[论文解读] ContentFlow: Mapping Content to Flows in Software Defined Networks

Abhishek Chanda, Cédric Westphal|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2013

Caching and Content Delivery参考文献 10被引用 23

一句话总结

ContentFlow 提出了一种混合的 SDN-ICN 架构，通过修改的 OpenFlow 控制器将内容名称映射到 IP 流，实现在传统 IP 基础设施上进行基于内容的路由、缓存和策略管理。它在未经修改的客户端和服务器之间透明运行，通过实现证明了无需更改终端主机或底层交换机即可实现内容感知的网络控制。

ABSTRACT

Information-Centric Networks place content as the narrow waist of the network architecture. This allows to route based upon the content name, and not based upon the locations of the content consumer and producer. However, current Internet architecture does not support content routing at the network layer. We present ContentFlow, an Information-Centric network architecture which supports content routing by mapping the content name to an IP flow, and thus enables the use of OpenFlow switches to achieve content routing over a legacy IP architecture. ContentFlow is viewed as an evolutionary step between the current IP networking architecture, and a full fledged ICN architecture. It supports content management, content caching and content routing at the network layer, while using a legacy OpenFlow infrastructure and a modified controller. In particular, ContentFlow is transparent from the point of view of the client and the server, and can be inserted in between with no modification at either end. We have implemented ContentFlow and describe our implementation choices as well as the overall architecture specification. We evaluate the performance of ContentFlow in our testbed.

研究动机与目标

• 通过在传统 IP 基础设施上实现内容感知的网络控制，弥合基于流的 SDN 与基于内容的 ICN 之间的语义鸿沟。
• 在不修改客户端或服务器的情况下，实现网络层的内容路由、缓存和策略管理。
• 通过基于 HTTP 头部的内容识别和集中式控制器逻辑，扩展 OpenFlow 以支持内容感知的流管理。
• 演示一种与 SDN 集成的透明分布式缓存系统，以改善延迟和可扩展性。
• 使用 HTTP 工作负载在真实测试平台上评估基于内容转发的性能和可扩展性。

提出的方法

• 扩展 OpenFlow 控制器，以维护一个集中式的内容管理层，将内容名称（例如来自 HTTP 头部的内容）映射到网络流。
• 结合 TCP 和 IP 元数据（源/目的 IP、端口）与内容名称，为每个内容请求创建唯一的虚拟流。
• 实现一种基于代理的架构，其中内容感知交换机使用内容名称和端口进行分用和缓存决策。
• 在代理处引入一个布隆过滤器，通过缓存本地可用内容的列表来减少控制器查找次数。
• 设计一种透明缓存机制，内容在网路代理处缓存，从而减少重复请求的端到端延迟。
• 使用可编程控制器实施基于内容的策略，例如根据内容类型进行缓存规则和 QoS 差分管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在使用现有 SDN 基础设施的遗留 IP 网络中实现基于内容的路由和缓存？
• RQ2 是否可以无需修改终端主机或交换机，实现透明的内容感知网络控制？
• RQ3 与直接客户端-服务器通信相比，内容映射和代理处理的性能开销如何？
• RQ4 缓存的引入如何影响端到端延迟和网络效率？
• RQ5 控制器能否在低延迟和高吞吐量下扩展以管理大量内容请求？

主要发现

• ContentFlow 通过在代理处缓存内容，减少了重复内容请求的端到端延迟，其中情况 3（代理 + 缓存）的延迟低于情况 2（仅代理），假设代理处理延迟可忽略不计。
• 对于内容大小 >5KB 的情况，文件传输延迟（F(A,B)）远大于代理处理延迟（Delay(Proxy)），使得缓存收益显著。
• 当代理过载时，情况 2 和情况 3 的延迟可能超过情况 1（直接访问），表明需要优化代理负载管理。
• 使用针对热门内容的静态规则，或在代理处使用布隆过滤器，可减少控制器查找开销并提高可扩展性。
• 该架构成功支持复杂场景，包括多个客户端、多个服务器以及每个客户端的多个并发内容流，每个流均作为虚拟流对处理。
• 实现表明，仅通过修改控制器和代理，无需更改终端主机或交换机，即可在传统 IP 基础设施上实现基于内容的网络控制。