命名數據網絡中Sub/Pub模式仿真實驗研究

侯 睿，何柳婷 ，李 薇，張 嫣

(中南民族大學 計算機科學學院，武漢 430074)

隨著互聯網數據業務量爆炸式的增長，目前基于主機地址的資源尋址方式已經在向基于數據信息本身的資源共享方式轉變.信息中心網絡ICN(Information-centric Networking)以數據信息內容作為轉發和路由的依據，已成為未來互聯網的關鍵體系架構并受到世界各國的高度關注[1].命名數據網絡NDN(Named Data Networking)作為ICN典型的解決方案之一，具有分組耦合路由等特點，目前已從內容查找、緩存優化、網絡安全等方面進行了廣泛研究[2-4].目前NDN路由研究主要集中于借助智能算法給出優化路徑方面.

為了更實際地掌握NDN路由技術，本文在Linux環境下，利用Mini-ndn平臺設計并實現了NDN中基于分級命名的多場景數據路由仿真實驗，為NDN試驗床的架設提供了參考.

1 NDN數據命名和轉發

NDN采用類似URL的層次化結構來命名特定數據內容，采用符號“/”對名字進行層次劃分[5,6]，如google/icn/ndn.層次化結構既可以降低規范命名的工作量，也便于根據數據內容進行路由聚合以減輕網絡負荷，還能夠滿足移動性要求[7,8].

在NDN中，內容請求者(Subscriber)首先向NDN網絡發送interest包請求所需數據內容，interest包中含有所需數據內容的名字.NDN路由器收到interest包后，通過查詢內容存儲CS(Content Storage)，查找轉發數據庫FIB(Forwarding Interest Base)，記錄轉發待定表PIT(Pending Interest Table)等操作，將此interest包發送至內容發布者(Publisher).Publisher生成響應的data包，并將數據內容存于其中，沿原路將此data包回送至Subscriber，完成數據信息交互路由過程.具體請求響應過程如圖1所示.

圖1 Interest包請求和data包響應示意圖Fig.1 Schematic diagram of interest packets′ request and data packets′ response

2 NDN仿真實驗

為了對NDN基于層次化結構名稱的路由過程進行更切合實際的研究，本文利用Mini-ndn仿真平臺對NDN路由進行了仿真實驗[9]，結合仿真結果給出interest包在NDN中進行路由和轉發的機理，以及最優路徑的選取.

2.1 一對一通信仿真實驗

建立圖2所示NDN網絡拓撲，設定S1和P1分別為Subscriber和Publisher，R1-R3為NDN路由器并分別配置了相應的名稱前綴ndn/，ndn/p1-site和ndn/p1-site/p1.

圖2 一對一通信NDN實驗拓撲圖Fig.2 NDN network topology for point-to-point communication experiment

建立各NDN路由器中的FIB表，由于影響網絡傳輸速率的因素主要有帶寬、時延和丟包，所以不失一般性，設置如表1所示的一對一通信NDN具體初始化配置.

表1 一對一通信NDN初始拓撲配置情況Tab.1 Point-to-point communication initial topology configuration of NDN

在P1中開啟名為ndnpingserver的進程，同時在其FIB表設置一個名為/ndn/p1-site/p1的網絡前綴表項.之后，主機S1發送前綴為/ndn/p1-site/p1的interest請求包，因為在P1上開啟了相應的ndnping服務器，所以能對S1進行響應.在本次實驗中，設定主機S1分別發送1個和5個interest包，P1對所有的interest包皆進行了data響應，實驗結果顯示能夠ping通，實驗結果如圖3所示.

圖3 一對一通信實驗中節點P1對S1的interest包響應情況Fig.3 Node P1 responds to the interest packet of S1 in point-to-point communication experiment

實驗中，修改interest包從Subscriber到Publisher的時延為100 ms，丟包率為20%，帶寬不變.設定主機S1分別發送1個和5個interest包，節點P1對S1的interest包進行響應，得到實驗結果如圖4所示，不難看出隨著丟包率、時延的增加，網絡傳輸性能明顯下降.

圖4 修改配置后P1對S1發送的interest包進行響應Fig.4 Response of P1 to the interest packet of S1 after changing the configuration

由于修改此實驗參數對本文中的4個實驗具有類似的結果，所以本文只針對一對一通信仿真實驗對參數進行修改和說明，其余實驗在此不作詳細說明.

實驗中設定P1的FIB表中前綴為/ndn/p1-site/p1，此時讓S1發送5個前綴為/ndn/p1-site/s的interest包,實驗結果顯示不能ping通，見圖5.

2.2 一對多通信仿真實驗

建立圖6所示NDN網絡拓撲，為每個NDN路由器配置不同網絡前綴.圖6中，S1為Subscriber，P1、P2和P3為Publisher，R1-R5為NDN路由器.

圖6 一對多通信NDN實驗拓撲圖Fig.6 NDN network topology for point-to-multipoint communication experiment

初始化各NDN路由器中的FIB表，設置一對多通信NDN具體初始化配置如表2所示.

表2 一對多通信NDN初始拓撲配置情況

Tab.2 Point-to-multipoint communication initial topology configuration of NDN

連接時延/ms帶寬/(Mb/s)(S1,P1)(S1,P2)(S1,P3)10100

分別在P1、P2、P3中開啟ndnpingserver進程，并在P1、P2和P3的FIB中分別設置名為/ndn/p1-site/p1、/ndn/p2-site/p2和/ndn/p3-site/p3的網絡前綴表項.之后，在P1、P2和P3上分別開啟ndnping服務器，使Publisher能對Subscriber所發出的interest包進行data響應.本實驗中，讓Subscriber同時發送30個interest包，分別含有名字前綴/ndn/p1-site/p1、/ndn/p2-site/p2和/ndn/p3-site/p3，P1、P2、P3對收到的interest包分別進行data響應，實驗結果顯示能夠ping通，分別如圖7、圖8和圖9所示.

圖7 一對多通信實驗中P1對S1的interest包進行響應Fig.7 P1 responds to the interest packet of S1 in point-to- multipoint communication experiment

圖8 一對多通信實驗中P2對S1的interest包進行響應Fig.8 P2 responds to the interest packet of S1 in point-to- multipoint communication experiment

圖9 一對多通信實驗中P3對S1的interest包進行響應Fig.9 P3 responds to the interest packet of S1 in point-to- multipoint communication experiment

2.3 多對一通信仿真實驗

建立圖10所示NDN網絡拓撲，為每個NDN路由器配置不同網絡前綴.圖10中，S1、S2和S3為Subscriber，P1為Publisher，R1-R3為NDN路由器.

其次，初始化各NDN路由器中的FIB表，設置多對一通信NDN具體初始化配置如表3所示.

圖10 多對一通信NDN實驗拓撲圖 Fig.10 NDN network topology for multipoint-to-point communication experiment

連接時延/ms帶寬/(Mb/s)(S1,P1)(S2,P1)(S3,P1)10100

在P1中開啟ndnpingserver進程，實驗中，節點P1的FIB中設置名為/ndn/p1-site/p1的網絡前綴表項.在節點S1、S2、S3上分別發送前綴為/ndn/p1-site/p1的interest包.之后，在P1中開啟ndnping服務器，使Publisher能對Subscriber所發出的interest包進行data響應.本實驗中，3個Subscriber分別對P1發送了1個含有名字前綴/ndn/p1-site/p1 的interest包，P1對收到的interest包分別進行了data響應，實驗結果顯示能夠ping通，如圖11所示.

圖11 多對一通信實驗中節點P1對S1,S2,S3的interest包進行響應Fig.11 Node P1 responds to the interest packet of S1,S2,S3 in multipoint-to-point communication experiment

2.4 多對多通信仿真實驗

建立圖12所示NDN網絡拓撲，其中S1和S2為Subscriber，P1,P2,P3為Publisher，R1-R3為NDN路由器.

初始化R1-R3中的FIB表，設置多對多NDN具體初始化配置如表4所示.

圖12 多對多通信NDN實驗拓撲圖 Fig.12 NDN network topology for multipoint-to-multipoint communication experiment

連接時延/ms帶寬/(Mb/s)(S1,P1)(S1,P2)(S1,P3)10100(S2,P1)(S2,P2)(S2,P3)10100

分別在P1、P2、P3中開啟ndnpingserver進程并在其FIB中設置名為/ndn/p1-site/p1的網絡前綴，同時分別開啟ndnping服務器，使Publisher能對Subscriber所發出的interest包進行data響應.實驗中，S1對3個Publisher分別發送10個含有名字前綴/ndn/p1-site/p1的interest包，3個Publisher對收到的interest包分別進行了data響應，實驗結果顯示能夠ping通，并且S1對P1、P2、P3發送數據的接收時間分別為233.326，232.924，233.142 ms，如圖13、圖14、圖15所示.

圖13 多對多通信實驗中P1對請求方S1的interest包進行響應Fig.13 P1 responds to the interest packet of S1 in multipoint-to- multipoint communication experiment

同樣，節點S2分別對P1,P2,P3發送前綴為/ndn/p1-site/p1的interest請求.之后，在P1，P2，P3上分別開啟ndnping服務器，使Publisher能對Subscriber所發出的interest包進行data響應.本實驗中，讓S2對3個Publisher分別發送10個含有名字前綴/ndn/p1-site/p1的interest包，3個Publisher對收到的interest包分別進行了data響應，實驗結果顯示能夠ping通，并且S2對P1，P2，P3發送數據的接收時間分別為234.999，230.124，229.016 ms.

圖14 多對多通信實驗中P2對請求方S1的interest包進行響應Fig.14 P2 responds to the interest packet of S1 in multipoint-to-multipoint communication experiment

圖15 多對多通信實驗中P3對請求方S1的interest包進行響應Fig.15 P3 responds to the interest packet of S1 in multipoint-to-multipoint communication experiment

3 結論

NDN作為ICN中最具代表性的解決方案之一，被認為在下一代互聯網體系結構的研究中最具可行性.本文通過對NDN網絡多種情形下的路由方式進行了系統性仿真實驗，對NDN中的Subscriber/Publisher交互過程、結構化數據命名規則、interest包在NDN路由器中的CS查找、PIT處理和FIB轉發等過程，以及data包響應過程有了更直觀的認識.結果表明：在路徑相同的情況下，相同Subscriber對不同Publisher的數據接收時延也不盡相同，今后可在統計分析的基礎上，獲取時延統計特性以選取最佳路徑.