基于NDN的命名数据单源多路径路由方法、系统及介质与流程

本发明涉及命名数据网络（ndn）的数据传输技术，具体涉及一种基于ndn的命名数据单源多路径路由方法、系统及介质。

背景技术：

网络中传输数据的来源有单源和多源。一般地，单个用户某次事务中的数据传输大多从单个数据源获取，单源数据传送到某一用户的路径主要有单路径传送和多路径传送两种方式。数据源的大数据在网络传输必然要划分为大量数据块传输，如何提高重要数据的传输效率，实现网络负载平衡则很重要。因此，单源大数据的多路径传送方式，可以提高传输效率、响应速度和可靠性。互联网中现有多路径算法主要是从源端地址开始发现到目的节点的多个下一跳节点的序列。最终构建从源端到目的节点的多路径路由。但目前网络中由于ip层路由缺乏语义处理能力、传输服务智能性和个性化，因此在大规模复杂网络中用户和与需求匹配的数据源之间难以及时、动态地为特定类别、名称的数据构建最优多路径路由，难以支持最优多路径路由中断的自适应恢复。而在物联网、车联网和dtn等网络中，现有多路径路由方法的应变和可控性更难以满足要求，无法根据用户的请求及时发现特定内容并及时构建特定内容和用户之间的最优多路径，并对多路径进行智能和个性化的控制，进而智能、自适应和高质量地基于数据命名和用户即时位置以及网络拓扑提供可靠的多路径数据传输服务。

由于ip网络的诸多制约，人们提出了许多新型网络范型，如dona、netinf、ndn、nfv和sdn等。但新型网络范型要获得大规模应用，则必须具有解决现有网络因设计方面的制约而导致分布式应用难以解决的难题，甚至提供现有网络所不支持而又只有网络相关层才能提供的能力和优化方法。例如基于名字获取、查询和聚合数据，或者基于名字构建并发多路径传输路由，从而支持分布式应用对数据传输的个性化设置和调控，为现有分布式应用提供新颖的功能或最优的性能，从而增强其竞争能力。

从网络中获取数据时，如果其地址、语义未知且数量不确定，则不仅需要智能的数据发现能力，还需要高效的数据传输能力，如多路径的分流或并行传送，网络流量平衡和拥塞控制等功能。命名数据网络（ndn）是目前很受关注的新型网络范型。其主要工作原理是，除了能将数据源中的数据类别和名字通告到各路由器中，以及基于名字为数据源中的数据构建到各路由节点的最优组播树，还能基于名字匹配将用户兴趣组播到相关数据源，而与兴趣匹配且最早到达的数据则能原路返回。但目前为了消除环路（loop）而采用直接丢弃非首次到达的同一兴趣（nonce相同），而没有有效利用其经过的路径的信息。同时为了建立数据源通告的数据到各路由节点的单路径，fib只接收首次从同一数据源通告的名字注册，之后若收到从其它接口到达的相同名字通告则不再登记，而是将其丢弃。因此，ndn中，单个数据源的数据传输到用户端仍是通过单路径路由。虽然目前在ndn中有很多关于多路径路由的研究，但主要限于多数据源或多消费者的多路径路由。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于ndn的命名数据单源多路径路由方法、系统及介质，本发明可实现数据块并发传送，减少网络拥塞和负载失衡现象，提高传输效率，可高负载路段的自适应分流，可实现多路径维护、性能预估与排序，从而获得可靠的最优多路径路由。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于ndn的命名数据单源多路径路由方法，包括路由节点在收到数据源发出的通告数据包后采用多路径扩散通告数据包的步骤，详细步骤包括：

a1）查询转发信息表fib中是否存在与通告数据包中nonce的值相同的记录，如果不存在，则跳转执行步骤a2）；否则跳转执行步骤a3）；其中nonce为一个只被使用一次的任意或非重复的随机数值；

a2）对接收到的数据通告名字进行登记，将数据通告转发到接收接口之外的其它接口，以便扩散到其它邻居路由节点，退出；

a3）查看通告数据包所记录其经过的节点序列，如果存在本路由节点id，则将其丢弃以防止通告数据包形成环路；否则，在同名表项中添加接收接口，以建立数据源中每个数据到各路由节点的多路径，退出。

可选地，步骤a2）对接收到的数据通告名字进行登记的详细步骤包括：对接收到的数据通告名字进行登记，新建转发信息表fib的表项，然后对接收到的数据通告存储通告数据名字、nonce和接收接口。

可选地，还包括路由节点在收到用户发出的兴趣包后采用多路径转发兴趣包的步骤，详细步骤包括：

b1）判断该兴趣包经过的节点序列是否存在当前节点，如果存在则是循环兴趣，则将该兴趣丢弃，结束并退出；如果不存在，则跳转执行步骤b2）；

b2）在该兴趣包中登记该路由节点id并记录上一路段的带宽bw或延时信息；

b3）查看待定请求表pit中是否存在该兴趣的记录，如果不存在，则登记该兴趣包的信息并存储路径的带宽bw或延时信息，按传统ndn方法转发兴趣到所有匹配下一跳，结束并退出；如果存在，则跳转执行步骤b4）；

b4）在待定请求表pit中查看该兴趣记录是否登记了该接收接口，如果没有登记，则在待定请求表pit中登记该接收接口和带宽bw或延时信息，否则将该兴趣丢弃；

b5）针对采用最长前缀匹配算法lpm匹配转发信息表fib中是否存在包含该兴趣名字的表项，如果存在，则查看其登记的所有下一跳，然后向其所有下一跳转发。

可选地，步骤b2）中在该兴趣包中登记该路由节点id具体是指构建其经过的节点序列nodelist。

可选地，步骤b2）中记录上一路段的带宽bw或延时信息时，节点序列中记录的形式为：{......,ni,nj(n),......}，其中ni表示上一跳路由节点，nj表示当前路由节点，nj(nm)表示在当前路由节点nj探测到上一跳路由节点ni到当前路由节点nj路段的带宽bw为nmbp/s或者延时信息为n毫秒。

可选地，步骤b3）中登记该兴趣包的信息时，包括登记该兴趣包的接收接口、名称、nonce，其中nonce为一个只被使用一次的任意或非重复的随机数值。

可选地，步骤b3）中存储路径的带宽bw或延时信息时在待定请求表pit表中的记录形式如：(name,inface,a)，其中，name为兴趣包的名称，inface为兴趣包的接收接口，a为路径的带宽bw或延时信息。

可选地，还包括路由节点在收到数据源发送的响应数据包后按速率从多路径向用户返回响应数据包的步骤，详细步骤包括：根据待定请求表pit中的登记信息，统计对应兴趣所记录的各接收接口的带宽bw或延时信息，并对各接收接口按其带宽占各路径总带宽的比例向接收接口控制返回的数据块速率；如果该响应数据包是最终数据包则在待定请求表pit中删除该兴趣记录。

此外，本发明还提供一种基于ndn的命名数据单源多路径路由系统，包括路由节点，该路由节点被编程或配置以执行所述基于ndn的命名数据单源多路径路由方法的步骤，或者该路由节点的存储介质上被编程或配置以执行所述基于ndn的命名数据单源多路径路由方法的计算机程序。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上被编程或配置以执行所述基于ndn的命名数据单源多路径路由方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明可以在ndn中实现多路径数据通信的处理，具有下述优点：

1、可实现数据块并发传送：网络中基于分层/名字构建最优多路径路由，以为单源数据的传输提供高效并发分流传输方法，减少网络拥塞和负载失衡现象。多源单用户之间的数据同样可以利用单源单用户之间的多路径传送，提高传输效率。

2、高负载路段的自适应分流：在拥塞或通信负载重的路段，利用多路径进行自适应调整分流，以主动平衡负载，减少具体路径的拥塞；

3、可实现多路径维护、性能（如根据收到兴趣的时间、同路段数目、最小带宽、负载）预估与排序，从而获得可靠的最优多路径路由；

4、本发明可实现针对特定的数据名字或类别部署特定数据到网络用户之间的多路径传输功能，提高多路径路由的个性化，提供区分服务，减少全网所有数据的多路径构造对路由器的负载和网络流量。

附图说明

图1为本发明实施例方法的整体原理示意图。

图2为本发明实施例方法的路由节点处理流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例基于ndn的命名数据单源多路径路由方法包括路由节点在收到数据源发出的通告数据包后采用多路径扩散通告数据包的步骤，详细步骤包括：

a1）查询转发信息表fib中是否存在与通告数据包中nonce的值相同的记录，如果不存在，则跳转执行步骤a2）；否则跳转执行步骤a3）；其中nonce为一个只被使用一次的任意或非重复的随机数值；

a2）对接收到的数据通告名字进行登记，将数据通告转发到接收接口之外的其它接口，以便扩散到其它邻居路由节点，退出；

a3）查看通告数据包所记录其经过的节点序列，如果存在本路由节点id，则将其丢弃以防止通告数据包形成环路；否则，在同名表项中添加接收接口，以建立数据源中每个数据到各路由节点的多路径，退出。

本实施例中，步骤a2）对接收到的数据通告名字进行登记的详细步骤包括：对接收到的数据通告名字进行登记，新建转发信息表fib的表项，然后对接收到的数据通告存储通告数据名字、nonce和接收接口。

如图1和图2所示，本实施例还包括路由节点在收到用户发出的兴趣包后采用多路径转发兴趣包的步骤，详细步骤包括：

b1）判断该兴趣包经过的节点序列是否存在当前节点，如果存在则是循环兴趣，则将该兴趣丢弃，结束并退出；如果不存在，则跳转执行步骤b2）；

b2）在该兴趣包中登记该路由节点id并记录上一路段的带宽bw或延时信息；

b3）查看待定请求表pit中是否存在该兴趣的记录，如果不存在，则登记该兴趣包的信息并存储路径的带宽bw或延时信息，按传统ndn方法转发兴趣到所有匹配下一跳，结束并退出；如果存在，则跳转执行步骤b4）；

b4）在待定请求表pit中查看该兴趣记录是否登记了该接收接口，如果没有登记，则在待定请求表pit中登记该接收接口和带宽bw或延时信息，否则将该兴趣丢弃；

b5）针对采用最长前缀匹配算法lpm匹配转发信息表fib中是否存在包含该兴趣名字的表项，如果存在，则查看其登记的所有下一跳，然后向其所有下一跳转发。

本实施例中，步骤b2）中在该兴趣包中登记该路由节点id具体是指构建其经过的节点序列nodelist。

本实施例中，步骤b2）中记录上一路段的带宽bw或延时信息时，节点序列中记录的形式为：{......,ni,nj(n),......}，其中ni表示上一跳路由节点，nj表示当前路由节点，nj(nm)表示在当前路由节点nj探测到上一跳路由节点ni到当前路由节点nj路段的带宽bw为nmbp/s或者延时信息为n毫秒。

本实施例中，步骤b3）中登记该兴趣包的信息时，包括登记该兴趣包的接收接口、名称、nonce，其中nonce为一个只被使用一次的任意或非重复的随机数值。

本实施例中，步骤b3）中存储路径的带宽bw或延时信息时在待定请求表pit表中的记录形式如：(name,inface,a)，其中，name为兴趣包的名称，inface为兴趣包的接收接口，a为路径的带宽bw或延时信息。

如图1和图2所示，本实施例还包括路由节点在收到数据源发送的响应数据包后按速率从多路径向用户返回响应数据包的步骤，详细步骤包括：根据待定请求表pit中的登记信息，统计对应兴趣所记录的各接收接口的带宽bw或延时信息，并对各接收接口按其带宽占各路径总带宽的比例向接收接口控制返回的数据块速率；如果该响应数据包是最终数据包则在待定请求表pit中删除该兴趣记录。其中各接收接口按其带宽占各路径总带宽的比例向接收接口控制返回的数据块速率时，可根据延时信息对各接收接口按其带宽占各路径总带宽的比例进行排序，以确保通信延时较小。

参见图1，本实施例方法中数据源基于自身存储的数据分类和数据的名字，向ndn网络发出通告，通告数据包主要信息如数据层次命名、nonce；如果接收到兴趣，数据源根据兴趣中记录的节点序列及路段带宽信息，采用常用的最大网络流算法估算源节点到用户节点之间通过多路径的最大可行带宽mab，然后根据mab控制返回数据的速率，并对响应数据包编号；用户节点发送用户兴趣，在一段窗口时间内如果没有收到某些序号的包，而其后续若干的数据包皆已收到，则向数据源方向发送请求特定序号的包重传通知。如图2所示，从整体角度，ndn中路由节点的处理步骤具体如下：

1）路由节点监听数据包，如果收到从数据源转发来的通告数据包，则转2）；否则如果收到用户发送的兴趣包，则转4）；否则如果收到数据源响应用户兴趣的响应数据包，则转9）。

2）路由节点对收到的数据通告，首先查询fib中是否存在与通告数据包中nonce值相同的记录，如果不存在，则对接收到的数据通告名字进行登记，即新建fib表项，存储通告数据名字、nonce和接收接口，转3）；否则，查看通告数据包所记录其经过的节点序列，如果存在本路由节点id，则将其丢弃，以防止通告数据包形成环路，然后转1）；否则，在同名表项中添加接收接口，以建立数据源中每个数据到各路由节点的多路径，转1）。

3）将数据通告转发到接收接口之外的其它接口，以便扩散到其它邻居路由节点，然后转1）。

4）判断其经过的节点序列是否存在当前节点，如果存在则是循环兴趣，则将该兴趣丢弃，转1）。如果不存在，则转5）。

5）路由节点在该兴趣包中登记该路由节点id，即构建其经过的节点序列：nodelist，并记录上一路段的带宽bw或延时信息。假设上一跳为ni，本节点nj，并在nj探测到ni到nj路段的带宽为1m，则节点序列中记录的形式为：{......,ni,nj(1m),......}。

6）路由节点查看pit表中是否存在该兴趣的记录，如果不存在，则登记该兴趣信息，主要包括兴趣的接收接口、名称、nonce，并存储路径带宽信息，即在pit表中的记录形式如：(name,inface,bw)，转8）。否则转7）。

7）在pit表中查看该兴趣记录是否登记了该接收接口，如果没有登记，则在pit表中登记该接收接口和带宽，否则将该兴趣丢弃。

8）采用最长前缀匹配算法lpm匹配fib表中是否存在包含该兴趣名字的表项，如果存在，则查看其登记的所有下一跳，然后向其所有下一跳转发。转1）。

9）在pit表中统计对应兴趣所记录的各接收接口的带宽，并对各接收接口按其带宽占各路径总带宽的比例向接收接口控制返回的数据块速率。如果该数据包是最终数据包则在pit表中删除该兴趣记录。

10）路由节点监测路径拥塞信号，或探测到路径带宽或延迟低于一定阈值，则不再选取该路径作为数据返回多路径，除非是唯一返回路径。如果兴趣是来自除第一条路段之外的骨干路段、高带宽路段或高响应路段，则在pit表中登记该兴趣的接收接口，然后后向通告更新到数据源的多路径的总带宽，以便数据源调整数据的发送速率。转1）。

此外，本实施例还提供一种基于ndn的命名数据单源多路径路由系统，包括路由节点，该路由节点被编程或配置以执行前述基于ndn的命名数据单源多路径路由方法的步骤，或者该路由节点的存储介质上被编程或配置以执行前述基于ndn的命名数据单源多路径路由方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上被编程或配置以执行前述基于ndn的命名数据单源多路径路由方法的计算机程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。