一种基于POF的边缘快速路由与缓存系统及方法与流程
本发明属于未来网络技术领域，具体的说是一种由pof(协议无感知转发)技术支持的边缘快速路由与缓存系统及方法。
背景技术：
近二十年，智能终端的广泛应用和移动通信系统的猛越发展，智能终端、无线流量、连接数呈万倍的速度激增，给人们生活方式、工作模式以及政治、经济等方面带来了深刻影响。为适应未来海量移动数据的爆炸式增长，加快新业务新应用的开发，第五代移动通信(fifthgenerationmobilecommunicationnetwork,5g)网络应运而生。5g网络是广带化、泛在化、智能化、融合化、绿色节能的网络，将满足人们超高流量密度、超高连接数密度、超高移动性的需求。5g与传统4g不同的是，后者主要应用场景是连续广域覆盖和热点高容量的场景，而5g新拓展的场景是主要面向物联网业务的低功耗大连接和低时延高可靠的场景，将重点解决传统移动通信无法很好地支持物联网及垂直行业应用的问题。
为了解决出现的新挑战，目前主要提出的技术有信息中心网络(information-centricnetworking,icn)内置缓存技术和协议无感知转发(protocol-obliviousforwarding，pof)技术等。其中icn内置缓存技术在降低用户内容获取时延、均衡整网业务流量、减小链路失效和节点移动对内容分发的影响，提升内容分发效率和网络能量效率的方面有显著作用；而pof技术自身的无协议的概念使pof网络设备支持上层的任意自定义协议，特别是可以支持网络层的非ip协议，突破了未来网络发展的瓶颈，使得交换机可以在不关心协议的情况下完成数据的处理，大大加快了内容交换的速度。
已经在国际上首次基于pof交换机实现了不依赖于ip的网络层内容路由，并结合基于floodlight开源控制器开发的pof控制器和基于pof软交换机开发的内容路由器构建了具有管控能力的未来内容网络原型系统。通过使用通用指令集来实现协议无关转发的设计使得交换机拥有完全的可编程能力。
同为新兴的技术还有内容可寻址网络(contentaddressablenetwork，can)。在2001年acmsigcomm会议上，ratnasamyetal发表论文，正式提出了can网络，can网络作为简单、容错的多维空间p2p网络，采用多维空间拓扑结构，简单直观。can空间被动态分配给其网络结点，每个结点负责一块，每个数据对象被映射到一个点，由负责该点所在区域的结点保持索引，当有新节点加入时，从其加入区域中划分一半进行接管，从而具有了高容错性，高效性和可拓展性。
针对5g背景下物联网对网络传输性能的新需求，icn实现内容与位置的去耦合，sdn将数据平面与控制平面解耦合，提供了灵活的网络可编程能力，使得icn架构在真实网络中的实现成为可能，然而，已有的sdn与icn融合架构，如salsano等人提出的基于sdn的conet架构，suyongeum等人提出的of-icn等，都由控制器对全局路由进行规划，存在负载过高和性能瓶颈问题。
技术实现要素：
本发明技术解决问题：克服现有技术存在的不足，提供出一种基于pof技术的边缘快速路由与缓存系统及方法，在边缘网络中，利用坐标将内容分配到指定编址坐标空间区域，实现基于内容名称的快速自组织路由与内容缓存。本发明面向5g应用场景，可以有效减轻骨干网负载，降低请求响应延迟，并具有高度自组织性，可拓展性和容错性，并为未来网络提供了新的系统实现方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于pof技术的边缘快速路由与缓存系统，是用于为s个用户提供边缘网络中的快速内容发布、内容请求、内容响应服务。所述边缘快速路由与缓存系统包括：一个pof控制器和n个内容路由器；所述n个内容路由器依据划分方法1连接成分层的网格拓扑结构；
所述划分方法1为，根据内容路由器距离用户或骨干网以及相邻内容路由器的跳数距离和连通情况划分层次；
每层的内容路由器互相连通，并与相邻层的内容路由器构成连通；所有内容路由器通过以太网进行通信；s个用户分别连接到相应的内容路由器，边缘网络的边界路由器连接到用户和骨干网；
所述pof控制器包括：链路发现模块和拓扑管理模块，空间划分模块；链路发现模块使内容路由器之间互相发现，建立通信连接。拓扑管理模块根据链路建立边缘网络的拓扑结构，空间划分模块根据拓扑建立坐标编址空间并根据内容路由器的实际拓扑进行区域划分。
所述内容路由器为运行pofswitch(协议无感知交换机)进程的服务器，pofswitch进程通过控制器下发的流表实现对请求和内容的转发，响应以及缓存功能；
所述pof控制器利用tcp6633端口监听所述n个内容路由器；
所述网络中传递的内容网协议报文包括用户请求内容的兴趣包和返回给用户内容的数据包，都包含一个全局唯一的内容标识；
所述内容标识生成方法为，对于任意内容c的结构化、长度不定的描述，使用安全散列函数产生一定长度的全局唯一的二进制内容标识；
所述编址坐标空间根据边缘网络的拓扑复杂程度确定；
所述编址坐标空间中的坐标依据约束规则1从内容标识中选取，使得每个内容都对应到编址坐标空间中的特定区域；
所述约束规则1为根据层数k和内容路由器个数，并考虑各层内容路由器数目集合{n1,n2,n3…}的最大值kmax，坐标的长度length需满足
所述pof控制器根据边缘网络拓扑确定编址坐标空间维数后，对内容路由器进行分配，使得n个内容路由器节点分别负责对应的一片编址坐标空间区域，每个内容路由器负责的区域由一个或多个连续的基本单元区域组成，其负责区域的具体大小由内容路由器的能力c决定；
所述内容路由器负责的区域位置由其在边缘网络的拓扑位置映射到编址坐标空间中，同层的内容路由器对应到编址坐标空间中连续的一层区域，即物理拓扑中相邻的内容路由器，其负责的空间区域在编址坐标空间中也是相邻的；
所述编址坐标空间被完全分配给n个内容路由器节点；
所述第i个内容路由器负责的区域坐标范围为(xi,yi),xi和yi为对应的坐标集合；
所述pof控制器完成对内容路由器的编址坐标空间映射后，依据处理策略1为每个内容路由器制订相应的流表，并下发至每个内容路由器；
所述处理策略1为对于第i个内容路由器接收到的内容兴趣包或内容数据包，提取其中的内容标识字段中的坐标编码，通过对二进制坐标编码的掩码匹配，流表f可以判断内容目的地(目的地即为内容标识的坐标编码确定的编址坐标空间中的区域)与第i个内容路由器节点在拓扑结构中的方位关系，并结合内容路由器实际与邻居节点的链接情况以及出口带宽情况，选择距离目的地最近的下一跳节点，将内容兴趣包或数据包向其转发；若坐标与第i个内容路由器负责的编址坐标空间区域匹配，则流表可以执行对内容数据的操作，如接收的是数据包，则将执行缓存操作，若接收的是兴趣包，则执行读取内容操作；
所述内容路由器根据从控制器接收到的流表生成自身的转发处理流表，并依据处理策略1，对接收到的兴趣包或数据包进行处理，实现边缘快速路由转发和缓存功能。
所述边缘网络发生局部变动时，分为两种情况，新节点加入或节点失效：
新节点n加入时，根据新的内容路由器节点接入的位置，控制器选择一个拓扑位置最接近n的节点o，将节点o负责的编址坐标空间区域划分部分给新节点n，然后对节点n下发新的流表，对节点n和o的邻居节点(包括节点o)的流表进行更新。
已有节点o失效时，控制器监测到失效信息后，从节点o的邻居节点集合中选择一个最合适的节点j，将原本节点o负责的编址坐标空间区域移交给节点j负责，对节点j下发新的流表，并对节点o和节点j的邻居节点的流表进行更新。
本发明的一种基于pof技术的边缘快速路由与缓存方法，步骤如下：
步骤1、pof控制器监听n个内容路由器，利用链路发现和拓扑管理模块对边缘网络建立拓扑结构；
步骤2、对于任意内容c的结构化、长度不定的描述，使用安全散列函数产生一定长度的全局唯一的二进制内容标识；
步骤3、根据边缘网络的拓扑复杂程度，确定编址坐标空间的维数，以二维编址坐标空间为例，依据约束规则1从内容标识中选取两段长度为m的二进制坐标编码；
步骤4、根据坐标编码长度，将二维编址坐标空间划分为2m×2m个基本单元区域，每个基本单元区域面积为1；
步骤5、pof控制器根据数据包处理能力、缓存能力和出入链路带宽来评估每个内容路由器的能力c；
步骤6、pof控制器根据第i个内容路由器在边缘网络的拓扑位置，并考虑第i个内容路由器的能力c，为第i个内容路由器分配二维编制空间区域，能力c越大，则第i个内容路由器负责的区域面积越大。每个内容路由器节点负责的区域均由基本单元区域组成，物理拓扑中相邻的内容路由器，其负责的空间区域在编址坐标空间中也是相邻的；
步骤7、完整的编址坐标空间被分配给n个内容路由器节点。第i个内容路由器负责的区域坐标范围为(xi,yi),xi和yi为对应的坐标集合；
步骤8、pof控制器完成对内容路由器的编址坐标空间映射后，依据处理策略1为每个内容路由器制订相应的流表，并下发至每个内容路由器；
步骤9、内容路由器根据从控制器接收到的流表生成自身的转发处理流表，并按照上述流表处理程序对接收到的兴趣包或数据包进行处理，依据处理策略1，实现路由转发和缓存功能；
步骤10、第i个内容路由器接收到兴趣包或数据包后，通过流表对内容标识坐标编码进行掩码处理，若目的地与当前内容路由器负责的编址坐标空间区域不匹配，则根据流表确定距离目的地最近的端口(即端口对应的下一跳内容路由器距离目的地最近)，将报文转发至第i+1个内容路由器节点；
步骤11、若目的地与第i+1个内容路由器负责的编址坐标空间区域匹配，则根据内容标识对内容执行读取或缓存操作，否则，重复步骤10；
步骤12、新节点n加入时，根据新的内容路由器节点接入的位置，控制器选择一个拓扑位置最接近n的节点o，并根据节点n的能力值，将节点o负责的编址坐标空间区域划分部分给新节点n，然后对节点n下发新的流表，对节点n和o的邻居节点(包括节点o)的流表进行更新；
步骤13、已有节点o失效时，控制器监测到失效信息后，从节点o的邻居节点集合中选择一个最合适的节点j，将原本节点o负责的编址坐标空间区域移交给节点j负责，对节点j下发新的流表，并对节点o和节点j的邻居节点的流表进行更新。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明以pof架构为基础，利用pof控制器内容节点的集中管控能力和分布式路由能力，使得内容路由器具备ccn框架提出的流处理和缓存功能，在控制器第一次下发流表之后边缘网区域实现自组织路由和缓存，解决了现有体系中通信链路负荷大，缓存效率低等问题；
(2)本发明中所采用的边缘快速路由和缓存系统通过在骨干网周围靠近边缘的区域网络中进行高效路由和缓存，大大减轻了骨干网中的流量压力，在解决骨干网络拥塞问题的同时提升了网络的可靠性，进一步优化了负载，使得用户得到快速响应成为现实，切实满足了5g网络超低延迟性的要求；
(3)本发明参考内容可寻址网络(contentaddressablenetwork，can)的编址坐标空间思想，提供了一种高效的在边缘网络中确定内容位置以及快速路由导向的方法，且具有高度自组织性、可拓展性和容错性；
(4)本发明中内容路由器为运行pofswitch转发进程的服务器，作为pof-ccn路由进程的一种补充，可以实现共同协作，为icn在边缘网络环境下的应用提供了新的思路，为研究未来网络提供了一种新的系统实现方法。
附图说明
图1为本发明边缘网络拓扑示意图；
图2为本发明编址坐标空间示意图；
图3为本发明内容网协议包处理流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的边缘快速路由与缓存系统包括：一个pof控制器和n个内容路由器；所述n个内容路由器依据划分方法1连接成分层的网格拓扑结构，划分方法1为，根据内容路由器距离用户或骨干网以及相邻内容路由器的跳数距离和连通情况划分层次，本发明实施例中，以三层网格拓扑的边缘网络为例，分为k1，k2，k3层，每层分别有n1,n2,n3个内容路由器，且n1+n2+n3＝n，每层的内容路由器互相连通，并与相邻层的内容路由器构成连通；所有内容路由器通过以太网进行通信；s个用户分别连接到相应的内容路由器，边缘网络的出口路由器连接到骨干网。
n个内容路由器分别与pof控制器的tcp6633端口连接，并通过pof协议进行通信。
pof控制器包括：资源加载模块、floodlightprovider基本服务模块、链路发现模块和拓扑管理模块，空间划分模块。
内容路由器为运行pofswitch进程的服务器，pofswitch进程通过控制器下发的流表实现对请求和内容的转发，响应以及缓存功能。
用户请求内容的兴趣包和返回给用户内容的数据包，都包含一个全局唯一的内容标识。
对于任意内容c的结构化、长度不定的描述，使用安全散列函数产生一定长度的全局唯一的二进制内容标识。
根据边缘网络的拓扑复杂程度，确定编址坐标空间的维数，如以三层网络拓扑为例，确定一个二维坐标空间，从内容标识中依据约束规则1选取两段二进制编码分别作为坐标(x,y)，约束规则1为，根据层数k和内容路由器个数，并考虑各层内容路由器数目集合{n1,n2,n3}的最大值kmax，坐标的长度length需满足
pof控制器根据边缘网络拓扑确定编址坐标空间维数后，对内容路由器进行分配，使得n个内容路由器节点分别负责对应的一片区域，每个内容路由器负责的区域由一个或多个连续的基本单元区域组成，其负责区域的具体大小由内容路由器的能力决定，用c代表内容路由器的能力，控制器根据数据包处理能力、缓存能力和出入链路带宽来评估内容路由器的能力，能力c越大，则此内容路由器节点负责的编址坐标空间区域可以包含更多的基本单元区域，面积更大，即涵盖更多的坐标值。内容路由器负责的区域位置由其在边缘网络的拓扑位置映射到编址坐标空间中，同层的内容路由器对应到编址坐标空间中连续的一层区域，即物理拓扑中相邻的内容路由器，其负责的空间区域在编址坐标空间中也是相邻的。
编址坐标空间被完全分配给n个内容路由器节点。第i个内容路由器负责的区域坐标范围为(xi,yi),xi和yi为对应的坐标集合。在本实施例中，假设三层拓扑，确定一个二维寻址空间，坐标长度选取为2，共有4×4个基本单元区域，k1层包括a1,a2,a3三个内容路由器节点，即k1＝{a1,a2,a3},其余两层为k2＝{b1,b2,b3,b4},k1＝{c1,c2}，假设a1和a3的能力评估为c1，其余节点的能力评估为c2，且c2>c1，则令a1和a3各负责一个基本单元区域，a1和a3的寻址空间区域面积为1,；其余节点各负责两个基本单元区域，寻址空间区域面积为2。并根据内容路由器的物理拓扑关系，确定在二维编址坐标空间中的区域位置，最后得到如示意图2的对应关系，其中，如a2节点负责的区域范围为(00，01、10)。
pof控制器完成对内容路由器的编址坐标空间映射后，依据处理策略1为每个内容路由器制订相应的流表，并下发至每个内容路由器。处理策略1为，对于第i个内容路由器接收到的内容兴趣包或内容数据包，提取其中的内容标识字段中的坐标编码，通过对二进制坐标编码的掩码匹配，流表f可以判断内容目的地(目的地即为内容标识的坐标编码确定的编址坐标空间中的区域)与第i个内容路由器节点在拓扑结构中的方位关系，并结合内容路由器实际与邻居节点的链接情况以及出口带宽情况，选择距离目的地最近的下一跳节点，将内容兴趣包或数据包向其转发；若坐标与第i个内容路由器负责的编址坐标空间区域匹配，则流表可以执行对内容数据的操作，如接收的是数据包，则将执行缓存操作，若接收的是兴趣包，则执行读取内容操作。
内容路由器根据从pof控制器接收到的流表生成自身的转发处理流表，并依据处理策略1，对接收到的兴趣包或数据包进行处理，实现边缘快速路由转发和缓存功能，具体处理流程如示意图3。
当边缘网络发生局部变动时，分为两种情况，新节点加入或节点失效：
新节点n加入时，根据新的内容路由器节点接入的位置，控制器选择一个拓扑位置最接近n的节点o，并根据节点n的能力值，将节点o负责的编址坐标空间区域划分部分给新节点n，然后对节点n下发新的流表，对节点n和o的邻居节点(包括节点o)的流表进行更新。
已有节点o失效时，pof控制器监测到失效信息后，从节点o的邻居节点集合中选择一个最合适的节点j，将原本节点o负责的编址坐标空间区域移交给节点j负责，对节点j下发新的流表，并对节点o和节点j的邻居节点的流表进行更新。
边缘快速路由与缓存系统开始工作后，控制器只需初始阶段为每个内容路由器下发流表，来自骨干网的内容数据以及用户设备产生的数据均可以依据上文规则，通过每个内容路由器相应的流表匹配，对数据进行快速路由转发，将内容缓存到对应的二维编址坐标空间中的节点去，且由于从安全散列函数后得到的内容标识中选取坐标，因而满足负载均匀性。当用户请求数据时，无需控制器对兴趣包路径规划，便可根据内容标识在边缘网中转发到缓存所在的节点，若无缓存，则再向控制器请求解析。依靠设定规则，可以使边缘网络中的内容路由器完全自组织地实现对兴趣包和数据包的路由和缓存，有效地将内容均匀放置在边缘网节点中，并减少对骨干网的内容访问，实现对用户请求的快速响应。当边缘网络发生局部变化，如新节点加入或节点失效，只需控制器对局部编址坐标空间区域和节点进行修改，不会造成整体网络缓存和路由功能的变更，因而具有一定的可拓展性和容错性。
本发明实施例中，一种基于pof技术的边缘快速路由与缓存方法是按如下步骤进行：
步骤1、pof控制器监听n个内容路由器，利用链路发现和拓扑管理模块对边缘网络建立拓扑结构；
步骤2、对于任意内容c的结构化、长度不定的描述，使用安全散列函数产生一定长度的全局唯一的二进制内容标识；
步骤3、根据边缘网络的拓扑复杂程度，确定编址坐标空间的维数，以二维编址坐标空间为例，依据约束规则1从内容标识中选取两段长度为m的二进制坐标编码；
步骤4、根据坐标编码长度，将二维编址坐标空间划分为2m×2m个基本单元区域，每个基本单元区域面积为1；
步骤5、控制器根据数据包处理能力、缓存能力和出入链路带宽来评估每个内容路由器的能力c；
步骤6、pof控制器根据第i个内容路由器在边缘网络的拓扑位置，并考虑第i个内容路由器的能力c，为第i个内容路由器分配二维编制空间区域，能力c越大，则第i个内容路由器负责的区域面积越大。每个内容路由器节点负责的区域均由基本单元区域组成，物理拓扑中相邻的内容路由器，其负责的空间区域在编址坐标空间中也是相邻的；
步骤7、完整的编址坐标空间被分配给n个内容路由器节点。第i个内容路由器负责的区域坐标范围为(xi,yi),xi和yi为对应的坐标集合；
步骤8、pof控制器完成对内容路由器的编址坐标空间映射后，依据处理策略1为每个内容路由器制订相应的流表，并下发至每个内容路由器；
步骤9、内容路由器根据从控制器接收到的流表生成自身的转发处理流表，并按照上述流表处理程序对接收到的兴趣包或数据包进行处理，依据处理策略1，实现路由转发和缓存功能；
步骤10、第i个内容路由器接收到兴趣包或数据包后，通过流表对内容标识坐标编码进行掩码处理，若目的地与当前内容路由器负责的编址坐标空间区域不匹配，则根据流表确定距离目的地最近的端口(即端口对应的下一跳内容路由器距离目的地最近)，将报文转发至第i+1个内容路由器节点；
步骤11、若目的地与第i+1个内容路由器负责的编址坐标空间区域匹配，则根据内容标识对内容执行读取或缓存操作，否则，重复步骤10(步骤10与步骤11处理流程如示意图3所示)；
步骤12、新节点n加入时，根据新的内容路由器节点接入的位置，控制器选择一个拓扑位置最接近n的节点o，并根据节点n的能力值，将节点o负责的编址坐标空间区域划分部分给新节点n，然后对节点n下发新的流表，对节点n和o的邻居节点(包括节点o)的流表进行更新；
步骤13、已有节点o失效时，pof控制器监测到失效信息后，从节点o的邻居节点集合中选择一个最合适的节点j，将原本节点o负责的编址坐标空间区域移交给节点j负责，对节点j下发新的流表，并对节点o和节点j的邻居节点的流表进行更新。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
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