[论文解读] BFR: a Bloom Filter-based Routing Approach for Information-Centric Networks

Ali Marandi, Torsten Braun+2 more|Open Access at Essex (University of Essex)|Feb 1, 2017

Caching and Content Delivery参考文献 16被引用 4

一句话总结

本文提出BFR，一种基于布隆过滤器的完全分布式命名数据网络（NDN）路由方案，可在无需网络拓扑知识的情况下实现高效的内容发现。通过源服务器使用紧凑的布隆过滤器广告内容，BFR减少了信令开销，并在平均往返时延和对拓扑变化的鲁棒性方面优于洪泛法和最短路径路由，同时对路由准确性的误报影响保持较低。

ABSTRACT

Locating the demanded content is one of the major challenges in Information-Centric Networking (ICN). This process is known as content discovery. To facilitate content discovery, in this paper we focus on Named Data Networking (NDN) and propose a novel routing scheme for content discovery, called Bloom Filter-based Routing (BFR), which is fully distributed, content oriented, and topology agnostic at the intra-domain level. In BFR, origin servers advertise their content objects using Bloom filters. We compare the performance of the proposed BFR with flooding and shortest path content discovery approaches. BFR outperforms its counterparts in terms of the average round-trip delay, while it is shown to be very robust to false positive reports from Bloom filters. Also, BFR is much more robust than shortest path routing to topology changes. BFR strongly outperforms flooding and performs almost equal with shortest path routing with respect to the normalized communication costs for data retrieval and total communication overhead for forwarding Interests. All the three approaches achieve similar mean hit distance. The signalling overhead for content advertisement in BFR is much lower than the signalling overhead for calculating shortest paths in the shortest path approach. Finally, BFR requires small storage overhead for maintaining content advertisements.

研究动机与目标

• 为解决信息中心网络（ICN）中高效内容发现的挑战，特别是在命名数据网络（NDN）中，传统路由方法会产生较高的信令或延迟开销。
• 设计一种完全分布式、与拓扑无关、面向内容的路由方案，以降低FIB填充的信令和存储成本。
• 评估基于布隆过滤器的内容广告是否能在通信成本、延迟和鲁棒性方面优于洪泛法和最短路径路由。
• 分析布隆过滤器中误报错误对实际场景中路由准确性和性能的影响。

提出的方法

• 源服务器使用布隆过滤器（BF）广告其内容对象，以极低的存储和信令开销紧凑地表示内容名称集合。
• 每个NDN节点接收并存储来自所有通往源服务器路径的BF广告，从而在无需拓扑信息的情况下实现FIB填充。
• 使用多播策略转发请求（Interests），在所有通往源服务器的路径上并行传播，从而实现来自网络内缓存的早期满足。
• 该方案依赖FIB中的最长前缀匹配（LPM）进行请求转发，利用基于BF的内容广告填充FIB条目。
• 对误报错误进行建模与评估，以衡量其对路由正确性和性能的影响。
• 通过往返时延、通信成本、命中距离和信令开销等指标，与洪泛法和最短路径路由进行性能基准测试。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于布隆过滤器的内容广告方案是否能在保持高效内容发现的同时，降低NDN中的信令和存储开销？
• RQ2 BFR在平均往返时延和通信成本方面与洪泛法和最短路径路由相比如何？
• RQ3 布隆过滤器中的误报错误在多大程度上影响BFR中的路由准确性和性能？
• RQ4 与最短路径路由相比，BFR在动态网络拓扑变化下的鲁棒性如何？
• RQ5 内容流行度（α）对BFR中误报错误影响的程度如何？

主要发现

• BFR在平均往返时延方面优于洪泛法和最短路径路由，实现了更低的端到端内容获取延迟。
• 与最短路径路由相比，BFR将信令开销减少了约三倍，后者需要频繁更新路径计算。
• BFR在数据检索的归一化通信成本和总通信开销方面几乎与最短路径路由持平，但远低于洪泛法。
• 三种方案——BFR、洪泛法和最短路径——的平均命中距离相近，表明在跳数方面的路由效率相当。
• 误报错误的实际影响极小：在最高误报概率（28.3%）下，仅有1.73%的请求被错误地路由到错误的源服务器，且所有请求仍被成功满足。
• BFR对拓扑变化具有高度鲁棒性，显著优于需要持续路径重新计算的最短路径路由。