命名数据网络中内容传输与缓存机制研究

发布时间：2020-03-21 01:08

【摘要】：随着互联网的快速发展,多媒体业务占据了现有网络的大部分流量,而以IP地址为核心实现端到端通信的现有网络架构在传输以内容分发为主的业务时面临着冗余传输、安全性等一系列问题,因此,命名数据网络(Named Data Networking,NDN)被提出并成为研究的热点。NDN将原始内容分割为多个内容块并对其唯一命名,并以内容名为索引进行路由和内容匹配,实现内容和位置的分离。此外,NDN通过网内缓存机制可以实现后续的内容请求直接在路由器侧命中并返回,从而减少了网内的重复流量,降低了用/户的获取时延。然而,NDN架构其本身仍然存在着一系列的问题。首先,现有NDN架构的内容块过小造成客户端需要发送大量兴趣包才能获取到一个完整的内容。而且由于NDN是带状态路由,需要路由器为经过的兴趣包维护状态,因此发送大量兴趣包会造成路由器性能受到影响。增大内容块会解决上述问题但又会由于丢包概率增加而产生可靠性问题以及由于路由器的逐跳重组而产生的时延增大问题;其次,由于NDN中路由器缓存空间有限,而默认的缓存策略会造成缓存冗余,这不仅浪费宝贵的缓存资源,还造成缓存命中率低带来的时延增大等问题。因此,本文主要针对NDN架构以及其缓存策略中存在的问题,提出低时延的分片重组方案以及拥塞避免缓存策略。具体而言,本文的生要工作和贡献如下:(1)针对NDN网络内容块过小造成的问题,本文提出一种低时延的内容块分片与重组传输协议FFRD。FFRD的核心思想是通过在路由器侧实现内容的重组与转发分离的机制,从而避免由于路由器侧的重组而产生的时延累积。此外,FFRD提出逐跳的可靠传输机制,使得NDN网络在传输较大的内容块时可以有效保证可靠性,从而避免由于端到端的重传而导致时延增大等问题,最后,我们实现FFRD协议并通过仿真验证FFRD在传输大内容块时可以有效降低端到端的时延,并且提供了更好的可靠性。(2)针对NDN网络存在的缓存性能问题,本文提出一种拥塞避免的缓存分配与放置策略CAC。考虑到不同位置的节点放置同样份缓存,其能够覆盖的用户数不同,对缓存多样性的影响也不同,因此本文根据节点所处的网络位置设计缓存分配方案。此外,通过定义在该节点的潜在缓存价值函数,并设计沿途协同缓存机制,使得内容能够放置在拥塞节点的下游,从而减少后续经过拥塞节点的请求数目,进而减少拥塞丢包概率。最后,通过ndnSIM仿真验证了 CAC在缓存重复率、时延、缓存命中率以及端到端重传次数等方面都具有显著的优势。
【图文】：

架构图,架构,路由器

年邋Ｖａｎ邋Ｊａｃｏｂｓｏｎ邋提出的内容中心网络［８］（Ｃｏｎｔｅｎｔ邋Ｃｅｎｔｒｉｃ邋Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，邋ＣＣＮ）架构，逡逑并由美国加州大学洛杉矶分校的Ｌｉｘｉａ邋Ｚｈａｎｇ教授及其研宄团队进一步完善，并逡逑更名为命名数据网络，具体架构如图１．１所示。逡逑与现有基于ＩＰ地址路由查找内容服务器方式不同的是，ＮＤＮ网络定义两种逡逑数据包格式分别为兴趣包（Ｉｎｔｅｒｅｓｔ邋ｐａｃｋｅｔ）和数据包（Ｄａｔａ邋ｐａｃｋｅｔ），图１．１中步骤逡逑（１）－步骤（６）表示兴趣包经过路由器的转发后从服务器返回数据包的过程。兴趣逡逑包和数据包中均包含请求方请求内容的内容名，路由器通过内容名进行路由和逡逑查找，实现内容本身和内容地址的分离。同时，中间路由器具备网内缓存的能力，逡逑通过存储经过路由器的内容副本，使得后续到达该路由器的请求可以直接在该逡逑路由器满足，不必再转发到服务器，从而减少服务器端的负载能力，如图Ｕ中步逡逑２逡逑

网络协议栈,内容,网络架构

ｖ逦ｙ逡逑图１．１邋ＮＤＮ架构逡逑骤（７）和步骤（８）所示。此外，ＮＤＮ架构在移动性和安全性等方面的改进也使得逡逑ＮＤＮ能够有效的解决现有网络架构下难以解决的问题。因此，ＮＤＮ项目在诸多逡逑未来网项目中脱颖而出，成为目前研究的主流，也是本文的研宄对象。逡逑１．２命名数据网络中的关键性技术逡逑作为一种“革新式”的网络架构，与现有ＩＰ网络相比，ＮＤＮ最大的特点在逡逑于舍弃基于ＩＰ地址寻找内容的方式。如图丨．２所示，ＮＤＮ的细腰处采用内容名替逡逑代现有网络中的ＩＰ地址，，用户获取内容时只需要发送包含相应内容名的请求包，逡逑而不需要知道内容对应的地址，中间路由器通过内容名进行内容的查找，从而实逡逑现内容与其所在位置的解耦。逡逑从协议栈功能对比
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP393.0

【参考文献】