CN111416746A

CN111416746A - 一种基于cdn的数据分发方法

Info

Publication number: CN111416746A
Application number: CN202010225522.7A
Authority: CN
Inventors: 张岗山; 邢志昊; 赵林靖; 刘炯; 吴炜
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: CN111416746B

Abstract

本发明提出了一种基于CDN的数据分发方法，旨在减少数据分发的带宽资源浪费和降低数据分发的分发时延，实现步骤为：构建初始的发布订阅网络N；DDS发布者节点获取数据传输网络M的拓扑信息；DDS发布者节点基于多播树构建算法构建数据转发树T'；通信节点选择CDN缓存节点并构建发布重定向网络N'；DDS发布者节点对OpenFlow交换机下发流表；用户数据传输。本发明中将所有订阅者订阅一个发布者的通信架构转变为所有订阅者有序订阅多个发布者的通信架构，实现了在数据分发服务基础上的CDN加速网络的搭建，与现有技术相比实现了数据分发的带宽的负载均衡，减少了数据分发的带宽资源浪费，同时缩短了数据分发的分发时延。

Description

一种基于CDN的数据分发方法

技术领域

本发明属于计算机网络技术领域，具体涉及一种基于CDN的数据分发方法，可用于实现更加高效的数据分发。

背景技术

数据分发主要是用来搭建一种一对多的通信架构，实现一种数据的一对多的主动传输过程，一般搭建在视频会议、多方语音对讲、统一指挥作战等多方通信的应用场景中，通常数据分发对通信架构的可靠性和时延要求较高。

内容分发网络CDN，通常用来实现互联网用户访问网站过程中的数据传输的加速过程，通过设置CDN的转发节点以及搭建数据加速网络的方式，实现对网站内容的加速。

目前的数据分发方法的实现主要是基于消息队列遥测传输的数据分发方法，其中基于消息队列遥测传输的数据分发方法通过消息中间件MQTT作为软件实现载体，并提供3种服务质量供用户进行选择。近年来，随着通信环境的复杂化，对数据分发方法可以提供的服务质量数量以及数据分发的分发时延要求越来越高，例如申请公布号为CN110602188A，名称为“基于DDS中间件的数据分发方法”的专利申请，公开了“基于DDS中间件的数据分发方法”，在该专利中通过使用DDS中间件作为数据分发的软件实现载体，为用户提供了21种可以选择的服务质量，使得数据分发可以适用于更加复杂的通信环境，但是其存在的不足之处在于：未对数据传输过程的时延进行优化，当通信节点较多以及传输的用户数据较大时，会产生比较大的分发时延和大量的网络带宽资源浪费。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于CDN的数据分发方法，旨在减少数据分发的带宽资源浪费和降低数据分发的分发时延。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

(1)构建初始的发布订阅网络N：

构建包括SDN控制器、P个OpenFlow交换机和Q个通信节点的数据传输网络M，并在每个通信节点上加载数据分发服务DDS软件，然后选择待发布数据的通信节点作为DDS发布者节点，其余通信节点作为DDS订阅者节点，得到初始的发布订阅网络N，其中，P≥1，Q≥2；

(2)DDS发布者节点获取数据传输网络M的拓扑信息：

(2a)SDN控制器以t为周期，检测数据传输网络M中每个通信节点的直连链路的传播时延和带宽信息,并将最新检测的直连链路的传播时延和带宽信息作为数据传输网络M的拓扑信息存储到SDN控制器所在设备的文件D中，其中，5s<t<10s；

(2b)DDS发布者节点向SDN控制器发送数据传输网络M的状况获取请求，SDN控制器收到请求后，向DDS发布者节点回传所存储的文件D；

(3)DDS发布者节点基于多播树构建算法构建数据转发树T':

DDS发布者节点以DDS发布者节点为根，构建包括多个父节点，多个叶子节点的数据转发树T'；

(4)通信节点选择CDN缓存节点并构建发布重定向网络N'：

(4a)DDS发布者节点创建publisher对象P1，每一个DDS订阅者节点创建subscriber对象S1，并在每一个对象P1和S1上关于同一个主题进行绑定；

(4b)DDS发布者节点选择数据转发树中的每一个父节点作为内容分发网络CDN的缓存节点；

(4c)DDS发布者节点判断数据转发树T'中的每个节点是否存在子节点，若是，则该节点为父节点，并为每一个父节点分配subdomainID和pubdomainID，否则，则该节点为非父节点，并为每一个非父节点分配一个subdomainID，其中subdomainID表示为该节点作为订阅者时所在的域ID，pubdomainID表示为该节点作为发布者时所在的域ID；

(4d)DDS发布者节点将为每个通信节点分配的subdomianID或pubdmainID和通信节点的IP地址封装成控制命令，并通过初始的发布订阅网络N将该控制命令发送至每个DDS订阅者节点；

(4e)DDS订阅者节点判断本地IP地址与控制命令中的IP地址是否一致，若是，则根据控制命令建立新的主题相同的publisher对象P2和subscriber对象S2，并在初始的发布订阅网络N中注销subscriber对象S1，否则，保持在初始的发布订阅网络N中的链接；

(4f)DDS发布者节点判断初始的发补订阅网络N中是否还存在subscriber对象S1，若是，执行步骤(4e),否则，得到发布重定向网络N'；

(5)DDS发布者节点对OpenFlow交换机下发流表：

(5a)DDS发布者节点将数据转发树T'中的节点的链接状况通过数据传输网络M发送给SDN控制器所在设备；

(5b)SDN控制器将数据转发树的内容转换成流表的形式，并下发到M中的P个OpenFlow交换机中；

(6)用户数据传输：

(6a)DDS发布者节点将用户数据通过发布重定向网络N'传输给该节点的所有订阅者；

(6b)数据传输网络M中的每一个DDS订阅者节点收到数据后，检测本节点是否同时含有publisher对象P2，若是，将数据转发给本节点的所有对应的子节点，并将数据通过DDS的接口传递给上层应用，否则直接将数据通过DDS的接口传递给上层应用，完成用户数据到该节点的传输过程。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、由于本发明中通过选择CDN转发节点并构建发布重定向网络，将数据分发架构由单个节点分发转变成多个节点依次分发，减少了网络中最后一个节点收到数据的时间，从而降低了数据分发的分发时延。

2、由于本发明中将数据转发树转换成流表下发给了OpenFlow交换机，在底层数据转发的过程中实现了对数据包的路由的控制，从而降低了数据分发的分发时延。

3、由于本发明选择了部分的DDS订阅者节点作为CDN转发节点，将最初的全部DDS订阅者节点订阅一个DDS发布者节点网络架构转变为，DDS订阅者节点有序订阅多个CDN转发节点的网络架构，即将DDS发布者节点的通信压力分担到多个CDN转发节点上，实现了数据分发的带宽的负载均衡，同时减少了大量的冗余数据，减少了网络带宽资源的浪费。

4、由于本发明中每次数据发布都需要通过SDN控制器获得网络的拓扑关系，因此可以获得最新的网络中的节点的连接状况、节点间链路的时延信息和带宽信息，使得DDS软件可以根据最新的网络状况生成数据转发树，保障了数据分发的可靠性。

附图说明

图1是本发明的实现流程图；

图2是本发明的SDN控制器的功能结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

本实施例是一个多方语音对讲系统的数据分发的实施过程，主要是实现了对用户的语音数据的传输。

参照图1，本发明包括如下步骤：

步骤1)构建初始的发布订阅网络N：

构建包括SDN控制器、P个OpenFlow交换机和Q个通信节点的数据传输网络M，并在每个通信节点上加载数据分发服务DDS软件，然后选择待发布数据的通信节点作为DDS发布者节点，其余通信节点作为DDS订阅者节点，得到初始的发布订阅网络N，其中，P＝1，Q＝4；

当数据传输网络中存在多个节点需要进行发布时，依次选择每一个要发布数据的节点作为DDS发布者节点，并按照步骤2)至步骤5)构建CDN加速网络，这样的好处是将多个发布者节点并行发布转变成一个发布者节点串行发布进行处理，简化了算法的实现过程。

步骤2)DDS发布者节点获取数据传输网络M的拓扑信息：

步骤2a)SDN控制器以t为周期，检测数据传输网络M中每个通信节点的直连链路的传播时延和带宽信息,并将最新检测的直连链路的传播时延和带宽信息作为数据传输网络M的拓扑信息存储到SDN控制器所在设备的文件D中，其中，t＝6s；

SDN控制器的结构如图2所示包含3个功能模块，分别是，上层接口模块、网络拓扑信息获取模块、流表下发模块。其中，上层接口模块主要是实现SDN控制器和DDS发布者节点之间的交互功能。网络拓扑信息获取模块主要是实现SDN控制器获得网络中所有节点直连链路的传播时延和带宽信息功能。直连链路是指节点直接链接的链路，即链路中只有两个节点而没有任何中间节点的链路。流表下发模块主要是实现SDN控制器对底层的OpenFlow交换机的流表下发功能。

为确保SDN控制器获得网络拓扑信息是最新的，因此需要以较小的时间为周期进行周期性检测，同时该周期不能过小，过小的情况下会导致网络中存在大量的SDN控制器网络拓扑信息获取命令，从而使得网络可能会产生不必要的拥塞甚至因拥塞而导致的丢包。

步骤2b)DDS发布者节点向SDN控制器发送数据传输网络M的状况获取请求，SDN控制器收到请求后，向DDS发布者节点回传所存储的文件D；

其中，DDS发布者节点和SDN控制器的文件传输过程通过SDN控制器的上层接口模块实现。

步骤3)DDS发布者节点基于多播树构建算法构建数据转发树T'：

多播树构建算法有FNF算法、Dijkstra算法、BSMA算法等，本实施例中采用BSMA算法构建多播树，好处是可以在复杂链路情况下实现最小时延的多播，并且可以保证传输过程中的链路花费最小。

步骤3a)DDS发布者节点根据文件D中的拓扑信息中的带宽信息，计算任一通信节点A到通信节点B的单向时延T_AB：

步骤3a1)DDS发布者节点根据文件D中的拓扑信息中的带宽信息，计算任一通信节点A到通信节点B的带宽D_AB：

D_AB＝min{D_A上行，D_B下行}；

其中，D_A上行表示节点A的上行带宽，D_B下行表示节点B的下行带宽；

步骤3a2)通过D_AB和用户待传数据大小L_待传数据，计算通信节点A到通信节点B之间的传输时延T_AB传输：

步骤3a3)通过通信节点A到通信节点B的排队时延T_AB排队和通信节点A到通信节点B的处理时延T_AB处理计算通信节点A到通信节点B之间的单向时延T_AB：

T_AB＝T_AB传输+T_AB传播+T_AB排队+T_AB处理；

T_AB传播表示通信节点A到通信节点B的传播时延，通过文件D中的拓扑信息中的传播时延获得；

步骤3b)DDS发布者统计网络M中的每条直连链路的花费C以及用户数据传输允许的最大时延T_max；

每条直连链路的花费是由用户决定的，通常情况下C是与运营商提供的价格有关，用户数据传输允许的最大时延T_max是由用户数据传输业务性质决定，本实施例中的用户业务为话音业务，用户允许的时延很小，因此，本实施例中T_max＝2s。

步骤3c)DDS发布者节点通过Dijkstra算法计算DDS发布者节点到所有DDS订阅者节点的最小时延路径，并根据最小时延路径生成一个以DDS发布者节点为根节点，所有的DDS订阅者节点为树的数据转发树T；

步骤3d)DDS发布者节点计算T中所有直连链路中的花费并按照花费从大到小的顺序依次检测每条直连链路的下行节点X；

步骤3e)DDS发布者节点将直连链路的下行节点X选择出来，并断开链路的链接，计算T中的其他通信节点到节点X的最小花费C_xmin，然后判断断开的链路的花费C_x是否满足C_xmin≤C_x，且节点X收到数据最大时延不超过T_max，若是,在T中将节点X重新放置为满足最小花费C_xmin的节点的子节点，否则恢复断开的链路的链接；

步骤3f)DDS发布者节点判断步骤3d)至步骤3e)中否有节点的连接关系进行了更改，若是，则重复步骤3d)至步骤3e),否则得到以DDS发布者节点为根，包括x个父节点，y个叶子结点的数据转发树T'，其中x+y＝Q；

步骤4)通信节点选择CDN缓存节点并构建发布重定向网络N'：

步骤4a)DDS发布者节点创建publisher对象P1，每一个DDS订阅者节点创建subscriber对象S1，并在每一个对象P1和S1上关于同一个主题进行绑定；

步骤4b)DDS发布者节点选择数据转发树中的每一个父节点作为内容分发网络CDN的缓存节点；

步骤4c)DDS发布者节点判断数据转发树T'中的每个节点是否有子节点，若是，为父节点，并为每一个父节点分配subdomainID和pubdomainID，否则为每一个非父节点分配一个subdomainID，其中subdomainID表示为该节点作为订阅者时所在的域ID，pubdomainID表示为该节点作为发布者时所在的域ID；

步骤4d)DDS发布者节点将为每个通信节点分配的subdomianID或pubdmainID和通信节点的IP地址封装成控制命令，并通过初始的发布订阅网络N将该控制命令发送至每个DDS订阅者节点；

步骤4e)DDS订阅者节点判断本地IP地址与控制命令中的IP地址是否一致，若是，则根据控制命令建立新的主题相同的publisher对象P2和subscriber对象S2，并在初始的发布订阅网络N中注销subscriber对象S1，否则，保持在初始的发布订阅网络N中的链接；

步骤4f)DDS发布者节点判断初始的发补订阅网络N中是否还存在subscriber对象S1，若是，执行步骤4e),否则，得到发布重定向网络N'；

发布重定向网络N'的构建过程中，利用了DDS软件自身的特性，DDS软件中规定，所有的publisher对象和subscriber对象只有相同的主题和域ID时才可以进行通信，因此通过为每个通信节点分配不同的域ID实现通信范围的划分，将初始的发布订阅网络N划分成包括多个子网的发布重定向网络N'。

用户数据通过发布重定向网络N'进行数据传输的过程，是一种中间节点逐级转发的过程，相比于初始的发布订阅网络N中DDS发布者节点为每个DDS订阅者节点分别传输数据的传输过程将DDS发布者节点的带宽占用分摊到N'中的所有CDN转发节点上，实现了网络带宽的负载均衡减少了网络带宽资源的浪费，同时将每个节点收到数据的时间进行了均匀化，使得网络的组播时延最低，其中组播时延指网络中的所有节点都收到数据的时间。

步骤5)DDS发布者节点对OpenFlow交换机下发流表：

步骤5a)DDS发布者节点将数据转发树T'中的节点的链接状况通过数据传输网络M发送给SDN控制器所在设备；

DDS发布者节点无法直接给OpenFlow交换机下发流表，因此需要首先将流表下发给SDN控制器，然后再由SDN控制器将流表下发给OpenFlow交换机。

步骤5b)SDN控制器将数据转发树T'的内容转换成流表的形式，并下发到M中的P个OpenFlow交换机中；

SDN控制器通过上层接口模块接受DDS发布者节点传输来的流表数据，并将流表数据通过流表下发模块实现将流表下发到OpenFlow交换机的过程。

步骤6)用户数据传输：

步骤6a)DDS发布者节点将用户数据通过发布重定向网络N'传输给该节点的所有订阅者；

步骤6b)数据传输网络M中的每一个DDS订阅者节点收到数据后，检测本节点是否同时含有publisher对象P2，若是，将数据转发给本节点的所有对应的子节点，并将数据通过DDS的接口传递给上层应用，否则直接将数据通过DDS的接口传递给上层应用，完成用户数据到该节点的传输过程。

Claims

1.一种基于CDN的数据分发方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建初始的发布订阅网络N：

(2)DDS发布者节点获取数据传输网络M的拓扑信息：

(3)DDS发布者节点基于多播树构建算法构建数据转发树T':

(4)通信节点选择CDN缓存节点并构建发布重定向网络N'：

(5)DDS发布者节点对OpenFlow交换机下发流表：

(5b)SDN控制器将数据转发树T'的内容转换成流表的形式，并下发到M中的P个OpenFlow交换机中；

(6)用户数据传输：

2.根据权利要求1所述的一种基于CDN的数据分发方法，其特征在于，步骤(3)中所述的DDS发布者节点构建数据转发树，实现步骤为:

(3a)DDS发布者节点根据文件D中的拓扑信息中的带宽信息，计算任一通信节点A到通信节点B的单向时延T_AB：

(3a1)DDS发布者节点根据文件D中的拓扑信息中的带宽信息，计算任一通信节点A到通信节点B的带宽D_AB：

D_AB＝min{D_A上行，D_B下行}；

(3a2)通过D_AB和用户待传数据大小L_待传数据，计算通信节点A到通信节点B之间的传输时延T_AB传输：

(3a3)通过通信节点A到通信节点B的排队时延T_AB排队和通信节点A到通信节点B的处理时延T_AB处理计算通信节点A到通信节点B之间的单向时延T_AB：

T_AB＝T_AB传输+T_AB传播+T_AB排队+T_AB处理；

(3b)DDS发布者统计网络M中的每条直连链路的花费C以及用户数据传输允许的最大时延T_max；

(3c)DDS发布者节点通过Dijkstra算法计算DDS发布者节点到所有DDS订阅者节点的最小时延路径，并根据最小时延路径生成一个以DDS发布者节点为根节点包含所有的DDS订阅者节点的数据转发树T；

(3d)DDS发布者节点计算T中所有直连链路中的花费并按照花费从大到小的顺序依次检测每条直连链路的下行节点X；

(3e)DDS发布者节点将直连链路的下行节点X选择出来，并断开链路的链接，计算T中的其他通信节点到节点X的最小花费C_xmin，然后判断断开的链路的花费C_x是否满足C_xmin≤C_x，且节点X收到数据最大时延不超过T_max，若是,在T中将节点X重新放置为满足最小花费C_xmin的节点的子节点，否则恢复断开的链路的链接；

(3f)DDS发布者节点判断步骤(3d)至(3e)中否有节点的连接关系进行了更改，若是，则重复步骤(3d)至(3e),否则得到以DDS发布者节点为根，包括x个父节点，y个叶子节点的数据转发树T'，其中x+y＝Q。