NDN中基于汇聚点的缓存与转发研究

摘要

随着互联网的快速发展，多媒体分享和社交网络等基于内容的应用越来越多，互联网已经转变为一个使用各种工具和移动终端进行信息分享的分布式系统。人们关注的不再是内容在哪里(“where”)，而是内容本身(“what”)。现有的TCP/IP网络设计之初是为了解决“where”这一问题的，在解决“what”这个问题时暴露出一系列问题。为了解决这些问题，研究界提出了“革命式”的解决方案——信息中心网络。NDN是信息中心网络中一种广受关注的网络架构，其基于内容名的路由、接收者驱动的传输模式、内在的组播支持、泛在缓存、自适应转发、逐跳传输等诸多特点对支持大规模内容传输和终端的移动具有天然优势。但是，与长度固定的IP地址不同，NDN中内容名字空间比IP地址空间要大得多，并且，NDN中的内容名采用类似URL的层次化命名方式，包含多个长度不固定的名字部件。这些特性给NDN核心转发引擎中三个表的存储和查找带来了巨大挑战，难以保证报文的线速转发。因此，如何优化NDN核心转发引擎的存储与查找性能，显得尤为重要。
　　本论文的主要工作包括以下四个方面:
　　(1)由于NDN每个路由器都可能需要处理整个内容空间的内容，NDN核心转发引擎的FIB表的每个表项都可能被使用到;如果请求不能很快得到响应，PIT表也会变得非常庞大;CS缓存空间有限，命中率低下可能会发生频繁的缓存替换。针对上述情况，本文提出一种基于汇聚点的缓存与转发机制，将对相同以及相似的内容的请求汇聚到同一个汇聚路由器。这样，每个路由器需要处理的是内容空间的一个子集，从而可以:1）提高CS的命中率，降低CS的替换次数;2)减少PIT表项的数量;3）减少路由器上需要使用的FIB的表项数，使得路由缓存成为可能。
　　(2)本论文在不违背NDN正常转发逻辑的基础上，提出了NDN中的隧道机制，以支持本论文提出的基于汇聚点的缓存与转发机制的实现。所提出的NDN的隧道机制还有助于需要依赖于第三方的服务的实现，提高了NDN的可扩展性，为新功能的加入提供了可能。
　　(3)基于互联网内容请求的时间局部性和空间局部性，在NDN的FIB设计中引入路由缓存，将最近使用过的FIB表项载入路由缓存，以便服务于下一个到达的请求。本论文通过对IP路由缓存的研究，发现由FIB最长前缀匹配引起的路由缓存隐藏问题的关键原因是被缓存的FIB表项与未被缓存的FIB表项之间的依赖性，并据此提出了Atomic路由缓存和On-the-fly路由缓存两种路由缓存隐藏问题的解决方案。
　　(4)本论文通过对ICN中具有代表性的NDN网络架构进行扩展，在符合NDN正常转发逻辑的前提下，对ccnSim框架进行修改，实现了基于汇聚点的缓存与转发机制和两种路由缓存机制。最后使用从中国移动三个基站的HTTP trace文件提取出的请求序列和从UC Berkeley收集的HTTP trace中提取出的请求序列模拟用户请求，进行了仿真实验，验证了以上机制的可行性和有效性，并进行了性能比较与分析。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．1．1互联网发展现状与其局限性

1．1．2信息中心网络的提出

1．1．3 NDN转发引擎瓶颈问题

1．1．4路由缓存研究

1．2 研究内容与主要贡献

1．3 论文组织结构

第2章NDN体系架构概述

2．1 NDN网络体系架构

2．2 NDN报文类型

2．3 NDN命名机制

2．4 NON核心转发引擎

2．5 NDN路由机制

2．6 NDN转发机制

2．7 小结

第3章基于汇聚点的缓存与转发机制

3．1 现有的NDH转发引擎优化方案

3．1．1 FIB、PIT和CS的优化的数据结构

3．1．2 缓存协同策略

3．2 基本框架及描述

3．3 哈希函数

3．4 转发机制原理——隧道

3．5 基本隧道机制中存在的问题

3．6 请求和响应的转发过程

3．6．1 兴趣包转发过程

3．6．2 数据包转发过程

3．7 其他场景讨论

3．7．1 多哈希域下基于汇聚点的缓存与转发机制

3．7．2混合哈希域下基于汇聚点的缓存与转发机制

3．8 仿真实验及性能分析

3．8．1 仿真平台OMNeT++和ccnSim介绍

3．8．2仿真代码设计

3．8．3仿真环境设置

3．8．4性能分析

3．9 小结

第4章NDN路由缓存

4．1 现有IP路由缓存研究

4．2 NDN路由缓存的缓存隐藏问题

4．3 Atomic路由缓存

4．4 On-the-fly路由缓存

4．5 仿真实验及性能分析

4．5．1 路由缓存命中率

4．5．2 路由缓存替换次数

4．6 小结

第5章总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢