基于SDN具有緩存感知的NDN節(jié)點擁塞控制策略

劉開華，侯雅俊，李?卓, 3，宮霄霖，羅?蓬

基于SDN具有緩存感知的NDN節(jié)點擁塞控制策略

劉開華1, 2，侯雅俊1, 2，李?卓1, 2, 3，宮霄霖1, 2，羅?蓬4

(1. 天津大學(xué)微電子學(xué)院，天津 300072；2. 天津市成像與感知微電子技術(shù)重點實驗室，天津 300072；3. 鵬城實驗室，深圳 518000；4. 國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)(named data networking，NDN)作為一種新型的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，旨在應(yīng)對日益增長的數(shù)據(jù)流量．然而，隨著用戶需求進一步增長，擁塞控制對于多路徑傳輸?shù)拿麛?shù)據(jù)網(wǎng)仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，亟需一種能夠快速地檢測網(wǎng)絡(luò)擁塞和有效地管理網(wǎng)絡(luò)資源的擁塞控制機制．針對這一問題，提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的、具有緩存感知功能的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)節(jié)點擁塞控制策略，稱BCMCC．首先，介紹了BCMCC的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)．利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)平面解耦合技術(shù)，該架構(gòu)將擁塞控制功能集中于SDN控制器中，以實現(xiàn)集中式節(jié)點擁塞控制、降低節(jié)點運行負(fù)荷的目的．其次，基于新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，研究了BCMCC的緩存感知算法和多路徑選擇擁塞控制算法．其中，緩存感知算法實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)緩存內(nèi)容的感知以及緩存內(nèi)容全局流行度的計算，能夠利用命名數(shù)據(jù)網(wǎng)的節(jié)點緩存特性，降低緩存內(nèi)容對擁塞控制的影響；多路徑選擇擁塞控制算法協(xié)同節(jié)點更新轉(zhuǎn)發(fā)端口信息以實現(xiàn)流量遷移、智能化管理多路徑容量，達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率、有效避免和緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的．最后，在ndnSIM仿真平臺進行BCMCC的性能測試．實驗結(jié)果表明，BCMCC在丟包量、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及傳輸時延等方面優(yōu)于Best-Route算法、NCC算法和Random算法．在網(wǎng)絡(luò)流量相同的情況下，BCMCC平均傳輸時延比Random低14.16%，比NCC低22.68%，比Best-Route低17.24%，同時相比Best-Route具有更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)吞吐量．BCMCC可以有效解決命名數(shù)據(jù)網(wǎng)擁塞問題．

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)；緩存感知；多路徑選擇；擁塞控制；軟件定義網(wǎng)絡(luò)

隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主體由資源共享逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shù)據(jù)內(nèi)容的獲取與分發(fā)，傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)存在的一些固有問題日漸顯露，特別是在可擴展性、靈活性、移動性等方面顯現(xiàn)出較低的適應(yīng)性[1-2]．在這種情況下，面向數(shù)據(jù)內(nèi)容、支持多源多路徑內(nèi)容檢索的新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)——命名數(shù)據(jù)網(wǎng)(named data networking，NDN)[3-4]一經(jīng)提出便吸引眾多研究人員的關(guān)注．

與傳統(tǒng)TCP/IP通信模式不同，NDN的請求端通過發(fā)送包含數(shù)據(jù)名稱的興趣包，從網(wǎng)絡(luò)中“拉”取與興趣包對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容．這種通信模式使得NDN具有多路徑內(nèi)容檢索和流量自平衡的傳輸特點，實現(xiàn)了更為高效的數(shù)據(jù)傳輸．然而，面對用戶突發(fā)大量內(nèi)容請求的壓力或者當(dāng)用戶突發(fā)大量請求時，即使實現(xiàn)流量自平衡的NDN也不能有效避免擁塞的發(fā)生．因此，作為保證網(wǎng)絡(luò)高效、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵因素，擁塞控制是目前NDN重要研究問題之一[5]．

現(xiàn)存的TCP/IP擁塞控制機制主要依賴于請求端根據(jù)過數(shù)據(jù)往返時間(round-trip time，RTT)調(diào)整發(fā)送窗口，以緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞．而NDN多路徑內(nèi)容檢索特性使數(shù)據(jù)包擁有不同的傳輸時延，導(dǎo)致請求端無法區(qū)分信息來源以啟動正確的超時重傳機制(retransmission timeout，RTO)．因此，基于RTT的TCP/IP擁塞控制機制不適用于NDN[6]，需要專門為NDN設(shè)計新的、有效的擁塞控制機制．

針對NDN的傳輸特性，目前學(xué)術(shù)界提出了基于中間節(jié)點的擁塞控制機制．根據(jù)控制方式不同，其被劃分為基于興趣包速率調(diào)整的擁塞控制策略和基于多路徑轉(zhuǎn)發(fā)的擁塞控制策略．基于興趣包速率調(diào)整的擁塞控制策略[7-13]主要是節(jié)點通過控制轉(zhuǎn)發(fā)請求表(pending interest table，PIT)調(diào)整興趣包轉(zhuǎn)發(fā)速率，以調(diào)整返回的數(shù)據(jù)包速率，實現(xiàn)緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的目的．然而，該類方案在節(jié)點處進行復(fù)雜的擁塞檢測及速率調(diào)整會增加算法設(shè)計難度，開銷巨大且會受到節(jié)點資源的限制．同時，通過速率調(diào)整的方案極大可能造成節(jié)點流量累積，加劇網(wǎng)絡(luò)擁塞．為避免流量累積造成的嚴(yán)重?fù)砣?，基于多路徑轉(zhuǎn)發(fā)的擁塞控制策略[14-15]通過控制維持多個可用端口信息的轉(zhuǎn)發(fā)信息表(forwarding information base，F(xiàn)IB)，將擁塞鏈路中的部分流量轉(zhuǎn)移到其他可用鏈路以緩解擁塞．但由于NDN節(jié)點間的相對獨立性，該類方案無法預(yù)測網(wǎng)絡(luò)的流量分布，使得節(jié)點控制難以實現(xiàn)長期的路徑選擇效益，同時還可能在其他鏈路中引入擁塞．

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software-defined network，SDN)[16]作為一種創(chuàng)新性技術(shù)，它將網(wǎng)絡(luò)控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能解耦合，形成邏輯集中的控制平面和負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)平面．其邏輯集中的管理功能實現(xiàn)了全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的獲取和動態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化，為擁塞控制帶來巨大優(yōu)勢．

因此，本文采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了基于SDN的具有緩存感知的NDN節(jié)點擁塞控制策略．首先，針對結(jié)合SDN與NDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及控制器功能模塊進行介紹．其次，基于該架構(gòu)，本文對緩存感知的多路徑選擇擁塞控制策略(BCMCC)進行設(shè)計．BCMCC利用SDN控制器提出緩存定位算法，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)緩存感知．并且，BCMCC提出多路徑選擇擁塞控制算法，該算法利用SDN控制器獲取的網(wǎng)絡(luò)全局實時節(jié)點信息與節(jié)點協(xié)同控制，能夠有效避免替換路徑的擁塞，提高了鏈路利用率．

1?BCMCC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

本文提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示．該架構(gòu)主要由NDN節(jié)點和SDN控制器兩個網(wǎng)絡(luò)元素組成．

圖1?網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型

其中，為了保持NDN自身的傳輸特性，本架構(gòu)保留NDN節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)．

SDN控制器主要由多個功能模塊組成，包括拓?fù)涔芾砟K、全局信息緩存模塊、緩存管理模塊和負(fù)責(zé)協(xié)同節(jié)點擁塞控制的多路徑選擇模塊．其中，拓?fù)涔芾砟K負(fù)責(zé)管理全局拓?fù)渲械乃新酚晒?jié)點和鏈路；全局信息緩存模塊用于存儲控制器周期性地向NDN節(jié)點發(fā)送查詢請求獲得的本地信息(節(jié)點的鏈路信息等)；緩存管理模塊接收節(jié)點緩存信息；多路徑選擇模塊計算出節(jié)點各個端口的成本，用以指導(dǎo)節(jié)點對流量的轉(zhuǎn)發(fā)及管理．同時，邏輯集中的SDN控制器作為核心部分，與NDN節(jié)點進行信息交互．

2?BCMCC方案設(shè)計

BCMCC方案主要包括基于SDN的緩存感知算法、網(wǎng)絡(luò)擁塞檢測和基于SDN的多路徑轉(zhuǎn)發(fā)擁塞控制算法．

2.1?基于SDN的緩存感知算法

其次，SDN控制器會將收集的節(jié)點緩存信息維護在緩存管理模塊中，以感知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的緩存信息．同時，SDN控制器的緩存管理模塊將計算緩存信息的全局內(nèi)容流行度．

全局內(nèi)容流行度是指SDN集中控制域內(nèi)所有用戶請求內(nèi)容的流行度，能夠表明該數(shù)據(jù)內(nèi)容的需求度．SDN的緩存管理模塊通過周期性地從邊緣節(jié)點(與請求端直接相連的節(jié)點)收集請求信息以計算內(nèi)容的全局流行度．內(nèi)容全局流行度計算公式為

表1?緩存信息統(tǒng)計

Tab.1?Cache information statistics

2.2?網(wǎng)絡(luò)擁塞檢測

Nichols等[17]指出檢測擁堵最可靠的地方是在發(fā)生擁塞的鏈路上．因此，為了能夠直接及時地反映網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，BCMCC將鏈路利用率作為判斷網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生擁塞的參數(shù)．鏈路利用率計算公式為

2.3?基于SDN的多路徑選擇擁塞控制算法

基于SDN的多路徑選擇擁塞控制算法協(xié)同中間節(jié)點實現(xiàn)基于全局緩存信息以及全局節(jié)點信息的路徑更新選擇，以緩解上游擁塞、保證網(wǎng)絡(luò)傳輸性能. BCMCC多路徑選擇擁塞控制的過程步驟如下．

步驟1 定位擁塞鏈路：接收到擁塞信號，SDN控制器解析擁塞信號并定位擁塞鏈路及節(jié)點．

步驟2獲取待操作內(nèi)容：SDN控制器將查詢到的擁塞節(jié)點FIB表條目信息與緩存管理模塊信息進行匹配，選擇待操作的內(nèi)容前綴組．

步驟3定位分流節(jié)點：SDN控制器調(diào)用拓?fù)涔芾砟K遍歷擁塞路徑下游節(jié)點，直至遍歷到具有多個可用端口的節(jié)點，選定其為分流節(jié)點．

步驟4端口成本計算：SDN控制器多路徑選擇模塊調(diào)用全局信息緩存模塊，計算分流節(jié)點的端口?成本．

步驟5信息下發(fā)：SDN控制器將計算后的信息下發(fā)至分流節(jié)點，更新其端口信息．

SDN控制器使用全局信息來進行端口成本計算以協(xié)同節(jié)點進行路徑選擇，而不是采用將擁塞鏈路上的流量直接從轉(zhuǎn)發(fā)表次優(yōu)端口進行轉(zhuǎn)發(fā)，可以避免造成新的鏈路擁塞．

基于全局信息的端口成本計算公式為

3?實驗仿真

本節(jié)將BCMCC在6核處理器、8GB內(nèi)存的Ubuntu 20.04環(huán)境下的ndnSIM 2.6[18]中進行性能評估．在丟包率、時延和吞吐量等方面，與ndnSIM中帶有擁塞控制的轉(zhuǎn)發(fā)策略Best-Route、Random、NCC進行比較，以評估BCMCC的性能．

3.1?仿真實驗設(shè)置

用于仿真實驗的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?節(jié)點組成，如圖2所示．其中C1、C2和C3作為網(wǎng)絡(luò)中的請求端將向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送請求．請求端與接入節(jié)點R1之間的鏈路帶寬為10Mb/s，并且有著相同的延遲(10ms)．P1和P2作為網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容源，提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容．每個內(nèi)容源與節(jié)點R2之間的鏈路帶寬為50Mb/s，并且有著相同的延遲(1ms)．中間節(jié)點間的鏈路設(shè)置信息如表2所示．

作為內(nèi)容生產(chǎn)源，P1中的數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱為/data/0、/data/1和/data/2；P2中的數(shù)據(jù)內(nèi)容名稱為/data/2和/data/3．作為內(nèi)容請求者，C1在＝0s、1s、2s時分別請求 /data/0、/data/1、/data/2，C2在＝2.5s、3.5s時分別請求/data/2、/data/3，C3在＝2s時請求 /data/2．R1將按照內(nèi)容流行度對數(shù)據(jù)內(nèi)容進行緩存．

圖2?實驗網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

表2?鏈路設(shè)置信息

Tab.2?Link setting information

3.2?實驗結(jié)果與分析

3.2.1?丟包數(shù)量

丟包數(shù)量表示隨機丟棄數(shù)據(jù)包的個數(shù)．當(dāng)某一時刻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包超過該節(jié)點的處理能力時，即接收的數(shù)據(jù)包超出隊列長度閾值，將會對數(shù)據(jù)包隨機丟棄以緩解節(jié)點壓力．

仿真實驗中，通過記錄丟包數(shù)量評估擁塞控制算法的穩(wěn)定性．在NDN中，Data包往往遠(yuǎn)大于Interest包，是引起丟包的主要因素．因此，選取在拓?fù)鋱D中直接連接內(nèi)容源的R2作為觀測點，節(jié)點R2隨著鏈路流量增大的丟包數(shù)量如圖3所示．

圖3?R2丟包數(shù)量比較

其中NCC的穩(wěn)定性最差，＝3.5s時開始出現(xiàn)丟包現(xiàn)象．這是因為NCC依據(jù)端口時延選擇轉(zhuǎn)發(fā)端口，相比以丟包和鏈路流量作為選擇參數(shù)的其他3種對比方案，該方案具有延遲性，對于網(wǎng)絡(luò)擁塞的反應(yīng)最為遲緩．＝7.5s時，由于R1-R3-R2相比R1-R2時延較小，遷移至R1-R3-R2的流量增多，此時出現(xiàn)丟包減小的趨勢.但在總的網(wǎng)絡(luò)流量不變的前提下，隨著R1-R3-R2路徑流量的增多會再次出現(xiàn)擁塞，產(chǎn)生與＝4s之后同樣的現(xiàn)象．

Best-Route的穩(wěn)定性較好于NCC．＝9.5s時，網(wǎng)絡(luò)開始出現(xiàn)丟包并且丟包量持續(xù)在90附近．說明隨著網(wǎng)絡(luò)流量的增多，Best-Route將無法緩解鏈路擁塞甚至?xí)绊懹脩臬@取數(shù)據(jù)的能力．一旦發(fā)生持續(xù)性的流量過載，網(wǎng)絡(luò)將陷入崩潰，從而大量的Data包被丟棄．

Random與BCMCC的丟包量為0．Random在轉(zhuǎn)發(fā)過程中將Interest包分比例地從可用端口中轉(zhuǎn)發(fā)出去，因此在此情景之中，其丟包量為0．BCMCC利用鏈路信息能夠及時準(zhǔn)確檢測出網(wǎng)絡(luò)擁塞情況，并且利用SDN控制器協(xié)同節(jié)點進行多路徑轉(zhuǎn)發(fā)，有效地緩解了鏈路的擁塞情況．

3.2.2?傳輸時延

傳輸時延是指內(nèi)容請求者從發(fā)出第1個Interest包到接收該內(nèi)容Data包之間的時間間隔．在請求內(nèi)容以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)相同的情況下，完成傳輸所需的時間越短，表示擁塞算法的效率越高，網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能越好．本節(jié)將分析不同方案下C1、C2和C3的傳輸時延，實驗結(jié)果如圖4所示．

如圖4(a)所示，在實驗前期，因R2緩存的數(shù)據(jù)副本滿足C2發(fā)送的內(nèi)容請求，Best-Route方案能夠使得C2的傳輸時延維持在0.02～0.04s之間．在＝9s后，C1和C2的傳輸性能直線下降，其傳輸時延劇烈變化最高為0.325，C3的傳輸時延增加至0.07s左右．這是由于網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞，節(jié)點將部分流量從R1-R2轉(zhuǎn)移至R1-R3-R2．但此時R1-R2中的數(shù)據(jù)仍然超過處理能力范圍，從而出現(xiàn)丟包情況，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸時延猛增．

圖4(b)所示，與Best-Route相比，在＝9s前NCC的擁塞控制效果較差．該時間內(nèi)，NCC出現(xiàn)由于節(jié)點丟棄超出處理能力范圍的數(shù)據(jù)包，C1和C2傳輸時延超出0.12s．但在＝9s后，NCC選擇最小時延的端口轉(zhuǎn)發(fā)Interest包．因此實驗結(jié)果表明NCC方案優(yōu)于Best-Route，C1、C2和C3的時延整體低于Best-Route，維持在低于0.25s的水平．這是因為在＝9s后，Best-Route與NCC同樣出現(xiàn)丟包現(xiàn)象．但是NCC丟包量略低于Best-Route．

Random實驗結(jié)果如圖4(c)所示，整體時延在0.04～0.07s之間波動．由于Random直接將Interest包分比例通過可用端口轉(zhuǎn)發(fā)，因此相比Best-Route與NCC，Random的傳輸時延整體較低．受緩存的影響，C2的傳輸時延部分為0.02s．未被滿足的數(shù)據(jù)內(nèi)容因等比例在R1-R2和R1-R3-R2中傳輸，C1和C2傳輸時延符合設(shè)定的鏈路時延，在0.040～0.075s之間跳動．

BCMCC在擁塞控制時考慮到內(nèi)容緩存以及內(nèi)容流行度，能夠保持內(nèi)容在最佳路徑中傳輸，因此圖4(d)中，C2和C3的傳輸時延為0.04s，C1的傳輸時延在0.04～0.07s之間波動．同時，由于C2的請求部分被R1滿足，因此在3.75～8.75s時間段內(nèi)C2的傳輸時延為0.02s．

3.2.3?網(wǎng)絡(luò)吞吐量

吞吐量是指在單位時間內(nèi)通過某個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量．在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)一定的情況下，單位時間內(nèi)通過的數(shù)據(jù)量越多表明擁塞控制算法的傳輸效率越高，網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)的能力越強．

本節(jié)分別考慮到網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量以及節(jié)點端口吞吐量兩個指標(biāo)．前者一定程度上可以反映出擁塞算法的有效性，后者可以反映出擁塞算法對于流量控制的能力．

網(wǎng)絡(luò)整體吞吐量實驗結(jié)果如圖5所示．可以看出，Best-Route和NCC方案在＝8s后受到丟包影響，相比其他方案的吞吐量較低．其中NCC的總吞吐量不穩(wěn)定，呈現(xiàn)上下波動的情況．這是因為在NDN中，Data包往往遠(yuǎn)大于Interest包，且一個Interest包對應(yīng)一個Data包．?dāng)?shù)量較多的Interest包涌入網(wǎng)絡(luò)，促使大量的Data包返回超出R2的隊列閾值．這使得數(shù)據(jù)包被丟棄，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)吞吐量整體下降．從實驗結(jié)果可以看出，完成網(wǎng)絡(luò)正常傳輸?shù)腞andom和BCMCC兩者整體吞吐量穩(wěn)定在實驗設(shè)定網(wǎng)絡(luò)吞吐量的水平．

圖5?網(wǎng)絡(luò)總吞吐量比較

節(jié)點端口吞吐量的對比實驗中，選取了拓?fù)鋱D中維護多個轉(zhuǎn)發(fā)端口的R1作為實驗分析對象．節(jié)點端口吞吐量的差異可以分析出不同多路徑轉(zhuǎn)發(fā)機制對于鏈路流量的處理能力．Best-Route、NCC、Random和BCMCC方案中R1的端口吞吐量實驗結(jié)果如圖6所示．

Best-Route中R1的端口吞吐量實驗結(jié)果如圖6(a)所示．其中R1的端口261中的流量明顯低于NCC、Random和BCMCC．這是因為Best-Route選取最短路徑作為轉(zhuǎn)發(fā)Interest包的最佳路徑，靈活性較差．當(dāng)擁塞發(fā)生后，將少量流量進行遷移，因此端口261吞吐量明顯低于端口260．

圖6?R1端口吞吐量比較

如圖6(b)所示，NCC將Interest包轉(zhuǎn)發(fā)到延遲最低接口，能夠靈活地運用節(jié)點的多個端口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)．因此，相比Best-Route，NCC在仿真開始R1的端口261對少量流量進行傳輸．但是NCC需要隨時更新的接口信息，導(dǎo)致節(jié)點負(fù)荷較高，從而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞控制有效性下降．同時，端口261吞吐量波動幅度較大，說明該擁塞算法對于流量的控制能力較差．

Random中R1的端口吞吐量實驗結(jié)果如圖6(c)所示．實驗結(jié)果明顯地展示了Random轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時對端口的選擇．該方案對流量等比例通過可用端口進行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)了鏈路流量均衡，因此，R1兩個可用端口的吞吐量曲線接近重合．

與Random不同，當(dāng)BCMCC檢測網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時執(zhí)行多路徑選擇．因此圖6(d)中＝4s后端口261開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)．在多路徑轉(zhuǎn)發(fā)過程中，保證網(wǎng)絡(luò)中流行度較高的內(nèi)容在最佳路徑中傳輸，因此BCMCC端口260的吞吐量高于Random端口260的吞吐量．

4?結(jié)?語

針對現(xiàn)存NDN中基于多路徑轉(zhuǎn)發(fā)的擁塞控制方案存在的不足，本文提出一種基于SDN的緩存感知的逐跳擁塞控制策略．在節(jié)點進行流量管理時，BCMCC利用SDN邏輯集中的控制器進行協(xié)調(diào)，進一步提高NDN的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率．實驗結(jié)果表明，BCMCC在丟包量、吞吐量以及傳輸時延等方面優(yōu)于對比方案．在網(wǎng)絡(luò)流量相同的情況下，BCMCC的傳輸時延整體比Random低14.16%，比NCC低22.68%，比Best-Route低17.24%，同時具有更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)吞吐量．

在未來的工作中將設(shè)計與擁塞控制有效合作的緩存機制，進一步提高節(jié)點之間的合作，更有效地提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率．

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NDN Node Congestion Control Strategy with Cache-Awareness Based on SDN

Liu Kaihua1, 2，Hou Yajun1, 2，Li Zhuo1, 2, 3，Gong Xiaolin1, 2，Luo Peng4

(1. School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Imaging and Sensing Microelectronic Technology，Tianjin 3000072，China；3. Peng Cheng Laboratory，Shenzhen 518000，China；4. Electric Power Research Institute，State Grid Hebei Electric Power Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050021，China)

Named data networking(NDN)is a novel internet architecture，which aims to cope with the increasing data traffic. However，as user demand increases，congestion control remains a challenging problem for NDN，which enables multi-path content retrieval. Node congestion control based on the multi-path forwarding strategy in NDN is required to detect congestion rapidly and manage network resources efficiently. Thus，a congestion control strategy for NDN with cache-awareness based on software-defined network(SDN)technology，called BCMCC，was proposed. First，the network architecture of BCMCC，which uses the feature of decoupling the control and data planes of the SDN，centralizes congestion control in the controller to achieve centralized node control and reduce the node operation load. Second，based on the novel network architecture，the cache-awareness algorithm and multi-path selection congestion control algorithm of BCMCC were proposed. The cache-awareness algorithm realized network cache content awareness and the calculation of the global prevalence of cache content to effectively utilize the node caching characteristics of the NDN and reduce the impact of cache content on congestion control. Meanwhile，the multi-path selection congestion control algorithm utilized the nodes to update forwarding port information for traffic migration to intelligently manage multi-path capacity，improve network resource utilization，and effectively prevent network congestion. Finally，the performance of BCMCC was tested in the simulation platform of ndnSIM. The experimental results showed that the BCMCC was superior to other schemes，including the Best-Route，NCC，and Random algorithms，in terms of packet loss，throughput，and transmission delay. The transmission delay of BCMCC is 14.16% lower than that of Random，22.68% lower than that of NCC，and 17.24% lower than that of Best-Route，with the same network traffic while having a more stable network throughput. BCMCC can effectively solve the NDN congestion problem.

named data networking(NDN)；cache-awareness；multi-path selection；congestion control；software-defined network(SDN)

10.11784/tdxbz202203007

TP393

A

0493-2137(2023)02-0214-07

2022-03-03；

2022-05-30.

劉開華（1956—??），男，博士，教授，liukaihua@tju.edu.cn.

李?卓，zli@tju.edu.cn.

河北省省級科技計劃資助項目(20314301D)；天津市科技計劃資助項目(20JCQNJC01490)；鵬城實驗室資助項目(PCL2021A02).

Supported by Hebei Provincial Science and Technology Planning Project(No. 20314301D)，Tianjin Science and Technology Planning Project(No. 20JCQNJC01490)，Peng Cheng Laboratory Project(No. PCL2021A02).

(責(zé)任編輯：孫立華)