一種降低ndn網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)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(qǐng)屬于計(jì)算機(jī)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(jiǎn)稱NDN網(wǎng)絡(luò))中提高移動(dòng)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(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展，海量增長的移動(dòng)設(shè)備數(shù)量及其移動(dòng)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(shí)也大大降低了移動(dòng)用戶的服務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量。尤其當(dāng)移動(dòng)用戶在不同的接入點(diǎn)之間進(jìn)行切換時(shí)，重復(fù)請(qǐng)求相同的內(nèi)容不僅浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)帶寬，而且大大降低了從發(fā)送請(qǐng)求到收到數(shù)據(jù)內(nèi)容的時(shí)間間隔(以下簡(jiǎn)稱通信時(shí)延)。
[0003]近年來已經(jīng)提出多種解決方案，致力于解決移動(dòng)用戶數(shù)量快速增長以及無縫切換的問題。
[0004]移動(dòng)IP是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中解決移動(dòng)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(dòng)節(jié)點(diǎn)在切換接入點(diǎn)后仍保持正在進(jìn)行的通信。在移動(dòng)IP中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)固定的家鄉(xiāng)代理，當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到切換到其他的接入點(diǎn)并獲得轉(zhuǎn)交地址時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)向家鄉(xiāng)代理注冊(cè)當(dāng)前的轉(zhuǎn)交地址。同時(shí)家鄉(xiāng)代理和其他路由器也會(huì)廣播對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)家鄉(xiāng)地址的可達(dá)性并接收發(fā)往移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址。移動(dòng)IP方案的最主要缺陷如下:(1)三角路由問題。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換到一個(gè)新的接入點(diǎn)時(shí)，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(dòng)節(jié)點(diǎn)，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(shí)延。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換的比較頻繁時(shí)，這一問題將會(huì)更加嚴(yán)重。(2)難以實(shí)現(xiàn)無縫切換。移動(dòng)IP只是描述了切換的方法，并沒有對(duì)如何降低切換延時(shí)、降低丟包率等方面深入考慮。(3)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)注冊(cè)的轉(zhuǎn)交地址開銷較大。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換比較頻繁時(shí)，綁定更新的次數(shù)增加，再加上移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目之多，不僅考驗(yàn)著代理服務(wù)器的存儲(chǔ)能力和計(jì)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(dòng)IP，只是LISP中的Locator的IP(RLOC)和目的節(jié)點(diǎn)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(shí)只根據(jù)RLOC轉(zhuǎn)發(fā)，當(dāng)?shù)竭_(dá)站點(diǎn)邊緣時(shí)，則使用EID作為標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。這種方案的主要缺點(diǎn)如下:(I)增大了報(bào)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(bào)文中，這無疑增大了報(bào)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(shí)和丟包率。這種方案中，報(bào)文封裝之后，只有當(dāng)查找到EID-to-RL0C mapping匹配項(xiàng)之后，報(bào)文才會(huì)被發(fā)送出去，而且在轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(huì)增加包延時(shí)。如果在EID-to-RLOC mapping中沒有找到匹配項(xiàng)或者匹配還沒來得及更新，則報(bào)文丟失，這會(huì)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(qǐng)求機(jī)制支持移動(dòng)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(duì)NDN網(wǎng)絡(luò)提出的一個(gè)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(diǎn)，使其提前獲取數(shù)據(jù)并緩存下來，以對(duì)完成切換的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供就近服務(wù)。具體過程如下:當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到切換事件時(shí)，它就會(huì)發(fā)送一個(gè)控制消息到其邊緣NDN節(jié)點(diǎn)I，之后該NDN節(jié)點(diǎn)不是將Data內(nèi)容返回給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，而是緩存下來，并向目的子網(wǎng)的邊緣NDN節(jié)點(diǎn)2發(fā)送控制消息，進(jìn)而2向I發(fā)送Interest包請(qǐng)求相應(yīng)的Data內(nèi)容并緩存下來。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)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(shí)2的緩存里已存在相應(yīng)的Data內(nèi)容，便可代替源節(jié)點(diǎn)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(huì)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(huì)增大通信延時(shí)。在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)切換的過程中，每一個(gè)處理過程都離不開控制信息的交互，對(duì)控制信息的處理過程增加了通信延時(shí)。
[0008]X.Vasilakos 等人提出的 Selective Neighbor Caching(SNC)是基于 ICN 網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)增強(qiáng)無縫移動(dòng)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(qǐng)求及其相應(yīng)的內(nèi)容預(yù)先緩存到當(dāng)前接入點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)集合中，首先通過權(quán)衡延時(shí)和緩存開銷這兩個(gè)因素建立了一個(gè)目標(biāo)開銷函數(shù)，以選擇鄰居節(jié)點(diǎn)的子集S*作為下一接入點(diǎn)，這個(gè)子集S*可最小化目標(biāo)開銷函數(shù)；當(dāng)一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與當(dāng)前接入點(diǎn)APi斷開連接時(shí)，i通知S*開始緩存與用戶訂閱匹配的內(nèi)容；當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接上一個(gè)新的接入點(diǎn)APj,這個(gè)便通知APi該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)重新連接上接入點(diǎn)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(diǎn)所建立的模型中沒有考慮移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度、移動(dòng)方向等因素，只是簡(jiǎn)單假設(shè)當(dāng)前接入點(diǎn)所有鄰居節(jié)點(diǎn)是下一個(gè)接入點(diǎn)的概率相同，因此缺少移動(dòng)性因素的分析。(2)在實(shí)驗(yàn)過程中，只是估計(jì)不同的延時(shí)開銷比率和緩存開銷比率，并設(shè)為不同的定值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果缺乏可靠性。(3)在熱點(diǎn)區(qū)域如學(xué)校、商場(chǎng)等這些實(shí)際場(chǎng)景中，一段時(shí)間后，這些接入點(diǎn)緩存開銷很大，假設(shè)一個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域的接入點(diǎn)因?yàn)榫彺骈_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(dòng)用戶的下一接入點(diǎn)往往是這一個(gè)被舍棄的接入點(diǎn)，因此這一方法不僅浪費(fèi)了其他鄰居接入點(diǎn)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(shí)開銷也總是最大的，所以該方法在這種場(chǎng)景中是失效的。(4)在移動(dòng)用戶高速移動(dòng)并切換不同網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景中，移動(dòng)用戶與鄰居接入點(diǎn)的鏈路持續(xù)時(shí)間不足以讓鄰居接入點(diǎn)將所需內(nèi)容緩存下來，如果緩存既浪費(fèi)鄰居節(jié)點(diǎn)緩存，也未滿足移動(dòng)無縫切換的需求，因此這一場(chǎng)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(chǔ)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(diǎn)。文章中分別考慮了延時(shí)與請(qǐng)求內(nèi)容大小無關(guān)和延時(shí)與請(qǐng)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(chǔ)方案。但是他們同樣沒有考慮移動(dòng)性因素，而且實(shí)驗(yàn)也是基于多個(gè)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(chǎng)景的情況。
[0010]G.Xylomenos等人提出了一個(gè)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