命名数据网络中内容传输与缓存机制研究

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，本文的主要工作和贡献如下:
　　(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，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一份缓存，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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 互联网发展趋势

1．2 命名数据网络中的关键性技术

1．3 本文的研究内容和意义

1．3．1．NDN架构中的传输缺陷

1．3．2．NDN面临的缓存问题

1．4 论文的组织结构

第2章 命名数据网络及其相关研究

2．1 NDN网络架构

2．1．1．NDN中的包类型

2．1．2．路由器节点模型

2．1．3．NDN中包处理过程

2．2 NDN网络传输层相关研究

2．2．1．NDNLP协议

2．2．2．拥塞控制策略

2．3 NDN网络缓存策略相关研究

2．3．1．缓存分配策略

2．3．2．缓存放置策略

2．4 本章小结

第3章 低时延数据分片与重组传输协议

3．1 引言

3．2 FFRD忉议概述

3．2．1．FFRD协议设计目标

3．2．2．数据包格式定义

3．2．3．路由器设计

3．3 协议设计

3．3．1．兴趣包处理阶段

3．3．2．数据包可靠重组阶段

3．4 仿真性能评估

3．4．1．仿真平台以及参数

3．4．2．仿真结果及分析

3．5 本章小结

第4章 拥塞避免缓存分配及放置策略

4．1 引言

4．2 拥塞避免缓存策略

4．2．1．基本思路

4．2．2．缓存分配策略

4．2．3．拥塞避免缓存方案

4．3 CAC缓存策略在NDN网络中的实现

4．4 仿真性能评估

4．4．1．仿真平台以及参数

4．4．2．仿真结果及分析

4．5 本章小结

第5章 结束语

5．1 论文总结

5．2 论文展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果