基于SDN集中控制的NDN網(wǎng)絡路由策略研究

黃濤 高文哲

摘要：SDN技術將網(wǎng)絡邏輯控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面相獨立，提供高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力和靈活的網(wǎng)絡管理能力。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡作為下一代網(wǎng)絡主要演進方向，能夠較好的解決現(xiàn)有網(wǎng)絡安全，性能瓶頸等問題。本文基于SDN設計思想，在命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中開展集中控制路由策略更新研究，研究SDN技術在命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中的應用。

關鍵詞：命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡;路由策略;軟件定義網(wǎng)絡

中圖分類號：TN915.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0148-02

0 引言

據(jù)思科發(fā)布的VNI公司白皮書報告預測，到2023年全球網(wǎng)絡內(nèi)IP流量將突破5ZB，為應對大規(guī)模內(nèi)容分發(fā)需求，一種以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡架構信息中心網(wǎng)絡（Information-Centric Networking， ICN）被提出。其中命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡（Named Data Networking，NDN）作為ICN技術的一種實現(xiàn)方案，使用興趣包-數(shù)據(jù)包模式傳輸數(shù)據(jù)，無視網(wǎng)絡位置，突破了IP網(wǎng)絡架構限制，具有更高的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸能力和資源復用能力，是目前ICN技術的主流研究方向之一。隨著軟件定義網(wǎng)絡（Software Define Network， SDN）技術在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中應用獲得成功，SDN將網(wǎng)絡邏輯控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦獨立的思想也逐漸被應用到新型網(wǎng)絡設計中，以此來提高網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力。因本文將基于SDN設計思想在NDN中開展集中控制的路由策略研究，通過將網(wǎng)絡拓撲更新與路由策略計算相分離，提高NDN數(shù)據(jù)處理能力。

1 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡架構

NDN是美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）資助的五個未來因特網(wǎng)體系結構項目之一，用于研究和驗證以內(nèi)容為中心的新型網(wǎng)絡架構技術[1]。NDN網(wǎng)絡通過命名的方式來表示網(wǎng)絡中的每個數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)接收方為了收到期望數(shù)據(jù)，首先向網(wǎng)絡發(fā)送一條興趣（Interest）報文，興趣報文攜帶期望接收數(shù)據(jù)包名稱（全網(wǎng)唯一），當該興趣報文被某個節(jié)點接收，則該節(jié)點將沿著興趣報文的反向路徑向數(shù)據(jù)接收方發(fā)回數(shù)據(jù)（Data）報文，完成數(shù)據(jù)傳輸，并且數(shù)據(jù)發(fā)送方還可將安全驗證內(nèi)置于數(shù)據(jù)包，為所有數(shù)據(jù)提供安全簽名，提高網(wǎng)絡安全性[2]。NDN在網(wǎng)絡結構上沿用了傳統(tǒng)TCP/IP的沙漏模型，但使用數(shù)據(jù)層替代原IP層，數(shù)據(jù)傳輸不再依賴主機地址，這徹底改變了現(xiàn)有TCP/IP網(wǎng)絡體系結構以IP為中心的數(shù)據(jù)傳輸體系結構，如圖1所示：

2 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)路由與轉(zhuǎn)發(fā)

NDN中興趣包用于請求數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包用于返回請求的數(shù)據(jù)，興趣包中一般包含有被請求內(nèi)容數(shù)據(jù)名稱和選擇器等信息，而數(shù)據(jù)包除了內(nèi)容數(shù)據(jù)名稱和數(shù)據(jù)本身外，還包含了安全，數(shù)據(jù)生產(chǎn)者信息等，如圖2所示[3-4]：

NDN節(jié)點根據(jù)內(nèi)容緩存表（CS），待定興趣表（PIT）和轉(zhuǎn)發(fā)表（FIB）內(nèi)容進行數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)，其中CS為本節(jié)點已緩存數(shù)據(jù)包信息;PIT為經(jīng)過本節(jié)點的興趣包信息列表，當數(shù)據(jù)請求成功后，將根據(jù)PIT內(nèi)容返回到數(shù)據(jù)請求節(jié)點;FIB為經(jīng)過本節(jié)點內(nèi)容名稱和轉(zhuǎn)發(fā)接口映射表，作用類似IP網(wǎng)絡的路由表。

當網(wǎng)絡節(jié)點收到興趣包后，首先查找CS是否緩存了相應數(shù)據(jù)包，如果已緩存則直接返回數(shù)據(jù);否則查詢PIT內(nèi)容，若本節(jié)點已發(fā)送過相同興趣包，則丟棄該興趣包，減少網(wǎng)絡數(shù)據(jù)冗余傳輸;否則繼續(xù)查詢FIB，若節(jié)點存在該興趣包的路由信息，則直接將該興趣包從相應端口發(fā)出，否則直接丟棄該興趣包，并向上游返回NACK;當網(wǎng)絡節(jié)點接收到數(shù)據(jù)包后，直接查詢FIB信息，若存在路由轉(zhuǎn)發(fā)信息，則直接將數(shù)據(jù)從對應端口發(fā)出，并根據(jù)節(jié)點內(nèi)存緩存策略將該數(shù)據(jù)包緩存，同時更新CS信息;否則直接丟棄該數(shù)據(jù)包，詳細數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖3所示：

3 集中控制更新路由策略設計

NDN中每個節(jié)點均集成了網(wǎng)絡控制邏輯和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，需要同時處理邏輯控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，是一個分布式網(wǎng)絡。NDN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)主要依靠CS，PIT和FIB表內(nèi)容，為實現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲集中管理和路由策略的集中更新下發(fā)，需要對節(jié)點FIB內(nèi)容和處理流程進行修改[5-6]。

首先網(wǎng)絡節(jié)點需集中向SDN控制器發(fā)送本節(jié)點拓撲（更新）信息，SDN控制器計算全局拓撲信息，并根據(jù)全局拓撲連接更新網(wǎng)絡路由轉(zhuǎn)發(fā)策略。當網(wǎng)絡節(jié)點接收興趣包后，根據(jù)CS、PIT內(nèi)容處理和轉(zhuǎn)發(fā)興趣包，若處理失敗，則節(jié)點通過查詢SDN控制器全局路由信息，獲取該興趣包路由轉(zhuǎn)發(fā)信息，并將轉(zhuǎn)發(fā)信息記錄到FIB表內(nèi)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖4所示：

在集中控制型NDN網(wǎng)絡中，由于SDN控制器知曉全局網(wǎng)絡拓撲，可以根據(jù)全網(wǎng)信息直接計算出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)最優(yōu)路徑，減少未知興趣包全網(wǎng)冗余傳播，提高網(wǎng)絡傳輸效率。當網(wǎng)絡拓撲變化后，SDN控制器可快速更新全局拓撲信息和路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，減少網(wǎng)絡震蕩，加快網(wǎng)絡收斂。另外，在集中控制型SDN網(wǎng)絡中，可以根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)控制策略靈活管理和調(diào)整數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，提高網(wǎng)絡可操作性和靈活性。

4 結語

本文基于SDN設計思想，嘗試在NDN中開展SDN技術研究，通過更改興趣包路由處理過程和節(jié)點FIB內(nèi)容，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的集中控制。在集中控制型NDN中，所有網(wǎng)絡節(jié)點動態(tài)更新本地拓撲至網(wǎng)絡SDN控制器，SDN控制器根據(jù)全局拓撲信息計算最優(yōu)路由，當節(jié)點接收到興趣包時，可直接向SDN控制器路由策略模塊查詢?nèi)致酚尚畔⑦M行路由轉(zhuǎn)發(fā)，并根據(jù)查詢結果同步更新本地FIB內(nèi)容，減少網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)冗余傳輸，提高網(wǎng)絡傳輸效率。

參考文獻

[1] 張斌益.SDN在通信網(wǎng)絡中的應用研究[J].網(wǎng)絡安全技術與應用，2019（12）：25-26.

[2] 王明芬.軟件定義網(wǎng)絡控制器安全策略部署[J].電信快報，2019（12）：39-41.

[3] 呂金陽.命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡中基于深度強化學習的動態(tài)自適應轉(zhuǎn)發(fā)策略研究[D].合肥：中國科學技術大學，2019.

[4] 程天放.面向命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)發(fā)策略研究[D].沈陽：遼寧大學，2019.

[5] 尹弼柏，劉江，張然，等.基于SDN拓撲集中更新的NDN路由策略[J].北京郵電大學學報，2018（04）：1-8.

[6] 郭晨，鄭烇，丁堯，王嵩.基于內(nèi)容熱度與節(jié)點介數(shù)的NDN網(wǎng)絡緩存策略[J].計算機系統(tǒng)應用，2017（12）：165-169.

Research on Routing Strategy of? NDN Nnetwork Based on SDN Technology

HUANG Tao1，GAO Wen-zhe2

（1.Sichuan Xinghuinuo Communication Engineering Co.， Ltd.， Chengdu? Sichuan? 610000;

2.Sichuan Changhong Power Supply Co.， Ltd.， Mianyang? Sichuan? 621000）

Abstract：SDN technology makes the network logic control plane independent of the data forwarding plane， providing efficient data forwarding capability and flexible network management capability. NDN， as the main research direction of next generation network， can better solve the existing network security， performance bottleneck and other problems. Based on SDN design idea， this paper studies the update of centralized control routing strategy in named data network， and studies the application of SDN technology in named data network.

Key words：NDN; Route Strategy; SDN