一種軟件定義的信息中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

李 鏗，陳京文，蔣 鈺，馬 林

（1.烽火通信科技股份有限公司，武漢 430074； 2.華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院，武漢 430074）

一種軟件定義的信息中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

李 鏗1，陳京文2，蔣 鈺2，馬 林2

（1.烽火通信科技股份有限公司，武漢 430074； 2.華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院，武漢 430074）

現(xiàn)有SDICN（軟件定義信息中心網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)方案難以支持海量內(nèi)容分發(fā)、交換和緩存組件的分別升級。文章提出一種基于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的SDICN系統(tǒng)架構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)邊緣的緩存節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)容請求和緩存內(nèi)容數(shù)據(jù)，緩存與交換不再耦合，克服了現(xiàn)有技術(shù)方案的上述局限；基于SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的集中式控制，避免了覆蓋網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的次優(yōu)控制問題。原型系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析表明，所提系統(tǒng)可直接運(yùn)行于通常的SDN中，少量的邊緣節(jié)點(diǎn)即可有效減少內(nèi)容分發(fā)響應(yīng)時(shí)間。研究結(jié)果有利于SDN和ICN（信息中心網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)的擴(kuò)展及應(yīng)用。

信息中心網(wǎng)絡(luò)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；邊緣緩存；集中式控制

0 引 言

SDICN（軟件定義信息中心網(wǎng)絡(luò)）［1-4］結(jié)合了ICN（信息中心網(wǎng)絡(luò)）［5］和SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）［6］兩種新型架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，以軟件可編程的方式實(shí)現(xiàn)高效、安全的內(nèi)容分發(fā)。鑒于SDN和ICN分別從分組流和內(nèi)容視角來處理數(shù)據(jù)，現(xiàn)有SDICN系統(tǒng)［1-4］采用內(nèi)容名至流標(biāo)識(shí)符的映射，并在交換節(jié)點(diǎn)集成存儲(chǔ)器，但其存在兩種局限：（1）有限的數(shù)據(jù)包首部字段空間無法映射海量的內(nèi)容名；（2）交換傳輸與內(nèi)容存儲(chǔ)集成的系統(tǒng)難以分別擴(kuò)展或升級。

針對上述問題，本文提出一種基于邊緣緩存的SDICN系統(tǒng)架構(gòu)，由邊緣節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)容，系統(tǒng)運(yùn)行邏輯由SDN控制器軟件集中控制。無需內(nèi)容名至流標(biāo)識(shí)符的映射，支持海量內(nèi)容分發(fā)；內(nèi)容緩存獨(dú)立于數(shù)據(jù)交換，有利于交換節(jié)點(diǎn)和緩存節(jié)點(diǎn)分別擴(kuò)展和升級；內(nèi)容請求路由、數(shù)據(jù)緩存均由控制器軟件基于全局視圖集中控制，實(shí)現(xiàn)了資源的優(yōu)化調(diào)度和靈活的策略管理。與采用邊緣緩存的idICN［7］（增量部署的ICN）不同，本文采用SDN框架，在數(shù)據(jù)交換、內(nèi)容存儲(chǔ)兩個(gè)維度都能利用全局視圖和集中式控制優(yōu)化內(nèi)容請求路由和數(shù)據(jù)緩存，避免了覆蓋系統(tǒng)由于局部視圖只能實(shí)現(xiàn)次優(yōu)控制的基本局限。

1 SDICN系統(tǒng)框架

SDICN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，構(gòu)成節(jié)點(diǎn)組成SDN之上的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，相應(yīng)功能如下：（1）緩存節(jié)點(diǎn)：緩存內(nèi)容數(shù)據(jù)，響應(yīng)和轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)容請求。（2）SDICN控制器：運(yùn)行于SDN控制器中的軟件，確定緩存節(jié)點(diǎn)和CSN，登記ICN命名內(nèi)容，執(zhí)行URI（統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符）命名內(nèi)容的DNS（域名系統(tǒng)）解析，管理緩存節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)。（3）ICN CSN：向SDICN控制器注冊ICN命名內(nèi)容，為請求節(jié)點(diǎn)提供內(nèi)容數(shù)據(jù)。（4）URI CSN：URI命名內(nèi)容源服務(wù)器，如Web（萬維網(wǎng)）服務(wù)器。（5）內(nèi)容請求節(jié)點(diǎn)：請求ICN和URI命名內(nèi)容。

圖1　SDICN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SDICN系統(tǒng)主要流程如下：

（1）內(nèi)容名解析：請求者查詢內(nèi)容名對應(yīng)主機(jī)地址，接入SDN交換機(jī)將查詢消息轉(zhuǎn)發(fā)至DCN，DCN回復(fù)以自身地址；如DCN無CSN信息，則通過控制會(huì)話通道B1向SDICN控制器查詢。

（2）請求內(nèi)容：根據(jù)響應(yīng)消息給出的DCN地址，請求節(jié)點(diǎn)向其發(fā)送內(nèi)容請求。

（3）內(nèi)容請求轉(zhuǎn)發(fā)：DCN如已緩存請求內(nèi)容，則轉(zhuǎn)至步驟（4），反之查詢內(nèi)部表格獲知CSN （ICN、URI源節(jié)點(diǎn)或緩存節(jié)點(diǎn)），向其請求和獲取內(nèi)容數(shù)據(jù)，同時(shí)緩存。

（4）傳送內(nèi)容：DCN向請求者傳輸內(nèi)容數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)流程還包括節(jié)點(diǎn)間控制信息交互：A1表示ICN源節(jié)點(diǎn)與SDICN控制器的控制會(huì)話，用于節(jié)點(diǎn)注冊、ICN命名內(nèi)容發(fā)布。B1對應(yīng)緩存節(jié)點(diǎn)與SDICN控制器的控制會(huì)話，用于緩存節(jié)點(diǎn)注冊以及緩存內(nèi)容、剩余空間、請求數(shù)量和鏈路負(fù)載等狀態(tài)信息的周期性報(bào)告。

內(nèi)容命名同時(shí)支持ICN和URI。ICN命名支持兩類現(xiàn)有機(jī)制，即CCN（內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)）［8］的可讀取命名和DONA（面向數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）［9］的自認(rèn)證命名。支持URI命名，使得現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容分發(fā)也能受益。內(nèi)容名完整表達(dá)形式為Protocol：// Name。Protocol為CCN、DONA時(shí)分別對應(yīng)于CCN、DONA命名，并可進(jìn)一步擴(kuò)展；Name為內(nèi)容名。為了兼容URI內(nèi)容獲取，ICN命名還可采用“域名+命名方式+內(nèi)容名”復(fù)合方式，其中域名統(tǒng)一采用http：//sdicn.org，如http：//sdicn.org/ccn/ xxx。采用這種方式易于兼容現(xiàn)有DNS，但也限制了內(nèi)容名長度，尤其是DONA命名。

2 內(nèi)容請求路由與數(shù)據(jù)緩存

基于系統(tǒng)全局視圖，SDICN控制器計(jì)算內(nèi)容請求路由，將結(jié)果寫入緩存節(jié)點(diǎn)及SDN接入交換機(jī)，緩存節(jié)點(diǎn)據(jù)此轉(zhuǎn)發(fā)內(nèi)容請求和緩存更新內(nèi)容數(shù)據(jù)。

2.1內(nèi)容請求路由

內(nèi)容請求路由計(jì)算包括緩存節(jié)點(diǎn)選擇和供給節(jié)點(diǎn)選擇。SDICN控制器基于網(wǎng)絡(luò)距離和節(jié)點(diǎn)負(fù)載選擇緩存節(jié)點(diǎn)。對于給定內(nèi)容請求，首先選擇最短距離緩存節(jié)點(diǎn)作為其DCN；如最短距離緩存節(jié)點(diǎn)負(fù)載較重，則選擇距離較長但負(fù)載較輕的緩存節(jié)點(diǎn)。為避免頻繁地計(jì)算處理，綜合采用固定設(shè)置與動(dòng)態(tài)調(diào)整：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)容量，按照網(wǎng)絡(luò)區(qū)域固定指派緩存節(jié)點(diǎn)作為區(qū)域所有請求的DCN；運(yùn)行過程中，動(dòng)態(tài)地將負(fù)載過高的緩存節(jié)點(diǎn)所服務(wù)的部分請求轉(zhuǎn)移至輕載節(jié)點(diǎn)。

供給節(jié)點(diǎn)選擇與緩存節(jié)點(diǎn)選擇類似，區(qū)別在于：（1）備選節(jié)點(diǎn)包含源節(jié)點(diǎn)、緩存節(jié)點(diǎn)兩種；（2）應(yīng)減少域間流量。如源節(jié)點(diǎn)與DCN在同一SDN域內(nèi)，選擇CSN時(shí)不區(qū)分源節(jié)點(diǎn)和緩存節(jié)點(diǎn)；反之則優(yōu)先選擇域內(nèi)緩存節(jié)點(diǎn)作為CSN。為減少供給節(jié)點(diǎn)選擇的計(jì)算量，采取主動(dòng)式和反應(yīng)式混合方式，對于高流行度內(nèi)容，預(yù)先計(jì)算選擇供給節(jié)點(diǎn)，推送結(jié)果至相應(yīng)緩存節(jié)點(diǎn)；對于低流行度內(nèi)容請求，緩存節(jié)點(diǎn)按需請求SDICN控制器進(jìn)行計(jì)算?？紤]到流行度及緩存分布隨時(shí)間變化，SDICN控制器根據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，周期進(jìn)行主動(dòng)式供給節(jié)點(diǎn)計(jì)算，并推送更新結(jié)果。

2.2內(nèi)容請求轉(zhuǎn)發(fā)與數(shù)據(jù)緩存

根據(jù)SDICN控制器計(jì)算的內(nèi)容請求路由，DCN響應(yīng)內(nèi)容請求，并緩存和更新內(nèi)容數(shù)據(jù)。緩存節(jié)點(diǎn)維護(hù)ACL（內(nèi)容緩存表）、PRL（處理請求表）和CST（供給節(jié)點(diǎn)緩存表），用于請求轉(zhuǎn)發(fā)、緩存更新。其中，ACL存儲(chǔ)緩存內(nèi)容列表，PRL存儲(chǔ)已收到但尚未回復(fù)的請求及請求者列表，CST則包含可用內(nèi)容供給節(jié)點(diǎn)。

在SDICN控制器的控制下，內(nèi)容請求被轉(zhuǎn)發(fā)至DCN。DCN處理內(nèi)容請求轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)傳輸及緩存的流程如圖2所示。數(shù)據(jù)傳輸采用流水線方式，即DCN從CSN下載內(nèi)容數(shù)據(jù)的同時(shí)，向請求者傳輸數(shù)據(jù)。

緩存節(jié)點(diǎn)是資源限制系統(tǒng)，當(dāng)緩存數(shù)據(jù)量接近其存儲(chǔ)容量時(shí)，新內(nèi)容的獲取將觸發(fā)緩存更新。普適緩存會(huì)使緩存節(jié)點(diǎn)負(fù)載較重，難以運(yùn)行復(fù)雜的緩存更新算法。LRU（近期最少使用置換）和LFU（最少使用置換）兩類算法中，LRU所需參數(shù)較少且性能接近最優(yōu)［7］，因此本系統(tǒng)緩存更新采用LRU算法。獲得完整內(nèi)容數(shù)據(jù)后，DCN將更新其ACL。對于ICN命名內(nèi)容，DCN還需進(jìn)行一致性檢查。

圖2　緩存節(jié)點(diǎn)處理流程圖

3 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及性能分析

基于上述技術(shù)方案，本文還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)SDICN原型系統(tǒng)，除了URI CSN和內(nèi)容請求節(jié)點(diǎn)采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)及軟件，其他構(gòu)成節(jié)點(diǎn)的原型實(shí)現(xiàn)如下：

（1）緩存節(jié)點(diǎn)：基于可支持高并發(fā)訪問的開源Web服務(wù)器框架Tornado，擴(kuò)展該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容請求轉(zhuǎn)發(fā)、緩存更新等模塊，以及緩存節(jié)點(diǎn)、SDICN控制器、CSN的接口、ACL、PRL和CST。

（2）SDICN控制器：基于開源SDN控制器平臺(tái)RYU，以組件形式擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)緩存節(jié)點(diǎn)選擇、供給節(jié)點(diǎn)選擇、緩存節(jié)點(diǎn)管理、源節(jié)點(diǎn)解析和內(nèi)容管理等主要功能；計(jì)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行結(jié)果并存入內(nèi)容源及緩存庫、緩存節(jié)點(diǎn)狀態(tài)庫、緩存節(jié)點(diǎn)路由表和內(nèi)容訪問統(tǒng)計(jì)庫4個(gè)基礎(chǔ)信息庫中；與緩存節(jié)點(diǎn)、ICN CSN的通信接口采用自行設(shè)計(jì)的協(xié)議，另外采用DNS協(xié)議實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)DNS系統(tǒng)的接口，以支持URI命名形式內(nèi)容分發(fā)。

（3）ICN CSN：同樣采用開源Web服務(wù)器框架Tornado，擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)內(nèi)容ICN命名、ICN內(nèi)容注冊和ICN內(nèi)容傳輸，與SDICN控制器的通信接口采用自行設(shè)計(jì)協(xié)議。

對于所實(shí)現(xiàn)的SDICN原型系統(tǒng)，本文進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)評估分析。考慮到系統(tǒng)部署開銷和配置的復(fù)雜性，采用SDN仿真軟件Mininet作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。Mininet的優(yōu)點(diǎn)在于可直接運(yùn)行基于Open-Flow的SDN系統(tǒng)及擴(kuò)展開發(fā)的代碼，通過Python腳本配置和控制系統(tǒng)運(yùn)行過程，并搜集運(yùn)行過程數(shù)據(jù)用于統(tǒng)計(jì)分析。仿真網(wǎng)絡(luò)為三層星形拓?fù)?，交換節(jié)點(diǎn)采用SDN軟交換機(jī)Open vSwitch，SDICN系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)均接入邊緣交換機(jī)，SDICN控制器、緩存節(jié)點(diǎn)和ICN源節(jié)點(diǎn)如前所述，URI源節(jié)點(diǎn)直接采用基于Tornado的Web服務(wù)器，內(nèi)容請求節(jié)點(diǎn)采用基于HTTP（超文本傳輸協(xié)議）的curl命令行工具。

圖3所示為內(nèi)容請求響應(yīng)時(shí)間與訪問次數(shù)的關(guān)系。響應(yīng)時(shí)間是指內(nèi)容請求節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求至收到內(nèi)容的時(shí)間間隔。圖3表明，內(nèi)容請求響應(yīng)時(shí)間平均值隨著訪問次數(shù)的增加而下降，訪問次數(shù)開始增加時(shí)，內(nèi)容緩存帶來的響應(yīng)時(shí)間降低效應(yīng)較為顯著，隨后開始趨緩至接近飽和。

圖3　內(nèi)容請求響應(yīng)時(shí)間與訪問次數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)束語

本文提出的SDICN系統(tǒng)框架中，內(nèi)容請求轉(zhuǎn)發(fā)、緩存及更新獨(dú)立于SDN交換節(jié)點(diǎn)，僅需邊緣緩存節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)參與；內(nèi)容請求路由簡化為緩存、供給節(jié)點(diǎn)選擇對應(yīng)的兩跳式路由，由SDICN控制器基于全局視圖集中計(jì)算；緩存節(jié)點(diǎn)選擇采用固定設(shè)置與動(dòng)態(tài)調(diào)整結(jié)合的方法，供給節(jié)點(diǎn)選擇采取主動(dòng)式和反應(yīng)式混合的方式，提高了擴(kuò)展性。系統(tǒng)避免了內(nèi)容名與數(shù)據(jù)流標(biāo)識(shí)符的映射，利用SDN的集中式控制克服了覆蓋系統(tǒng)次優(yōu)控制的局限，內(nèi)容緩存與數(shù)據(jù)包交換解耦合有利于交換和緩存設(shè)備分別擴(kuò)展升級，為SDN和ICN的擴(kuò)展及應(yīng)用提供了重要的技術(shù)參考。進(jìn)一步的研究包括大規(guī)模系統(tǒng)性能評估分析、擴(kuò)展支持現(xiàn)有ICN系統(tǒng)、SDN與非SDN混合式環(huán)境運(yùn)行支持和域間內(nèi)容分發(fā)。

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A Software-Defined Information-Centric Network Architecture

LI Keng1，CHEN Jing-wen2，JIANG Yu2，MA Lin2
（1.FiberHome Telecommunication Technologies Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China；2.School of Electronic Information and Communication，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China）

Existing proposals of Software-Defined Information-Centric Networking（SDICN）are difficult to support massive content delivery and to enable respective updates of switching and buffering components.This motivates us to propose an overlay-based SDICN system，in which content request forwarding and caching run only at the edge cache nodes.Decoupling caching from switching relaxes the above limitations of the existing proposals.Centralized control derived from software-defined networking overcomes the sub-optimality problem with overlay mechanisms.Experiments based on our prototype show that the system can be naturally superposed upon a software-defined network with significant reduction of response time when a few number of cache nodes are deployed.Our results are beneficial for the extension and application of software-defined networking and information-centric networking.

information-centric networking；soft-defined networking；edge caching；centralized control

TN915

A

1005-8788（2016）02-0004-03

10.13756/j.gtxyj.2016.02.002

2015-07-13

華中科技大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金資助項(xiàng)目（2014QN154）

李鏗（1968-），男，湖南邵陽人。高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娦啪W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及新技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)變革中的影響。