基于信息中心網絡的傳輸優化機制

欒凱 左會軍 曹孝元 苗信凱

（1.中國電子科技集團公司第十五研究所 北京市 100083 2.中國人民解放軍96901 部隊26 分隊 北京市 100094）

1 背景介紹

網絡的傳統協議設計基于端到端通信模型，應用于終端間的信息交互。而伴隨著網絡技術的快速發展和各種新型應用的不斷出現，網絡的主要應用已從傳統端到端的信息交互轉變為內容的分發與獲取。未來信息系統逐步向云化發展，應用需求也呈現多樣化特點，既包含傳統的端到端通信，也包含如信息等內容的獲取與分發、文件的一對多傳輸等。

傳統的TCP/IP 網絡關注端到端的主機通信，在一對多的文件傳輸等應用場景下會導致數據在物理鏈路上多次傳輸，造成鏈路帶寬的浪費。同時，在端到端的鏈路出現擁塞、閃斷等情況下，可能會導致數據在最后一段鏈路被阻塞，從而引發端到端的重傳，造成端到端時延增大以及鏈路帶寬資源的浪費。如何解決未來信息系統的端到端通信問題，同時利用新型網絡協議補充增強TCP/IP 在內容分發通信模式下的不足，面向高可靠、低時延、抗干擾/丟包等不同應用需求，提出具備靈活適應能力的傳輸優化策略是本文要解決的關鍵問題。

ICN[1,2]是面向當前網絡所存在的這些問題而提出的一種新型未來網絡架構設想。其設計采用以信息為中心的網絡細腰結構取代傳統網絡以IP 為中心的結構，即將網絡關注的重點從哪里獲取信息轉變為用戶和應用所更為關心的信息本身。互聯網研究任務組成立了專門工作組研究ICN 標準化工作，并提出了多項技術草案。國際電信聯盟同樣聚焦ICN 設計并形成了相關的建議書。這些不同設計的主要目標都是實現具備更好內容分發模式的新型網絡結構，網絡中數據內容的傳輸由用戶、消費者的請求所驅動。而具體所需的數據內容，可能從內容源處獲取，亦可能由網絡內廣泛存在的內部緩存的內容副本所提供。因而網內緩存是這些ICN 結構的重要設計考慮，諸多ICN 架構均對網絡內節點具備緩存能力提出了需求，即網絡內節點不僅具備轉發傳輸數據的能力，同時還具備緩存內容的能力，從而可以實現更高效的內容交付、降低帶寬消耗并避免擁塞。

2 信息中心網絡

互聯網已經從最初以主機設計實現端到端的通信網絡轉變成主要提供內容分享與獲取的基礎設施。隨著信息技術的飛速發展，網絡應用的主體逐步向內容獲取和信息服務演進。同時相關的硬件與通信技術的發展，為網絡具有更多的計算和存儲能力提供了基礎。ICN 可實現內容與位置分離，網絡內置緩存等功能，從而更好滿足大規模網絡內容分發、移動內容存取、網絡流量均衡等需求。ICN作為未來網絡的一種重要形態，正引起各國研究者的關注，著名的ICN 系列項目包括NDN、DONA、NetInf、PURSUIT 等[3]。

ICN 以互聯網的主要需求為導向，以信息/內容為中心構建網絡體系架構，解耦信息與位置關系，增加網絡存儲信息能力，從網絡層面提升內容獲取效率、移動性支持和面向內容的安全機制能力，以期獲得高效的信息共享與獲取能力。它顛覆了互聯網基礎架構以長連接和端到端原則為基礎、以主機為中心的網絡范式。ICN 關鍵技術包括信息的命名、基于名字而非IP 的信息傳送、網內信息緩存和基于信息的安全機制等。

3 傳輸優化機制

3.1 網內緩存機制

ICN 利用信息內容唯一標識實現面向信息使用者的網絡信息的尋址方式，從而實現信息內容和信息存儲位置的分離，其中一項重要的原則就是網內緩存。通過使用網內緩存，實現快速可靠的內容分發。目前已有的ICN 網絡策略，如LCE、WAVE、Pro 策略等，不適用于SDN 技術[4]部署的ICN，因為ICN 采用的是分布式決策，SDN 采用的是集中式控制。

我們提出通過結合ICN 和傳統IP 網絡，實現基于TCP/IP 網絡和ICN 的網內緩存機制[5]。其中一個重要特點是，其各個節點能夠緩存信息對象的副本，這樣后續同一信息的請求可以通過一定的路由路徑在緩存節點直接返回請求應答，降低了平均請求的跳數，提升了整個網絡的內容分發效率，如圖1所示。

本模型以ICN 為基礎，建立在TCP/IP 協議棧之上，實現了數據平面與控制平面的分離。控制平面實現路由、緩存控制，數據平面實現數據緩存、數據包和請求包的轉發，控制平面和數據平面通過擴展的OpenFlow 協議進行信息交互。擴展的OpenFlow 協議支持的緩存操作包含預先緩存、公告緩存等信息、處理請求包及緩存決策；路由操作包含基于信息標識的轉發、轉發表的更新與維護。控制平面的命名路由系統（NRS）通過OpenFlow 擴展協議向ICN 節點下發指令，包含添加/刪除交換機中的流表項和內容副本緩存，查詢緩存空間剩余容量，當前的緩存策略配置等；ICN 節點根據指令執行相應的動作，包含轉發請求包、數據包和緩存中的內容副本等；ICN 節點可以向NRS 詢問信息包含信息ID 匹配信息，公告緩存信息。在節點緩存副本中通過內容流行度等策略控制副本的數量，提升網絡的緩存性能。通過控制平面集中控制網絡，利用OpenFlow 交換機中的多級流表實現網內緩存、請求聚合。

在緩存副本的刪除和替換過程中，考慮鄰近節點的緩存空間，實現鄰近節點間的協同操作。通過選擇合適的緩存節點，降低緩存替換率，提高緩存命中率，減輕信息內容服務器的負載，減小端上用戶獲取信息內容所需要的時間，降低網絡帶寬的占用，提升網絡整體性能。

ICN 網絡的實現步驟如下所示：

（1）數據信息提供者發布數據信息，以內容的哈希值作為信息標識（數據信息ID）。網絡內在某個節點將數據內容緩存后，在路由信息表中記錄一條相應的路由信息。

（2）緩存了數據信息的節點，將其記錄的路由信息向其領域或父域進行擴散，這樣最終在全網建立了該數據信息的的路由表。

（3）當終端用戶需要某個數據信息時，發送一個信息查找報文，報文中包含了數據信息ID（即數據信息的哈希值）。

（4）網絡節點解析報文獲取數據信息ID，并轉發報文。

（5）當某個節點查找到該節點緩存了所需數據信息ID 對應的數據信息時，將數據信息包按照信息查找報文的來源反向路徑返回至用戶，并在所經路徑上的路由器節點緩存該內容。

（6）終端用戶最終收到了數據信息ID 對應的數據包。

（7）當另一個用戶請求同樣的數據信息ID 時，該請求可以在邏輯距離最近的路由器中被查找到，返回至終端用戶。

在云端部署了應用服務后，來自分域的用戶客戶端和應用服務端可通過應用層傳輸協議實現數據的傳輸，如圖2所示。

基于網內緩存的傳輸協議實現以下功能：

（1）網內緩存。在分域以及一些重要網絡路由節點上部署緩存服務器，緩存數據信息。當客戶端通過應用層傳輸協議請求該內容時，某個網絡路由節點即可滿足用戶的內容請求，而不需要將用戶的請求轉發至內容服務器。

（2）請求聚合。當客戶端通過應用層傳輸協議請求相同數據信息時，ICN 網絡按照用戶請求信息的ID 進行數據信息查找。這樣，網絡節點能夠將針對同一信息ID 的請求聚合，無需路由和轉發每一個請求包，而只轉發第一個請求包，待相應數據包返回后，一次性對所有相同的請求進行數據包應答。請求聚合是ICN 實現高效內容分發的一個重要特征，從而達到減少內容服務器的壓力，減少網絡開銷，降低用戶請求響應時間。

（3）基于內容名稱的路由。用戶通過客戶端向應用層傳輸協議提交內容名稱，例如/data/org/test/file/a.pdf，應用層傳輸協議按照統一的規則生成數據的唯一ID，在組裝的數據請求包中壓入此數據ID，ICN 網絡按照此數據信息ID 進行信息路由，直到找到最近的緩存節點，返回數據應答包。

3.2 逐跳路由機制

實際的信息網絡在使用中會發生網絡抖動、網絡中斷以及鏈路變化，這些網絡變化可能引起上層應用數據重傳、失敗重試，從而引起網絡帶寬、存儲等其他資源的無效占用，同時，隨著網絡通信鏈路手段增加、性能差異較大，也對端對端的數據傳輸帶來了挑戰。傳輸協議需要實現一體化的透明傳輸，就需要屏蔽這些問題，因此我們提出基于消息路由的云端一體逐跳路由機制。

3.2.1 逐跳傳輸的消息路由

為了滿足數據的可靠傳輸策略，通過維護消息路由表，并將路由表信息發布至各路由節點，上層應用只需發布或訂閱相關主題的消息即可完成端對端的數據傳輸。應用將消息發布至消息代理節點上，消息代理節點不需要知道網絡上所有的代理節點，只需將消息發送至上聯的路由節點，由當前路由節點按照路由表信息進行逐跳數據傳輸發送至目的地，同理也可通過消息節點按需訂閱網絡上發送的消息。

（1）路由模式下的消息發布。如圖3所示，路由模式下消息發布由消息服務節點按照消息路由信息進行逐跳消息傳輸。

首先客戶端X 發布主題為TEST.MSG 的消息，由代理A 匹配主題TEST.MSG 并將消息轉發給路由節點1，之后路由節點1 匹配主題TEST.MSG，并結合路由表信息將消息轉發給路由節點2，然后路由節點2 匹配主題TEST.MSG 并將消息轉發給代理B，最后代理B 匹配主題TEST.MSG 并將其轉發給客戶端Y。

（2）路由模式下的消息訂閱。如圖4所示，路由模式下消息訂閱由路由節點按照訂閱主題進行全局消息訂閱，將獲取到的消息逐跳傳輸并返回給客戶端。

首先客戶端Y 在代理B 上訂閱TEST.MSG，由代理B 匯聚訂閱主題在路由節點上訂閱TEST.MSG，然后路由節點2 檢查其路由表并在路由節點1 上訂閱新主題TEST.MSG，最后路由節點1 在代理A 上訂閱主題TEST.MSG。

圖1：ICN 網內緩存

圖2：基于網內緩存的傳輸協議功能示意圖

圖3：路由模式下消息發布示意圖

圖4：路由模式下消息訂閱示意圖

3.2.2 逐跳傳輸路由算法

逐跳傳輸鏈路路由所經過的節點類型有云端骨干網絡節點，有線邊緣網絡節點和無線邊緣網絡節點。逐跳傳輸路由的目的是尋找一跳從起點到目的地的網絡性能最優或相對最優的路徑，在邊緣網絡中網絡性能與數據報文成功發送的概率密切相關，較好的逐跳路由算法必須兼顧減少逐跳路由中的路由跳數與降低鏈路上發生丟包/錯包的概率。考慮到實際網絡狀況的差異較大、通信鏈路手段多樣的情況，逐跳傳輸的路由鏈路的建立，還需要考慮不同網絡的邊緣網關、網絡的實際負載以及路由開銷等因素。常用的路由算法包括：非自適應算法，如固定式路由選擇和泛洪算法；主動路由自適應算法；按需路由自適應算法等。

3.2.3 逐跳路由傳輸策略

我們提出的基于逐跳路由的傳輸協議用于解決跨網絡環境下的端對端業務、末端用戶對云端數據的需求，以及多個邊緣節點間進行跨網信息共享的數據傳輸。不同的上層應用業務類型對逐跳路由的需求也不盡相同，這就需要逐跳協議需要具有以下傳輸特征。

（1）“按需路由”與“主動路由”結合。對于端對端業務，其數據流量小且移動性高，按需路由協議開銷較小；對于末端用戶對云端數據的需求，數據流量較大且節點的移動性較小，此時使用主動路由協議開銷較小。通過結合“按需路由”和“主動路由”的結合使用，達到充分利用跨網環境下的網絡資源，同時將兩種逐跳協議策略的總開銷降到最低。

（2）混合路由。對于云端向邊緣節點進行數據發送的情況，采用混合路由策略建立逐跳網絡。云端在開始發送數據時，先通過傳輸協議獲取到達目的地址的部分網絡拓撲及有效路由路徑。如果有可達的路徑且不需要進行協議轉換，則直接發送，否則發起逐跳路由請求，同時通過主動路由算法建立逐跳網絡。當逐跳路由請求得到響應后，比較兩者的開銷，選擇開銷較小的逐跳路徑傳輸數據。

4 總結

本文通過對ICN 絡的架構、關鍵技術進行分析，提出了基于ICN 網內緩存的傳輸策略優化機制，通過結合ICN 和傳統IP 網絡，實現基于TCP/IP 網絡和ICN 的網內緩存機制，并實現了數據平面與控制平面的分離以適應SDN 網絡的部署。通過網內緩存機制，降低了內容請求的平均跳數，提升了整個網絡的內容分發效率。針對信息網絡在使用中會發生網絡抖動、網絡中斷以及鏈路變化的情況，本文提出了基于消息路由的逐跳路由傳輸優化策略，對上層應用屏蔽了網絡抖動、網絡中斷，以及通信鏈路多樣化和性能差異帶來的影響，從而提升了網絡傳輸的可靠性。