一种优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110572274 A(43)申请公布日 2019.12.13

(21)申请号 2019106879.0(22)申请日 2019.07.29

(71)申请人 杭州电子科技大学

地址 310018 浙江省杭州市经济技术开发

区白杨街道2号大街(72)发明人 蒋从锋　殷继亮　黄杰　李尤慧子　

殷昱煜　贾刚勇　张纪林　(74)专利代理机构 浙江千克知识产权代理有限

公司 33246

代理人 周希良(51)Int.Cl.

H04L 12/24(2006.01)H04L 12/721(2013.01)H04L 29/08(2006.01)

权利要求书2页 说明书11页 附图4页

CN 110572274 A(54)发明名称

一种优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法(57)摘要

的本发明涉及一种基于命名数据网络（NDN）

边缘计算节点部署与管理的优化方法。该发明主要包含四部分的内容：边缘计算节点NDN网络的建立、命名机制和数据包结构设计、边缘计算网络协议框架的设计、控制服务器的功能。本发明将异构边缘设备部署为统一NDN节点并建立边缘计算节点网络的方法。将元数据信息纳入NDN命名机制，构造层次化的数据名称。设计了一种优化的边缘计算网络协议框架，该框架可分为控制层和传输层，提出在网络中部署控制服务器的方法。控制服务器将承担节点编号分配和网络拓扑信息存储与维护的功能。利用本发明方法可以实现高速率低消耗的网络数据传输。

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1.一种优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，用于在边缘环境下NDN网络的实现，实现时网络中大量异构边缘设备与一台控制服务器通过NDN网络互联，其特征在于：网络拓扑信息和边缘节点的接入通过网络中部署的控制服务器实现，基于边缘计算节点通信设计的命名规则和数据包结构，实现计算节点以数据为中心的高速率低消耗网络通信功能，优化的NDN协议框架分为控制层和传输层，实现边缘计算网络的路由转发机制。

2.如权利要求1所述的优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：边缘计算网络的构建过程分为三个阶段：节点编号请求、邻居发现、全局网络拓扑结构的构建与维护。

3.如权利要求1所述的优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：NDN网络命名机制的设计，其包含五种元数据信息组件，分别为节点编号、项目名称、数据类型、数据版本和数据分片，组件依次排列，构造出层次化的数据名称。

4.如权利要求1所述的优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：NDN网络数据包结构的设计，其兴趣包包含数据名称、包类型、优先顺序、转发策略、存活时间五个域；数据包包含数据名称、包类型、存储标志、数字签名、数据内容五个域。

5.如权利要求1所述的优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：边缘计算网络协议框架的设计，其包含上下两层结构，下层为传输层，通过内容仓库、等待表和转发表对NDN网络数据包的路由与转发提供决策，确保高速率低消耗的网络数据传输；上层为控制层，通过ACK确认和丢包重传机制对NDN网络数据包的通信过程进行控制，确保数据包可以准确地发送到指定的节点。

6.如权利要求5所述的优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：所述内容仓库的结构设计，其包含数据名称、Data、TimeStamp、RequestNum表项，分别代表数据在网络中的唯一身份标识、具体数据内容、数据最后一次被使用的时间戳、数据被请求的总次数。

7.如权利要求5所述的优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：所述等待表的结构设计，其包含数据名称、DownFace[N]、Waittime表项，分别代表数据在网络中的唯一身份标识、请求的下游来源接口列表、请求转发后的等待时间。

8.如权利要求5所述的优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：所述转发表的结构设计，根据网络中全局路由和数据路由的不同需求，分别有两种类型的存储条目。

9.如权利要求8优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：所述的转发表存储全局路由信息的条目，根据控制服务器的全局网络拓扑数据生成从该节点到目标节点的最优路由选择路径；条目数量等于网络中边缘节点的数量，表项是目标节点的编号、转发接口以及路由距离；所述的转发表还存储数据路由信息的条目，根据节点在网络通信过程中接收的历史数据名称而建立；条目数量由节点FIB存储容量决定，当剩余容量为空时，新的数据路由信息将覆盖旧的数据路由信息。

10.如权利要求1所述的优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法，其特征在于：所述的边缘计算网络的路由转发机制，使得边缘计算网络兼顾数据的交换与全局的路由，其过程具体表述为：

步骤一：判断请求转发策略，若置为0，则进行全局拓扑路由转发，流程结束；若置为非

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0，则执行下一步骤；

步骤二：请求进入CS内容存储库，检索CS以判断该节点是否缓存了所求数据；步骤三：CS检索成功，直接返回所求数据，以满足下游请求，流程结束；CS检索失败，则执行下一步骤；

步骤四：请求进入PIT待定表，检索PIT以判断节点是否已向上游发送该数据请求；步骤五：PIT检索成功，直接添加下游传出接口，流程结束；PIT检索失败，则执行下一步骤；

步骤六：判断请求存活时间，若当前剩余可转发次数为0，则该请求已死亡，抛弃请求，流程结束；若当前剩余可转发次数非0，则该请求存活，执行下一步骤；

步骤七：请求进入FIB转发信息库，检索FIB以选择转发接口；步骤八：FIB检索成功，向匹配接口转发请求；FIB检索失败，根据转发策略向指定数量的接口随机转发请求，流程结束。

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一种优化边缘计算节点部署和管理的命名数据网络方法

技术领域

[0001]本发明涉及一种基于命名数据网络(Named Data Networking，以下简称NDN)的边缘计算节点部署与管理的优化方法。尤其是针对多计算节点大量请求相同数据的网络需求，利用该方法可以实现高速率低消耗的网络数据传输。背景技术

[0002]随着处理器、内存及磁盘技术的进步，边缘设备的性能持续地提高。与此同时，相对低廉的价格也使得此类边缘设备的销售数量不断地增加。其结果就造成了大量的资源(包括计算资源、数据资源等)闲置于边缘网络上。传统的方法一般会通过网络将边缘设备获取的数据传输至云数据中心，再利用云数据中心的计算资源对其进行处理，从而获得有价值的分析结果。但该方法耗费了大量网络资源，并且忽视了边缘网络中大量闲置的计算资源。

[0003]边缘计算提出把计算任务部署在边缘的概念，有效地避免了传统方法带来的弊端。然而，边缘设备的计算性能普遍较低，对于大数据量的计算任务，单个边缘节点往往无法独自完成。因此，需要建立边缘计算集群，从而实现计算任务的分布式执行。在这个过程中，每一个边缘节点既是数据的存储单元，也是计算的执行单元。这造成了在计算任务进行时，数据需要在节点之间进行大量的传输与分发。另外，考虑到边缘节点网络上数据的存储往往并不是分布式的，它们通常只存储在网络中具有边缘数据收集能力的设备上。因此，在分布式计算过程中，大量计算节点并发地请求单一节点数据的情况容易发生，这将进一步加剧边缘网络的带宽压力。[0004]另一方面，命名数据网络(NDN)提出了利用数据名称进行路由，以此避免传统IP网络架构的种种弊端。首先，NDN网络的节点命名空间是无限的，理论上可以支持无限边缘设备接入网络。NDN网络的接入不再依赖于IP地址，很好地解决了IP地址不足的问题。其次，NDN网络以数据为中心的设计，将数据本身与数据的存储位置进行分离，使其可以更加专注地处理大量数据交互的情况，尤其适用于以数据分发为主的网络需求。具体表现为：1)基于数据名称的路由与转发机制，使NDN网络“天然”地支持组播通信；2)利用不同于IP网络的网内存储机制，使NDN网络更加高效地利用节点历史数据。然而，对于NDN边缘计算节点的部署和管理来说，数据命名机制的设计始终是巨大的挑战。边缘设备的多样性和移动性也决定了网络节点必须满足异构和移动接入的特点。

发明内容

[0005]为了对大量异构边缘设备进行有效的管理，继而实现边缘计算集群网络的部署，本发明设计了一种适用于边缘环境的NDN网络架构。该架构将异构边缘设备部署为统一的NDN节点，并利用传统IP网络的底层通信信道来建立NDN边缘计算网络。针对边缘计算数据传输需求，通过将元数据信息纳入到NDN命名机制，使请求节点可以直接使用目标数据的名称在NDN网络中进行数据请求。通过设计NDN协议框架，实现网络数据包的通信控制和基于

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数据名称的路由与转发。通过在网络中部署控制服务器，实现边缘设备网络接入阶段的节点编号分配功能，以及网络拓扑信息存储和维护功能，使各边缘节点具有基于节点编号的全局路由能力。

[0006]该发明主要包含四部分的内容：边缘计算节点NDN网络的建立、命名机制和数据包结构设计、边缘计算网络协议框架的设计、控制服务器的功能。[0007](1)边缘计算节点NDN网络的建立

[0008]本发明提出了边缘环境下分布式计算集群NDN网络的部署方法。针对传统IP网络上运行的各种边缘设备，通过在其操作系统上安装能够实现NDN网络基础功能的守护程序(如NFD)，即可将其部署为统一的NDN节点。然后，通过控制服务器的节点编号分配功能，每个NDN节点获得唯一的节点编号。通过邻居发现过程，每个NDN节点自动创建多个接口，并通过底层通信信道与其周围邻居节点实现虚拟链路连接，从而建立边缘计算NDN网络。[0009](2)命名机制和数据包结构设计

[0010]本发明提出一种包含元数据信息的NDN命名机制。通过将节点编号、项目名称、数据名称、数据版本和数据分片依次排列，构造出层次化的数据名称，使请求节点可以直接使用该名称在NDN网络中进行数据请求。针对NDN网络通信中两种不同类型的数据包，通过在包头添加相应的域实现转发控制、存储标识、数据包签名等功能。[0011](3)边缘计算网络协议框架的设计

[0012]本发明提出一种优化的NDN协议框架，该框架可分为控制层和传输层。其中，控制层主要引入了ACK确认和丢包重传机制；传输层为NDN路由转发机制，包括内容仓库(CS)、等待表(PIT)和转发表(FIB)。通过协议控制，使NDN网络实现以数据名称为中心的数据通信。“流行”数据的请求能够在网络中进行聚合，返回的目标数据能够在靠近请求者的节点上进行分发，大大减少了网络带宽的消耗。指定节点的请求则会通过全局路由策略，选择最优路由路径进行转发。[0013](4)控制服务器的功能

[0014]本发明提出一种在NDN网络中部署控制服务器的方法，该服务器将承担节点编号分配和网络拓扑信息存储与维护的功能。节点编号分配功能保证了NDN网络上的任意节点具有全局唯一的节点编号以及边缘节点的网络接入功能；NDN网络拓扑信息存储与维护保证所有计算节点可以获取当前NDN网络的拓扑结构，及时更新和优化路由策略。[0015]本发明的有益效果：针对多计算节点大量请求相同数据的网络需求，利用本发明可以实现高速率低消耗的网络数据传输。附图说明

[0016]图1边缘计算网络系统架构图；[0017]图2边缘计算网络的构建流程图；

[0018]图3NDN兴趣包和数据包的结构设计图；[0019]图4边缘计算网络协议框架图；

[0020]图5边缘计算节点路由与转发流程图。

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具体实施方式[0021](1)NDN网络的部署与构建[0022]在本方法中，通过在操作系统上安装能够实现NDN网络基础功能的守护程序(如NFD)，即可将异构的边缘设备部署为统一的NDN节点。所述NDN节点部署过程中，必须保证其基于传统IP网络的底层通信信道保持连通。其中，底层通信信道可以是以太网、UDP、TCP、UNIX、FD、dev中的任意一种或多种。[0023]初始阶段，所述NDN节点在IP网络上是连通的，在NDN网络上是孤立的，所以NDN网络的组建需要基于传统IP网络的通信来实现。具体的构建流程可以分为三个过程：节点编号请求、邻居发现、全局网络拓扑结构的构建与维护。[0024](2)节点编号请求[0025]如图2(a)所示，为NDN节点编号请求过程，分为以下三个步骤：[0026]步骤一：新接入网络的边缘计算节点通过IP地址(服务器IP已知)或广播(服务器IP未知)的方式访问控制服务器，向其请求节点编号。[0027]步骤二：控制服务器接受请求，根据请求包中的源IP地址信息返回未分配的NDN节点编号。该NDN节点编号在整个NDN网络中具有全局唯一性，是该节点在NDN网络中的身份标识。

[0028]步骤三：NDN节点在接收到分配的NDN节点编号后，返回确认数据包，告知控制服务器该编号已成功分配。[0029](3)邻居发现[0030]如图2(b)所示，为NDN节点邻居发现过程，分为以下六个步骤：[0031]步骤一：NDN节点向指定跳数范围内所有主机广播Hello包，告知自身NDN节点编号信息。网络中其它NDN节点主机接收并识别数据包内容，非NDN节点主机自动忽视Hello包。[0032]步骤二：网络中NDN节点确认Hello请求，返回包含自身NDN节点编号信息的数据包。

[0033]步骤三：NDN节点根据返回数据包的延时情况，筛选出距离自身较近的NDN节点作为目标邻居，并向其发送建立NDN虚拟链路请求。[0034]步骤四：NDN邻居节点确认请求，同意并与之建立NDN虚拟链路。[0035]步骤五：NDN节点与邻居同时创建新的NDN接口，将其设置为指向对方节点编号的路由前缀。在创建的NDN虚拟链路上互相发送NDN链路通信测试包。[0036]步骤六：NDN节点与邻居互相返回链路测试确认包，诺两者均确认成功，则NDN虚拟链路成功建立。[0037](4)全局网络拓扑结构的构建与维护[0038]如图2(c)所示，为全局NDN网络拓扑结构的构建与维护过程，分为以下五个步骤：[0039]步骤一：新接入的NDN节点在完成邻居发现过程后，立即向控制服务器发送自身的接口信息以及与邻居的链路链接情况。[0040]步骤二：控制服务器在获取到该节点的NDN链路链接情况后，立即对存储的NDN网络拓扑数据进行更新，并将更新后的网络拓扑数据全部发送给新接入的NDN节点。[0041]步骤三：NDN节点接收到网络拓扑数据后，向控制服务器返回确认数据包。否则，控制服务器将在一定时间后进行数据重传。

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步骤四：NDN节点周期性地向控制服务器发送NDN链路状态包，告知自身在线状态

以及NDN链路变化情况。[0043]步骤五：控制服务器不间断地接收在线NDN节点的状态信息，维护当前全局网络拓扑结构数据。当检测到节点离线或链路状态改变时，控制服务器立即向全网所有节点广播拓扑数据更新包，保证拓扑信息随时保持同步。[0044](5)NDN命名机制的设计[0045]本方法中，数据的命名机制包含五种元数据信息组件，分别为节点编号、项目名称、数据类型、数据版本和数据分片。组件依次排列，构造出层次化的数据名称，其结构如下所示。

[0046]/NodeNum/ProjectName/DataName/Version/SliceNum[0047]五种元数据信息的具体描述如下表1所示。[0048]表1五种元数据信息的描述

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其中，节点编号信息作为数据名称的根组件，标识了源数据发布者节点的编号。将

其纳入命名机制可以实现数据源地址与数据本身的分离，数据请求者可以在任意节点上直接根据数据发布者节点编号搜索目标数据，避免了请求必须路由至远端源数据节点才能获得返回数据的网络开销。项目名称标识边缘计算集群中运行的不同应用项目，可对集群中运行的两个项目存在的同名数据进行区分。例如，两个人脸识别项目使用同一边缘设备采集的两个不同的视频，视频名称均为01.mp4，此时通过项目名称组件即可区分它们从属的项目。数据名称标识了数据本身的区别。数据版本和数据切片则使基于名称的路由精度缩小至版本和数据包切片粒度。该层次化的命名机制设计，保证边缘计算网络中数据的请求保持高效性与准确性。[0052](6)NDN数据包结构的设计

[0053]NDN网络通信方式是由数据请求者来驱动的，其通信过程中使用了两种不同类型的包：兴趣包和数据包。数据请求者使用兴趣包向网络发送数据请求，网络中各节点根据兴趣包中的数据名称进行路由与转发，最终将匹配数据通过数据包返回至请求者，从而完成

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一次完整通信。

[0054]NDN两种包结构的具体设计如图3所示，其各域的功能描述分别如下两表所示。[0055]表2兴趣包结构中各域的功能描述

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表3数据包结构中各域的功能描述

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(7)边缘计算网络协议框架的设计

[0060]边缘计算节点网络的协议框架如图4所示，其包含上下两层结构。下层为传输层，通过内容仓库(CS)、等待表(PIT)和转发表(FIB)对NDN数据包的路由与转发提供决策，确保实现高速率低消耗的网络数据传输。上层为控制层，通过ACK确认和丢包重传机制对NDN数据包的通信过程进行控制，确保数据包可以准确地发送到指定的节点。[0061](8)内容仓库的功能与结构

[0062]内容仓库(CS)是边缘计算网络实现网内存储的关键模块，本发明设计了适用于边缘网络的网内存储机制，保证网络实现高效的数据重复使用能力。网内存储的具体过程可分为以下两个阶段：

[0063]1)边缘节点将通过自身路由和转发的数据包存储在内容仓库中，根据内容仓库更新算法维护仓库数据有效性；

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2)其它节点的请求转发至该边缘节点，节点搜索内容仓库以匹配目标数据，若匹

配成功则直接返回请求数据。

[0065]该过程避免了从远端源数据节点获取数据的网络开销，让请求的满足发生在距离最近并且存有目标数据的节点上。网络数据的请求频率并不一致，内容仓库存在固定的容量上限，因此维护仓库数据有效性关键在于：1)将网络请求频率高的“流行”数据存储在仓库中；2)将请求频率低的“冷僻”数据从仓库中删除。[0066]因此，本发明将内容仓库的存储结构设计如下表4所示：[0067]表4内容仓库的存储结构设计

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在边缘计算网络中，当某个分布式计算任务执行时，其所需的数据会成为“热点”

数据，被大量计算节点并发请求。因此，边缘计算网络中数据的“热度”具有很强的时效性，缓存数据更新算法将时间戳作为优先考虑的因素，而请求次数作为第二考虑的因素。[0070]内容仓库缓存数据的更新算法设计如下。

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如算法1所示，新的数据包到达计算节点，更新算法首先搜索CS，判断该数据是否

已经被存储。已被存储则结束更新，否则判断CS剩余缓存空间是否为空。缓存空间非空，则将数据直接存储入CS中并结束更新，否则执行下一步。将CS中的数据先按时间戳升序排序，选出最早插入的数据，再将时间戳相同的数据条目按照请求次数升序排序，选出最早插入且最少被请求的数据，将其删除并插入新的数据。[0074](9)等待表的功能与结构

[0075]等待表(PIT)实时记录边缘节点上的转发状态信息，其功能主要体现在对下游数据请求实现聚合，对上游返回数据进行分发。具体描述体现在以下两个方面：[0076]1)兴趣包到达边缘节点，在PIT表中匹配到相同数据名称的条目，说明该节点已经向上游转发过此数据请求。将该兴趣包的来源接口添加到对应条目下的下游接口列表中，

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避免相同数据名称的兴趣包重复上传。[0077]2)数据包返回边缘节点，根据数据名称匹配，找到对应条目的下游接口列表，向列表中的所有接口分发数据包。[0078]此外，通过对PIT条目的最大数量进行设置，当该节点处于等待状态的请求达到限额后，拒绝所有下游请求，以此实现路由负载的控制。每个数据名称的条目下拥有存储该请求等待时间的变量，为路由选择策略提供各链路的通信质量信息。[0079]等待表的存储结构设计如下。[0080]表5等待表的存储结构设计

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(10)转发表的功能与结构

[0084]转发表(FIB)通过数据名称匹配，将本节点上没有存储也没有转发过的数据请求发送到下一跳节点上，其功能类似于传统路由表。考虑到边缘计算网络中全局路由和数据路由的不同需求，分别设计两种类型的存储条目。[0085]1)存储全局路由信息，其根据控制服务器的全局网络拓扑数据生成从该节点到目标节点的最优路由选择路径。其条目数量等于网络中边缘节点的数量，表项是目标节点的节点编号、转发接口以及路由距离。[0086]2)存储数据路由信息，其根据节点在网络通信过程中接收的历史数据名称而建立。其条目数量由节点FIB存储容量决定，当剩余容量为空时，新的数据路由信息将覆盖旧的数据路由信息。

[0087]转发表的存储结构设计如下。[0088]表6转发表的存储结构设计

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(11)传输层路由与转发机制

[0092]传输层NDN数据包的路由与转发机制，使得边缘计算网络兼顾数据的交换与全局的路由。在边缘计算节点上，NDN数据包的路由与转发流程如图5所示，该过程具体表述为：[0093]步骤一：判断请求(兴趣包)转发策略，若置为0，则进行全局拓扑路由转发，流程结束；若置为非0，则执行下一步骤。[0094]步骤二：请求进入CS内容存储库，检索CS以判断该节点是否缓存了所求数据。[0095]步骤三：CS检索成功，直接返回所求数据(数据包)，以满足下游请求，流程结束；CS检索失败，则执行下一步骤。[0096]步骤四：请求进入PIT待定表，检索PIT以判断节点是否已向上游发送该数据请求。[0097]步骤五：PIT检索成功，直接添加下游传出接口，流程结束；PIT检索失败，则执行下一步骤。

[0098]步骤六：判断请求存活时间，若当前剩余可转发次数为0，则该请求已死亡，抛弃请求，流程结束；若当前剩余可转发次数非0，则该请求存活，执行下一步骤。[0099]步骤七：请求进入FIB转发信息库，检索FIB以选择转发接口。[0100]步骤八：FIB检索成功，向匹配接口转发请求；FIB检索失败，根据转发策略向指定数量的接口随机转发请求，流程结束。

[0101]边缘计算节点路由与转发流程的算法描述如下。

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