互聯(lián)網(wǎng)+概念下新一代高職智慧校園網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計研究①

周國福

(福建水利電力職業(yè)技術學院信息工程系，福建 永安 366000)

0 引 言

WiFi網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和其他前沿的網(wǎng)絡技術使高職院校信息化逐漸從“數(shù)字化”走向“智慧化”。高職智慧校園能夠提高的學生學習和生活質(zhì)量，并且具有更低的運營成本、更高的安全性等特點。智慧校園是智慧城市中重要且快速發(fā)展的一個環(huán)節(jié)，作為“數(shù)字原生代”的學生希望在他們的學習和社交環(huán)境中實現(xiàn)實時在線的連接，而學校管理人員也在不斷尋求新的方法來改善學生的學業(yè)和社交體驗，同時減輕安全和環(huán)境問題，并降低螺旋式上升的運營成本。高職智慧校園為學生提供了比以往更多的選擇權(quán)，例如學生可以使用智能手機和其他移動設備通過在線門戶查詢作業(yè)和成績，或者可以通過使用視頻技術遠程參加課堂講座。而智慧校園也簡化了管理成本，提高管理效率。例如，物聯(lián)網(wǎng)設備可以發(fā)送有關學生逃課的警報，從而使學校老師可以幫助那些可能在學業(yè)上遇到困難的人。智慧校園網(wǎng)絡則是校園實現(xiàn)智慧化的基礎，是高職智慧校園的核心。但是，為了滿足應用程序和設備要求，智慧校園網(wǎng)絡需要具有可擴展性、魯棒性等特點。現(xiàn)有的基于端到端的TCP/IP協(xié)議棧并不能滿足當前甚至未來人們對網(wǎng)絡在獲取內(nèi)容方面的需求。由于校園存在大量的設備，使用IP地址進行尋址還會造成IP地址耗盡的問題。此外，TCP/IP協(xié)議棧不支持內(nèi)在的移動性，也不能完全涵蓋面向端到端設備的安全性。因此，結(jié)合新一代網(wǎng)絡架構(gòu)——內(nèi)容中心網(wǎng)絡，探討高職智慧校園網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計，并重點介紹新一代高職智慧校園網(wǎng)絡中的基于名字的命名機制、路由驗證機制和基于推薦的轉(zhuǎn)發(fā)機制三個組成部分。

1 基于名字的命名機制

當校園網(wǎng)用戶請求內(nèi)容時，用戶會將興趣包發(fā)送到網(wǎng)絡中。路由器會將興趣包從請求節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到包含所請求內(nèi)容的節(jié)點。任何緩存有相應數(shù)據(jù)的節(jié)點都可以響應用戶請求，并采用層次化的命名機制來對內(nèi)容進行命名和尋址。提出了一種基于名字的命名機制，其中采用符號“/”來區(qū)分名字的不同前綴，采用符號“：/”來區(qū)分內(nèi)容的不同屬性。

興趣包的名字包含以下三個部分：

(1)根部

名字的根部包含了校園信息、內(nèi)容發(fā)布者的ID和內(nèi)容數(shù)據(jù)。校園位置信息并不是指校園的物理位置，僅是代表校園位置的名稱。內(nèi)容信息包含了內(nèi)容數(shù)據(jù)的超類型和子類型。因此，通過包含上述有關校園和內(nèi)容的信息，根部簡化了名字管理和聚合，有利于在路由表中進行名字的檢索。根部的信息描述如下：

校園名字/子名字/：校園的名字是指學校的名字，子名字是指學院的名字。例如，廣東輕工職業(yè)技術學院信息技術學院的名字可以表示為GDInPloy/SInfoTech/。

學校位置/學校子位置/：學校位置是學校所在國家，子位置是學校所在的城市。例如，China/Guangdong/。

內(nèi)容生產(chǎn)者ID/公鑰/：內(nèi)容生產(chǎn)者ID是指設備的注冊編號。設備可以是諸如學校的計算機、學生和老師的手機等移動設備。

內(nèi)容超類型/內(nèi)容子類型：內(nèi)容的超類型主要有文本、圖片和視頻三大類。對于文本超類型，內(nèi)容的子類型一般有.txt、.doc等等；對于圖片超類型，內(nèi)容子類型一般有.jpg、.png和.eps等等；對于視頻超類型，內(nèi)容子類型一般有.mp4、.mkv等等。例如，CS101Assign1/.doc代表CS101這門課程的一次作業(yè)，該作業(yè)是以文檔的形式發(fā)布的，格式是.doc。

(2)屬性部分

名字的第二部分包含內(nèi)容的屬性信息和任務類型，內(nèi)容屬性和任務類型的詳細信息如下：

內(nèi)容屬性:/:/:/：內(nèi)容屬性記錄了內(nèi)容的多個屬性值。例如，屬性200514/19:00/v1表示該內(nèi)容是產(chǎn)生于2020年5月14日19:00時，版本號為1。

內(nèi)容新鮮度/：用戶可以通過將該值設置為0來獲取最新和更新的內(nèi)容，或者可以設置為1以獲得舊版本的內(nèi)容。例如，為了獲得校園實時的溫度值，可以將該新鮮度設置為0。

內(nèi)容流行度/：內(nèi)容流行度是指內(nèi)容的受歡迎程度。例如，在宣布了考試結(jié)果后，每個學生都會對考試的結(jié)果感興趣，此時考試結(jié)果將具有較高的流行度。通常網(wǎng)絡管理員會將流行度較高的內(nèi)容緩存到路由器和用戶設備上。因此，學生可以從最近的設備(如同學的手機)上更快地獲得考試的結(jié)果。

任務類型/任務子類型：任務類型是指特定的操作，子類型是指與操作有關的值。例如，action/Turn-Light-ON表示進行開燈操作。

(3)哈希部分

該部分保留了內(nèi)容生產(chǎn)者的ID或內(nèi)容超類型名稱或內(nèi)容子類型名稱的哈希值。例如，內(nèi)容生產(chǎn)者ID為08-00-20-0A-8C-6D，超類型的名稱為ScheduleText，子類型名稱為.doc，那么相應的哈希部分可以表示為

00a3967932a49cea57f4c61d14a95f71ab63d3c1:/ 55d9f1c241c48d00cd68bbf942fbbb6b29d096e0:/ 8ea7d3aab81b0c1098b1f5eef3092841191f95c1.

2 路由驗證機制

路由驗證機制包括三個階段，即網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和身份驗證、用戶認證和密鑰傳遞以及路由通告。在第一階段，用戶發(fā)現(xiàn)一個已經(jīng)注冊的鄰居，然后鄰居向管理員詢問向新SN認證網(wǎng)絡所需的信息。在第二階段，用戶向管理員進行身份驗證，并獲取通告路由所需的密鑰。在最后階段中，用戶向網(wǎng)絡進行路由通告，然后使用SetNext消息將路由信息以逐跳的方式傳播到路由器。接下來，路由器使用SetPrefix消息將用戶的路由信息轉(zhuǎn)發(fā)到管理員，完成用戶在管理員的注冊。

2.1 網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)和身份驗證

在該階段中，用戶需要發(fā)現(xiàn)一條路徑并驗證其連接到的網(wǎng)絡的合法性。該階段涉及三個網(wǎng)絡實體：1)加入網(wǎng)絡的新節(jié)點(SN2)；2)它的鄰居(SN1)；和3)管理員。

首先SN2以廣播的方式發(fā)送發(fā)現(xiàn)興趣包，該發(fā)現(xiàn)興趣包包含其ID(IDSN2)、自生成的隨機數(shù)(RSN2)以及其距路由器的跳數(shù)(ADSN2，初始值為無窮大)。興趣包的名字為/ discover / / / 。如果接收到該發(fā)現(xiàn)請求的鄰居(SN1)愿意作為SN2的中繼節(jié)點，且鄰居距離路由器的跳數(shù)少于ADSN2-1跳時，那么鄰居會將該發(fā)現(xiàn)興趣包連同其自己的MAC(MACSN1)、與路由器的距離ADSN1和路由器ID(IDAN)轉(zhuǎn)發(fā)到路由器AN。接下來，SN1構(gòu)造一個名字為/ / onboard / / / / / 的興趣包，并采用路由器AN的路由認證密鑰對該興趣包進行簽名。

管理員收到該興趣包后，管理員可以從興趣包中得到認證密鑰AKSN2和密鑰導出密鑰KDKSN2。管理員生成隨機數(shù)RIM，并向SN2回復一個攜帶有網(wǎng)絡驗證消息的數(shù)據(jù)包。該網(wǎng)絡驗證消息是通過對IDSN2、RSN2、IDIM、RIM、MACSN1、ADSN1和IDAN字段采用AKSN2進行簽名而形成的。

2.2 用戶認證和密鑰傳遞

LASeR協(xié)議的第一階段結(jié)束后，新用戶SN2信任即將加入的新網(wǎng)絡，并能夠?qū)⑴d趣包轉(zhuǎn)發(fā)給其中的任何用戶或者服務器。但是，該網(wǎng)絡仍然未信任新用戶SN2。

為了讓網(wǎng)絡信任新加入的用戶SN2，SN2開始進行LASeR協(xié)議的第二階段，如圖5所示。首先，SN2向管理員發(fā)送用戶認證興趣包。該興趣包攜帶有已簽名的隨機數(shù)RIM和RSN2、IDSN2、IDAN和IDIM的信息。管理員在接收到該興趣包后，會對興趣包的簽名和內(nèi)容進行驗證，然后管理員生成一個數(shù)據(jù)包以回復該用戶認證興趣包。數(shù)據(jù)包中包含了由TEKSN2加密和TAKSN2簽名的路由認證密鑰RAKAN。

2.3 路由通告

經(jīng)過第一階段，用戶SN2可以將興趣包發(fā)送到網(wǎng)路中的其他節(jié)點；但是其他節(jié)點暫時還不能夠?qū)⑴d趣包轉(zhuǎn)發(fā)到SN2。為了將請求轉(zhuǎn)發(fā)給SN2，SN2和路由器之間的每個節(jié)點都必須知道通往SN2的下一跳。為了更新路由狀態(tài)，SN2向上游發(fā)送一個使用RAKAN進行簽名的SetNext興趣包。

每個用戶和路由器都需要維護一個轉(zhuǎn)發(fā)表，該轉(zhuǎn)發(fā)表將節(jié)點的ID映射到下一跳MAC地址。每個節(jié)點使用轉(zhuǎn)發(fā)表和路由表來做出路由決策。

SN2使用鄰居的前綴(IDSN1)和命令/set-next來創(chuàng)建SetNext興趣包，該興趣包還攜帶有IDSN2和MACSN2信息，并采用RAKAN進行簽名。鄰居SN1收到此SetNext興趣包后，會更新其轉(zhuǎn)發(fā)表；然后構(gòu)造一個相似的興趣包，并將該興趣包轉(zhuǎn)發(fā)到下一個上游節(jié)點，直到請求到達路由器為止。

當路由器收到此請求后，它將更新其轉(zhuǎn)發(fā)表并向管理員發(fā)送SetPrefix通知。然后管理員使用ACK消息以逐條的方式通知SN2。此時，SN2的路徑通告操作就完成了。

3 基于推薦的轉(zhuǎn)發(fā)機制

協(xié)作過濾推薦算法有兩種，即基于項目的協(xié)作過濾推薦算法和基于用戶的協(xié)作過濾推薦算法。前者的計算量較小，而后者的準確性較高[1]。所設計的基于推薦的轉(zhuǎn)發(fā)機制(Forwarding Mechanism based on Recommendation，F(xiàn)MR)包含了兩種轉(zhuǎn)發(fā)算法，分別是基于項目推薦的轉(zhuǎn)發(fā)算法(FMIR)和基于用戶推薦的轉(zhuǎn)發(fā)算法(FMUR)。

為了支持提出的轉(zhuǎn)發(fā)算法，需要在路由器中引入三個組件，即興趣成功轉(zhuǎn)發(fā)樹(IFT)、推薦轉(zhuǎn)發(fā)樹(RFT)和節(jié)點關系表(NRT)。NRT記錄兩個節(jié)點之間的關系并用于計算FMUR。

IFT記錄了最新的興趣包成功轉(zhuǎn)發(fā)的信息，并用于進行FMIR。RFT記錄了來自其他節(jié)點的最新興趣包轉(zhuǎn)發(fā)信息，并用于獲取FMUR。在IFT和RFT中，從根節(jié)點到葉節(jié)點的路徑表示成功轉(zhuǎn)發(fā)的興趣數(shù)據(jù)包，該路徑的節(jié)點名稱與成功轉(zhuǎn)發(fā)的興趣包的名稱相對應。IFT和RFT的區(qū)別在于存儲在葉子中的信息：成功轉(zhuǎn)發(fā)的興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)接口和相應的時間存儲在IFT中的葉子節(jié)點中，而成功轉(zhuǎn)發(fā)的興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和相應時間存儲在RFT的葉節(jié)點中。上述三個組件均可以按照需求靈活地添加或刪除。如果刪除了所有的IFT、RFT和NRT，則FMR將僅執(zhí)行基于CS、PIT和FIB的基本轉(zhuǎn)發(fā)機制。

3.1 基于項目推薦的轉(zhuǎn)發(fā)算法

興趣包成功轉(zhuǎn)發(fā)的信息可以為轉(zhuǎn)發(fā)提供推薦信息。接收到相應的數(shù)據(jù)包意味著路由器已經(jīng)成功轉(zhuǎn)發(fā)了相應的興趣包。當路由器無法采用基本的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則對興趣包p(i)進行轉(zhuǎn)發(fā)時，路由器將在IFT中找到與當前興趣包p(i)最相似的興趣包p(j)。興趣包p(i)與興趣包p(j)之間的相似度S(p(i),p(j))的計算方式如下所示：

(1)

其中，|p(i)|和|p(j)|分別表示興趣包名字p(i)和p(j)的層數(shù)，|p(i)∩p(j)|表示名字p(i)和p(j)公共前綴的層數(shù)。當兩個興趣包的相似度超過閾值Thp時，這兩個興趣包將會通過相同的接口進行轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 基于用戶推薦的轉(zhuǎn)發(fā)算法

基于用戶的推薦算法的難點在于尋找到與目標用戶相似的用戶。傳統(tǒng)的推薦算法通常在計算用戶相似度時會忽略“熱門詞”的影響[2]。一些改進的算法考慮了這種情況，但是它們通常依賴于全局信息來確定“熱門詞”。因此，提出了一種僅基于本地信息的相似度計算方法，然后提出了相應的轉(zhuǎn)發(fā)算法。

要計算相似度，兩個用戶需要了解彼此的信息才能獲得他們的共同物品。但是，如果共有項目中有一些“熱門詞”，那么相似度的準確性就會被高估。而且，在用戶僅具有本地信息的分布式系統(tǒng)中，難以確定“熱門詞”。

因此，設計了探測包，以幫助節(jié)點了解其他節(jié)點的信息。路由器使用時間戳小于時間閾值Tht的信息來生成一個探測包，以探測相似節(jié)點。在該探測包中，“源節(jié)點”字段表示該探測包的源節(jié)點，“IFT葉子信息”字段表示源節(jié)點的IFT的葉子信息，以及內(nèi)容名稱和相應的時間戳，“跳數(shù)”字段表示從源節(jié)點到當前節(jié)點路徑的跳數(shù)，“路由信息”字段表示中間節(jié)點和沿該路徑的相應接口。

路由器周期性地產(chǎn)生和廣播探測包。當節(jié)點nv從節(jié)點nu接收到一個探測包時，它首先將這個探測包中的信息與自己的IFT進行比較，并采用公式(2)計算兩個節(jié)點的相似度S(nv,nu)。

(2)

節(jié)點的相似性表明兩個節(jié)點已成功轉(zhuǎn)發(fā)某些興趣包，但仍不足以評估節(jié)點之間的交互關系。因此，需要NRT記錄節(jié)點的交互頻率。NRT記錄了節(jié)點、相似度、交互頻率、轉(zhuǎn)發(fā)接口和路徑的信息?！敖换ヮl率”是指兩個節(jié)點交互的次數(shù)，“路徑”是指來自接收到的探測包中的“路由信息”。在采取FMIR轉(zhuǎn)發(fā)策略失敗后，節(jié)點nv在采取FMUR時會考慮相似度和交互頻率，并按照以下的概率進行轉(zhuǎn)發(fā)：

P(nv,nu)=α×S(nv,nu)+(1-α)×F(nv,nu)

(3)

4 性能評估

本研究的仿真實驗平臺是一個基于NS-3[3]開發(fā)的ndnSim[4]模擬器。使用LrWpanNetDevice對IEEE 802.15.4協(xié)議的帶有時隙的CSMA / CA(帶有碰撞避免的載波監(jiān)聽多路訪問)機制進行模擬，并使用對數(shù)距離傳播損耗和恒速傳播延遲模型來模擬無線電信道。節(jié)點配置為具有0 dBm的發(fā)射功率和-106.58 dBm的接收靈敏度，提供約80 m的有效范圍。

對于LASER，探討兩個不同場景下LASER模塊的收斂時間。第一個場景是研究節(jié)點數(shù)量的影響：將不同數(shù)量的節(jié)點均勻地隨機放置在50×50平方米的區(qū)域中，并將AN放置在中心。第二個場景是研究區(qū)域大小的影響：節(jié)點的數(shù)量規(guī)定為100，部署的區(qū)域從50×50平方米增加到400×400平方米。實驗結(jié)果如圖1所示，圖1展示了收斂時間的經(jīng)驗累積分布函數(shù)(CDF)。橫坐標表示時間，而縱坐標表示已成功加入網(wǎng)絡節(jié)點的累積比例。如圖1(a)所示，當節(jié)點數(shù)量較少時，隨著節(jié)點隨機加入網(wǎng)絡，算法的收斂趨勢大致相同。但是，當節(jié)點增加至100時，收斂速度開始變慢。這表明隨著密度的增加，無線電干擾對節(jié)點通信的負面影響越來越大。雖然收斂速度會隨著節(jié)點增加變得越來越慢，認為這種收斂延遲是可以接受，因為該過程僅會發(fā)生一次。

圖1(b)是100個節(jié)點在不同大小區(qū)域下的收斂時間。當區(qū)域面積較大時(例如0.16平方千米)，節(jié)點分布較為稀疏，因此算法在一開始時收斂速度較慢。隨著節(jié)點數(shù)量增加，收斂速度逐漸變快。

(a)固定區(qū)域不同節(jié)點數(shù)量的收斂速度 (b)固定節(jié)點數(shù)量不同區(qū)域面積大小的收斂速度

接下來進行實驗評估轉(zhuǎn)發(fā)機制的性能。假設網(wǎng)絡中有100種內(nèi)容，每個節(jié)點的CS中有50個內(nèi)容，每個內(nèi)容的大小為1KB。實驗主要參數(shù)設置如下：興趣包相似度閾值Thp為0.75，節(jié)點相似度閾值Thn為0.67，轉(zhuǎn)發(fā)概率閾值Thf為0.5，時間閾值2秒，轉(zhuǎn)發(fā)概率權(quán)重α為0.7。

選擇NCC 和BR[5]算法與FMR進行性能比較。在不同請求速率下采用請求滿足率、平均跳數(shù)和平均時延三個指標評估FMR的性能。

如圖2(a)所示，當網(wǎng)絡負載較輕(即請求速率較低)時，三種轉(zhuǎn)發(fā)策略均實現(xiàn)了100%的請求滿足率。隨著網(wǎng)絡負載的增加，有限的鏈路容量限制了傳輸，轉(zhuǎn)發(fā)策略的請求滿足率開始降低。FMR基于推薦算法進行轉(zhuǎn)發(fā)，能找到合適的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。因此具有最高的請求滿足率。

平均跳數(shù)的對比結(jié)果如圖2(c)所示。由于距離較近的節(jié)點將具有較高的交互頻率，因此具有較高的推薦概率。此時，F(xiàn)MR能達到最佳性能。BR將興趣數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到跳數(shù)最小的接口，從而獲得次佳的性能。NCC根據(jù)估計的延遲選擇轉(zhuǎn)發(fā)接口，該延遲類似于BR中的跳數(shù)，因此它們具有相似的平均跳數(shù)。但是當網(wǎng)絡負載越來越重時，時延會變長，因此NCC的性能會下降。

平均時延的對比結(jié)果如圖2(d)所示。其中，F(xiàn)MR會選擇距離較近的適當節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，因此具有最佳的性能。NCC是基于時延的策略，會選擇轉(zhuǎn)發(fā)延遲最小的接口，因此具有較好的性能。BR會選擇跳數(shù)較短的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，但當網(wǎng)絡負載很重時，大量的網(wǎng)絡流量都會經(jīng)過該路徑，從而造成較高的網(wǎng)絡時延。

(a)請求滿足率 (b)平均跳數(shù) (c)平均時延

5 結(jié) 語

本文在互聯(lián)網(wǎng)+的背景下，結(jié)合信息中心網(wǎng)絡這一新穎的網(wǎng)絡架構(gòu)，設計了高職智慧校園網(wǎng)絡系統(tǒng)，介紹了該網(wǎng)絡系統(tǒng)中的三個重要機制，并采用實驗驗證機制的有效性。在未來的工作中，將該網(wǎng)絡系統(tǒng)部署到真實的高職校園應用環(huán)境，進一步探討網(wǎng)絡系統(tǒng)的性能。