工业SDN中基于缓存的可靠组播研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230250

摘要/Abstract

摘要：

为解决基于软件定义网络（software defined network，SDN）的工业物联网组播传输的可靠性问题，研究基于缓存思想的数据重传机制，提出了一种基于缓存的可靠组播方案.设计了基于缓存节点的可靠组播（cache-based reliable multicast，CBRM）框架和相应的可靠组播算法，在SDN中选择合适位置设置缓存节点并由其暂存组播数据，当接收端或中间转发设备发现数据丢失时，通过向上游缓存节点申请丢包重传以保证组播数据的可靠传输.为支持缓存节点数据重传，设计了基于UDP（user datagram protocol）的可靠传输协议URTP（UDP-based reliable transmission protocol）.在Mininet仿真环境下进行了验证，验证结果表明CBRM框架和相应的可靠组播算法能在远低于传统重传成本的条件下保证组播传输的可靠性.

关键词: SDN, 组播树, 可靠组播, 缓存节点, 缓存管理

Abstract:

To solve the reliability problem of multicast transmission in industrial Internet of things （IIoT） based on SDN （software defined network），the data retransmission mechanism based on cache is studied，and a cache-based reliable multicast scheme is proposed. A cache-based reliable multicast （CBRM） framework and the corresponding reliable multicast algorithm are designed. Cache nodes for temporarily storing multicast data are deployed in selected locations in SDN. If receiving or forwarding node detects packet loss，it will require its upstream nodes to retransmit the lost packet. To support data retransmission of cache nodes，a UDP （user datagram protocol）-based reliable transmission protocol （URTP） is designed. The results of Mininet simulation show that the CBRM framework and the corresponding reliable multicast algorithm can guarantee the reliability of multicast transmission at a much lower cost than traditional methods.

Key words: SDN, multicast tree, reliable multicast, cache nodes, cache management

中图分类号:

TP 20

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图/表 13

图1 CBRM框架注：NACK为否定确认（negative acknowledgement）

Fig.1 CBRM architecture

图2 URTP数据包格式

Fig.2 URTP message format

表1 URTP协议字段属性

Table 1 URTP protocol field properties

字段属性	位数/b	字段描述
服务标识	16	判别URTP数据包是否需要提供可靠通信服务
类型	8	URTP数据的类型，包括:初始、重传、丢失等
上游缓存节点ID	8	上游缓存节点的datapath ID信息
数据包ID	32	记录数据包发送的序号
丢失包ID	32	记录丢失数据包的序号
丢失包位图	16	记录丢失包ID后续16个数据包的丢失情况

图3 缓存队列

Fig.3 Cache queue

图4 丢失队列结构

Fig.4 Lost queue structure

图5 最小路由树拓扑（a）—最小路由树1；（b）—最小路由树2；（c）—最小路由树3；（d）—最小路由树4；（e）—最小路由树5.

Fig.5 Minimum routing tree topology

图6 组播重传成本对比

Fig.6 Comparison of multicast retransmission costs

图7 带有缓存节点的组播树

Fig.7 Multicast tree with cache nodes

表2 不同N下的重传成本 (conditions)

Table 2 Retransmission costs under different N

N	最小重传成本	缓存节点集合
0	166	{}
1	139	{S7}
2	121	{S2，S7}
3	110	{S2，S7，S13}
4	103	{S2，S7，S8，S13}
5	98	{S2，S7，S8，S11，S13}
6	98	{S2，S6，S7，S8，S11，S13}
7	98	{S2，S6，S7，S8，S11，S12，S13}
8	98	{S1，S6，S7，S8，S11，S12，S13，S14}

图8 参数N对重传成本的影响

Fig. 8 Influence of parameter N on retransmission cost

图9 τ对NACK查找率的影响

Fig. 9 The impact of τ on NACK search rate

图10 缓存容量对可靠性的影响

Fig.10 Impact of cache size on reliability

图11 接收端的丢包情况

Fig.11 Packet loss situation of receive nodes

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