论文部分内容阅读
命名数据网络(Named Data Networking,NDN),将 TCP/IP 网络中 end-to-end的通讯模式转变为以数据为中心的信息交换模式,提升了内容分发效率、网络安全性与移动性,也带来了诸多挑战。本文针对NDN缺乏传输层协议支持导致的应用层编程困难与缺乏对大规模分布式系统的可靠性保障问题,展开编程模型、视频流应用、共识协议、容错服务等方面的研究工作,主要成果与创新点包括:(1)针对NDN编程困难问题,本文提出了一种基于应用数据单元(ADU)交互的编程模型以保证数据的可靠传输与提升开发效率。对大规模异步数据发布与获取,提供吞吐量感知的ADU并行获取策略;对实时数据发布与获取,提供自适应的ADU流水线获取策略。实验结果表明,ADU并行策略能够通过设定不同大小窗口获得不同吞吐量;相较每次请求都全新生成数据包,模型的发送缓存能够降低至多95%生产者计算成本,并在Manifest支持下进一步提升ADU发布效率。(2)为验证该编程模型可行性与性能,本文设计并实现了基于NDN的视频直播NDNlive与点播系统NDNtube。两者将视频在网络层以视频帧为单位进行发布与获取,体现了 NDN以ADU为单位进行数据流动的信息交互模式。NDNlive与NDNtube分别验证了编程模型的ADU流水线与并行获取策略的有效性,并已成功部署到官方NDNTestbed之中。实验结果表明,两者皆能提供世界范围内的、跨越11个时区流畅同步的视频流,并能容忍一些突发的、非致命的网络问题。(3)针对NDN大规模分布式系统的可靠性保障缺失,本文提出了基于Paxos的共识协议,充分利用Pull网络模型特点与NDN命名机制降低延迟与提高吞吐量。参照建立的成本模型,Naxos采用一种“自学”机制减少主节点与其他节点的信息交换,进而均衡负载。实验结果表明,Naxos能够在广域网范围内获得至多50%～69%的提交延迟降低,在集群内获得至多4.7到5.57倍的吞吐量提升。(4)针对NDN缺乏维持分布式系统高可用性服务的问题,本文提出了一个基于NDN的复制状态机NaxosRSM。对于只需要最终一致性的应用,该系统提供“快读”策略以提升吞吐量。同时,NaxosRSM利用恰当的转发器配置使组成员变动对客户端完全透明,提供更优的可用性。实验结果表明,NaxosRSM的“快读”策略最多可获得与提供读服务节点个数成正比的吞吐量提升;在有节点失效时,相比TCP/IP的Multi-Paxos版RSM性能耗损更低,可降低至多80%停止服务时长。