基于SDN集中控制的NDN網絡路由策略研究

黃濤 高文哲

摘要：SDN技術將網絡邏輯控制平面與數據轉發平面相獨立，提供高效的數據轉發能力和靈活的網絡管理能力。命名數據網絡作為下一代網絡主要演進方向，能夠較好的解決現有網絡安全，性能瓶頸等問題。本文基于SDN設計思想，在命名數據網絡中開展集中控制路由策略更新研究，研究SDN技術在命名數據網絡中的應用。

關鍵詞：命名數據網絡;路由策略;軟件定義網絡

中圖分類號：TN915.41 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0148-02

0 引言

據思科發布的VNI公司白皮書報告預測，到2023年全球網絡內IP流量將突破5ZB，為應對大規模內容分發需求，一種以內容為中心的網絡架構信息中心網絡（Information-Centric Networking， ICN）被提出。其中命名數據網絡（Named Data Networking，NDN）作為ICN技術的一種實現方案，使用興趣包-數據包模式傳輸數據，無視網絡位置，突破了IP網絡架構限制，具有更高的網絡數據傳輸能力和資源復用能力，是目前ICN技術的主流研究方向之一。隨著軟件定義網絡（Software Define Network， SDN）技術在傳統網絡中應用獲得成功，SDN將網絡邏輯控制平面與數據轉發平面解耦獨立的思想也逐漸被應用到新型網絡設計中，以此來提高網絡的數據轉發能力。因本文將基于SDN設計思想在NDN中開展集中控制的路由策略研究，通過將網絡拓撲更新與路由策略計算相分離，提高NDN數據處理能力。

1 命名數據網絡架構

NDN是美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）資助的五個未來因特網體系結構項目之一，用于研究和驗證以內容為中心的新型網絡架構技術[1]。NDN網絡通過命名的方式來表示網絡中的每個數據包，數據接收方為了收到期望數據，首先向網絡發送一條興趣（Interest）報文，興趣報文攜帶期望接收數據包名稱（全網唯一），當該興趣報文被某個節點接收，則該節點將沿著興趣報文的反向路徑向數據接收方發回數據（Data）報文，完成數據傳輸，并且數據發送方還可將安全驗證內置于數據包，為所有數據提供安全簽名，提高網絡安全性[2]。NDN在網絡結構上沿用了傳統TCP/IP的沙漏模型，但使用數據層替代原IP層，數據傳輸不再依賴主機地址，這徹底改變了現有TCP/IP網絡體系結構以IP為中心的數據傳輸體系結構，如圖1所示：

2 命名數據網絡數據路由與轉發

NDN中興趣包用于請求數據，數據包用于返回請求的數據，興趣包中一般包含有被請求內容數據名稱和選擇器等信息，而數據包除了內容數據名稱和數據本身外，還包含了安全，數據生產者信息等，如圖2所示[3-4]：

NDN節點根據內容緩存表（CS），待定興趣表（PIT）和轉發表（FIB）內容進行數據路由和轉發，其中CS為本節點已緩存數據包信息;PIT為經過本節點的興趣包信息列表，當數據請求成功后，將根據PIT內容返回到數據請求節點;FIB為經過本節點內容名稱和轉發接口映射表，作用類似IP網絡的路由表。

當網絡節點收到興趣包后，首先查找CS是否緩存了相應數據包，如果已緩存則直接返回數據;否則查詢PIT內容，若本節點已發送過相同興趣包，則丟棄該興趣包，減少網絡數據冗余傳輸;否則繼續查詢FIB，若節點存在該興趣包的路由信息，則直接將該興趣包從相應端口發出，否則直接丟棄該興趣包，并向上游返回NACK;當網絡節點接收到數據包后，直接查詢FIB信息，若存在路由轉發信息，則直接將數據從對應端口發出，并根據節點內存緩存策略將該數據包緩存，同時更新CS信息;否則直接丟棄該數據包，詳細數據轉發流程如圖3所示：

3 集中控制更新路由策略設計

NDN中每個節點均集成了網絡控制邏輯和數據轉發邏輯，需要同時處理邏輯控制和數據轉發，是一個分布式網絡。NDN數據轉發主要依靠CS，PIT和FIB表內容，為實現網絡拓撲集中管理和路由策略的集中更新下發，需要對節點FIB內容和處理流程進行修改[5-6]。

首先網絡節點需集中向SDN控制器發送本節點拓撲（更新）信息，SDN控制器計算全局拓撲信息，并根據全局拓撲連接更新網絡路由轉發策略。當網絡節點接收興趣包后，根據CS、PIT內容處理和轉發興趣包，若處理失敗，則節點通過查詢SDN控制器全局路由信息，獲取該興趣包路由轉發信息，并將轉發信息記錄到FIB表內，數據轉發流程如圖4所示：

在集中控制型NDN網絡中，由于SDN控制器知曉全局網絡拓撲，可以根據全網信息直接計算出數據轉發最優路徑，減少未知興趣包全網冗余傳播，提高網絡傳輸效率。當網絡拓撲變化后，SDN控制器可快速更新全局拓撲信息和路由轉發策略，減少網絡震蕩，加快網絡收斂。另外，在集中控制型SDN網絡中，可以根據轉發控制策略靈活管理和調整數據轉發，提高網絡可操作性和靈活性。

4 結語

本文基于SDN設計思想，嘗試在NDN中開展SDN技術研究，通過更改興趣包路由處理過程和節點FIB內容，實現網絡數據轉發的集中控制。在集中控制型NDN中，所有網絡節點動態更新本地拓撲至網絡SDN控制器，SDN控制器根據全局拓撲信息計算最優路由，當節點接收到興趣包時，可直接向SDN控制器路由策略模塊查詢全局路由信息進行路由轉發，并根據查詢結果同步更新本地FIB內容，減少網絡中數據冗余傳輸，提高網絡傳輸效率。

參考文獻

[1] 張斌益.SDN在通信網絡中的應用研究[J].網絡安全技術與應用，2019（12）：25-26.

[2] 王明芬.軟件定義網絡控制器安全策略部署[J].電信快報，2019（12）：39-41.

[3] 呂金陽.命名數據網絡中基于深度強化學習的動態自適應轉發策略研究[D].合肥：中國科學技術大學，2019.

[4] 程天放.面向命名數據網絡的轉發策略研究[D].沈陽：遼寧大學，2019.

[5] 尹弼柏，劉江，張然，等.基于SDN拓撲集中更新的NDN路由策略[J].北京郵電大學學報，2018（04）：1-8.

[6] 郭晨，鄭烇，丁堯，王嵩.基于內容熱度與節點介數的NDN網絡緩存策略[J].計算機系統應用，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