互联网+概念下新一代高职智慧校园网络系统的设计研究①
2020-10-29周国福
周国福
(福建水利电力职业技术学院信息工程系，福建 永安 366000)
0 引 言
WiFi网络、物联网(IoT)和其他前沿的网络技术使高职院校信息化逐渐从“数字化”走向“智慧化”。高职智慧校园能够提高的学生学习和生活质量，并且具有更低的运营成本、更高的安全性等特点。智慧校园是智慧城市中重要且快速发展的一个环节，作为“数字原生代”的学生希望在他们的学习和社交环境中实现实时在线的连接，而学校管理人员也在不断寻求新的方法来改善学生的学业和社交体验，同时减轻安全和环境问题，并降低螺旋式上升的运营成本。高职智慧校园为学生提供了比以往更多的选择权，例如学生可以使用智能手机和其他移动设备通过在线门户查询作业和成绩，或者可以通过使用视频技术远程参加课堂讲座。而智慧校园也简化了管理成本，提高管理效率。例如，物联网设备可以发送有关学生逃课的警报，从而使学校老师可以帮助那些可能在学业上遇到困难的人。智慧校园网络则是校园实现智慧化的基础，是高职智慧校园的核心。但是，为了满足应用程序和设备要求，智慧校园网络需要具有可扩展性、鲁棒性等特点。现有的基于端到端的TCP/IP协议栈并不能满足当前甚至未来人们对网络在获取内容方面的需求。由于校园存在大量的设备，使用IP地址进行寻址还会造成IP地址耗尽的问题。此外，TCP/IP协议栈不支持内在的移动性，也不能完全涵盖面向端到端设备的安全性。因此，结合新一代网络架构——内容中心网络，探讨高职智慧校园网络系统的设计，并重点介绍新一代高职智慧校园网络中的基于名字的命名机制、路由验证机制和基于推荐的转发机制三个组成部分。
1 基于名字的命名机制
当校园网用户请求内容时，用户会将兴趣包发送到网络中。路由器会将兴趣包从请求节点转发到包含所请求内容的节点。任何缓存有相应数据的节点都可以响应用户请求，并采用层次化的命名机制来对内容进行命名和寻址。提出了一种基于名字的命名机制，其中采用符号“/”来区分名字的不同前缀，采用符号“：/”来区分内容的不同属性。
兴趣包的名字包含以下三个部分：
(1)根部
名字的根部包含了校园信息、内容发布者的ID和内容数据。校园位置信息并不是指校园的物理位置，仅是代表校园位置的名称。内容信息包含了内容数据的超类型和子类型。因此，通过包含上述有关校园和内容的信息，根部简化了名字管理和聚合，有利于在路由表中进行名字的检索。根部的信息描述如下：
校园名字/子名字/：校园的名字是指学校的名字，子名字是指学院的名字。例如，广东轻工职业技术学院信息技术学院的名字可以表示为GDInPloy/SInfoTech/。
学校位置/学校子位置/：学校位置是学校所在国家，子位置是学校所在的城市。例如，China/Guangdong/。
内容生产者ID/公钥/：内容生产者ID是指设备的注册编号。设备可以是诸如学校的计算机、学生和老师的手机等移动设备。
内容超类型/内容子类型：内容的超类型主要有文本、图片和视频三大类。对于文本超类型，内容的子类型一般有.txt、.doc等等；对于图片超类型，内容子类型一般有.jpg、.png和.eps等等；对于视频超类型，内容子类型一般有.mp4、.mkv等等。例如，CS101Assign1/.doc代表CS101这门课程的一次作业，该作业是以文档的形式发布的，格式是.doc。
(2)属性部分
名字的第二部分包含内容的属性信息和任务类型，内容属性和任务类型的详细信息如下：
内容属性:/:/:/：内容属性记录了内容的多个属性值。例如，属性200514/19:00/v1表示该内容是产生于2020年5月14日19:00时，版本号为1。
内容新鲜度/：用户可以通过将该值设置为0来获取最新和更新的内容，或者可以设置为1以获得旧版本的内容。例如，为了获得校园实时的温度值，可以将该新鲜度设置为0。
内容流行度/：内容流行度是指内容的受欢迎程度。例如，在宣布了考试结果后，每个学生都会对考试的结果感兴趣，此时考试结果将具有较高的流行度。通常网络管理员会将流行度较高的内容缓存到路由器和用户设备上。因此，学生可以从最近的设备(如同学的手机)上更快地获得考试的结果。
任务类型/任务子类型：任务类型是指特定的操作，子类型是指与操作有关的值。例如，action/Turn-Light-ON表示进行开灯操作。
(3)哈希部分
该部分保留了内容生产者的ID或内容超类型名称或内容子类型名称的哈希值。例如，内容生产者ID为08-00-20-0A-8C-6D，超类型的名称为ScheduleText，子类型名称为.doc，那么相应的哈希部分可以表示为
00a3967932a49cea57f4c61d14a95f71ab63d3c1:/ 55d9f1c241c48d00cd68bbf942fbbb6b29d096e0:/ 8ea7d3aab81b0c1098b1f5eef3092841191f95c1.
2 路由验证机制
路由验证机制包括三个阶段，即网络发现和身份验证、用户认证和密钥传递以及路由通告。在第一阶段，用户发现一个已经注册的邻居，然后邻居向管理员询问向新SN认证网络所需的信息。在第二阶段，用户向管理员进行身份验证，并获取通告路由所需的密钥。在最后阶段中，用户向网络进行路由通告，然后使用SetNext消息将路由信息以逐跳的方式传播到路由器。接下来，路由器使用SetPrefix消息将用户的路由信息转发到管理员，完成用户在管理员的注册。
2.1 网络发现和身份验证
在该阶段中，用户需要发现一条路径并验证其连接到的网络的合法性。该阶段涉及三个网络实体：1)加入网络的新节点(SN2)；2)它的邻居(SN1)；和3)管理员。
首先SN2以广播的方式发送发现兴趣包，该发现兴趣包包含其ID(IDSN2)、自生成的随机数(RSN2)以及其距路由器的跳数(ADSN2，初始值为无穷大)。兴趣包的名字为/ discover /
管理员收到该兴趣包后，管理员可以从兴趣包中得到认证密钥AKSN2和密钥导出密钥KDKSN2。管理员生成随机数RIM，并向SN2回复一个携带有网络验证消息的数据包。该网络验证消息是通过对IDSN2、RSN2、IDIM、RIM、MACSN1、ADSN1和IDAN字段采用AKSN2进行签名而形成的。
2.2 用户认证和密钥传递
LASeR协议的第一阶段结束后，新用户SN2信任即将加入的新网络，并能够将兴趣包转发给其中的任何用户或者服务器。但是，该网络仍然未信任新用户SN2。
为了让网络信任新加入的用户SN2，SN2开始进行LASeR协议的第二阶段，如图5所示。首先，SN2向管理员发送用户认证兴趣包。该兴趣包携带有已签名的随机数RIM和RSN2、IDSN2、IDAN和IDIM的信息。管理员在接收到该兴趣包后，会对兴趣包的签名和内容进行验证，然后管理员生成一个数据包以回复该用户认证兴趣包。数据包中包含了由TEKSN2加密和TAKSN2签名的路由认证密钥RAKAN。
2.3 路由通告
经过第一阶段，用户SN2可以将兴趣包发送到网路中的其他节点；但是其他节点暂时还不能够将兴趣包转发到SN2。为了将请求转发给SN2，SN2和路由器之间的每个节点都必须知道通往SN2的下一跳。为了更新路由状态，SN2向上游发送一个使用RAKAN进行签名的SetNext兴趣包。
每个用户和路由器都需要维护一个转发表，该转发表将节点的ID映射到下一跳MAC地址。每个节点使用转发表和路由表来做出路由决策。
SN2使用邻居的前缀(IDSN1)和命令/set-next来创建SetNext兴趣包，该兴趣包还携带有IDSN2和MACSN2信息，并采用RAKAN进行签名。邻居SN1收到此SetNext兴趣包后，会更新其转发表；然后构造一个相似的兴趣包，并将该兴趣包转发到下一个上游节点，直到请求到达路由器为止。
当路由器收到此请求后，它将更新其转发表并向管理员发送SetPrefix通知。然后管理员使用ACK消息以逐条的方式通知SN2。此时，SN2的路径通告操作就完成了。
3 基于推荐的转发机制
协作过滤推荐算法有两种，即基于项目的协作过滤推荐算法和基于用户的协作过滤推荐算法。前者的计算量较小，而后者的准确性较高[1]。所设计的基于推荐的转发机制(Forwarding Mechanism based on Recommendation，FMR)包含了两种转发算法，分别是基于项目推荐的转发算法(FMIR)和基于用户推荐的转发算法(FMUR)。
为了支持提出的转发算法，需要在路由器中引入三个组件，即兴趣成功转发树(IFT)、推荐转发树(RFT)和节点关系表(NRT)。NRT记录两个节点之间的关系并用于计算FMUR。
IFT记录了最新的兴趣包成功转发的信息，并用于进行FMIR。RFT记录了来自其他节点的最新兴趣包转发信息，并用于获取FMUR。在IFT和RFT中，从根节点到叶节点的路径表示成功转发的兴趣数据包，该路径的节点名称与成功转发的兴趣包的名称相对应。IFT和RFT的区别在于存储在叶子中的信息：成功转发的兴趣包的转发接口和相应的时间存储在IFT中的叶子节点中，而成功转发的兴趣包的转发节点和相应时间存储在RFT的叶节点中。上述三个组件均可以按照需求灵活地添加或删除。如果删除了所有的IFT、RFT和NRT，则FMR将仅执行基于CS、PIT和FIB的基本转发机制。
3.1 基于项目推荐的转发算法
兴趣包成功转发的信息可以为转发提供推荐信息。接收到相应的数据包意味着路由器已经成功转发了相应的兴趣包。当路由器无法采用基本的转发规则对兴趣包p(i)进行转发时，路由器将在IFT中找到与当前兴趣包p(i)最相似的兴趣包p(j)。兴趣包p(i)与兴趣包p(j)之间的相似度S(p(i),p(j))的计算方式如下所示：
(1)
其中，|p(i)|和|p(j)|分别表示兴趣包名字p(i)和p(j)的层数，|p(i)∩p(j)|表示名字p(i)和p(j)公共前缀的层数。当两个兴趣包的相似度超过阈值Thp时，这两个兴趣包将会通过相同的接口进行转发。
3.2 基于用户推荐的转发算法
基于用户的推荐算法的难点在于寻找到与目标用户相似的用户。传统的推荐算法通常在计算用户相似度时会忽略“热门词”的影响[2]。一些改进的算法考虑了这种情况，但是它们通常依赖于全局信息来确定“热门词”。因此，提出了一种仅基于本地信息的相似度计算方法，然后提出了相应的转发算法。
要计算相似度，两个用户需要了解彼此的信息才能获得他们的共同物品。但是，如果共有项目中有一些“热门词”，那么相似度的准确性就会被高估。而且，在用户仅具有本地信息的分布式系统中，难以确定“热门词”。
因此，设计了探测包，以帮助节点了解其他节点的信息。路由器使用时间戳小于时间阈值Tht的信息来生成一个探测包，以探测相似节点。在该探测包中，“源节点”字段表示该探测包的源节点，“IFT叶子信息”字段表示源节点的IFT的叶子信息，以及内容名称和相应的时间戳，“跳数”字段表示从源节点到当前节点路径的跳数，“路由信息”字段表示中间节点和沿该路径的相应接口。
路由器周期性地产生和广播探测包。当节点nv从节点nu接收到一个探测包时，它首先将这个探测包中的信息与自己的IFT进行比较，并采用公式(2)计算两个节点的相似度S(nv,nu)。
(2)
节点的相似性表明两个节点已成功转发某些兴趣包，但仍不足以评估节点之间的交互关系。因此，需要NRT记录节点的交互频率。NRT记录了节点、相似度、交互频率、转发接口和路径的信息。“交互频率”是指两个节点交互的次数，“路径”是指来自接收到的探测包中的“路由信息”。在采取FMIR转发策略失败后，节点nv在采取FMUR时会考虑相似度和交互频率，并按照以下的概率进行转发：
P(nv,nu)=α×S(nv,nu)+(1-α)×F(nv,nu)
(3)
4 性能评估
本研究的仿真实验平台是一个基于NS-3[3]开发的ndnSim[4]模拟器。使用LrWpanNetDevice对IEEE 802.15.4协议的带有时隙的CSMA / CA(带有碰撞避免的载波监听多路访问)机制进行模拟，并使用对数距离传播损耗和恒速传播延迟模型来模拟无线电信道。节点配置为具有0 dBm的发射功率和-106.58 dBm的接收灵敏度，提供约80 m的有效范围。
对于LASER，探讨两个不同场景下LASER模块的收敛时间。第一个场景是研究节点数量的影响：将不同数量的节点均匀地随机放置在50×50平方米的区域中，并将AN放置在中心。第二个场景是研究区域大小的影响：节点的数量规定为100，部署的区域从50×50平方米增加到400×400平方米。实验结果如图1所示，图1展示了收敛时间的经验累积分布函数(CDF)。横坐标表示时间，而纵坐标表示已成功加入网络节点的累积比例。如图1(a)所示，当节点数量较少时，随着节点随机加入网络，算法的收敛趋势大致相同。但是，当节点增加至100时，收敛速度开始变慢。这表明随着密度的增加，无线电干扰对节点通信的负面影响越来越大。虽然收敛速度会随着节点增加变得越来越慢，认为这种收敛延迟是可以接受，因为该过程仅会发生一次。
图1(b)是100个节点在不同大小区域下的收敛时间。当区域面积较大时(例如0.16平方千米)，节点分布较为稀疏，因此算法在一开始时收敛速度较慢。随着节点数量增加，收敛速度逐渐变快。
(a)固定区域不同节点数量的收敛速度 (b)固定节点数量不同区域面积大小的收敛速度
接下来进行实验评估转发机制的性能。假设网络中有100种内容，每个节点的CS中有50个内容，每个内容的大小为1KB。实验主要参数设置如下：兴趣包相似度阈值Thp为0.75，节点相似度阈值Thn为0.67，转发概率阈值Thf为0.5，时间阈值2秒，转发概率权重α为0.7。
选择NCC 和BR[5]算法与FMR进行性能比较。在不同请求速率下采用请求满足率、平均跳数和平均时延三个指标评估FMR的性能。
如图2(a)所示，当网络负载较轻(即请求速率较低)时，三种转发策略均实现了100%的请求满足率。随着网络负载的增加，有限的链路容量限制了传输，转发策略的请求满足率开始降低。FMR基于推荐算法进行转发，能找到合适的转发节点。因此具有最高的请求满足率。
平均跳数的对比结果如图2(c)所示。由于距离较近的节点将具有较高的交互频率，因此具有较高的推荐概率。此时，FMR能达到最佳性能。BR将兴趣数据包转发到跳数最小的接口，从而获得次佳的性能。NCC根据估计的延迟选择转发接口，该延迟类似于BR中的跳数，因此它们具有相似的平均跳数。但是当网络负载越来越重时，时延会变长，因此NCC的性能会下降。
平均时延的对比结果如图2(d)所示。其中，FMR会选择距离较近的适当节点进行转发，因此具有最佳的性能。NCC是基于时延的策略，会选择转发延迟最小的接口，因此具有较好的性能。BR会选择跳数较短的转发路径，但当网络负载很重时，大量的网络流量都会经过该路径，从而造成较高的网络时延。
(a)请求满足率 (b)平均跳数 (c)平均时延
5 结 语
本文在互联网+的背景下，结合信息中心网络这一新颖的网络架构，设计了高职智慧校园网络系统，介绍了该网络系统中的三个重要机制，并采用实验验证机制的有效性。在未来的工作中，将该网络系统部署到真实的高职校园应用环境，进一步探讨网络系统的性能。
