面向信息中心网络的带宽感知组播快速重路由机制研究

《IEICE Transactions on Communications》：Bandwidth-Aware Multicast Fast Rerouting Mechanism in Information-Centric Networking

本文针对实时流媒体服务增长带来的网络带宽压力，提出了一种基于信息中心网络（ICN）的带宽感知组播快速重路由机制（BAMFRR）。该研究通过预计算备份路径集，并基于链路状态动态分配备份路径，实现了故障快速恢复与负载均衡。研究人员设计了基于路由树变换的备份路径构建算法和基于链路负载的路径选择算法，并开发了无状态转发机制。仿真结果表明，该机制在过载控制和转发效率方面优于基线算法，为大规模组播应用提供了可扩展的解决方案。

　　

随着流媒体、短视频和视频会议等视频应用的广泛普及，网络流量呈现快速增长态势。这些应用通常需要将相同数据传输到多个目的地，使得组播（Multicast）技术在这种一对多传输场景中显得尤为高效。在组播传输中，源节点只需发送一次数据，即可同时将流量传递给一组目的节点，相同链路上的数据仅需传输一次。然而，高带宽组播应用本质上容易受到网络中断的影响，即使是轻微中断也可能导致大量用户的数据丢失。确保网络能够快速响应异常，避免服务长时间中断和服务质量（QoS）下降至关重要。

传统路由技术虽然提供基本的故障恢复机制，但无法实现快速恢复，难以满足此类应用的QoS要求。故障恢复涉及多个步骤：故障检测、状态同步、路由重新计算和新路由配置。根据网络规模和特定路由协议参数，此过程可能需要几秒到几十秒才能完成，这对许多实时应用来说是不可接受的。

针对不可预测的网络故障，各种技术被开发出来，如IP快速重路由（IP-FRR）。通过预计算和预配置备份路径，这些技术能够实现快速故障恢复，将恢复时间减少到毫秒级。然而，由于组播独特的转发机制，单播快速重路由技术不能直接应用于组播场景。此外，故障转移流量会给网络链路带来额外负载，可能对未直接受故障影响的流量产生不利影响。这种额外负载可能加剧网络拥塞并降低整体网络性能。

信息中心网络（ICN）是一种创新网络架构，通过引入唯一命名的数据来支持信息分发，旨在解决传统IP网络的局限性并提高内容分发效率。ICN采用"标识符-地址分离"范式，利用数据名称而非IP地址作为网络传输中的标识符。这种方法将内容标识符与其物理位置解耦，实现或增强了安全性、移动性、组播和网内缓存等各种理想特性。

本文提出的带宽感知组播快速重路由（BAMFRR）机制在ICN中运行，通过预计算备份路径集，并在组播路由设置期间根据链路状态为组播组分配备用转发路径，实现故障时的流量重路由。该机制采用分层控制平面，包含两层：（1）逻辑集中式全局控制器和（2）嵌入转发设备中的轻量级本地控制器。

BAMFRR机制通过四个核心模块的协调操作实现故障恢复：状态管理、路径计算、组播管理和备份路由管理。故障恢复过程由故障节点的父节点触发。当父节点检测到受保护节点故障时，它会及时更新路由器中的组播转发状态，并根据预配置的备份信息将流量重定向到备份路径。

研究人员开发的关键技术方法包括：基于路由树变换的备份路径构建算法，通过约束搜索和路径组合计算与故障节点互不相交的多个转发路径；带宽感知的备份路径选择算法，基于链路负载为组播组选择路径以实现负载均衡；无状态转发机制，通过位索引编码转发信息，使备份节点能够根据数据包头中的转发指令复制和传输数据包到下游节点，而无需为每个组播组维护状态信息。评估使用BRITE拓扑生成器构建网络拓扑，链路带宽根据Waxman模型在100-1000Mbps范围内随机分配。

3.1 问题表述

研究人员将网络建模为有向图G=(V,E)，其中V表示路由器集合，E表示链路集合。每个链路用E_i,j表示，其中i,j∈V。参数c_i,j和b_i,j分别表示连接路由器i和j的链路E_i,j的成本和容量。设M=[m₁,m₂,m₃,...,m_|M|]表示组播组集合。对于每个组播组m_k∈M，B_k指定带宽要求。组播会话描述为元组m_k=(S_k,R_k,B_k)，其中S_k∈V_Tk是组播源节点，R_k是组播接收者集合，B_k表示带宽要求。

研究目标是建立备份转发路径，恢复故障节点父节点与其所有子节点之间的连接性。同时考虑备份链路的带宽限制，平衡备份链路上的流量分布以防止链路过载，并最小化备份转发路径的成本以减少资源消耗。

3.2 系统概览

BAMFRR机制在分层控制平面上运行，包含全局控制器和本地控制器。全局控制器维护完整的网络状态信息，通过路径计算模块计算候选恢复路径。每个本地控制器的状态管理模块监控与故障恢复相关的链路带宽指标，并实时检测受保护节点的状态。路径计算模块使用状态管理模块提供的实时状态信息计算候选恢复路径。组播管理模块通过整合路径计算模块计算的候选路径和组播组状态信息来确定备份转发路径。备份路由管理模块根据组播管理模块提供的备份路径信息更新路由表。

3.3 备份路径构建

为确保数据传输的连续性，研究人员提出了保护式故障转移方案，通过为每个网络节点预计算专用备份路径实现快速恢复。这些备份路径专门设计用于通过覆盖所有下游节点来保持组播树中的连接性。

备份路径构建算法利用基本路由树计算的中间结果推导节点的额外拓扑和距离信息。通过约束搜索和路径组合，该算法修改基本路由树并计算多个与故障节点互不相交的转发路径。具体而言，在构建标准路由树时，每个加入树的节点和边都被标记。根的每个子节点被分配唯一标识符，指定为与根相关的"标记节点"。其他节点继承其父节点的标记，并计算到相应标记节点的距离。

一旦路由树完全构建，根节点及其关联的边被移除。此过程生成多个子树，每个子树以标记节点为根。然后算法遍历剩余的未标记边。如果边的两个端点i和j具有不同的标记u和v，则该边可用于连接两个不同的"标记节点"u和v，从而构建绕过故障节点的路径。

基于备份路径生成虚拟拓扑，其中标记节点构成拓扑顶点，备份路径表示边。每个组播组与不同的树结构相关联。对于给定的故障节点，不同组播组使用的下游子节点组合不相同。在构建组播树过程中，需要选择合适的备份路径组合来提供容错能力。

3.4 无状态转发机制

为每个组播组配置备份组播转发条目可能导致表资源的大量消耗，带来可扩展性挑战。为解决这些限制，研究人员提出了基于无状态复制的转发机制。

在该机制中，父节点将组播数据包重定向到指定的备份节点。组播数据包头部增加了转发指令，指定备份节点应如何复制和传输数据包到下游节点。为优化头部空间利用率，转发信息被编码为位索引。使用此编码位索引，备份节点相应地复制和转发数据包。

故障恢复过程如下：正常网络操作下，组播数据包沿主路径传输。当组播树中的节点发生故障时，组播数据包无法再遍历原始转发路径。上游节点通过本地监控机制检测故障。检测到故障后，上游节点激活其预配置的备份转发条目，将组播数据包重定向到指定的备份节点，绕过故障节点。备份节点根据无状态转发表复制和转发数据包到其下游组播树分支。

路由节点修改数据包的目的地址，使其沿预计算的备份路径转发。研究人员使用编码的IPv6地址在数据包的目的地址中存储沿备份路径转发所需的所有信息。IPv6地址分为三部分：全局路由前缀、子网ID和接口ID。接口ID分为两个32位段，分别存储备份路径信息（BPI）和位索引信息（BII）。

4. 性能评估

通过一系列仿真实验评估提出机制的性能，采用四个性能指标：最大链路过载（MLO）、标准偏差（STD）、流量开销（TO）和表项数量。

最大链路过载（MLO）用于量化网络中链路过载的严重程度，表示网络中最过载链路经历的过载程度。当节点发生故障时，原由故障节点处理的流量必须通过备份路径重路由到其下游节点。这种重路由给备份链路带来了额外负载。

实验结果表明，随着组播组数量增加，四种机制的MLO呈现增加趋势。本文提出的算法达到最高过载阈值，仅在组播组数量达到2100时遇到过载。相比之下，MPT、IS和MPSG算法在组播组数量分别达到600、1200和1700时出现明显过载。当组数量增加到2500时，提出算法的过载水平仅为MPT、IS和MPSG算法的7.91%、22.33%和57.30%。

随着节点度和网络规模的增加，所有三种机制的过载水平均降低。BAMFRR表现出最显著的改进，当节点度从4增加到6时，过载从813.54减少到89.94，减少了88.94%。BAMFRR在所有测试的网络配置下始终优于其他两种算法，在所有测试的网络规模中保持最低的过载水平。

负载分布通过计算链路负载的标准差（STD）来评估。选择两种场景：500个组播组（代表无过载的轻负载网络）和2500个组播组（代表高负载网络）。

实验观察到所有机制的STD随着节点度或网络规模的增加而减小。BAMFRR在所有测试场景中始终实现较低的STD，表明使用BAMFRR时流量分布更平衡。解决方案在路径选择过程中包含剩余带宽容量，当有多个选项可用时避免高负载链路。

成本分析评估了组播算法在不同场景下的恢复开销。固定组成员数量为25，测试不同网络规模下的恢复开销趋势。随机部署500个组播组，记录每种算法的平均流量成本。

结果表明，随着网络规模增加，MPT和IS算法的带宽成本显著增长。IS算法由于依赖同一组播组的两个不相交树而产生更高的恢复成本。类似地，MPT算法在故障区域广播组播数据，导致流量浪费随着网络规模扩大而加剧。相比之下，BAMFRR仅针对受影响的下游子节点构建备份路径，从而避免带宽浪费。

不同节点度下的成本变化趋势显示，BAMFRR的成本随着节点度增加而减少。这是因为随着节点度增加，网络中可用路径数量也增加，提供了更广泛的备份路径选择。

为检查组大小对性能的影响，固定网络大小为250个节点，评估不同组成员数量下的成本变化。IS算法的成本随着组成员数量增加而显著增加，仅在组大小达到20后稳定。相比之下，MPSG、BAMFRR算法和MPT算法保持相对稳定的成本，基本不受组大小变化的影响。

转发状态分析调查了组播组数量对路由器需要维护的额外转发表项的影响。模拟最多2000个组播组，记录每种算法所需的状态数量作为性能指标。

结果表明，IS算法所需的状态数量随着组播组数量增加而显著增加，而MPT算法所需的状态最少且不受组播组数量变化的影响。提出的算法介于两者之间，所需状态数量最初增加，然后随着组播组数量增长接近上限。

本研究提出了一种ICN中的组播快速重路由机制，称为带宽感知组播快速重路由（BAMFRR）。BAMFRR为组播组动态分配备份路径以实现快速恢复，同时明确考虑故障恢复流量对现有链路的影响。为实现这一目标，研究人员提出了低成本的备份转发路径构建算法，利用底层路由树的信息生成备份路径集。此外，BAMFRR在为组播组构建备份路径时整合链路状态信息，有效缓解因重路由流量引起的链路过载，增强网络的负载平衡能力。

综合仿真结果表明，BAMFRR在不同网络规模和组播组配置下，在过载控制和转发效率方面优于同类算法。值得注意的是，即使为每个组播组配置不同的转发路径，BAMFRR也能有效管理路由器上转发条目的大小，防止其随组播组数量增加而线性增长。这些结果证实了提出解决方案的可扩展性和实际可行性。

该研究发表于《IEICE Transactions on Communications》，为信息中心网络中的组播通信提供了创新的故障恢复解决方案，通过带宽感知的路径选择和负载均衡机制，显著提高了组播服务的可靠性和效率，对支持大规模实时流媒体应用具有重要意义。