基于SDN集中控制的NDN网络路由策略研究

黄涛 高文哲

摘要：SDN技术将网络逻辑控制平面与数据转发平面相独立，提供高效的数据转发能力和灵活的网络管理能力。命名数据网络作为下一代网络主要演进方向，能够较好的解决现有网络安全，性能瓶颈等问题。本文基于SDN设计思想，在命名数据网络中开展集中控制路由策略更新研究，研究SDN技术在命名数据网络中的应用。

关键词：命名数据网络;路由策略;软件定义网络

中图分类号：TN915.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）02-0148-02

0 引言

据思科发布的VNI公司白皮书报告预测，到2023年全球网络内IP流量将突破5ZB，为应对大规模内容分发需求，一种以内容为中心的网络架构信息中心网络（Information-Centric Networking， ICN）被提出。其中命名数据网络（Named Data Networking，NDN）作为ICN技术的一种实现方案，使用兴趣包-数据包模式传输数据，无视网络位置，突破了IP网络架构限制，具有更高的网络数据传输能力和资源复用能力，是目前ICN技术的主流研究方向之一。随着软件定义网络（Software Define Network， SDN）技术在传统网络中应用获得成功，SDN将网络逻辑控制平面与数据转发平面解耦独立的思想也逐渐被应用到新型网络设计中，以此来提高网络的数据转发能力。因本文将基于SDN设计思想在NDN中开展集中控制的路由策略研究，通过将网络拓扑更新与路由策略计算相分离，提高NDN数据处理能力。

1 命名数据网络架构

NDN是美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）资助的五个未来因特网体系结构项目之一，用于研究和验证以内容为中心的新型网络架构技术[1]。NDN网络通过命名的方式来表示网络中的每个数据包，数据接收方为了收到期望数据，首先向网络发送一条兴趣（Interest）报文，兴趣报文携带期望接收数据包名称（全网唯一），当该兴趣报文被某个节点接收，则该节点将沿着兴趣报文的反向路径向数据接收方发回数据（Data）报文，完成数据传输，并且数据发送方还可将安全验证内置于数据包，为所有数据提供安全签名，提高网络安全性[2]。NDN在网络结构上沿用了传统TCP/IP的沙漏模型，但使用数据层替代原IP层，数据传输不再依赖主机地址，这彻底改变了现有TCP/IP网络体系结构以IP为中心的数据传输体系结构，如图1所示：

2 命名数据网络数据路由与转发

NDN中兴趣包用于请求数据，数据包用于返回请求的数据，兴趣包中一般包含有被请求内容数据名称和选择器等信息，而数据包除了内容数据名称和数据本身外，还包含了安全，数据生产者信息等，如图2所示[3-4]：

NDN节点根据内容缓存表（CS），待定兴趣表（PIT）和转发表（FIB）内容进行数据路由和转发，其中CS为本节点已缓存数据包信息;PIT为经过本节点的兴趣包信息列表，当数据请求成功后，将根据PIT内容返回到数据请求节点;FIB为经过本节点内容名称和转发接口映射表，作用类似IP网络的路由表。

当网络节点收到兴趣包后，首先查找CS是否缓存了相应数据包，如果已缓存则直接返回数据;否则查询PIT內容，若本节点已发送过相同兴趣包，则丢弃该兴趣包，减少网络数据冗余传输;否则继续查询FIB，若节点存在该兴趣包的路由信息，则直接将该兴趣包从相应端口发出，否则直接丢弃该兴趣包，并向上游返回NACK;当网络节点接收到数据包后，直接查询FIB信息，若存在路由转发信息，则直接将数据从对应端口发出，并根据节点内存缓存策略将该数据包缓存，同时更新CS信息;否则直接丢弃该数据包，详细数据转发流程如图3所示：

3 集中控制更新路由策略设计

NDN中每个节点均集成了网络控制逻辑和数据转发逻辑，需要同时处理逻辑控制和数据转发，是一个分布式网络。NDN数据转发主要依靠CS，PIT和FIB表内容，为实现网络拓扑集中管理和路由策略的集中更新下发，需要对节点FIB内容和处理流程进行修改[5-6]。

首先网络节点需集中向SDN控制器发送本节点拓扑（更新）信息，SDN控制器计算全局拓扑信息，并根据全局拓扑连接更新网络路由转发策略。当网络节点接收兴趣包后，根据CS、PIT内容处理和转发兴趣包，若处理失败，则节点通过查询SDN控制器全局路由信息，获取该兴趣包路由转发信息，并将转发信息记录到FIB表内，数据转发流程如图4所示：

在集中控制型NDN网络中，由于SDN控制器知晓全局网络拓扑，可以根据全网信息直接计算出数据转发最优路径，减少未知兴趣包全网冗余传播，提高网络传输效率。当网络拓扑变化后，SDN控制器可快速更新全局拓扑信息和路由转发策略，减少网络震荡，加快网络收敛。另外，在集中控制型SDN网络中，可以根据转发控制策略灵活管理和调整数据转发，提高网络可操作性和灵活性。

4 结语

本文基于SDN设计思想，尝试在NDN中开展SDN技术研究，通过更改兴趣包路由处理过程和节点FIB内容，实现网络数据转发的集中控制。在集中控制型NDN中，所有网络节点动态更新本地拓扑至网络SDN控制器，SDN控制器根据全局拓扑信息计算最优路由，当节点接收到兴趣包时，可直接向SDN控制器路由策略模块查询全局路由信息进行路由转发，并根据查询结果同步更新本地FIB内容，减少网络中数据冗余传输，提高网络传输效率。

参考文献

[1] 张斌益.SDN在通信网络中的应用研究[J].网络安全技术与应用，2019（12）：25-26.

[2] 王明芬.软件定义网络控制器安全策略部署[J].电信快报，2019（12）：39-41.

[3] 吕金阳.命名数据网络中基于深度强化学习的动态自适应转发策略研究[D].合肥：中国科学技术大学，2019.

[4] 程天放.面向命名數据网络的转发策略研究[D].沈阳：辽宁大学，2019.

[5] 尹弼柏，刘江，张然，等.基于SDN拓扑集中更新的NDN路由策略[J].北京邮电大学学报，2018（04）：1-8.

[6] 郭晨，郑烇，丁尧，王嵩.基于内容热度与节点介数的NDN网络缓存策略[J].计算机系统应用，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