A Study on Information Sharing Using Bloom Filters in Named Data Networking

Abstract

When the current Internet was created, the main purpose was to share resources. Since its creation, the Internet has widely used and accordingly the Internet traffic has rapidly increased. The major portion of the Internet bandwidth is now being used for content distribution like video streaming. The conventional Internet infrastructure is not efficient for content distribution since it is based on host-to-host communication model. In order to cope with today's communication needs, Information Centric Networking (ICN) technologies such as Data-Oriented Network Architecture (DONA), Content Mediator Architecture for Content Aware Networks (COMET), and Named Data Networking/Content Centric Networking (NDN/CCN) have been introduced as a future Internet architecture and the NDN is a promising candidate for the future Internet. NDN technology has two main characteristics: name-based content retrieval and in-network caching. In order to retrieve a content by using content name, Interest packet and Data packet are introduced. Interest packet is to request a content, and Data packet is to deliver the requested content. These packets are forwarded by using content names. However, unlike IP addresses, the lengths of content names are variable and unbound, and furthermore, the number of contents can be huge. Even though content names can be aggregated, the size of a FIB table is expected to be excessively large. For the realization of NDN, efficient routing and forwarding algorithms for content names are necessary. For in-network cache, efficient cache management schemes are essential for effective content distribution because cache memory is a limited resource. This dissertation proposes two methods of information sharing using Bloom filters in NDN: Content Store sharing and FIB table sharing using Bloom filters. A Bloom filter is a simple bit-vector filter which can store the elements of a set and identify the membership of an input. Because of its simple structure and probabilistic membership identification, it has been widely used in network and distributed systems. In NDN, in-network caching is employed as a default functionality, and thus every router has a cache to store and provide frequently requested contents on behalf of content providers. Hence, efficient cache management schemes are essential for effective content distribution and high cache utilization. As a new cache management scheme, this dissertation proposes the sharing of cache summaries with neighboring routers to increase the diversity of cached contents in a network as a whole. Our scheme defines a summary packet using a Bloom filter and proposes a method to share the summary. When a Data packet is received, a router makes the decision of whether or not to save the Data depending on query results of the cache summaries from neighboring routers. If any of the neighboring routers has the Data, the Data has not necessarily been saved. When an Interest packet is received, a router can forward the Interest to a neighboring router that has the requested content by checking the summaries. The proposed scheme is evaluated using ndnSIM, which is the NS-3 based NDN simulator. The impacts of content catalog size, request pattern, and network topology on caching performance are thoroughly examined. Simulation results show that the sharing of cache summaries enhances the content diversity and accordingly the cache hit ratio, and reduces the average content delivery time. The proposed method does not require any a priori knowledge about network topology or content popularity, since summary packets are assumed to be shared with neighboring routers. Additionally, the proposed summary sharing can be implemented along with any independent cache replacement policy. In NDN, the size of a FIB table would be excessively large, and the traffic for building the FIB table would be also huge. While existing routing algorithms are focusing on how to efficiently building the FIB tables, this dissertation proposes to share the information of a FIB table by using the Bloom filter. In the proposed scheme, instead of sharing name prefixes and their connectivity information, the summary of node’s connectivity information in form of a Bloom filter is shared. Ideally, in the proposed work, FIB entries are created by receiving name prefix broadcasts from direct publishers, and the connectivity information toward remote publishers is provided by sharing Bloom filters with neighboring routers. When an Interest packet comes, it is forwarded according to the query result of the FIB table and Bloom filters. Because of false positives, Interest packets might be forwarded multiple faces in the proposed architecture, but there is no case that Interest packets are not forwarded towards the right faces. Simulation results shows that the proposed scheme can achieve almost the same as the optimal Dijkstra’s algorithm with much smaller memory consumption. By sharing the connectivity information in form of a Bloom filter, the traffic for distributing the connectivity information is reduced, and the number of FIB entries also decreases in the proposed scheme.;인터넷이 개발된 이후로 매우 빠른 속도로 보급되면서 인터넷 트래픽의 양도 급증하였으며, 초기의 자원을 공유하기 위한 것에서 그 사용 용도 또한 크게 변화되었다. 현재 인터넷 사용양의 대부분은 비디오 스트리밍과 같이 대용량의 콘텐츠를 배포하는데 사용되고 있다. 하지만 호스트 사이의 대화를 기반으로 한 현재의 인터넷은 효율적인 콘텐츠 배포를 수행하기 어려운 구조를 가지고 있다. 이러한 현재의 변화한 트래픽을 효율적으로 처리하기 위하여 정보 중심 네트워크가 제안되었으며, 그 중에서도 이름 기반 네트워킹(Named Data Networking, NDN)이 차세대 네트워크로 각광받고 있다. 이름 기반 네트워크는 라우팅과 포워딩을 콘텐츠의 이름을 사용하여 수행한다는 것과 네트워크 내의 모든 노드가 캐시 역할을 한다는 특징을 가지고 있다. 하지만 고정된 길이를 갖는 IP 주소와 달리 콘텐츠 이름은 그 길이가 다양하며 그 길이의 제한을 가지고 있지 않다. 인터넷 내에 존재하는 콘텐츠의 수 역시 어마어마하게 크기 때문에 이름 프리픽스 형태로 축약하여도 콘텐츠 생성자의 도메인 이름 이하로 축약은 어렵기 때문에 기존 IP 네트워크에서 라우팅 테이블에 해당하는 FIB(Forwarding Information Base) 테이블의 크기가 엄청나게 클 것으로 예상되고 있다. 더욱이 프리픽스 형태로 축약 가능하기 때문에, 일치하는 여러 프리픽스들 중 최장으로 일치하는 프리픽스를 찾아야만 한다. 따라서 NDN이 실현되기 위해서는 효율적인 이름 기반의 라우팅과 포워딩 방법에 관한 연구가 수행되어야 한다. 또한, NDN에서는 라우터가 네트워크 내의 캐시 역할을 수행하여 콘텐츠의 생성자가 아니더라도 요청 받은 콘텐츠를 가지고 있는 노드가 대신 콘텐츠를 송신할 수 있도록 하여 대역폭 낭비를 최소화 하여 콘텐츠 배포를 수행할 수 있다. 하지만, 대용량의 콘텐츠를 저장하는 것은 많은 양의 메모리를 사용하기 때문에 라우터에 큰 부담을 줄 것으로 예상된다. 따라서 효율적인 콘텐츠 배포를 위해서 어떤 콘텐츠를 어느 라우터에 저장해야 하는가가 중요한 연구 분야로 대두되었다. 본 논문에서는 NDN에서 블룸 필터를 사용하여 정보를 공유하는 두 가지 방법을 제안하였다. 블룸 필터는 어떤 입력이 주어진 집합의 원소인지를 판단할 수 있는 간단한 구조의 필터이다. 간단하다는 특징과 적은 메모리 사용량 때문에 네트워크 관련 분야에서 널리 활용되고 있다. 본 논문에서는 제한된 크기의 캐시 메모리를 좀 더 효율적으로 활용하여 네트워크 외부로 나가는 트래픽을 줄이기 위한 연구를 수행하였다. 네트워크와 네트워크를 연결하는 링크에는 많은 트래픽이 몰려 병목 현상이 발생하기 쉬운 곳으로 알려져 있기 때문에, 효율적인 콘텐츠 전송을 위하여서는 네트워크 밖으로 나가는 트래픽을 줄이는 것이 매우 중요하다. 이를 위해서는 네트워크 내부의 캐시 히트 비율을 높여서 네트워크 밖으로 요청되는 요청 패킷의 수를 줄여야 한다. 캐시의 히트 비율을 높이기 위해서는 동일한 크기의 캐시 메모리에 좀 더 다양한 종류의 콘텐츠를 저장하고 있어야 함으로, 제안하는 구조는 네트워크 내부 복수 개 라우터의 캐시들에 저장되어 있는 콘텐츠의 다양성을 높여 네트워크 간의 트래픽을 줄이기는 것을 목표로 하였다. 캐시에 저장된 콘텐츠의 다양성을 높이기 위하여, 각각의 라우터가 자기와 이웃한 라우터에게 자기가 저장하고 있는 콘텐츠를 알려주어, 같은 네트워크 안에 동일한 데이터가 중복으로 저장되는 것을 막는 방법을 제안하였다. 이웃 라우터가 저장하고 있는 콘텐츠를 알 수 있다면, 네트워크 내부의 라우터가 콘텐츠를 중복으로 저장하는 것을 피할 수 있으므로 네트워크 안에 저장된 콘텐츠의 다양성이 증가한다. 하지만, 라우터가 저장하고 있는 콘텐츠의 리스트를 직접 전송하면 많은 대역폭을 사용하기 때문에, 메모리 효율적인 데이터 구조인 블룸 필터를 사용하여 라우터가 저장하고 있는 데이터의 요약의 형태로 공유할 것을 제안하였다. 제안하는 구조는 네트워크 토폴로지 정보를 전혀 필요로 하지 않고, 라우터 각각의 캐시 교체 방식에 상관없이 적용할 수 있다는 장점을 갖으며, 각각의 라우터가 자율적으로 자신의 이웃 라우터에게 자신이 캐시에 저장하고 있는 콘텐츠 정보를 블룸 필터를 활용한 요약 형태로 전송하는 방식을 제안하였다. 제안하는 구조는 NS-3기반의 이름 기반 네트워크 시뮬레이터인 ndnSIM을 사용하여 그 성능을 평가하였으며, 실험 결과 제안하는 콘텐트 스토어 공유 구조는 네트워크 안에 저장되어 있는 콘텐츠의 다양성을 증가시키는 데에 효과적이며, 이를 통하여 캐시 히트 비율 역시 증가시킬 수 있으며, 이는 네트워크 간의 트래픽을 줄이는 데 효과적인 것을 확인하였다. 앞에서 설명한 것과 같이 NDN에서 FIB 테이블은 매우 클 것으로 예상됨에 따라, 이를 만들기 위한 트래픽 역시 매우 클 것으로 예상되고 있다. 따라서 본 논문에서는 FIB 테이블을 만드는데 소요되는 트래픽을 줄이고, 더 나아가 네트워크 내에 저장되는 FIB 테이블의 크기를 줄이기 위하여 블룸 필터를 활용하여 FIB 정보를 공유하는 방식을 제안하였다. 먼저 외부 네트워크로부터 연결 정보를 받은 노드는 FIB 테이블을 만든 후에 저장되어 있는 이름 프리픽스 집합을 블룸 필터 형태의 요약으로 만들어 네트워트 내부의 다른 노드들에게 전달한다. 이렇게 각각의 이름 프리픽스를 전달하는 대신 블룸 필터를 사용하여 FIB 테이블의 요약을 공유함으로써 연결 정보를 서로 주고 받기 위한 트래픽을 감소 시킬 수 있다. 또한, 네트워크 내의 라우터들은 콘텐츠를 요청 받았을 경우, 상대방으로부터 받은 블룸 필터를 검색하여 패킷을 전달할 수 있도록 하여 FIB 테이블 크기 역시 크게 감소시킬 수 있다. 블룸 필터를 검색하여 패킷을 전송하기 때문에 블룸 필터의 거짓 양성 때문에 잘못된 페이스로 패킷이 전송되는 상황이 발생할 수 있다. 이러한 경우를 방지하기 위하여, 제안하는 구조에서는 블룸 필터 검색 결과가 여러 페이스에서 양성으로 나타나는 경우에 한해서 FIB 테이블을 업데이트하여 효율적인 패킷 전달이 가능하도록 하였다. ndnSIM을 사용한 실험 결과 훨씬 적은 메모리 요구량으로 최단 거리를 보장하는 Dijkstra 알고리즘을 사용한 BestRoute 방식과 거의 동일한 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.