软件定义内容路由器关键技术的研究

Named Data Networking (NDN) uses content name as the unique identifier of addressing and routing over the Internet and it supports the network nodes such as routers/switches equipped with large capacity of memory storage, which enables ubiquitous network caching. Thus NDN is more promising in supporting content retrieval, dissemination and sharing. Content router is the core device in NDN networks, it plays a crucial role in the deployment and field trials of this new technology. However, the existing research on the memory structure in a content router in only limited to a closed ISP network. Closed caching scheme only allows ISP as a single player, and thus lacking of enough incentives..This application plans to adopt the idea of software-defined networking (SDN) under the framework of open networks. The project is dedicated to leasing the forwarding resources and the memory storage in the data plane to the content providers via the open APIs between the SDN controller and the content router. This innovation creates an interest-interaction chain for OTT business providers, ISP operators and end-users, and achieves the three-win situation in the triple-play incentive model. The proposed project will focus on architectural exploration for software-defined content router, innovate the concept of storage pool (or memory pool). Especially, this proposal will study the efficient control and management to the storage sub-system in the data plane, building the corresponding modeling prototype for experimental testing and functional verification.

内容中心网络用内容名作为寻址和路由标记，并让网络节点（路由器/交换机）重新设计，使其具有大容量的高速存储器，做到普适化网络缓存。该技术更加适合内容的检索、分发和共享。内容路由器是内容中心网络中的核心设备，对促进NDN技术的部署和试验测试起关键作用。但是，目前对内容路由器存储结构的研究仅限制在一个封闭的网络范围内。封闭缓存模式只允许网络ISP一家在操作，激励机制差。.本申请课题计划在开放网路框架下采用软件定义的思想，通过软件定义网络控制平面和应用接口将内容路由器中的存储和转发资源开放给业务提供者，为OTT业务提供商、ISP运营商和最终用户三者创造出一条利益互动链，在激励模型上做到三者共赢。重点研究内容包括设计软件定义内容路由器的开放体系结构，提出存储池的概念，研究存储子平面有效的管理和控制，搭建模型实验系统进行性能测试和验证。研究成果将为软件定义内容路由器的发展提供基础理论、结构和模型支持。

本项目对软件定义的内容路由器的体系结构、路由表高速缓存、规则快速更新等进行了研究，取得了重要的研究成果。在体系结构方面，在三个层次上开展了研究，分别是设备结构级、网络级和芯片软/硬件协同级。在设备体系结构方面，提出了一种基于两级交换网络的共享存储池结构，通过一致性哈希寻址操作，提高缓存效率和访问命中率；在网络级，提出了非阻塞网内缓存机制，它能从一个网络范围而不是单个路由器的角度来解决CS的性能问题。对比于现在的ICN数据平面架构，非阻塞网内缓存机制能够降低约70%的RTT时延，提高约130%的吞吐量。在芯片软硬件协同级，提出了针对流水线Match-action架构的在线实时无中断功能更新的新结构，并设计了对应的编程语言和编译器生态开发环境rP4。该系统向前兼容已有的P4编程语言和编程生态，能够做到多租户环境下的单一功能增量在线更新。.针对使用TCAM作为SDN网络的高速缓存问题，本课题提出了一种新的方法rule-isolation，可以生成无依赖规则。 我们提供完整的T-cache系统设计，包括软件层面的主流表查找、规则去依赖、硬件层面的TCAM快速查找、TCAM缓存更新和TCAM中过期规则检测。多种真实和模拟的网络环境中的实验结果显示T-cache以很高的性价比实现SDN流表的高速缓存。此外，我们提出了一种基于AI的路由表高速查找系统A&B，基于真实骨干网流量的实验结果表明，与传统方案相比，A&B仅使用1/8的TCAM存储就能达到相当的查询性能。.针对SDN流表规则的快速更新问题，提出两种自适应批量式TCAM更新的方案ABUT以及单词更新最优化方案Greedyjump，有效解决了路由规则快速更新和快速批量更新问题。.针对名字路由表占用内存空间过大的问题，提出了一种高效的名字前缀缓存方案PBC。与其他缓存解决方案相比，PBC的命中率提高了16％，并且在使用不同的名字表结构和查找流量分布时，它可以保持更稳定的性能。.本课题研究成果发表/录用26篇学术论文（其中CCF-A论文11篇）。申请3项专利。培养博士/硕士生11人。