NDN中快速轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制的研究

劉 棟, 胡 穎,2, 莊 雷

(1.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450001；2.商丘師范學(xué)院 計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院 河南 商丘 476000)

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NDN中快速轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制的研究

劉 棟1, 胡 穎1,2, 莊 雷1

(1.鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院 河南 鄭州 450001；2.商丘師范學(xué)院 計算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院 河南 商丘 476000)

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(named data network,NDN)是一種以數(shù)據(jù)為中心的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu).NDN遵循一對一的包轉(zhuǎn)發(fā)策略，請求者發(fā)送一個興趣包最多只能接受一個數(shù)據(jù)包.這種一對一的包轉(zhuǎn)發(fā)策略在處理多媒體直播流或在線音頻等實時應(yīng)用時，請求者需不斷發(fā)送興趣包才能獲得完整的數(shù)據(jù)包，大量的興趣包不僅會浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)流量、占用大量的待處理興趣包表的存儲空間，而且基于轉(zhuǎn)發(fā)信息表的查找次數(shù)也會增多.因此，提出一種一對多的包轉(zhuǎn)發(fā)策略，請求者發(fā)送一個興趣包就能接收多個數(shù)據(jù)包，來提高實時應(yīng)用下整體網(wǎng)絡(luò)的性能，并通過仿真實驗證明一對多包轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制確實比一對一轉(zhuǎn)發(fā)策略性能更優(yōu).

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò); 傳輸; 轉(zhuǎn)發(fā)

0 引言

現(xiàn)有的傳統(tǒng)LP網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)在安全性、可靠性、靈活性、移動性以及擁塞控制和路由效率等方面暴露了許多的不適應(yīng)性.目前國際上已經(jīng)形成兩種下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展方向：第一種是“演進(jìn)”方向，是不斷“改良”和完善現(xiàn)有的IPV4協(xié)議，最終平滑過渡到IPV6網(wǎng)絡(luò)[1]；第二種是“clean state”方向，以美國FIND/GENI項目為代表，重新設(shè)計一個全新的互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，滿足未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要.NDN就是一種以內(nèi)容為中心的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)[2]，不考慮內(nèi)容存儲所在的物理位置(where)，直接建立命名數(shù)據(jù)(what)網(wǎng)絡(luò)體系.目前，NDN的基本結(jié)構(gòu)設(shè)計已有雛形，轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制也在不斷完善,近幾年來也取得了不少的研究成果[3-5].現(xiàn)有的NDN轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制在處理多媒體直播流或在線音頻等實時應(yīng)用時，會因需不斷地發(fā)送大量的興趣包而影響整體的網(wǎng)絡(luò)性能.

本文提出一對多的快速轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制，即請求者發(fā)送一個興趣包就能接收多個數(shù)據(jù)包，這樣請求者只需要發(fā)送少量的興趣包就能獲得需要的數(shù)據(jù)，因此就緩解了上述對網(wǎng)絡(luò)性能的影響.

1 NDN及其轉(zhuǎn)發(fā)策略

1.1 NDN簡介

圖1 NDN包類型

NDN中通信是由數(shù)據(jù)請求端驅(qū)動的[6-7]，通過命名數(shù)據(jù)以pull方式獲取數(shù)據(jù)包.NDN中有兩種類型的數(shù)據(jù)包：Interest packet和Data packet，即興趣包和數(shù)據(jù)包兩種類型.如圖1所示， NDN的轉(zhuǎn)發(fā)過程主要由3類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成，分別為Content Store(CS)， Pending Interest Table(PIT)，F(xiàn)orwarding Information Base(FIB).NDN的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示.CS相當(dāng)于路由器中的緩沖存儲器，緩存數(shù)據(jù)以備以后使用，采用的緩存策略可采用LRU或LFU.PIT的作用是讓應(yīng)答的數(shù)據(jù)包按原路徑(反向)發(fā)送給請求者.PIT存儲已轉(zhuǎn)發(fā)的興趣包的各項信息.FIB類似于IP網(wǎng)絡(luò)中的FIB，不同的是NDN中FIB包括名字的前綴而不是IP地址前綴，一個給定的名字前綴可以有多個接口供選擇而不僅限于一個.

圖2 NDN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.2 NDN中包的一對一轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)過程

當(dāng)路由器接收到一個興趣包，首先檢查在Content Store中是否有匹配的數(shù)據(jù).如果有匹配的數(shù)據(jù)，這些匹配的數(shù)據(jù)將被按著興趣包的進(jìn)入接口轉(zhuǎn)發(fā)出去；如果沒有匹配的數(shù)據(jù)，檢索 PIT，如果興趣包名字已經(jīng)在PIT中存在，意味著有一個相同名字的興趣包來自其他的請求者被接收并且已經(jīng)被轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣對這個新到來的興趣包，路由器將增加一個incoming interface到已經(jīng)存在的PIT條目中；如果在PIT 條目中沒有相同的興趣包的前綴，則檢查FIB，若有記錄這個興趣包的條目，則根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口將興趣包轉(zhuǎn)發(fā)出去，并將該興趣包和轉(zhuǎn)發(fā)出去的接口一起作為一個新條目加入PIT中；若沒有則丟棄該興趣包.

當(dāng)一個數(shù)據(jù)包到來的時候，先用它的名字查找PIT，如果有匹配的PIT條目，路由器按照條目中記錄的興趣包的請求接口，即進(jìn)入接口，把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，并把它緩存在Content Store，移除PIT中相應(yīng)的條目.如果PIT中沒有匹配的條目，這個數(shù)據(jù)包就被拋棄.每一個興趣包也有一個相應(yīng)的生存時間；當(dāng)生存時間逾期的時候PIT會移除相應(yīng)的條目.

NDN中對包的處理流程如圖3所示.

圖3 NDN中包處理流程

2 NDN一對多轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制

2.1 一對多轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制中興趣包結(jié)構(gòu)

為了能支持一對多的轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制，現(xiàn)提出一種新類型的興趣包:擴(kuò)展興趣包.擴(kuò)展興趣包的結(jié)構(gòu)如圖4所示.擴(kuò)展興趣包在NDN中原設(shè)計的興趣包結(jié)構(gòu)上新增一個0/1鏈表，用來記錄請求的多個數(shù)據(jù)包是否接收完全.全1表示請求的數(shù)據(jù)集合已全部接收，數(shù)據(jù)包保持原有結(jié)構(gòu).網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能從收到的數(shù)據(jù)包中隱含的信息推斷出想要內(nèi)容的數(shù)據(jù)包的信息，即能根據(jù)收到的第一個數(shù)據(jù)包推斷出0/1鏈表的信息.

2.2 一對多轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制中PIT結(jié)構(gòu)

在NDN中原設(shè)計的PIT結(jié)構(gòu)上同樣新增了0/1鏈表，用來記錄請求的數(shù)據(jù)包是否接收完全.全1表示請求的數(shù)據(jù)集合已全部接收，從PIT表刪除該條目，當(dāng)lifetime到期也要刪除該條目.如圖5所示.

圖4 擴(kuò)展興趣包結(jié)構(gòu)

圖5 擴(kuò)展的PIT結(jié)構(gòu)

Fig.5 Structure of extension PIT

2.3 一對多轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制步驟

在NDN中處理多媒體直播流或在線音頻等實時應(yīng)用時，通信者不需要頻繁地變換通信通道，而且興趣包和數(shù)據(jù)包是較小延遲的實時數(shù)據(jù)，因此，本文采用一對多的轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制.請求者發(fā)送擴(kuò)展興趣包，NDN中一對多轉(zhuǎn)發(fā)對擴(kuò)展興趣包的處理流程如圖6.

當(dāng)路由器接收到一個擴(kuò)展興趣包，首先檢查CS中是否有匹配的數(shù)據(jù).如果有匹配的數(shù)據(jù)，它們將被按興趣包的請求接口轉(zhuǎn)發(fā)出去，并修改興趣包中0/1鏈表字段信息是否是全1.全1則表示此興趣包請求的數(shù)據(jù)集合已經(jīng)接收完全，丟棄此興趣包；不是全1，或CS中沒有匹配的數(shù)據(jù)，檢查PIT，若有相同名字的條目中存在，表示有來自其他的請求者的相同興趣包被接收并已被轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣，對這個新來的興趣包，路由器將把它的請求接口、以及0/1鏈表字段信息等記錄到已經(jīng)存在的PIT條目中.如果在PIT 條目中沒有相同的興趣包前綴，則檢查FIB，如果有，則根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口將興趣包轉(zhuǎn)發(fā)出去，并將該興趣包和轉(zhuǎn)發(fā)接口作為一個新條目加入PIT中；若沒有，則丟棄該興趣包.

圖6 擴(kuò)展興趣包的處理流程

圖7 數(shù)據(jù)包的處理流程

NDN中一對多轉(zhuǎn)發(fā)對數(shù)據(jù)包的處理流程如圖7.當(dāng)一個數(shù)據(jù)包到來的時候，先用它的名字前綴查找CS，若有相同前綴匹配的話，就丟棄此數(shù)據(jù)包.否則檢查PIT，若有相匹配的PIT條目，首先判斷PIT中相匹配的條目的0/1字段相應(yīng)位置是否為1，為1的話表示此數(shù)據(jù)包已經(jīng)被接收；否則路由器按照條目中記錄的興趣包的請求接口把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)出去，并把它緩存在CS中，并且根據(jù)數(shù)據(jù)包修改0/1字段信息；如果PIT中沒有匹配的條目，這個數(shù)據(jù)包就被丟棄.每一個興趣包也有一個相應(yīng)的生存時間，當(dāng)生存時間逾期的時候PIT會移除相應(yīng)的條目.

3 仿真實驗

本文用ndnSIM[8]評估一對多轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的性能.實驗用Sprint 的PoP拓?fù)鋄9]，52個節(jié)點(diǎn)，84條鏈路.選擇一個處在拓?fù)渲行奈恢锰幍墓?jié)點(diǎn)作為producer，在拓?fù)溥吘壍?個節(jié)點(diǎn)作為請求者，其他節(jié)點(diǎn)也可以作為請求者請求數(shù)據(jù).實驗暫設(shè)定一個擴(kuò)展興趣包能夠請求30個數(shù)據(jù)包，請求者請求一個以25幀/s生成的視頻文件，視頻比特率是1 000 Kbps，每幀大小是4.2 KB.

圖8表示查找的開銷，正常興趣包基于FIB的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量明顯多于一對多轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的情況，在該實驗設(shè)定條件下，正常興趣包約是擴(kuò)展興趣包情況下的60倍.同時，兩種不同機(jī)制下對數(shù)據(jù)包的接收情況相同，如圖9，正常興趣包和擴(kuò)展興趣包對數(shù)據(jù)包的接收結(jié)果，兩條線幾乎重疊.由此可知，一對多包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制在減少基于FIB的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量的優(yōu)勢下并沒有影響到對數(shù)據(jù)包的接收.

圖10是兩種包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制下PIT的大小,正常興趣包情況下PIT大小明顯大于擴(kuò)展興趣包.一對多包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制對PIT的要求也是大大降低.當(dāng)通信量較少的時候，擴(kuò)展興趣包的延遲比正常興趣包的延遲要大，如圖11.在通信量比較大的時候(40,80)，發(fā)送擴(kuò)展興趣包的傳輸往返延遲小于正常興趣包，這是由于一對一轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制情況下發(fā)送大量正常興趣包占用網(wǎng)絡(luò)資源，使往返延遲增加.

圖8 基于FIB表的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)

圖9 數(shù)據(jù)包接收

圖10 PIT大小

圖11 平均往返延遲

4 總 結(jié)

文章提出一種新的包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制來應(yīng)用于多媒體直播流或在線音頻等實時應(yīng)用,并和NDN原有的一對一包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)行了比較.仿真實驗結(jié)果表明，一對多包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制在對PIT大小的壓縮上、基于FIB的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)量以及包的傳輸延遲上較一對一包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制都有很大優(yōu)勢，而且一對多包轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制可以提高很多場景下網(wǎng)絡(luò)的整體性能.

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(責(zé)任編輯：王浩毅)

Rapid Forwarding in Named Data Networking

LIU Dong1, HU Ying1,2, ZHUANG Lei1

(1.SchoolofInformationEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.SchoolofComputerandInformationTechnology,ShangqiuNormalCollege,Shangqiu476000,China)

Named data network (NDN) was a novel network architecture centered on content data. NDN was a one-to-one package delivery. The consumer could accept one data packet only by sending a packet of interest. For some network applications such as the live media stream and online audio conference or some requests of large files, consumer has to send a lot of packets of interest to get all the data packets in this kind of one-to-one packet delivery. This would increase network traffic, increase PIT size and the number of forwarding based on FIB will also increase. A new mechanism which aggregate similar interest packets was proposed to improve the efficient of transport of NDN. The simulation experiments proved the effectiveness of this one-to-many mechanism.

named data network; transport; forward

2015-03-06

國家自然科學(xué)基金資助項目，編號61379079；河南省科技廳攻關(guān)項目，編號122102210042.

劉棟(1988-)，女，河南開封人，碩士研究生，主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究，E-mail：ld9055@163.com；通訊作者：莊雷(1963-)，女，山東日照人，教授，博士，主要從事計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究，E-mail：ielzhuang@zzu.edu.cn.

劉棟，胡穎，莊雷. NDN中快速轉(zhuǎn)發(fā)響應(yīng)機(jī)制的研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報：理學(xué)版，2015，47(2)：68-72.

TP30

A

1671-6841(2015)02-0068-05

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.02.014