命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中Sub/Pub模式仿真實(shí)驗(yàn)研究

侯 睿，何柳婷 ，李 薇，張 嫣

(中南民族大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢 430074)

隨著互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量爆炸式的增長(zhǎng)，目前基于主機(jī)地址的資源尋址方式已經(jīng)在向基于數(shù)據(jù)信息本身的資源共享方式轉(zhuǎn)變.信息中心網(wǎng)絡(luò)ICN(Information-centric Networking)以數(shù)據(jù)信息內(nèi)容作為轉(zhuǎn)發(fā)和路由的依據(jù)，已成為未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵體系架構(gòu)并受到世界各國(guó)的高度關(guān)注[1].命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)NDN(Named Data Networking)作為ICN典型的解決方案之一，具有分組耦合路由等特點(diǎn)，目前已從內(nèi)容查找、緩存優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)安全等方面進(jìn)行了廣泛研究[2-4].目前NDN路由研究主要集中于借助智能算法給出優(yōu)化路徑方面.

為了更實(shí)際地掌握NDN路由技術(shù)，本文在Linux環(huán)境下，利用Mini-ndn平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了NDN中基于分級(jí)命名的多場(chǎng)景數(shù)據(jù)路由仿真實(shí)驗(yàn)，為NDN試驗(yàn)床的架設(shè)提供了參考.

1 NDN數(shù)據(jù)命名和轉(zhuǎn)發(fā)

NDN采用類似URL的層次化結(jié)構(gòu)來(lái)命名特定數(shù)據(jù)內(nèi)容，采用符號(hào)“/”對(duì)名字進(jìn)行層次劃分[5,6]，如google/icn/ndn.層次化結(jié)構(gòu)既可以降低規(guī)范命名的工作量，也便于根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行路由聚合以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，還能夠滿足移動(dòng)性要求[7,8].

在NDN中，內(nèi)容請(qǐng)求者(Subscriber)首先向NDN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送interest包請(qǐng)求所需數(shù)據(jù)內(nèi)容，interest包中含有所需數(shù)據(jù)內(nèi)容的名字.NDN路由器收到interest包后，通過(guò)查詢內(nèi)容存儲(chǔ)CS(Content Storage)，查找轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫(kù)FIB(Forwarding Interest Base)，記錄轉(zhuǎn)發(fā)待定表PIT(Pending Interest Table)等操作，將此interest包發(fā)送至內(nèi)容發(fā)布者(Publisher).Publisher生成響應(yīng)的data包，并將數(shù)據(jù)內(nèi)容存于其中，沿原路將此data包回送至Subscriber，完成數(shù)據(jù)信息交互路由過(guò)程.具體請(qǐng)求響應(yīng)過(guò)程如圖1所示.

圖1 Interest包請(qǐng)求和data包響應(yīng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of interest packets′ request and data packets′ response

2 NDN仿真實(shí)驗(yàn)

為了對(duì)NDN基于層次化結(jié)構(gòu)名稱的路由過(guò)程進(jìn)行更切合實(shí)際的研究，本文利用Mini-ndn仿真平臺(tái)對(duì)NDN路由進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)[9]，結(jié)合仿真結(jié)果給出interest包在NDN中進(jìn)行路由和轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)理，以及最優(yōu)路徑的選取.

2.1 一對(duì)一通信仿真實(shí)驗(yàn)

建立圖2所示NDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌O(shè)定S1和P1分別為Subscriber和Publisher，R1-R3為NDN路由器并分別配置了相應(yīng)的名稱前綴ndn/，ndn/p1-site和ndn/p1-site/p1.

圖2 一對(duì)一通信NDN實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱DFig.2 NDN network topology for point-to-point communication experiment

建立各NDN路由器中的FIB表，由于影響網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的因素主要有帶寬、時(shí)延和丟包，所以不失一般性，設(shè)置如表1所示的一對(duì)一通信NDN具體初始化配置.

表1 一對(duì)一通信NDN初始拓?fù)渑渲们闆rTab.1 Point-to-point communication initial topology configuration of NDN

在P1中開啟名為ndnpingserver的進(jìn)程，同時(shí)在其FIB表設(shè)置一個(gè)名為/ndn/p1-site/p1的網(wǎng)絡(luò)前綴表項(xiàng).之后，主機(jī)S1發(fā)送前綴為/ndn/p1-site/p1的interest請(qǐng)求包，因?yàn)樵赑1上開啟了相應(yīng)的ndnping服務(wù)器，所以能對(duì)S1進(jìn)行響應(yīng).在本次實(shí)驗(yàn)中，設(shè)定主機(jī)S1分別發(fā)送1個(gè)和5個(gè)interest包，P1對(duì)所有的interest包皆進(jìn)行了data響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示能夠ping通，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示.

圖3 一對(duì)一通信實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)P1對(duì)S1的interest包響應(yīng)情況Fig.3 Node P1 responds to the interest packet of S1 in point-to-point communication experiment

實(shí)驗(yàn)中，修改interest包從Subscriber到Publisher的時(shí)延為100 ms，丟包率為20%，帶寬不變.設(shè)定主機(jī)S1分別發(fā)送1個(gè)和5個(gè)interest包，節(jié)點(diǎn)P1對(duì)S1的interest包進(jìn)行響應(yīng)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，不難看出隨著丟包率、時(shí)延的增加，網(wǎng)絡(luò)傳輸性能明顯下降.

圖4 修改配置后P1對(duì)S1發(fā)送的interest包進(jìn)行響應(yīng)Fig.4 Response of P1 to the interest packet of S1 after changing the configuration

由于修改此實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)本文中的4個(gè)實(shí)驗(yàn)具有類似的結(jié)果，所以本文只針對(duì)一對(duì)一通信仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改和說(shuō)明，其余實(shí)驗(yàn)在此不作詳細(xì)說(shuō)明.

實(shí)驗(yàn)中設(shè)定P1的FIB表中前綴為/ndn/p1-site/p1，此時(shí)讓S1發(fā)送5個(gè)前綴為/ndn/p1-site/s的interest包,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不能ping通，見圖5.

2.2 一對(duì)多通信仿真實(shí)驗(yàn)

建立圖6所示NDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑸槊總€(gè)NDN路由器配置不同網(wǎng)絡(luò)前綴.圖6中，S1為Subscriber，P1、P2和P3為Publisher，R1-R5為NDN路由器.

圖6 一對(duì)多通信NDN實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱DFig.6 NDN network topology for point-to-multipoint communication experiment

初始化各NDN路由器中的FIB表，設(shè)置一對(duì)多通信NDN具體初始化配置如表2所示.

表2 一對(duì)多通信NDN初始拓?fù)渑渲们闆r

Tab.2 Point-to-multipoint communication initial topology configuration of NDN

連接時(shí)延/ms帶寬/(Mb/s)(S1,P1)(S1,P2)(S1,P3)10100

分別在P1、P2、P3中開啟ndnpingserver進(jìn)程，并在P1、P2和P3的FIB中分別設(shè)置名為/ndn/p1-site/p1、/ndn/p2-site/p2和/ndn/p3-site/p3的網(wǎng)絡(luò)前綴表項(xiàng).之后，在P1、P2和P3上分別開啟ndnping服務(wù)器，使Publisher能對(duì)Subscriber所發(fā)出的interest包進(jìn)行data響應(yīng).本實(shí)驗(yàn)中，讓Subscriber同時(shí)發(fā)送30個(gè)interest包，分別含有名字前綴/ndn/p1-site/p1、/ndn/p2-site/p2和/ndn/p3-site/p3，P1、P2、P3對(duì)收到的interest包分別進(jìn)行data響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示能夠ping通，分別如圖7、圖8和圖9所示.

圖7 一對(duì)多通信實(shí)驗(yàn)中P1對(duì)S1的interest包進(jìn)行響應(yīng)Fig.7 P1 responds to the interest packet of S1 in point-to- multipoint communication experiment

圖8 一對(duì)多通信實(shí)驗(yàn)中P2對(duì)S1的interest包進(jìn)行響應(yīng)Fig.8 P2 responds to the interest packet of S1 in point-to- multipoint communication experiment

圖9 一對(duì)多通信實(shí)驗(yàn)中P3對(duì)S1的interest包進(jìn)行響應(yīng)Fig.9 P3 responds to the interest packet of S1 in point-to- multipoint communication experiment

2.3 多對(duì)一通信仿真實(shí)驗(yàn)

建立圖10所示NDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑸槊總€(gè)NDN路由器配置不同網(wǎng)絡(luò)前綴.圖10中，S1、S2和S3為Subscriber，P1為Publisher，R1-R3為NDN路由器.

其次，初始化各NDN路由器中的FIB表，設(shè)置多對(duì)一通信NDN具體初始化配置如表3所示.

圖10 多對(duì)一通信NDN實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D Fig.10 NDN network topology for multipoint-to-point communication experiment

連接時(shí)延/ms帶寬/(Mb/s)(S1,P1)(S2,P1)(S3,P1)10100

在P1中開啟ndnpingserver進(jìn)程，實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)P1的FIB中設(shè)置名為/ndn/p1-site/p1的網(wǎng)絡(luò)前綴表項(xiàng).在節(jié)點(diǎn)S1、S2、S3上分別發(fā)送前綴為/ndn/p1-site/p1的interest包.之后，在P1中開啟ndnping服務(wù)器，使Publisher能對(duì)Subscriber所發(fā)出的interest包進(jìn)行data響應(yīng).本實(shí)驗(yàn)中，3個(gè)Subscriber分別對(duì)P1發(fā)送了1個(gè)含有名字前綴/ndn/p1-site/p1 的interest包，P1對(duì)收到的interest包分別進(jìn)行了data響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示能夠ping通，如圖11所示.

圖11 多對(duì)一通信實(shí)驗(yàn)中節(jié)點(diǎn)P1對(duì)S1,S2,S3的interest包進(jìn)行響應(yīng)Fig.11 Node P1 responds to the interest packet of S1,S2,S3 in multipoint-to-point communication experiment

2.4 多對(duì)多通信仿真實(shí)驗(yàn)

建立圖12所示NDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中S1和S2為Subscriber，P1,P2,P3為Publisher，R1-R3為NDN路由器.

初始化R1-R3中的FIB表，設(shè)置多對(duì)多NDN具體初始化配置如表4所示.

圖12 多對(duì)多通信NDN實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D Fig.12 NDN network topology for multipoint-to-multipoint communication experiment

連接時(shí)延/ms帶寬/(Mb/s)(S1,P1)(S1,P2)(S1,P3)10100(S2,P1)(S2,P2)(S2,P3)10100

分別在P1、P2、P3中開啟ndnpingserver進(jìn)程并在其FIB中設(shè)置名為/ndn/p1-site/p1的網(wǎng)絡(luò)前綴，同時(shí)分別開啟ndnping服務(wù)器，使Publisher能對(duì)Subscriber所發(fā)出的interest包進(jìn)行data響應(yīng).實(shí)驗(yàn)中，S1對(duì)3個(gè)Publisher分別發(fā)送10個(gè)含有名字前綴/ndn/p1-site/p1的interest包，3個(gè)Publisher對(duì)收到的interest包分別進(jìn)行了data響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示能夠ping通，并且S1對(duì)P1、P2、P3發(fā)送數(shù)據(jù)的接收時(shí)間分別為233.326，232.924，233.142 ms，如圖13、圖14、圖15所示.

圖13 多對(duì)多通信實(shí)驗(yàn)中P1對(duì)請(qǐng)求方S1的interest包進(jìn)行響應(yīng)Fig.13 P1 responds to the interest packet of S1 in multipoint-to- multipoint communication experiment

同樣，節(jié)點(diǎn)S2分別對(duì)P1,P2,P3發(fā)送前綴為/ndn/p1-site/p1的interest請(qǐng)求.之后，在P1，P2，P3上分別開啟ndnping服務(wù)器，使Publisher能對(duì)Subscriber所發(fā)出的interest包進(jìn)行data響應(yīng).本實(shí)驗(yàn)中，讓S2對(duì)3個(gè)Publisher分別發(fā)送10個(gè)含有名字前綴/ndn/p1-site/p1的interest包，3個(gè)Publisher對(duì)收到的interest包分別進(jìn)行了data響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示能夠ping通，并且S2對(duì)P1，P2，P3發(fā)送數(shù)據(jù)的接收時(shí)間分別為234.999，230.124，229.016 ms.

圖14 多對(duì)多通信實(shí)驗(yàn)中P2對(duì)請(qǐng)求方S1的interest包進(jìn)行響應(yīng)Fig.14 P2 responds to the interest packet of S1 in multipoint-to-multipoint communication experiment

圖15 多對(duì)多通信實(shí)驗(yàn)中P3對(duì)請(qǐng)求方S1的interest包進(jìn)行響應(yīng)Fig.15 P3 responds to the interest packet of S1 in multipoint-to-multipoint communication experiment

3 結(jié)論

NDN作為ICN中最具代表性的解決方案之一，被認(rèn)為在下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究中最具可行性.本文通過(guò)對(duì)NDN網(wǎng)絡(luò)多種情形下的路由方式進(jìn)行了系統(tǒng)性仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)NDN中的Subscriber/Publisher交互過(guò)程、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)命名規(guī)則、interest包在NDN路由器中的CS查找、PIT處理和FIB轉(zhuǎn)發(fā)等過(guò)程，以及data包響應(yīng)過(guò)程有了更直觀的認(rèn)識(shí).結(jié)果表明：在路徑相同的情況下，相同Subscriber對(duì)不同Publisher的數(shù)據(jù)接收時(shí)延也不盡相同，今后可在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，獲取時(shí)延統(tǒng)計(jì)特性以選取最佳路徑.