基于POF-ICN架構的新移動性體系①

趙光遠,王 雷,方盛宇

(中國科學技術大學 信息科學技術學院,合肥 230027)

隨著移動互聯網的迅猛發展,移動流量飛速增長給當前網絡的承載能力帶來巨大挑戰[1].然而,傳統的基于IP的路由方式與現在以信息為中心的服務需求明顯不匹配[2],所以研究新型網絡架構以適應當前網絡狀況十分必要.

本研究中提出的信息中心網絡(Information Centric Networking,ICN)是一種關注于信息本身的新型網絡架構,網絡內路由通過內容名實現.與傳統IP網絡相比,ICN在內容分發、安全性和移動性方面有著天然的優勢[2,3].軟件定義網絡 (Software Defined Network,SDN)[4]將控制平面與轉發平面分離,在控制平面用戶可以擴展協議,而協議無感知轉發(Protocol Oblivious Forwarding,POF)技術[5]則是基于 SDN 的一個擴展,支持自定義協議.SDN和POF的提出使ICN的實現成為可能.但如何構建ICN網絡還未有定論,在移動性方面的研究則更加屈指可數:Zhang提出移動優先網絡[6](MobilityFirst),然而該方案不能保證生產者發生移動時當前業務的連續性.Ahlgren 提出 NetInf架構[7],其使用名稱解析服務 (Name Resolution,NR)來實現 ICN:生產者將內容和地址發布到相應NR服務器中,消費者通過NR來獲取所需內容.對于該方案,名稱解析的速度是實現生產者移動的性能瓶頸之一.Lagutin提出PSIRP架構[8]:采用發布/訂閱的方式,生產者發布內容,消費者通過對應的應用標識符進行訂閱.實現消費者移動可以通過重訂閱,但是無法實現生產者移動.NDN架構[9]通過鏈路狀態協議進行路由,該架構的移動性研究主要有:設置移動錨點[10,11],但其會導致三角路由問題;更新轉發信息表(Forwarding Information Base,FIB)[12,13],但實現方案過于復雜,且有額外的流量開銷;地址解析服務[14],然而該方案在移動性方面沒有任何服務質量的保障.目前的ICN研究中并沒有一種理想的移動性方案.

本研究以ICN和POF為基礎,擬建立一種全新的ICN移動性支持體系,結合控制平面的計算能力協同移動管理模塊來實現網絡中的移動支持性.與以往的研究相比,本研究充分利用了ICN將地址與內容解耦,控制與數據轉發分離的特性,能夠簡潔高效地實現生產者和消費者之間的移動性支持,同時還能確保足夠低的丟包率與移動切換時延.

1 基于 POF-ICN 的移動性支持方案

1.1 POF-ICN架構

圖1為POF-ICN架構,采用SDN的思想分離出轉發平面和控制平面,控制平面與控制器的北向接口通信,提供管理服務.控制器的南向接口則與數據平面通信控制數據的轉發.控制器已知全網拓撲結構.

圖1 POF-ICN 架構

命名方案:層次化的人類可讀名字(Hierarchical Human Readable Name,H-HRN,以下簡稱 HRN)與扁平化的自驗證全局唯一標識符(Flat Self-certified Entitiy Unique IDentity,FS-EUID,以下簡稱 EUID)相結合.

全局名稱解析服務 (Global Name Certification,id Assignment and Resolution service,GNCAR):NA(Network Address)表示POF-ICN實體所在的位置.GNCAR可以將HRN與EUID,EUID與NA綁定,同時可以完成EUID到NA的解析服務.考慮到移動性,將EUID和NA作動態綁定,即發生移動時網絡設備會向GNCAR發送注冊信息,GNCAR查詢并更新對應綁定關系.

路由過程:① 獲取NA:消費者請求名稱解析服務獲取目標 NA;② 域間路由:根據域間/域內路由協議將請求報文轉發到目標網絡域;③ 域內路由:控制器根據網絡狀況合理規劃轉發路徑并下發流表,POF交換機根據流表轉發請求報文到生產者.

1.2 基于POF-ICN的移動性支持

POF-ICN中通過移動管理模塊(Mobility Management Entity,MME)、會話管理模塊 (Session Management,SM)與控制器相互協作實現移動性支持.MME對移動用戶進行檢測定位、重定位與帶寬分配.SM維護邏輯連接、保證業務連續性與會話質量,同時定期與MME和控制器進行交互獲取業務雙方的移動狀態信息.控制器根據SM反饋信息按需的重新規劃路徑.

1.2.1 會話管理 SM

POF-ICN網絡中,為維護邏輯連接、保證業務連續性及會話質量,需根據不同終端屬性、用戶類別和業務特征等配置會話和傳輸參數,實現按需的會話管理.需要會話管理的業務主要包括語音通信類業務和多宿主傳輸業務等.

會話管理模塊是軟件模塊,部署在控制面,其主要功能是注冊和管理會話、對會話狀態進行監測及對會話參數進行計算與配置.

1.2.2 消費者移動性支持

POF-ICN架構下消費者移動如圖2所示,消費者切換接入點 (Access Point,AP)后再次發出請求,交換機將請求報文轉發給控制器,控制器重新規劃路徑并下發流表.

圖2 消費者移動

上述流程中的控制器重新規劃路徑階段可能會有請求報文丟失,所以路徑規劃時間會影響移動過程中業務可靠性與連續性.我們將移動切換延遲定義為設備發生切換前接收到最后一個數據包與發生切換后接收到第一個數據包的時間間隔,則消費者移動切換總時延為t1+t3+2×RTT,丟包數量為 (t1+t3+2×RTT)×request_rate,RTT為鏈路平均往返時延.因此在基于POFICN的移動性支持系統中還實現了對路徑的提前規劃,以提高服務質量.由于提前規劃路徑必須記錄業務相關信息,其只能應用于會話業務中,協同SM來實現,過程為:① SM定期向MME查詢消費者連接狀態;②MME監測消費者連接狀態,若預測到消費者將發生移動,SM查詢時MME會報告該消費者可能接入的下一個接入點(AP);③ SM會將該會話業務的相關會話信息、下次可能接入的接入點(AP)和對應生產者的接入點(AP)發送至控制器;④ 控制器在這兩個接入點(AP)之間規劃新的路徑提前下發流表.當消費者發生預期移動后,可以按照已規劃好的路徑直接進行當前會話.

1.2.3 生產者移動性支持

在POF-ICN中,生產者會周期性公告內容信息,當生產者發生移動切換后會向GNCAR重新注冊內容信息,控制器收到向該生產者的請求報文后會重新規劃路徑將其轉發到生產者新的位置.生產者移動切換流程為:① 生產者重新接入新的AP,向GNCAR注冊接入的位置.② 生產者公告其所擁有的內容,控制器將其內容信息轉發給會話管理模塊SM,SM更新對應的會話信息并將結果反饋給控制器.③ 控制器根據得到的會話信息對相應會話進行重新路徑規劃并下發流表.④ 切換成功后控制器向交換機發起刪除相關會話失效流表的操作.

流程圖(圖3)中t3代表生產者公告周期,不同內容的公告周期與其所公告的內容相關.對單個業務的生產者移動切換總時延為t1+t2+t3+t4+2×RTT.定義生產者移動切換時延為生產者所有業務的平均切換時延,生產者移動切換時延如式(1)所示,S表示生產者的業務數量.

圖3 生產者移動

式(2)表示平均丟包數量:

對于有服務質量保障需求并屬于會話類的業務,控制器可以在生產者移動前提前為業務規劃路徑.主要流程與消費者移動支持的相關流程相似,皆可通過MME對生產者進行移動預測、通過SM查詢進行中的相關會話及通過控制器提前規劃路徑.兩者的區別在于生產者可能包含大量業務,提前規劃路徑需要對每一個相關的會話業務都重新規劃其路徑,會占用更多的網絡資源.

2 實驗驗證

2.1 實驗環境

本實驗基于POX控制器與POF交換機,通過使用libpcap來實現生產者與消費者.

Libpcap是一種基于Unix的開源庫,支持在網卡處抓取、處理和發送報文,并且支持自定義報文格式.

由于在實驗中沒有涉及跨域移動性支持的實驗研究,可以直接在控制器上增加GNCAR維護的注冊與名稱解析功能來合理的簡化系統.圖4為本實驗中使用的公告包、興趣包和數據包格式.

圖4 公告包、興趣包和數據包

2.2 消費者移動性支持實驗

圖5(a)為消費者移動實驗拓撲,消費者位于s1上,生產者位于s4上,切換消費者轉發端口模擬移動.

實驗步驟:① 啟動交換機和控制器,完成拓撲發現;② 生產者發送內容“test_content”的公告包;③ 消費者發起請求,切換收發數據端口模擬消費者移動,然后重新發送請求;④ 記錄相關信息.

我們定義單次請求響應率 DRSR (Data Ratio by a Single Request):在沒有重傳機制下移動設備接收到的數據包與發起的請求數量比值,如式(3):

實驗首先驗證了在POF-ICN下采用本研究所提出的工作流程可以成功實現消費者移動性支持.通過觀察s1上eth2與eth3的流量情況,可以看出消費者切換轉發端口后eth2與eth3上流量發生了改變,表明消費者成功切換.除此之外,我們還比較了在有和無提前規劃路徑情況下的DRSR.實驗結果顯示,在沒有重傳機制,網絡狀況良好的情況下,發送相同的興趣包,提前規劃路徑可以得到更多的響應數據(在網絡狀況良好的情況下DRSR接近100%),而無提前規劃路徑情況下的DRSR則低于90%.此研究中提前規劃路徑情況下的DRSR接近100%,可能因為實驗中網絡環境過于理想.

圖5 移動實驗拓撲

通過生產者延遲發送數據模擬鏈路擁塞狀況,圖6為不同時延下DRSR的值,橫坐標為生產者發送數據的延遲時間,縱坐標為DRSR,可以看出隨著生產者發送時延增加DRSR的值逐漸下降:在提前規劃路徑的情況下,延遲時間為 5 ms時DRSR為 93%,10 ms情況下為 87%,20 ms 情況下為 78%.當路徑規劃延遲為10 ms 的情況下,延遲時間為 5 ms 時DRSR為 83%,10 ms 情況下為 77%,20 ms 情況下為 66%.當路徑規劃延遲為 50 ms 的情況下,延遲時間為 5 ms 時DRSR為 43%,10 ms情況下為 36%,20 ms情況下為 25%.

2.3 消費者移動仿真實驗

由于物理實驗規模有限,通過仿真實驗來模擬復雜網絡拓撲下消費者移動情況.各模塊設置為:

1)生產者模塊:生產者收到興趣包進行解析,將所請求的信息與對應的時間戳構造數據包并進行轉發.

2)消費者模塊:為請求者設置簡單的重傳機制:請求者在一定時間內未收到響應便會請求重傳.重傳時間模擬當前TCP中使用的重傳機制,即根據每次得到的報文段取樣得到報文段的樣本RTT (sample RTT),根據樣本確定重傳時延.取樣操作可采用固定時間間隔.因為網絡狀況的波動,所以對于任何給定的樣本RTT都是非典型的,因此要取得典型的RTT,需要對其進行指數加權移動平均 (EWMA):estimated RTT=(1-α)×estimated RTT+α×sample RTT,設α的值為0.125.因為越近的樣本所反映出的網絡狀況越接近當前網絡狀況,給最近的樣本較大的權值.定義RTT偏差devRTT,用于估算sample RTT偏離estimated RTT的程度:devRTT=(1-β)×devRTT+β×|sample RTT-estimated RTT|,其中devRTT是sample RTT和estimated RTT之差的指數加權移動平均,如果sample RTT的波動小,那么devRTT的波動便會小.第一次的devRTT=1/2(sample RTT),以后可按公式來計算,β取 0.25.

3)交換機模塊:交換機模塊維護待轉發報文隊列并完成流表匹配.接收到請求報文后,交換機模塊更新其時間戳并且根據該請求是否匹配流表來處理請求:如果匹配,將請求直接進行轉發,否則將其轉發給控制器.此外,交換機模塊會刪除長期未匹配的失效流表.

4)控制器模塊:控制器使用分支限界法來進行路徑規劃并向交換機下發對應流表.為了模擬真實網絡中控制器規劃路徑的時間,設置其“規劃路徑時延”為某一范圍內的隨機數,該范圍取 30 ms到 50 ms.

圖6 鏈路“擁塞”與消費者移動

圖7為消費者移動仿真實驗拓撲圖,模擬消費者從1經過2、3、4、5最終移動并接入到6節點的具體過程.我們定義請求響應率為消費者接收到的數據包數量與其發送的請求的比值.通過請求響應率來分析實驗結果.

圖7 消費者移動仿真拓撲

實驗結果如圖8所示,橫坐標為節點,縱坐標為對應節點的請求響應率.我們定義點i的請求響應率為消費者從接入點i到接入點i+1后經過固定時間間隔的平均請求響應率,消費者移動后的重新規劃路徑階段發送了較多的請求,所以請求響應率會有所下降(對每個接入點其請求響應率都下降10%左右).

圖8 請求響應率變化

2.4 生產者移動性支持實驗

如前文圖5(b)所示,生產者在s4上通過切換網卡來模擬生產者移動,消費者在s1上請求數據.

生產者移動性支持實驗首先驗證了在POF-ICN下采用本研究所提出的工作流程可以成功實現生產者移動性支持:在生產者移動前后,消費者皆可以正常得到所請求的數據.此外,實驗還比較了無和有提前規劃路徑情況下對生產者移動所產生的影響,圖9顯示的是無和有提前規劃路徑情況下對生產者移動的影響,橫坐標表示路徑規劃延遲,縱坐標表示消費者的請求響應率,無提前規劃路徑情況下路徑規劃延遲為10 ms時消費者的DRSR為88%,路徑規劃延遲為50 ms時消費者的DRSR為73%,有提前規劃路徑情況下消費者的DRSR為99%.數據表明,有提前規劃路徑情況下消費者的DRSR明顯高于無提前規劃路徑情況下消費者的DRSR.

圖9 路徑規劃延遲與請求響應率

在該實驗中生產者切換端口時會立刻重新進行內容公告.圖10表示公告周期對DRSR的影響,橫坐標表示公告周期,縱坐標表示DRSR.從圖中可以看出,在沒有提前規劃路徑的情況下公告周期越長DRSR越低,當路徑規劃延遲為10 ms時公告延遲為2 ms的DRSR(85%)比公告延遲為 10 ms的DRSR(78%)高 7%,當路徑規劃延遲為50 ms時公告延遲為2 ms的DRSR(71%)比公告延遲為 10 ms的DRSR(63%)高 8%,因為路徑規劃時必須有生產者位置及其公告的業務信息,而提前規劃路徑時生產者在重新接入時會直接收到消費者的請求并響應,因此沒有受到公告周期的影響.

圖10 公告周期與響應率

3 結論與展望

本文基于POF與ICN融合架構,分別研究了對于消費者和生產者的移動性支持機制并且進行了相關驗證,實驗證明了本研究所提方案的可行性,同時表明提前規劃路徑能夠有效減少丟包率.為了減少移動過程中的延遲與丟包,對于端到端的實時會話還提出了在控制平面分離出會話管理模塊的方案,未來工作中將會細化控制平面分離出會話管理模塊方案并進行進一步的實驗驗證,實現對會話類業務的監測和管理,對減少移動過程中的延遲與丟包,實現無縫移動提供有價值的理論和實驗依據.