阅读说明：本技术 一种基于坐标映射的多模标识网络寻址方法及系统 (Multi-mode identification network addressing method and system based on coordinate mapping ) 是由 李挥 胡嘉伟 邬江兴 伊鹏 朱伏生 李文军 安辉耀 李胜飞 陈世胜 唐宏 张云勇 于 2019-02-21 设计创作，主要内容包括：本发明适用于网络技术改进领域,提供了一种基于坐标映射的多模标识网络寻址方法,包括：S1、通过对网络中的每个节点赋予三维球坐标,将具有无标度性的多模标识网络映射到一个三维双曲空间中；S2、报文的发送者将将其目的地的节点坐标附于每段报文中；S3、路由节点在转发报文时,计算目的地与每个相邻节点之间的双曲距离,并选取最小者作为转发对象。该算法依赖的全局信息较少,且计算简单,易于在本地完成,由此提高了对大规模网络的适应性。(The invention is suitable for the field of network technology improvement, and provides a multi-mode identification network addressing method based on coordinate mapping, which comprises the following steps: s1, mapping the multi-mode identification network with non-scale property into a three-dimensional hyperbolic space by endowing each node in the network with a three-dimensional spherical coordinate; s2, the sender of the message attaches the node coordinates of the destination to each segment of the message; s3, when the routing node forwards the message, the hyperbolic distance between the destination and each adjacent node is calculated, and the minimum one is selected as a forwarding object. The algorithm has the advantages of less dependence on global information, simple calculation and easy local completion, thereby improving the adaptability to large-scale networks.)

一种基于坐标映射的多模标识网络寻址方法及系统

技术领域

本发明属于网络技术改进领域，尤其涉及一种基于坐标映射的多模标识网络寻址方法及系统。

背景技术

多模标识网络是针对现有互联网控制能力过于集中、缺乏国际性的多边共管共治等本质缺陷而提出的新型开放式网络架构，具体指不同体系结构的网络共同部署多路由标识协同路由寻址的网络环境。例如在传统网络中部署内容网络，如果数据可以在这两种网络间穿梭，便形成了一个由两种网络体系组成的、内容标识和地址标识共同寻址的多模网络环境。通过利用不同网络的优势协同工作，多模标识网络能够提升当前互联网的基础传输能力，加强网络资源的利用率，丰富网络层功能。更重要的是，多模标识网络降低了现有互联网体系对地址标识的依赖性和局限性，为互联网的多边共管共治提供可能。

在网络协议的设计过程中，必须考虑到其路由开销对于规模化网络的适应性，而路由开销可以用转发表(FIB)的规模，和网络产生拓扑变化时所需控制报文的数量来衡量。在下一代网络中，信息中心网络(ICN)直接面向内容的名字进行转发，而物联网(IoT)则具有极其庞大的节点数目，这导致它们所需的寻址空间极其巨大，且必须具有高度的动态性以应对网络的实际需求，这不得不使人们重新思考如何设计与未来网络相匹配的路由机制。

贪婪几何路由(Greedy Geometric Routing,GGR)将网络映射到一个度量空间中，并为其中的每个节点赋予一个地址，亦或称作坐标。网络中传输的每段网络报文均将其目的地的坐标附于其中，路由器进行转发时，将分别计算其每个邻接节点与目的地之间的几何距离，并选择其中距离最小者作为转发的下一跳。由于每个节点只需要知悉其邻居的坐标信息，GGR可使得FIB的规模尽其可能的缩减到最小，由此为我们设计面向大规模网络的路由协议提供了基础。

双曲路由(Hyperbolic Routing,HR)的提出基于网络的无标度性，即网络中的节点度数服从幂分布这一性质。通过映射算法，网络被映射到一个负曲率，即具有双曲性的空间中，以二维的情形为例，每个节点均被映射到具有半径R的圆盘中，并被赋予极坐标(r,θ)，其中角坐标θ代表节点在网络中的相对位置，而径坐标r则代表节点的中心程度，越是中心化的节点，其径坐标越小，即越接近圆盘的中心。当两个节点的角坐标恒定时，它们之间的双曲距离会随着它们径坐标的减少而减少，由此，基于双曲距离的贪婪路由将倾向于选取较为中心化的节点作为其转发对象。

由于现实中的大多数网络，如因特网，均具有无标度性，在采用适当映射算法的基础上，简单的基于双曲距离的贪婪策略有很大概率能将报文转发到目的节点，而对于其中转发失败的少数情形，可以采用一些辅助性的智能转发策略，使得双曲路由的成功率达到100％。

然而，双曲路由同样具有其缺陷：相较于传统上基于最短路径算法的路由协议，双曲路由贪婪选取出的转发路径具有较大的传输延迟，这不仅是出于贪婪策略的固有弊端，也是由于现有的双曲映射算法大多没有考虑网络延迟所致。由于降低延迟同样是路由协议设计的核心目标之一，我们必须着手解决这一问题。

Kleinberg等于2007年的"Geographic routing using hyperbolic space"一文中提出了有关双曲路由的最早映射算法，该文中，通过构造网络的最小生成树，任何网络均可以被映射到双曲空间中，且基于该映射的贪婪路由具有100％的成功率。

该算法必须知悉全局的拓扑信息，同时，当网络的最小生成树产生了任何变化，所有节点的坐标都必须重新进行计算，因此对于动态网络的适应性较差。

Bogun,Marin,Fragkiskos Papadopoulos,Dmitri Krioukov于2010年的"Sustaining the internet with hyperbolic mapping"一文，以及Papadopoulos,Fragkiskos等于2010年的"Greedy forwarding in dynamic scalefree networksembedded in hyperbolic metric spaces"一文中，退而求其次地，不再追求将任何网络嵌入到双曲空间中，而只着眼于映射具有无标度性的那些。该方法基于有关网络的先验假设(如度数分布，连接概率等)和实际的连接状态，通过极大似然估计的方法，将网络映射到双曲空间中。在面对动态网络时，该算法所得的坐标在较长的时间内(月至年计)具有较好的稳定性，且一个新入网络的节点只需要了解其周边，而非全局的拓扑信息就可以完成其坐标计算。

该算法仅仅考虑网络的邻接状态，所有连接不论其延迟均被视作等价，导致基于该算法的路由经常选取出延迟较大的次优路径。

Lehman等于2015年的"An experimental investigation of hyperbolicrouting with a smart forwarding plane in ndn"一文中，尝试利用NDN具有自适应性和智能性的转发平面，对双曲路由选取出的次优路径进行延迟上的优化。在传输过程中，路由节点会周期性的探测并记录每个端口与传输目的地间的平均延迟，并动态地选取延迟最小者作为下一跳，双曲距离决定了传输最开始阶段选取的接口，以及对每个接口进行延迟探测的概率。

尽管该方法对于延迟的减少较为显著，然而对于短期传输的情形，探测所得的延迟样本数目不足以对转发路径进行优化。同时，该方法无法优化最坏的情形(即延迟远远大于理论最优的那些路径)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于坐标映射的多模标识网络寻址方法，旨在解决上述的技术问题。

本发明是这样实现的，一种基于坐标映射的多模标识网络寻址方法，所述基于坐标映射的多模标识网络寻址方法包括以下步骤：

S1、将一个具有无标度性的多模标识网络映射到一个三维双曲空间中；

S2、在三维双曲空间中对多模标识网络中的每个节点赋予三维球坐标；

S3、在三维双曲空间中任意节点在寻址时将其目的地的节点坐标附于每段报文中。

S4、根据计算的节点之间的距离选择双曲距离

d₁₂＝cosh^-1(cosh r₁ cosh r₂-sinh r₁ sinh r₂ cosΔθ₁₂)

最小的相邻节点进行转发报文；

其中，r、θ来自于节点的坐标，Δθ₁₂为两点与原点连线的中心角：

本发明的进一步技术方案是：多种路由标识并存于网络中，如内容标识、身份标识、地理空间位置标识及IP地址标识等，通过多标识动态适配及转换技术，满足网络对多种需求的实时需求，其中所述步骤S3用于在大规模网络中对以内容为首的多种新型网络标识的寻址路由。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤S1中的映射包括角坐标映射和径坐标映射，所述角坐标映射包括以下步骤：

S111、对连接度高的中心节点角坐标取其地理位置的经纬信息；

S112、对连接度较低的非中心节点坐标判断是否度数大于等于设定值，若是，则基于IP协议，测算自己距每个中心节点的平均时延，并选取其中时延最小的设定值个中心节点以计算自己的角坐标，若否，则其大多仅有一条通往中心节点的路径，其角坐标将直接复制其邻居中度数最高者。

本发明的进一步技术方案是：所述径坐标映射包括以下步骤:

S121、将全局网络划分为若干子图并对每个子图进行独立的极坐标运算。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤S121中每个子图中最中心的节点均具有径坐标r₀，且对于原本径坐标较小的非中心节点只进行了较小的修正。

本发明的进一步技术方案是：所述径坐标的极大似然估计包括以下步骤：

S1211、根据网络的统计规律，我们假定节点的度数满足幂分布ρ(κ)～κ^-γ，最低度数为κ₀，平均度数为节点的度数和径坐标的关系为：

其中R为球面的半径；

S1212、根据网络的统计规律，我们假定两个节点的相连概率为：

x是两点间的双曲距离，此时R可以由以下积分式得出：

其中参数T为温度，控制节点的聚集程度；ζ为双曲空间的曲率，x′为和(r,0,0)之间的双曲距离；

S1213、取网络中m个中心程度最高的节点i₁,i₂...i_m，其余节点测算自己与每个i_*的时延，若i_k是其中时延最小者，则该节点属于子图G_k。对于拥有度数κ_i的节点，其径坐标的极大似然估计为：

若节点i∈G_j，是i_j的极大似然估计值，则其径坐标为：

本发明的另一目的在于提供一种基于坐标映射的多模标识网络寻址系统，所述基于坐标映射的多模标识网络寻址系统包括

网络映射模块，用于将一个具有无标度性的多模标识网络映射到一个三维双曲空间中，对网络中的每个节点赋予三维球坐标；

转发模块，用于根据计算的节点之间的距离选择双曲距离

d₁₂＝cosh^-1(cosh r₁cosh r₂-sinh r₁sinh r₂cosΔθ₁₂)

最小的相邻节点作为转发的对象；

其中，r、θ来自于节点的坐标，Δθ₁₂为两点与原点连线的中心角：

本发明的进一步技术方案是：多种路由标识并存于网络中，如内容标识、身份标识、地理空间位置标识及IP地址标识等，通过多标识动态适配及转换技术，满足网络对多种需求的实时需求，其中双区坐标用于在大规模网络中对以内容为首的多种新型网络标识的寻址路由。

本发明的进一步技术方案是：所述网络映射模块中的映射包括角坐标映射和径坐标映射，所述角坐标映射包括

中心节点坐标获取单元，用于对连接度高的中心节点角坐标取其地理位置的经纬信息；

非中心节点坐标获取单元，用于对连接度较低的非中心节点坐标判断是否度数大于等于设定值，若是，则基于IP协议，测算自己距每个中心节点的平均时延，并选取其中时延最小的设定值个中心节点以计算自己的角坐标，若否，则其大多仅有一条通往中心节点的路径，其角坐标将直接复制其邻居中度数最高者。

本发明的进一步技术方案是：所述径坐标映射包括

网络划分模块，用于将全局网络划分为若干子图并对每个子图进行独立的极坐标运算。

本发明的进一步技术方案是：所述网络划分模块中每个子图中最中心的节点均具有径坐标r₀，且对于原本径坐标较小的非中心节点只进行了较小的修正。

本发明的进一步技术方案是：所述径坐标的极大似然估计包括

所述径坐标的极大似然估计包括：

先验假设单元。根据网络的统计规律，我们假定节点的度数满足幂分布ρ(κ)～κ^-γ，最低度数为κ₀，平均度数为节点的度数和径坐标的关系为：其中R为球面的半径；根据网络的统计规律，我们假定两个节点的相连概率为：

x是两点间的双曲距离，此时R可以由以下积分式得出：

其中参数T为温度，控制节点的聚集程度；ζ为双曲空间的曲率，x′为和(r,0,0)之间的双曲距离；

子图划分和计算单元。取网络中m个中心程度最高的节点i₁,i₂...i_m，其余节点测算自己与每个i_*的时延，若i_k是其中时延最小者，则该节点属于子图G_k。对于拥有度数κ_i的节点，其径坐标的极大似然估计为：

若节点i∈G_j，是i_j的极大似然估计值，则其径坐标为：

本发明的有益效果是：对于传统的双曲路由算法，本算法最多可以降低30％左右的传输延迟，同时保持了固有的高转发成功率。该算法依赖的网络信息较少，且计算简单，易于在本地完成，由此提高了该方案的可拓展性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的3节点至中心点的示意图。

图2是本发明实施例提供的映射算法示意图。

图3是本发明实施例提供的转发过程示意图。

图4是本发明实施例提供的双曲圆盘示意图。

图5是本发明实施例提供的是重计算后的角坐标与原角坐标的DS对比示意图。

图6是本发明实施例提供的为重计算的径坐标与原径坐标的DS对比示意图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明提供的基于坐标映射的多模标识网络寻址方法，其详述如下

本方案的核心设计思想为如下两点：

1.将网络的实际延迟考虑进坐标映射算法中，以减小路由的平均时延。

具体而言，时延以两种方式参与进映射过程中：

1)在角坐标映射算法中，非中心节点测量自身与周边中心节点间的平均时延，并以时延作为球面距离、基于中心节点的角坐标，完成自身的角坐标计算。

2)在径坐标映射算法中，基于距离各个中心节点的时延，全局网络被分划为若干子图，每个子图会独立地进行其径坐标运算，以此提升路由的局部性，从而降低延迟。

2.对于网络的中心节点和非中心节点，采用不同的映射机制，以适应网络的无标度性。

在无标度网络中，节点的度数分布服从幂定律，换言之，网络中的节点可以大致分为两类：大多数连接数较低的普通用户节点，和极少数具有极大连接数的中心节点。对于这两类节点，我们分别采用不同的坐标映射机制。

由于中心节点的数量较少在路由过程中占有着至关重要的位置，为此我们将其作为坐标映射运算的锚点，中心节点的角坐标来自于地理位置，而极坐标来自于其在周边区域的中心程度。而非中心节点以中心节点为基准，测算自身的坐标。

本发明旨在解决的技术问题为如下两点：

1)减小双曲路由的平均传输延迟，同时不丧失其原本的高成功率和高可扩展性。

2)减少映射算法所需的全局信息：为了提高扩展性和适应性，坐标映射计算应尽可能的只需求局部的网络知识，且不依赖于任何复杂的全局调度过程。

本算法将一个具有无标度性的网络映射到一个三维双曲空间中，网络中的每个节点均被赋予三维球坐标两点和的双曲距离由余弦定理导出：

d₁₂＝cosh^-1(cosh r₁ cosh r₂-sinh r₁ sinh r₂ cosΔθ₁₂) (1)

其中Δθ₁₂为两点与原点连线的中心角：

当采用双曲路由时，每段报文均将其目的地的地址附于其中，每个路由节点均知晓其邻居的坐标，并贪婪地选取和目的地之间双曲距离最小的邻居进行转发。

我们的算法分为角坐标映射和径坐标映射两个部分，具体流程如下所述：

1.角坐标映射

每个节点首先被赋予角坐标以此被映射到球面上。球面可以视作对地球表面的模拟，而节点的角坐标反应了其在网络中的实际位置。

对于那些连接度很高的节点，它们的角坐标直接来自于其地理位置，即经纬度信息，该做法出于以下理由：1)根据以往的经验，两个节点间的传输延迟正比于两者间的地理距离，基于地理位置的映射对于延迟具有较好的优化效果。2)该映射方法十分直接，便于计算。3)该映射不依赖网络的拓扑信息，因此在动态的网络环境中具有较好的稳定性。

对于连接数较低的非中心节点，我们并不对其采用同样的方法，因为相比于地理信息，它们在网络中的位置更多的取决于局部的拓扑信息。对于度数大于等于3的节点i，基于IP协议(其路由通常基于最短路径算法)，它将测算自己距每个中心节点的平均时延，并选取其中时延最小的三个中心节点j₁,j₂,j₃，用以计算自己的角坐标：

若i距j_k的时延为t_k，j_k具有角坐标i的角坐标由如下优化问题得出：

s.t.λΔθ_ik＝t_k-ξ(k＝1,2,3) (4)

Δθ_ik为与的中心角，由(2)得出。等式约束(4)代表网络延迟和球面距离的正比例关系，松弛变量ξ用以保证可以找到可行解。如图1所示。

目标函数的前项保证松弛变量的值尽可能小，后项ε(Δθ_i1+Δθ_i2+Δθ_i3)则用于在存在多个可行解时，选取球面距离总和最小者。

对于度数小于等于2的非中心节点，由于其大多仅有一条通往中心节点的路径，其角坐标将直接复制其邻居中度数最高者。

2.径坐标映射

径坐标r反映节点的中心程度，在无标度网络中，r应满足指数分布。

网络中的超级节点有可能导致延迟次优路径的产生，举例而言，上海市拥有极其庞大的互联网用户数目，因此上海市存在若干中心度高的超级节点，对于一段从韩国北端发往韩国南端的报文，因为韩国的人口数目相比于上海较少，该报文的双曲路由转发路径有可能被上海的高中心度吸引，即：韩国北端——上海——韩国南端，从而导致了额外的延迟。

我们采用将全局网络分划为子图的方式以应对这一问题，每个子图中最中心的节点都具有相近的径坐标，因此，转发过程将更倾向于选择本子图中的中心节点，由此提升了路由的局部性，从而降低了传输延迟。取网络中m个中心程度最高的节点i₁,i₂...i_m，其余节点测算自己与每个i_*的时延，若i_k是其中时延最小者，则该节点属于子图G_k。

径坐标首先由极大似然估计得出，我们有如下先验条件：

1)节点的度数κ满足幂分布ρ(κ)～κ^-γ，最低度数为κ₀，平均度数为度数和径坐标满足如下的关系：

其中R为球面的半径。

2)双曲距离为x的两个节点，其相连概率为：

T为温度，控制节点的聚集程度；ζ为双曲空间的曲率；此时R可以由以下积分式得出：

其中x为和(r,0,0)之间的双曲距离。

在给定了以上先验条件的基础上，对于拥有度数κ_i的节点i，其径坐标的极大似然估计为：

若节点i∈G_j，则其径坐标为：

β用于调节径坐标和角坐标在路由过程中的相对权重，通过上式，每个子图中的最中心节点均具有径坐标r₀，且对于原本径坐标较小的非中心节点只进行了较小的修正。

为评估以上算法的相对优势，我们用随机网络生成器产生了一系列满足无标度性的拓扑图以用于该算法的模拟测试。其中，节点的度数服从幂分布，而经纬度服从球面上的一致均匀分布。生成器的算法参数来自对于现实互联网的拟合，且图中两个节点的传输时延正比于它们之间的球面距离。

我们随机选取网络中的两个节点作为路由的起止点，并尝试使用双曲路由将报文从起始点转发到终点。我们使用延迟伸展(DS，Delay Stretch)作为衡量算法效果的指标：一次路由测试的DS为(实际的传输延迟/理论上的最小传输延迟)。我们生成了50个随机图，对于每组实验参数，在每个图中进行了十万次随机路由测试。

在实验中，我们对比了基于原始坐标(即完全基于度数和经纬度信息的坐标)和上述算法重新计算后的坐标的路由表现。由于角坐标和径坐标的映射算法相对独立，我们将分别对其进行评估。

如图5所示，重计算后的角坐标vs与原角坐标的DS对比图，分别列出了其中的第75百分位数(代表比较坏的情况)和95百分位数(代表几乎最坏的情况)。可见，在选取适当的中心节点比例时，坐标的重计算可以较好的减小最坏情形下的时延。而75百分位数由于本身就已经接近于1，其优化程度相对不大。

如图6所示，为重计算的径坐标vs与原径坐标的DS对比图，其中横坐标为分划的子图数目，相对于角坐标而言，图的分划及径坐标的重计算可以更好的缩减网络的时延，如图6所示，在适当的参数选取下，对于较坏的情形算法可以缩减至多30％的时延。

双曲映射算法将网络映射到一个双曲空间中。为了视觉上的直观，网络被映射到2维的圆盘中，可见，节点的度数(可以用于代表节点的流行度)越大，则节点离圆盘中心的距离就越近，即径坐标越小；而节点的角坐标代表了它在网络中的相对位置。如图2所示。

双曲路由的转发过程。报文将目的地的坐标附于其中，路由节点计算每个下一跳和目的地之间的双曲距离，并选取距离最小者进行转发。如图3所示。

双曲圆盘(庞加莱圆盘)的三角形镶嵌，其中每个三角形都有相同的大小。对于视觉上距离相同的两点，越接近圆盘的边缘，它们之间的实际距离就越大。三维的双曲球体具有与之相似的性质。如图4所示。

本发明的另一目的在于提供一种基于坐标映射的多模标识网络寻址系统，所述基于坐标映射的多模标识网络寻址系统包括

网络映射模块，用于将一个具有无标度性的多模标识网络映射到一个三维双曲空间中，对网络中的每个节点赋予三维球坐标；

转发模块，用于根据计算的节点之间的距离选择双曲距离

d₁₂＝cosh^-1(cosh r₁ cosh r₂-sinh r₁ sinh r₂ cosΔθ₁₂)

最小的相邻节点作为转发的对象；

其中，r、θ来自于节点的坐标，Δθ₁₂为两点与原点连线的中心角：

多种路由标识并存于网络中，如内容标识、身份标识、地理空间位置标识及IP地址标识等，通过多标识动态适配及转换技术，满足网络对多种需求的实时需求，其中双曲坐标用于在大规模网络中对以内容为首的多种新型网络标识的寻址路由。

所述网络映射模块中的映射包括角坐标映射和径坐标映射，所述角坐标映射包括

中心节点坐标获取单元，用于对连接度高的中心节点角坐标取其地理位置的经纬信息；

非中心节点坐标获取单元，用于对连接度较低的非中心节点坐标判断是否度数大于等于设定值，若是，则基于IP协议，测算自己距每个中心节点的平均时延，并选取其中时延最小的设定值个中心节点以计算自己的角坐标，若否，则其大多仅有一条通往中心节点的路径，其角坐标将直接复制其邻居中度数最高者。

所述极坐标映射包括

网络划分模块，用于将全局网络划分为若干子图并对每个子图进行独立的极坐标运算。

所述网络划分模块中每个子图中最中心的节点均具有径坐标r₀，且对于原本径坐标较小的非中心节点只进行了较小的修正。

所述径坐标的极大似然估计包括

先验假设单元。根据网络的统计规律，我们假定节点的度数满足幂分布ρ(κ)～κ^-γ，最低度数为κ₀，平均度数为节点的度数和径坐标的关系为：其中R为球面的半径；根据网络的统计规律，我们假定两个节点的相连概率为：

x是两点间的双曲距离，此时R可以由以下积分式得出：

其中参数T为温度，控制节点的聚集程度；ζ为双曲空间的曲率，x′为和(r,0,0)之间的双曲距离；

子图划分和计算单元。取网络中m个中心程度最高的节点i₁,i₂...i_m，其余节点测算自己与每个i_*的时延，若i_k是其中时延最小者，则该节点属于子图G_k。对于拥有度数κ_i的节点，其径坐标的极大似然估计为：

若节点i∈G_j，是i_j的极大似然估计值，则其径坐标为：

基于模拟实验，当采用恰当的参数时，对于传统的双曲路由算法，本算法最多可以降低30％左右的传输延迟，同时保持了固有的高转发成功率。

同时，该算法依赖的网络信息较少，且计算简单，易于在本地完成，由此提高了该方案的可拓展性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。