(gòu)和政府機構(gòu)之間的聯(lián)系，因此互聯(lián)網(wǎng)的各臺主機之間是相互信任的。而且 互聯(lián)網(wǎng)最初主要用于大型機器之間數(shù)據(jù)和服務(wù)的共享，網(wǎng)絡(luò)拓撲比較簡單，服務(wù)類型也很 單一，因此，局限于當(dāng)時互聯(lián)網(wǎng)的用途，互聯(lián)網(wǎng)中各個主機之間的通信采用了點對點通信的 方式。
[0003] 隨著科技和社會的發(fā)展，在當(dāng)今社會，硬件設(shè)備生產(chǎn)成本不斷降低，終端設(shè)備在日 常生活中不斷得到普及，使互聯(lián)網(wǎng)逐漸滲透到社會生活的方方面面。在互聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用于 生產(chǎn)生活的同時，它的功能和用途也發(fā)生了深刻的變化。在當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)中，隨著化uTube， P2P等內(nèi)容分享應(yīng)用的逐漸流行，內(nèi)容分享應(yīng)用所產(chǎn)生的流量在網(wǎng)絡(luò)總流量中所占的比例 越來越大。一方面，對于內(nèi)容分享應(yīng)用而言，用戶關(guān)屯、的只是數(shù)據(jù)本身，而并不關(guān)屯、數(shù)據(jù)存 放的具體位置；另一方面，當(dāng)今的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)依然是基于點對點通信的，所W盡管我們并不 關(guān)屯、數(shù)據(jù)存放的位置，但是我們必須首先將數(shù)據(jù)映射成它們的存放位置，然后再去相應(yīng)的 位置去獲取數(shù)據(jù)。該造成了目標和方法的分離，增加了我們獲取數(shù)據(jù)的復(fù)雜度。同時，隨著 網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模的不斷擴大，網(wǎng)絡(luò)中的可能發(fā)生的狀況變得越來越復(fù)雜，新的網(wǎng)絡(luò)安全問題層 出不窮。為了保證網(wǎng)絡(luò)的正常運轉(zhuǎn)，在原來的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，我們給網(wǎng)絡(luò)引入了各種各樣的 機制，使得網(wǎng)絡(luò)變得越來越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)的管理也變得越來越困難。
[0004] 為了從根本上解決上述問題，針對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的特點，人們提出了一種新的網(wǎng)絡(luò)體 系結(jié)構(gòu)，稱為命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（NamedDataNetworking)。與傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)不同，在命名數(shù)據(jù) 網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)而非主機是最基本的路由對象。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)最基本的特點是，當(dāng)我們在請求 某一個數(shù)據(jù)的時候，我們直接請求該個數(shù)據(jù)本身，而不再是通過訪問該個數(shù)據(jù)存放的位置 來獲取該個數(shù)據(jù)。此外，重新構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)也允許我們結(jié)合當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)的具體特性，引入一些新的 機制W簡化網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，建立更加簡單有效的網(wǎng)絡(luò)安全模型。從該個意義上講，命名數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡(luò)的提出蘊含了諸多的機會和希望。
[0005] 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點如下：
[0006] 1)每一個數(shù)據(jù)包都有一個唯一的名字。當(dāng)我們要獲取某個數(shù)據(jù)包的時候，我們根 據(jù)該個數(shù)據(jù)包的名字請求該個數(shù)據(jù)包，而不是將該個數(shù)據(jù)包映射成它的存放位置，然后通 過訪問它的存放位置來獲取該個數(shù)據(jù)包。此外，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用了層次化的命名結(jié)構(gòu)，比 如n化/video/transformer該樣的形式，該樣可W通過聚合來有效減小路由表的規(guī)模。
[0007] 2)每一個路由器的都有緩存數(shù)據(jù)的功能。當(dāng)一個數(shù)據(jù)經(jīng)過一個路由器的時候，該 個路由器可W選擇對該個數(shù)據(jù)進行緩存。當(dāng)用戶發(fā)出一個請求的時候，該個請求會在網(wǎng)絡(luò) 中進行傳播。如果該個請求到達一個路由器，該個路由器發(fā)現(xiàn)它緩存了所請求的數(shù)據(jù)，那該 個路由器就會返回該個數(shù)據(jù)，因此該個請求就得到了滿足。
[0008] 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中有兩種不同的數(shù)據(jù)類型，分別是數(shù)據(jù)包值atapacket)和興趣包(Interestpacket)。當(dāng)一個用戶要請求一個數(shù)據(jù)的時候，他首先需要知道該個數(shù)據(jù)的名 字，然后該個用戶根據(jù)該個名字生成一個興趣包，并將該個興趣包發(fā)送給它的代理路由器。 當(dāng)該個代理路由器收到該個興趣包的時候，代理路由器會根據(jù)它本身的路由策略對該個興 趣包進行路由。如果該個興趣包到達一個路由器并且該個路由器存放了該個興趣包所請求 的數(shù)據(jù)包的話，該個數(shù)據(jù)包就會被返回，否則該個興趣包最終將會被傳送給所請求的數(shù)據(jù) 包的源服務(wù)器，并從源服務(wù)器取回所請求的數(shù)據(jù)包。一個興趣包在網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸?shù)倪^程 中，網(wǎng)絡(luò)中的路由器會為該個興趣包維護相應(yīng)的信息；當(dāng)該個興趣包最終到達了所請求的 數(shù)據(jù)包的存放位置的時候，該個數(shù)據(jù)包就會沿著原來興趣包到達的路徑返回。
[0009] 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的路由器主要有S種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)倉庫值atastore),等 待興趣表（PendingInterestT油le)和路由表（RoutingT油le)。其中，數(shù)據(jù)倉庫主要用 于緩存數(shù)據(jù)包，等待興趣表用于記錄轉(zhuǎn)發(fā)的興趣包W及聚合興趣包，路由表則用于轉(zhuǎn)發(fā)興 趣包。興趣包在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)過程如下：
[0010] 1)當(dāng)一個路由器收到一個興趣包的時候，它首先在它的數(shù)據(jù)倉庫中查找有沒有和 該個興趣包匹配的數(shù)據(jù)包。如果有和該個興趣包匹配的數(shù)據(jù)包，它就從該個興趣包到達的 端口返回該個數(shù)據(jù)包，并終止該個興趣包的傳播。
[0011] 2)如果該個興趣包所請求的數(shù)據(jù)包不存在于該個路由器的數(shù)據(jù)倉庫中，那該個路 由器就會在它的等待興趣表中查找有沒有和該個興趣包匹配的表項。如果它的等待興趣表 中有和該個興趣包匹配的表項，那就說明該個路由器之前已經(jīng)收到過相同的興趣包，并且 已經(jīng)把該個興趣包轉(zhuǎn)發(fā)出去了。因此該個路由器就會把該個興趣包的到達端口加入到匹配 的等待興趣表表項的端口列表中并終止該個興趣包的傳播。
[0012] 3)如果在等待興趣表中沒有和該個興趣包匹配的表項，那就說明該個路由器第一 次收到該種類型的興趣包，因此該個路由器根據(jù)它自己的轉(zhuǎn)發(fā)策略，查找它的路由表。如 果該個路由表中有匹配的路由信息，那該個路由器就會把該個興趣包從相應(yīng)的端口轉(zhuǎn)發(fā)出 去，并在它的等待興趣表中加入一個表項，把該個興趣包的到達端口加入到該個等待興趣 表表項的端口列表中。
[0013] 4)如果該個路由器的路由表中沒有和該個興趣包匹配的路由信息，那該個路由器 就會將該個數(shù)據(jù)包丟棄，并向它的上一跳發(fā)送錯誤報告，告訴它當(dāng)前路由器無法轉(zhuǎn)發(fā)該個 興趣包。
[0014] 數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的傳播過程如下：
[0015] 1)當(dāng)一個路由器收到一個數(shù)據(jù)包的時候，它會根據(jù)它的緩存策略來決定是否對該 個數(shù)據(jù)包進行緩存。如果緩存策略表明該個路由器需要對該個數(shù)據(jù)包進行緩存，那該個路 由器就會檢查它的數(shù)據(jù)倉庫。如果它的數(shù)據(jù)倉庫已經(jīng)緩存了該個數(shù)據(jù)包，那該個路由器就 會更新它的數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)包，比如刷新該個數(shù)據(jù)包的生命周期，（也可W不更新）；否 則該個路由器就會將該個數(shù)據(jù)包緩存到它的數(shù)據(jù)倉庫中。如果它需要緩存該個數(shù)據(jù)包，但 是它的數(shù)據(jù)倉庫已經(jīng)滿了，那該個路由器就會根據(jù)一定的策略將原來的數(shù)據(jù)包替換出來。
[0016] 2)接著，該個路由器考慮轉(zhuǎn)發(fā)該個數(shù)據(jù)包。該個路由器查找它的等待興趣表，如果 它的等待興趣表中有和該個數(shù)據(jù)包匹配的表項，該個路由器就會將該個數(shù)據(jù)包從該個表項 的端口列表中的每一個端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。
[0017] 3)如果該個路由器的等待興趣表中沒有和該數(shù)據(jù)包匹配的表項，該個路由器就會 丟棄該個數(shù)據(jù)包。
[0018] 4)為實際部署命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)首先需要解決的兩個基本的問題是對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù) 的緩存策略和對該些緩存的數(shù)據(jù)的路由策略。目前存在=種比較流行的緩存策略：
[001引 a)普遍緩存策略。使用該種緩存策略時，在數(shù)據(jù)包從數(shù)據(jù)提供者（可能是路由器 也可能是源服務(wù)器）到達用戶的過程中，它所經(jīng)過的每一個路由器都會對該個數(shù)據(jù)包進行 緩存。該個緩存策略已經(jīng)被證明是低效的，因為它不僅會造成緩存的數(shù)據(jù)的嚴重冗余和頻 繁替換，導(dǎo)致很多緩存的數(shù)據(jù)還來不及被再次利用就已經(jīng)被替換出來。
[0020] b)最高中間度緩存策略。使用該種緩存策略時，我們首先給網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都 計算一個中間度化etweenness centrality)。統(tǒng)計證明，在實際網(wǎng)絡(luò)中，一個節(jié)點的中間度 反映了經(jīng)過該個節(jié)點的最短路徑的數(shù)目。所W中間度越高的節(jié)點，經(jīng)過它的最短路徑的數(shù) 目也越多。在一個數(shù)據(jù)包從數(shù)據(jù)提供者傳輸?shù)接脩舻倪^程中，我們總是把該個數(shù)據(jù)緩存在 中間度最高的節(jié)點上，該樣被緩存的數(shù)據(jù)被再次訪問的可能性最大。但是該種緩存方式的 一個缺點是按照該樣的緩存方式會導(dǎo)致中間度高的節(jié)點的負擔(dān)過重，而中間度相對較低的 節(jié)點的上的緩存空間卻被閑置了，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中路由器的緩存空間沒有得到充分利用。
[0021] C)遠離提供者優(yōu)先緩存策略。該是一種概率緩存方式。在數(shù)據(jù)包從數(shù)據(jù)提供者傳 輸?shù)浇K端用戶的過程中，我們給數(shù)據(jù)包的傳輸路徑上的每個路由器都賦予一個緩存該個數(shù) 據(jù)包的概率；距離數(shù)據(jù)提供者比較遠的路由器具有比較大的概率來緩存該個數(shù)據(jù)包。該種 緩存策略的思想是，我們總是把數(shù)據(jù)包優(yōu)先緩存在靠近終端用戶的位置，該樣可W用距離 源服務(wù)器比較近的路由器上的緩存空間來緩存距離源服務(wù)器比較近的用戶的數(shù)據(jù)。但是該 種緩存邏輯的有效性并不能得到廣泛認可。因為我們完全可W認為我們應(yīng)該優(yōu)先把數(shù)據(jù)緩 存在靠近數(shù)據(jù)提供者的位置，該樣該個數(shù)據(jù)可W被更多的用戶訪問，因而能得到更高的利 用率。
[0022] 當(dāng)前存在兩種比較受到認可的兩種路由策略分別是靜態(tài)路由策略和鏈路狀態(tài)路 由策略。
[0023] 1)靜態(tài)路由策略。該種路由策略就是完全不考慮命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中路由器上緩存的 數(shù)據(jù)。路由器每當(dāng)收到一個興趣包，總是將該個興