內容中心網絡狀態感知路由設計

蔡岳平，劉軍

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內容中心網絡狀態感知路由設計

蔡岳平，劉軍

（重慶大學通信工程學院，重慶 400030）

為了提高內容中心網絡的內容分發效率及降低網絡開銷，提出了網絡狀態感知的路由機制NSAR(network status aware routing)。NSAR利用從內容服務節點返回的數據分組收集當前網絡狀態信息，并在回傳過程中對路徑上各節點上匹配端口的轉發概率進行更新，在對后續的興趣分組進行轉發決策時引入轉發概率，從而提高內容分發效率。仿真實驗表明，與傳統內容中心網絡路由算法相比，NSAR可以有效地降低內容請求平均時延，減少網絡流通分組數以及降低網絡帶寬開銷。

內容中心網絡；路由機制；網絡狀態；狀態感知；轉發概率

1 引言

互聯網實現端到端的互聯互通和資源共享，使人類通信方式得到前所未有的革命。然而隨著網絡流量的指數式增長以及用戶需求的不斷提高[1,2]，以主機為中心的傳統網絡越來越難以滿足未來網絡的需求。為了從根本上解決這一問題，研究者們提出了以信息為中心的未來網絡架構，典型的有DONA[3]、PURSUIT[4]、PSIRP[5]、SAIL[6]、4WARD[7]、COMET[8]、CONVERGENCE[9]、NDN[10]、CCN[11]和MobileFirst[12]。其中，CCN（content centric network）正逐漸被認為是最有前途的方案之一，它是由PARC[13]的Van Jacobson于2009年提出的，其核心是通過對內容資源的直接命名以及基于內容名稱的路由來進行內容的分發和獲取，其網絡節點除了具有傳統網絡節點所具有的路由和轉發能力外，還具備存儲內容資源及服務內容請求的功能，節點性能較高。

CCN有2種基本的分組格式，即興趣分組（interest packet）和數據分組（data packet）。興趣分組是請求者發出的內容請求分組；數據分組是內容服務節點（內容發布者或網絡緩存）將內容傳輸給請求者的內容分組。每個路由節點都需要維護3類信息表，即轉發信息表（FIB, forwarding information base）、待定興趣表（PIT, pending interest table）和內容存儲表（CS, content store）。FIB保存了內容名稱前綴和到達此前綴代表的內容的下一跳端口；PIT記錄了興趣分組的輸入端口，該信息表為數據分組提供回傳路徑；CS緩存流經該節點的內容資源并為后續內容請求提供服務。內容發布者以洪泛的方式向網絡發布內容資源的注冊信息，路由節點依據接收到的注冊信息中的內容名稱前綴以及注冊信息的到達端口建立 FIB，路由節點通過查詢 FIB來決定興趣分組的轉發端口。

由于在CCN網絡中，每個內容資源可能存在多個提供者，而且內容注冊信息是通過洪泛方式發布，所以在CCN的FIB中的每一個內容名稱可能對應多個轉發端口。如何選取合適的轉發端口轉發興趣分組是CCN研究中的一項重要課題。常用的轉發機制有全轉發機制[14]、隨機轉發機制[15]和最短路徑轉發機制[16]。全轉發機制的路由節點會將興趣分組轉發至FIB中匹配條目所對應的所有轉發端口，雖然這可以利用多徑路由特點從最優的內容服務節點處獲得內容資源，但是過多的轉發會導致網絡中產生大量的冗余流量。隨機轉發機制的路由節點會在FIB對應條目中隨機選擇轉發端口進行興趣分組的轉發，這種方法雖然能有效地減少網絡中的冗余流量，降低網絡開銷，但無法保證用戶能穩定、快速地從最優的路徑上獲取資源，服務質量很難保證。最短路徑轉發機制是文獻[16]中提出的鄰居緩存探測方法(NCE)，它將興趣分組轉發至距離當前節點路徑最短的內容服務節點，雖然NCE 方法可以獲得路徑最短的鏈路作為路由路徑，但并不能保證路徑最優，因其沒有考慮鏈路狀態和節點負載等其他網絡狀態信息，只選擇內容獲取跳數作為路徑選擇的依據，無法反映全面的網絡狀態，也就難以獲得網絡狀態最優的路徑。本文提出了一種網絡狀態感知的路由機制(NSAR, network status aware routing)，通過對網絡中的鏈路時延、節點負載以及內容獲取跳數等狀態進行感知，綜合考慮各網絡狀態并優化選擇興趣分組的轉發端口，從而實現在網絡開銷較低的情況下達到路徑最優的目的。

本文的貢獻總結如下。

1) 設計網絡狀態感知機制，實現對鏈路延時、節點負載及內容獲取跳數等網絡狀態感知功能，并對感知獲得的狀態信息進行綜合處理，得到網絡狀態綜合參數。

2) 針對FIB中有無新增轉發端口2種情況設計2種不同的端口轉發概率更新算法，使用網絡狀態綜合參數對各端口的轉發概率進行更新，并依據更新后的轉發概率設計興趣分組的轉發方案。

2 網絡狀態感知路由

本節將對網絡狀態感知路由機制NSAR的設計進行介紹。

圖1是對NSAR整體結構的簡要描述。NSAR分成3個模塊：第1部分是網絡狀態感知模塊，NSAR通過對3個網絡狀態信息，即鏈路時延、節點負載及內容獲取跳數進行感知，并把感知獲得的狀態信息交給網絡狀態信息庫；第2個模塊是FIB更新模塊，NSAR根據網絡狀態感知模塊感知獲得的網絡狀態信息庫對FIB中的端口轉發概率進行更新，此時分2種情況，一是FIB中無新增的轉發端口，二是FIB中有新增的轉發端口，兩者的更新算法不同，后面將進行詳細介紹；第3個模塊是興趣分組轉發模塊，在這個模塊中，NSAR根據FIB更新模塊更新后的FIB轉發興趣分組，首先將興趣分組轉發至轉發概率最大的端口，然后查詢FIB中是否有新增的轉發端口，若有，則將興趣分組轉發至該端口，隨后從除轉發概率最大及新增的端口外隨機選擇若干個端口轉發興趣分組，隨機選擇端口數量由探測深度確定，用于探索其余端口狀態。

2.1 網絡狀態感知

為獲取最優的興趣分組轉發路徑，需要對網絡狀態進行感知。傳統的路由機制把鏈路長度、鏈路時延、網絡擁塞、可用帶寬以及節點負載作為主要的網絡狀態性能指標。本文選取鏈路時延、節點負載以及內容獲取跳數作為網絡性能的評價指標。

1) 鏈路時延

傳統的路由機制將路徑長度作為路由選擇的影響因素。但由于網絡擁塞的存在，路徑長度并不能很好地反映網絡的狀態，當路徑較短，但網絡擁塞較大時，鏈路時延可能較大，對網絡性能的影響也較大。鏈路時延能更好地反應網絡狀態，所以把鏈路時延作為網絡狀態的評價標準之一。

在本文的路由設計中，鏈路時延指當前節點與內容服務節點之間的時延，由于數據分組的大小遠遠大于興趣分組，所以本文將數據分組的在回傳路徑上的傳播時延作為鏈路時延參考值。在服務節點對數據分組進行封裝時，會在數據分組內設置鏈路時延計時器并置零，當數據分組發出時，計時器開始計時，當數據分組到達網絡中的路由節點后，鏈路時延計時器不清零，繼續計時，并將當前的鏈路時延值交給路由節點的網絡狀態信息庫，以供后續的FIB更新模塊更新端口轉發概率提供數據來源。當數據分組從端口轉發出去后，鏈路時延計時器繼續計時，直至到達請求者后被刪除。

2) 節點負載

節點負載反映網絡節點當前處理情況的狀態信息。節點的負載情況對數據分組在節點處的處理時延呈正相關。好的路由機制應盡可能將用戶請求（即興趣分組）路由至節點負載較低的網絡節點中，避免因節點過載而導致處理時延增加甚至數據丟失。

在本文的路由設計中，主要考慮兩方面的節點負載。第一是普通路由節點的負載狀況，數據分組在回傳過程中會對路徑上路由節點的負載信息進行采集，并將該信息交給數據分組到達的下一跳節點。第二是內容服務節點的負載狀況，在內容服務節點處封裝數據分組時，當前內容服務節點的負載值會被封裝到數據分組中。在數據分組回傳過程中，該狀態值會依次交給沿途路由節點的網絡狀態信息庫，直至到達請求者后被刪除。

3) 內容獲取跳數

內容獲取跳數是指數據分組從路由節點到內容服務節點所需的轉發次數。跳數越少，數據分組被存儲轉發的次數也就越少，在節點處的排隊時延也就越小。好的路由機制應盡可能使數據分組的轉發次數越少，降低排隊時延，提高內容獲取的速度。

在本文的路由設計中，內容獲取跳數也是指當前路由節點到內容服務節點的轉發次數。該狀態值是在數據分組回傳過程中進行統計獲得。當數據分組在內容服務節點處被封裝時，會額外加入跳數計數器，數據分組每被轉發一次，計數值加1，并將當前計數值交給路由節點的網絡狀態信息庫，直至到達請求者后將該計數器刪除。

上述各網絡狀態參數無法單獨對網絡整體狀態進行描述，為更好地反映網絡的整體狀態，本文綜合考慮以上各狀態參數的影響，并得到網絡狀態綜合參數，以實現在網絡狀態感知下對CCN路由進行優化。

2.2 網絡狀態感知路由機制

網絡狀態感知路由NSAR可以通過數據分組感知傳輸路徑及服務節點的狀態信息，感知的狀態信息主要包含3個方面：鏈路時延、節點負載以及內容獲取跳數。NSAR可以利用感知獲得的網絡狀態信息來更新FIB中匹配端口的轉發概率，用于區分各轉發端口對應的轉發路徑的優劣，端口轉發概率越大，說明其所對應的轉發路徑的網絡狀態越好。后續的興趣分組依據端口轉發概率選擇轉發端口，實現在網絡開銷較低的情況下達到路徑最優的目的。NSAR的路由機制如圖2所示。

網絡初始時，內容服務節點1以洪泛的方式向網絡發布內容對象的注冊信息，由此在各路由節點上建立的FIB如圖2(a)所示。FIB第1列表示內容對象名稱前綴，為敘述方便，本文將其設為；第2列表示獲取該內容對象的轉發端口，圖中以轉發端口所對應的下一跳節點名稱作為轉發端口的名稱；第3列表示端口的轉發概率，表示當前路由節點將匹配該內容對象名稱的興趣分組從該端口轉發出去的概率。對于在某一路由節點上同一內容對象名稱的所有轉發端口，其轉發概率和為1，即

其中，P表示轉發端口的轉發概率，為在某路由節點上某內容對象名稱對應的轉發端口數量。

當請求者1發出請求對象的興趣分組后，如圖2（a）所示，路由節點1接收該興趣分組，首先在FIB中進行匹配，并獲得下一跳轉發端口2和3。此時，路由節點1并不會立即將興趣分組從端口2和3轉發出去，而是對比這2個轉發端口的轉發概率，即P1-R2和P1-R3。由于網絡初始時，同一內容對象的轉發端口的轉發概率相等，為轉發端口數的倒數，所以此時1會同時將興趣分組從這2個端口轉發出去。興趣分組在路由節點2和3以同樣的方式進行選擇性轉發，最后興趣分組被轉發至內容服務節點1。在內容服務節點獲得數據對象后，封裝數據分組，并開啟鏈路時延計時器和內容獲取跳數計數器，獲取當前內容服務節點負載值。數據分組在回傳過程中會將鏈路延時值、內容獲取跳數值、上一跳節點負載值以及服務節點負載值交給當前節點的網絡狀態信息庫。

當節點在端口收到封裝了內容對象的數據分組后，會從中提取鏈路時延值T、內容獲取跳數值H、上一跳節點負載值L以及服務節點負載值L作為最新的網絡狀態信息樣本值。為了獲得各個網絡狀態值對網絡的綜合影響，采用加權法獲得網絡狀態綜合參數

其中，、、和分別表示鏈路時延、內容獲取跳數、路由節點負載和服務節點負載的影響因子，其值可以依據不同的業務需求進行調整。因本文路由機制只考慮這4個影響因素，且對各狀態值均作歸一化處理，所以4個狀態影響因子和為1，即

(3)

由式(2)可以看出，隨著鏈路時延、內容獲取跳數、路由節點負載及服務節點負載的增加，網絡狀態綜合參數值減小，易知，ΔS恒大于1，所以對于沒有數據分組到達的端口，即沒有被探測的端口，將ΔS定為1。確定各個端口的網絡狀態綜合參數后，需要確定各端口的概率變化值，為綜合考慮各個端口的狀態值對當前路由節點的端口轉發概率值更新的影響，將各端口的轉發概率增值定為

其中，為路由節點上某內容對象名稱對應的轉發端口數量。由式（2）和式（4）可以看出，當某端口所對應的路徑的鏈路時延、內容獲取跳數、路由節點負載及內容服務節點負載值較大時，其狀態綜合參數較小，導致其端口轉發概率增值也較小。

確定各端口的轉發概率增值后，進一步對各端口的轉發概率進行更新。考慮網絡的突變性，本文使用加權平均轉發概率，即每得到一個新的端口轉發概率增值，就用下式對端口轉發概率進行更新

其中，Pnew()表示路由節點的端口更新后的端口轉發概率，Pold()表示更新前的端口轉發概率，是網絡狀態影響因子。0<<1，若越接近于零，表示新的端口轉發概率值和舊的端口轉發概率值相比變化不大，而受新的端口概率增值影響較小。若越接近于1，則表示新的端口轉發概率值受新的端口轉發概率增值影響較大。

當數據分組被回傳到請求者處后，路徑上的所有路由節點對應的端口的轉發概率均被更新。當下一個請求者2發出請求內容對象的興趣分組后，如圖2(b)所示，路由節點1接收該興趣分組，并在FIB中匹配獲得下一跳轉發端口2和3，隨后對比2和3的端口轉發概率，假設P'1-R2>P'1-R3，則路由節點1會將興趣分組從端口2轉發出去，在其他路由節點的經過相同的處理后，興趣分組將被轉發至內容服務節點1，數據分組在回傳過程中也會對路徑上的所有路由節點的端口轉發概率進行更新。

當有除內容服務節點1外的其他內容服務節點發布內容對象時，如圖2（c）所示，內容服務節點2對外發布內容對象，其發布信息會以洪泛的方式在網絡中傳播，直至到達原有的該內容對象的傳播路徑的節點上后停止傳播（圖2(c)中2節點）。此時，NSAR會依據注冊信息的到達端口在原有的FIB中增加內容對象的下一跳轉發端口，并將該端口的轉發概率初始化為NULL。

當有請求對象的興趣分組到達該路由節點后，如圖2(d)所示，路由節點2除了將興趣分組轉發至端口轉發概率最大（P2-R3）的端口外，還會將興趣分組轉發至端口轉發概率為NULL的轉發端口。當數據分組從該路徑返回時，也會攜帶該路徑的網絡狀態信息，用于端口轉發概率的更新。當路由節點收集完所有轉發端口回收的狀態信息后，由于在原有轉發端口的基礎上增加了一個或多個轉發端口，所以需要對原有的端口轉發概率進行重新分配。其分配方案如下。

提取各轉發端口的網絡狀態值，并依據式(2)求得各端口的狀態綜合參數，為NULL個數。

取得各端口的狀態綜合參數后，對于新增的轉發端口，由于其在此之前沒有轉發概率值，所以其轉發概率值更新為

(6)

而對于其他轉發端口，其轉發概率更新為

為了防止所有的興趣分組都往端口轉發概率最大的端口轉發而使該端口的轉發概率值持續為最大值，使其他端口不被探索。當網絡狀態發生改變時，最優路徑可能發生改變，需要對轉發概率最大外的其他端口進行探索。所以，當興趣分組到達路由節點后，執行如下轉發規則。

1) 將興趣分組往轉發概率最大的端口轉發。

2) 若有端口轉發概率為NULL的端口，將興趣分組往該端口轉發。

3) 設定探測深度deep，deep表示除轉發概率最大及轉發概率為NULL的端口外，NSAR隨機選擇的轉發興趣分組的端口數量。當deep=時，表示NSAR選擇的轉發端口有轉發概率最大的端口max、轉發概率為NULL的端口NULL及個隨機選擇的端口1~P。易知，探測深度deep越大，表示NSAR選擇轉發的端口越多，對網絡狀態信息的探索越詳細，但相應的網絡開銷越大。NSAR會將興趣分組轉發至隨機選擇的個探索端口用于探索網絡狀態信息。

2.3 算法實現

下面對NSAR的算法進行分析。

算法1是對NSAR的路由轉發算法描述。為了方便，不妨設路由節點為NSAR的處理節點。表示內容中心網絡拓撲，表示到達節點的興趣分組，表示節點上的轉發信息表。當一個新的興趣分組到達路由節點時，算法被觸發。算法需要為每個目標興趣分組提供可用路徑以及對該分組的處理辦法（丟棄或路由）。首先，當新的興趣分組到達后，節點會提取分組內的內容名稱，并以最大前綴匹配原則在中對提取的內容名稱進行匹配。獲得匹配項后，再對各匹配項后的轉發概率值進行分析比較。若轉發概率值中有值為NULL的選項，則節點將會把興趣分組轉發至轉發概率最大的端口，轉發概率為NULL的端口，以及隨機選擇的deep個隨機端口；若轉發概率值中沒有值為NULL的選項，則節點除了將把興趣分組轉發至轉發概率最大的端口以及隨機選擇的deep個隨機端口。算法1的偽代碼如下。

算法1 NSPR路由轉發算法

輸入：內容中心網絡拓撲；

：到達節點的興趣分組；

：路由節點的轉發信息表

輸出 {<,>,}；//興趣分組的處理方法和轉發端口

1) If一個新的興趣分組到達then

2)();//獲得內容名稱

3)←(,);//獲得內容名稱的匹配端口

4)(,);//獲得匹配端口的端口轉發概率

6)();//獲得轉發概率最大的端口

7)(,);//獲得轉發概率為NULL的端口

8)(,deep); //隨機獲取deep個轉發端口

10){,,};//轉發端口為最大轉發概率端口，轉發概率為NULL的端口及隨機選擇的端口

11) Else

12){,};//轉發端口為最大轉發概率端口和隨機選擇的端口

13) End

14) Return <,>;//返回轉發方法與轉發端口

15) Else

16) Return <,NULL>;//返回丟棄方法

算法2是對NSAR的端口轉發概率更新算法描述。本文的轉發概率更新是通過在路由節點上實現的。對于每個到達端口的包含對象的數據分組，它除了攜帶傳統CCN的數據分組所攜帶的信息外，還額外攜帶了內容服務節點到達節點的鏈路時延值，內容服務節點負載值，上一跳的節點負載值以及內容服務節點到達節點的跳數。當一個新的數據分組到達路由節點時，算法被觸發。對于每個目標數據分組，節點首先提取內容對象的名稱、內容服務節點到達節點的鏈路時延值T、內容服務節點負載L、上一跳的節點負載值L以及內容服務節點到達路由節點的跳數H。隨后在FIB中匹配內容名稱，獲得匹配項后，分析各匹配項后的轉發概率值。若轉發概率值中不含NULL選項，則觸發子算法(?)來對各端口的轉發概率進行更新；若轉發概率值中含有NULL選項，則觸發(?)來對各端口的轉發概率進行更新。算法2的偽代碼如下。

算法2 NSPR端口轉發概率更新算法

輸入：內容中心網絡拓撲；

()：從端口到達節點的數據分組；

：路由節點的轉發信息表

輸出 {<>,(對象的匹配端口)}//匹配端口的更新后轉發概率

1) If 一個新的數據分組到達then

2)(());//獲得內容名稱

3)()←(());//獲得服務節點到達節點鏈路時延

4)L←(());//獲得服務節點負載

5)()←(());//獲得節點上一跳節點的負載

6)()←(());//獲得服務節點到達節點跳數

7)←(,);//獲得內容名稱的匹配端口

8)old←(,);//獲得匹配端都是舊的端口轉發概率

9)←(,old);//獲得轉發概率為NULL的端口

11)l(y(),(),(),L,old);//執行有轉發概率為NULL的更新函數

12) Else

13)y(),(),(),L,old)；// 執行無轉發概率為NULL的更新函數

14) End

15) Return ;//返回更新后的端口轉發概率值

16) End

算法3是在匹配項的轉發概率值中不含NULL值時的端口轉發概率更新算法。在此算法中，當路由節點獲得網絡狀態值后，首先根據式（2）將各網絡狀態綜合獲得狀態綜合參數；然后根據各端口的網絡狀態綜合參數依據式（4）計算得各端口的轉發概率增值；最后依據式（5）對各端口的轉發概率進行更新，返回更新后的端口轉發概率值。算法3的偽代碼如下。

算法3 不含NULL項端口轉發概率更新算法

輸入():從端口的數據分組中提取的鏈路延時；

():從端口的數據分組中提取的上一跳節點的負載；

():從內容服務節點到達節點的跳數；

():內容服務節點的負載；

old：更新前的端口轉發概率

輸出 {<>,(對象的匹配端口)}//匹配端口的更新后轉發概率

1) if(所有轉發了興趣分組的端口均收到數據分組) then

2) for(=1;≤;++)//對于對象所有匹配端口

3) If(端口有數據分組返回)

5) Else

7) End

8) End for

9) for(=1;≤;++)//對于對象所有匹配端口

12) End for

13) Return ;返回更新后的端口轉發概率值

14) End

算法4是在匹配項的轉發概率值中含NULL值時的端口轉發概率更新算法。在此算法中，當路由節點獲得網絡狀態值后，首先根據式(2)將各網絡狀態綜合獲得網絡狀態綜合參數；然后對內容對象的匹配端口的轉發概率作分類處理，對于端口的轉發概率值為NULL的端口，其轉發概率直接使用此次獲得的網絡狀態影響因子進行計算，即按式(6)進行更新；而對于其他轉發端口，需要使用先前的轉發概率和此次獲得的網絡狀態因子，即按式(7)進行更新，最后返回更新后的端口轉發概率值。算法4的偽代碼如下。

算法4 含NULL項端口轉發概率更新算法

輸入()：從端口的數據分組中提取的鏈路延時；

()：從端口的數據分組中提取的上一跳節點的負載；

()：從內容服務節點到達節點的跳數；

()：內容服務節點的負載；

old：更新前的端口轉發概率

輸出 {<>,(對象的匹配端口)}//匹配端口的更新后轉發概率

1) if(所有轉發了興趣分組的端口均收到數據分組) then

2) for(=1;≤;++)//個轉發概率為NULL的端口

3) If(端口有數據分組返回)

5) Else

7) End

8) End for

9) for(=1;≤;++)//對于對象所有匹配端口

10) if（端口轉發概率為NULL）

12) Else

14) End

15) End for

16) Return ;返回更新后的端口轉發概率值

17) End

網絡狀態感知路由機制NSAR為各內容條目匹配端口設置轉發概率，并在數據分組回傳過程中對其進行更新，這將給網絡節點帶來額外的處理開銷。對于數據分組傳輸路徑上的每個路由節點，假設其內容條目的匹配端口數為，在通過端口轉發概率更新算法對各匹配端口的轉發概率進行更新時，對于匹配端口的轉發概率中不含NULL項的節點，即無新增轉發端口的節點，首先利用式（2）獲得每個匹配端口的網絡狀態綜合參數，然后依據此參數根據式(4)求得各端口的轉發概率增值，最后通過式(5)加權平均求得更新后的轉發概率，分析此算法可知其時間復雜度為()，空間復雜度為()；對于匹配端口的轉發概率中含NULL項的節點，即有新增轉發端口的節點，首先利用式(2)獲得每個匹配端口的網絡狀態綜合參數，然后依據此參數根據式(6)求得新增端口的轉發概率，最后通過式(7)加權平均求得其他匹配端口更新后的轉發概率，分析此算法可知其時間復雜度為()，空間復雜度為()。由此看出，2種端口轉發概率更新算法的時間復雜度及空間復雜度均較低，其給網絡節點帶來的額外開銷較小。

3 網絡狀態感知路由機制性能評價

本節將對NSAR進行仿真實驗分析。通過以上分析可以知道，NSAR屬于分布式路由機制，即各節點只在當前節點對信息進行處理并獲得下一跳信息，且路由轉發算法及端口轉發概率更新算法的復雜度較低，所以NSAR具有良好的可擴展性。NSFNET[17]是美國國家科學基金會（NSF, National Science Foundation）為了滿足各大學及政府機構研究工作的迫切要求，在全美國建立的連接各大超級計算中心的網絡，該網絡已被廣泛作為網絡研究者實驗所用的網絡拓撲，所以本文將NSFNET作為仿真所用的網絡拓撲。

下面將對比CCN中常用的3種路由機制：全轉發機制（FF, full forwarding），路由節點將內容請求轉發至所有的內容條目的匹配端口；隨機轉發機制（RF, random forwarding），路由節點將內容請求轉發至隨機選擇的一個內容條目的匹配端口；最短路徑轉發策略（SPF, shortest path forwarding），路由節點將內容請求轉發至內容獲取跳數最少的內容服務節點。以內容請求平均時延、網絡流通分組數以及內容傳輸的總帶寬開銷作為性能指標進行對比分析。最后，分析探測深度對網絡流通分組數及內容傳輸總帶寬開銷的影響。

3.1 仿真設置

實驗采用美國自然科學基金組建的NSFNET作為實驗的網絡拓撲，并使用Matlab工具進行仿真實驗。仿真參數描述：NSFNET網絡包含14個網絡節點和21條鏈路，各節點的連接關系如圖3所示，鏈路帶寬為100 Mbit/s。實驗時將節點College PK MD作為請求者的連接節點，請求者發出的興趣分組將會首先到達該節點；將節點Salt Lake City UT作為服務者的連接節點，當服務節點發布內容時，內容注冊信息將會首先到達該節點；其余節點為普通的路由節點。

各仿真參數值如表1所示。

表1 仿真參數值設置

3.2 仿真結果

圖4是對各路由機制的內容請求平均時延進行對比。仿真過程中，對各路徑的時延值采用歸一化處理，迭代次數為20次，并對這20次的請求時延求平均得到請求平均時延。從圖4中可以看出，隨著網絡負載的增大，4種路由機制的內容請求平均時延逐漸增加。這是由于隨著網絡負載的增加，網絡發生擁塞的可能性增加，導致網絡的時延增加。對比分析可以看出，4種路由機制中，平均時延最小的是網絡狀態感知路由機制NSAR，其次是最短路徑轉發機制SPF，而隨機轉發機制RF與全轉發機制FF呈交替的狀態。NSAR在選擇路由路徑時是優先選擇轉發概率最大的端口進行轉發，而轉發概率的大小反映的是該路徑的網絡狀態的優劣，所以其內容請求平均時延最小；SPF選擇內容請求跳數最少的路徑進行轉發，跳數越少，時延疊加越少；FF將內容請求轉發至所有匹配端口，容易造成網絡擁塞，導致內容請求平均時延增大。RF從匹配端口中隨機選擇轉發端口，所以其內容請求平均時延存在波動，但總體比NSAR和SPF要大。由此看出NSAR可以降低內容請求平均時延。

圖5是對各路由機制的網絡中的流通分組數進行對比。從圖中可以看出，隨著平均分組到達速率的增加，4種路由機制的網絡流通分組數量均逐漸增大。這是因為隨著平均分組到達速率的增加，單位時間內到達網絡興趣分組數增多，導致網絡中流通分組數增加。對比分析可以看出，4種路由機制中，網絡流通分組數量從小到大依次為最短路徑轉發機制SPF、網絡狀態感知機制NSAR、隨機轉發機制RF、全轉發機制FF。SPF選擇跳數最少的路徑進行轉發，數據分組需要被轉發的次數最少，網絡中流通的分組數最少；NSAR選擇網絡狀態最優的路徑進行轉發，此路徑可能不是跳數最少的，而且NSAR還需要往轉發概率為NULL的端口及隨機探測端口轉發數據分組，故其網絡中流通的分組數比SPF大；RF選擇的路徑具有隨機性，但其選擇最短路由的概率還是較SPF和NSAR要小；FF需向所有匹配端口轉發興趣分組，故其網路中流通的數據分組數最多。由此看出NSAR的網絡流通分組數相對較少。

圖6是對各路由機制的帶寬開銷進行對比。從圖中可以看出，隨著用戶數量的增加，4種路由機制的網絡帶寬總開銷均逐漸增大，而當用戶數量達到一定時，帶寬開銷趨于平穩。這是因為網絡的鏈路帶寬是一定的，當用戶的總帶寬需求達到鏈路帶寬閾值時，帶寬開銷將趨于最大值。對比分析，4種路由策略的帶寬開銷從小到大依次為最短路徑轉發機制SPF、網絡感知路由機制NSAR、隨機轉發機制RF、全轉發機制FF。SPF選擇跳數最少的路徑進行轉發，占用的鏈路資源最少，帶寬開銷也最小；NSAR選擇網絡狀態最優的路徑進行轉發，此路徑可能不是跳數最少的，而且NSAR還需要往轉發概率為NULL的端口及隨機探測端口轉發數據分組，故其所占用的鏈路資源比SPF多，帶寬開銷比SPF大；RF選擇路徑具有隨機性，但占用的鏈路還是較SPF和NSAR要多；FF向所有匹配端口轉發興趣分組，占用鏈路資源最多，故其帶寬開銷最大。由此看出NSAR的帶寬開銷相對較小。

圖7是分析探測深度對網絡流通分組數及內容傳輸的總帶寬開銷的影響。實驗時，將用戶數設為15，平均分組到達速率為5個/秒。從圖中可以看出，隨著探測深度的增大，網絡中流通的分組數及網絡帶寬開銷均增加。這是由于探測深度的增大，每個路由節點需要選擇的轉發端口數增加，使網絡中流通的分組數增加，占用帶寬資源也增加，導致網絡帶寬開銷增大。但是探測深度的增加可以使路由機制NSAR對網絡狀態感知越仔細，對端口轉發概率的更新越準確，對路由的指導也越精確。所以可以根據路由機制的性能要求動態地調整探測深度以獲得符合服務要求的路由機制。

4 結束語

本文主要研究了CCN的路由機制，提出了一種基于網絡狀態感知的路由機制NSAR。NSAR利用從內容服務節點返回的數據分組收集網絡狀態信息，并在回傳過程中對路由節點上匹配端口的轉發概率進行更新。在端口轉發概率更新算法上，本文針對有無新增端口的FIB情況提出2種更新方案，當無新添加的轉發端口時，路由節點將按無新添加端口的更新算法對端口轉發概率進行更新，當有新添加的轉發端口時，節點將按有新添加端口的更新算法對端口轉發概率進行更新。當后續的興趣分組到達路由節點后，節點首先會將興趣分組往轉發概率最大的端口進行轉發，然后判斷是否有新添加的轉發端口，若有，則往該端口轉發興趣分組，隨后依據探測深度從剩余端口中隨機選擇若干個端口轉發興趣分組。仿真結果表明，與其他路由機制相比，NSAR可以在較低的網絡開銷下提供最優的轉發路徑。

由于探測深度對NSAR路由機制的性能有較大的影響，接下來的工作是探究探測深度與路由機制NSAR性能的相互關系，得到探測深度與路由性能的最優配比。同時NSAR未對網絡緩存[18,19]利用作過多考慮，所以接下的工作是將網絡緩存利用加入到路由機制中，并對該路由算法下的網絡緩存命中率及內容獲取代價作相關研究分析。

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Network status aware routing in content-centric network

CAI Yue-ping, LIU Jun

(College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China)

To improve the efficiency of content delivery and to reduce the network overhead of content centric network (CCN), a network status aware routing (NSAR) mechanism was proposed. NSAR utilized data packets from the content server nodes to collect network statuses. The forwarding probability of the matching ports of the nodes on the path would be updated according to the network statuses. The subsequent interest packet forwarding would be based on the updated forwarding probability. Therefore the content delivery efficiency would be improved. Simulation results show that NSAR can effectively reduce the average delay of content requests and the number of packets in network as well as the network bandwidth overhead compared with the traditional routing algorithm in CCN.

content-centric network, routing mechanism, network status, status aware, forwarding probability

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2016114

2015-08-07；

2015-12-23

國家自然科學基金資助項目（No.61301119）；教育部—中國移動科研基金資助項目（No.MCM20150102）；教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（No.20120191120025）；教育部留學歸國人員啟動基金資助項目（No.1020607820140002）

The National Natural Science Foundation of China (No.61301119), Joint Research Fund of Ministry of Education and China Mobile (No.MCM20150102), Research Fund of Young Scholars for the Doctoral Program of Ministry of Education (No.20120191120025), Research Fund for Returned Overseas Chinese Scholars of Education of Ministry (No.1020607820140002)

蔡岳平（1980-），男，江蘇丹陽人，重慶大學副教授、碩士生導師，主要研究方向為數據中心網絡、光通信網絡、未來互聯網等。

劉軍（1990-），男，江西遂川人，重慶大學碩士生，主要研究方向為內容中心網絡、軟件定義網絡等。