NDN中快速转发响应机制的研究

刘 栋, 胡 颖,2, 庄 雷

(1.郑州大学 信息工程学院 河南 郑州 450001；2.商丘师范学院 计算机与信息技术学院 河南 商丘 476000)



NDN中快速转发响应机制的研究

刘 栋1, 胡 颖1,2, 庄 雷1

(1.郑州大学 信息工程学院 河南 郑州 450001；2.商丘师范学院 计算机与信息技术学院 河南 商丘 476000)

命名数据网络(named data network,NDN)是一种以数据为中心的新型网络体系结构.NDN遵循一对一的包转发策略，请求者发送一个兴趣包最多只能接受一个数据包.这种一对一的包转发策略在处理多媒体直播流或在线音频等实时应用时，请求者需不断发送兴趣包才能获得完整的数据包，大量的兴趣包不仅会浪费网络流量、占用大量的待处理兴趣包表的存储空间，而且基于转发信息表的查找次数也会增多.因此，提出一种一对多的包转发策略，请求者发送一个兴趣包就能接收多个数据包，来提高实时应用下整体网络的性能，并通过仿真实验证明一对多包转发响应机制确实比一对一转发策略性能更优.

命名数据网络; 传输; 转发

0 引言

现有的传统LP网络体系架构在安全性、可靠性、灵活性、移动性以及拥塞控制和路由效率等方面暴露了许多的不适应性.目前国际上已经形成两种下一代互联网发展方向：第一种是“演进”方向，是不断“改良”和完善现有的IPV4协议，最终平滑过渡到IPV6网络[1]；第二种是“clean state”方向，以美国FIND/GENI项目为代表，重新设计一个全新的互联网体系架构，满足未来互联网的发展需要.NDN就是一种以内容为中心的新型网络体系结构[2]，不考虑内容存储所在的物理位置(where)，直接建立命名数据(what)网络体系.目前，NDN的基本结构设计已有雏形，转发响应机制也在不断完善,近几年来也取得了不少的研究成果[3-5].现有的NDN转发响应机制在处理多媒体直播流或在线音频等实时应用时，会因需不断地发送大量的兴趣包而影响整体的网络性能.

本文提出一对多的快速转发响应机制，即请求者发送一个兴趣包就能接收多个数据包，这样请求者只需要发送少量的兴趣包就能获得需要的数据，因此就缓解了上述对网络性能的影响.

1 NDN及其转发策略

1.1 NDN简介

图1 NDN包类型

NDN中通信是由数据请求端驱动的[6-7]，通过命名数据以pull方式获取数据包.NDN中有两种类型的数据包：Interest packet和Data packet，即兴趣包和数据包两种类型.如图1所示， NDN的转发过程主要由3类数据结构完成，分别为Content Store(CS)， Pending Interest Table(PIT)，Forwarding Information Base(FIB).NDN的节点内部结构如图2所示.CS相当于路由器中的缓冲存储器，缓存数据以备以后使用，采用的缓存策略可采用LRU或LFU.PIT的作用是让应答的数据包按原路径(反向)发送给请求者.PIT存储已转发的兴趣包的各项信息.FIB类似于IP网络中的FIB，不同的是NDN中FIB包括名字的前缀而不是IP地址前缀，一个给定的名字前缀可以有多个接口供选择而不仅限于一个.

图2 NDN节点结构

1.2 NDN中包的一对一转发响应过程

当路由器接收到一个兴趣包，首先检查在Content Store中是否有匹配的数据.如果有匹配的数据，这些匹配的数据将被按着兴趣包的进入接口转发出去；如果没有匹配的数据，检索 PIT，如果兴趣包名字已经在PIT中存在，意味着有一个相同名字的兴趣包来自其他的请求者被接收并且已经被转发出去，这样对这个新到来的兴趣包，路由器将增加一个incoming interface到已经存在的PIT条目中；如果在PIT 条目中没有相同的兴趣包的前缀，则检查FIB，若有记录这个兴趣包的条目，则根据转发接口将兴趣包转发出去，并将该兴趣包和转发出去的接口一起作为一个新条目加入PIT中；若没有则丢弃该兴趣包.

当一个数据包到来的时候，先用它的名字查找PIT，如果有匹配的PIT条目，路由器按照条目中记录的兴趣包的请求接口，即进入接口，把数据包转发出去，并把它缓存在Content Store，移除PIT中相应的条目.如果PIT中没有匹配的条目，这个数据包就被抛弃.每一个兴趣包也有一个相应的生存时间；当生存时间逾期的时候PIT会移除相应的条目.

NDN中对包的处理流程如图3所示.

图3 NDN中包处理流程

2 NDN一对多转发响应机制

2.1 一对多转发响应机制中兴趣包结构

为了能支持一对多的转发响应机制，现提出一种新类型的兴趣包:扩展兴趣包.扩展兴趣包的结构如图4所示.扩展兴趣包在NDN中原设计的兴趣包结构上新增一个0/1链表，用来记录请求的多个数据包是否接收完全.全1表示请求的数据集合已全部接收，数据包保持原有结构.网络中节点能从收到的数据包中隐含的信息推断出想要内容的数据包的信息，即能根据收到的第一个数据包推断出0/1链表的信息.

2.2 一对多转发响应机制中PIT结构

在NDN中原设计的PIT结构上同样新增了0/1链表，用来记录请求的数据包是否接收完全.全1表示请求的数据集合已全部接收，从PIT表删除该条目，当lifetime到期也要删除该条目.如图5所示.

图4 扩展兴趣包结构

图5 扩展的PIT结构

Fig.5 Structure of extension PIT

2.3 一对多转发响应机制步骤

在NDN中处理多媒体直播流或在线音频等实时应用时，通信者不需要频繁地变换通信通道，而且兴趣包和数据包是较小延迟的实时数据，因此，本文采用一对多的转发响应机制.请求者发送扩展兴趣包，NDN中一对多转发对扩展兴趣包的处理流程如图6.

当路由器接收到一个扩展兴趣包，首先检查CS中是否有匹配的数据.如果有匹配的数据，它们将被按兴趣包的请求接口转发出去，并修改兴趣包中0/1链表字段信息是否是全1.全1则表示此兴趣包请求的数据集合已经接收完全，丢弃此兴趣包；不是全1，或CS中没有匹配的数据，检查PIT，若有相同名字的条目中存在，表示有来自其他的请求者的相同兴趣包被接收并已被转发出去，这样，对这个新来的兴趣包，路由器将把它的请求接口、以及0/1链表字段信息等记录到已经存在的PIT条目中.如果在PIT 条目中没有相同的兴趣包前缀，则检查FIB，如果有，则根据转发接口将兴趣包转发出去，并将该兴趣包和转发接口作为一个新条目加入PIT中；若没有，则丢弃该兴趣包.

图6 扩展兴趣包的处理流程

图7 数据包的处理流程

NDN中一对多转发对数据包的处理流程如图7.当一个数据包到来的时候，先用它的名字前缀查找CS，若有相同前缀匹配的话，就丢弃此数据包.否则检查PIT，若有相匹配的PIT条目，首先判断PIT中相匹配的条目的0/1字段相应位置是否为1，为1的话表示此数据包已经被接收；否则路由器按照条目中记录的兴趣包的请求接口把数据包转发出去，并把它缓存在CS中，并且根据数据包修改0/1字段信息；如果PIT中没有匹配的条目，这个数据包就被丢弃.每一个兴趣包也有一个相应的生存时间，当生存时间逾期的时候PIT会移除相应的条目.

3 仿真实验

本文用ndnSIM[8]评估一对多转发机制的性能.实验用Sprint 的PoP拓扑[9]，52个节点，84条链路.选择一个处在拓扑中心位置处的节点作为producer，在拓扑边缘的8个节点作为请求者，其他节点也可以作为请求者请求数据.实验暂设定一个扩展兴趣包能够请求30个数据包，请求者请求一个以25帧/s生成的视频文件，视频比特率是1 000 Kbps，每帧大小是4.2 KB.

图8表示查找的开销，正常兴趣包基于FIB的转发数量明显多于一对多转发机制的情况，在该实验设定条件下，正常兴趣包约是扩展兴趣包情况下的60倍.同时，两种不同机制下对数据包的接收情况相同，如图9，正常兴趣包和扩展兴趣包对数据包的接收结果，两条线几乎重叠.由此可知，一对多包转发机制在减少基于FIB的转发数量的优势下并没有影响到对数据包的接收.

图10是两种包转发机制下PIT的大小,正常兴趣包情况下PIT大小明显大于扩展兴趣包.一对多包转发机制对PIT的要求也是大大降低.当通信量较少的时候，扩展兴趣包的延迟比正常兴趣包的延迟要大，如图11.在通信量比较大的时候(40,80)，发送扩展兴趣包的传输往返延迟小于正常兴趣包，这是由于一对一转发机制情况下发送大量正常兴趣包占用网络资源，使往返延迟增加.

图8 基于FIB表的转发次数

图9 数据包接收

图10 PIT大小

图11 平均往返延迟

4 总 结

文章提出一种新的包转发机制来应用于多媒体直播流或在线音频等实时应用,并和NDN原有的一对一包转发机制进行了比较.仿真实验结果表明，一对多包转发机制在对PIT大小的压缩上、基于FIB的转发数量以及包的传输延迟上较一对一包转发机制都有很大优势，而且一对多包转发机制可以提高很多场景下网络的整体性能.

[1] 薛少华,陈向乡.从IPv4到IPv6[J].郑州大学学报：自然科学版,1999, 31(4):46-50.

[2] Zhang L, Estrin D, Burke J, et al. Named data networking (NDN) project NDN-0001[J]. AcmSigcomm Computer Communication Review, 2010, 44(3):66-73.

[3] Zhu Z, Wang S, Yang X, et al. ACT: audio conference tool over named data networking[J]. Icn, 2011, 44(3):66-73.

[4] Zhu Z, Afanasyev A. Let’s ChronoSync: decentralized dataset state synchronization in named data networking[C]// IEEE International Conference on Network Protocols. Göttingen, Germany. 2013:1-10.

[5] Jacobson V, Smetters D K, Briggs N H, et al. VoCCN: voice-over content-centric networks[C]//Proceeding of the 2009 workshop on Re-architecting the Internet. New York. 2009:1-6.

[6] Yi C, Afanasyev A, Wang L, et al. Adaptive forwarding in named data networking[J]. Dissertations & Theses-Gradworks, 2014, 42(3):62-67.

[7] Yi C, Afanasyev A, Moiseenko I. A case for stateful forwarding plane[J]. Computer Communications, 2013, 36(7):779-791.

[8] Afanasyev A, Moiseenko I, Zhang L.ndnSIM: NDN simulator for NS-3[EB/OL].[2013-10-18].http://www.named-data.net/techreport/TR005-ndnsim.pdf.

[9] Spring N, Mahajan R, Wetherall D. Measuring ISP Topologies with Rocketfuel[C]//Proceeding of the 2002 SIGCOMM Conference. New York. 2002:133-145.

(责任编辑：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

国家自然科学基金资助项目，编号61379079；河南省科技厅攻关项目，编号122102210042.

刘栋(1988-)，女，河南开封人，硕士研究生，主要从事计算机网络研究，E-mail：ld9055@163.com；通讯作者：庄雷(1963-)，女，山东日照人，教授，博士，主要从事计算机网络研究，E-mail：ielzhuang@zzu.edu.cn.

刘栋，胡颖，庄雷. NDN中快速转发响应机制的研究[J].郑州大学学报：理学版，2015，47(2)：68-72.

TP30

A

1671-6841(2015)02-0068-05

10.3969/j.issn.1671-6841.2015.02.014