Document
Tackling named data networking challenges in interconnected networks : routing, scalability, name resolution, and authentication.
Source
Doctoral dissertation
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2024
Language
English
Thesis Type
Doctoral dissertation
English abstract
Named Data Networking (NDN) is emerging as a future Internet architecture, representing a paradigm shift from host/location-centric to content-centric networking. In NDN, data retrieval is based on content names rather than data location, aligning with the concept of information-centric networking (ICN). To accelerate NDN deployment, it's crucial to establish a mechanism for advertising name-based prefixes across different domains. In IP-based routing, border gateway protocol (BGP) is the de facto inter-domain routing protocol (IDR) that plays a vital role in Internet communication by enabling different Internet domains to exchange routing information. In its current form, BGP can advertise and process IP-based prefixes, but it cannot advertise or process NDN name-based prefixes. Accordingly, the main objective of this thesis is to come up with a comprehensive and practical solution to route NDN traffic globally within BGP networks without disturbing or breaking the current Internet operation. Initially, there's a necessity to extend BGP to accommodate NDN technology to ensure the seamless routing of NDN packets alongside IP packets without disrupting or compromising the existing functionality of the internet. Therefore, an NDN extension for BGP is proposed, called N-BGP, and it is designed to enable the exchange of name-based routes within existing BGP networks. The proposed extension transforms traditional BGP speakers into hybrid ones, capable of efficiently understanding, advertising, receiving, processing, and storing both IP-based and name-based prefixes concurrently. This is achieved by: 1) introducing an NDN capability in the optional parameter of the BGP's open message, 2) proposing a new update message called the NDNUPDATE message for conveying NDN names for advertisement or withdrawal, 3) defining three logical Routing Information Base (RIB) tables to manage name prefixes and their associated routing information, 4) proposing a new NOTIFICATION error type termed “NDN-UPDATE Message Error” and new sub-errors to inform Hybrid speakers if any error has occurred while advertising NDN-UPDATE messages and shut down the established connection, 5) incorporating a periodic threaded handler to N-BGP, the "advertisement handler," for processing received messages efficiently, and 6) integrating the N-BGP process with the Named Data Networking Forwarding Daemon (NFD) process to streamline the automated writing of name prefixes in the N-BGP RIB table to the NDN Forwarding Information Base (FIB) table. N-BGP was validated and evaluated in a hybrid environment, and the results show that N-BGP has the capability to exchange and process both Name and IP-based routes efficiently. v The necessity of advertising millions of domain names in N-BGP can significantly impact several aspects such as the frequency of NDNUPDATE messages, the size of routing tables, and convergence time. Consequently, this heightened utilization of speaker resources can adversely affect CPU and memory consumption, posing challenges to the stability and scalability of N BGP. In response to these challenges, a novel approach for global routing optimization is proposed. This optimization strategy involves several key steps: 1) implementing a Peer Name Provider (PNP) system comprising both PNP Servers (PNPS) and PNP Clients (PNPC), 2) globally advertising the PNPS names and the delivery locations (DL) which are derived from Autonomous System Numbers rather than producers' names, 3) utilizing the NDN’s Interest ForwardingHint element to convey the ASName corresponding to the delivery location of the requested data. The proposed scheme is then implemented and evaluated within the context of N-BGP using the Mininet emulator. The findings indicate that the proposed approach significantly boosts the scalability performance of N-BGP. This is evident in several key metrics: a reduction in exchanged message volume by a factor of 14.5, a decrease in convergence time by 93-fold, a substantial decrease in memory utilization by 2,500 times, and a notable drop in CPU utilization from 91% over approximately 228 seconds to 23% in less than 3 seconds when implementing N-BGP with the proposed scheme. One critical element to support the operation within the IDR system is address resolution. To address this need within the context of NDN domain, we propose a novel two-element solution aimed at enhancing name-to-delivery location resolution within NDN networks. This solution comprises: 1) a proposed data structure for the PNPS mapping table, termed Enhanced Coding Hash Trie data structure (ECHT), designed to optimize insertions, deletions, and lookup operations, and 2) a proposed PNP management protocol intended to automate the population and modification of the mapping table, thereby enhancing efficiency by simplifying processes and reducing human error during modifications to mapping table entries. The proposed solution is implemented and thoroughly tested on the PNPS mapping table, with its performance compared against two alternative algorithms: component and character tries. The results reveal a significant enhancement in the operational speed of the mapping table when utilizing the proposed data structure. Specifically, the insertion process achieves rates of 335.96 Names/ms for ECHT, and 9.196 and 8.576 Names/ms for the component and character algorithms, respectively. To prevent unauthorized modifications to the PNPS mapping table by malicious producers, it is crucial to implement an authentication framework. Thus, we propose the NDN One-Time Authentication (NDNOTA) framework, designed to authenticate NDN online services, applications, and data in real time. NDNOTA consists of three core elements: the consumer, producer, and authentication server. By employing various security measures such as Single Sign-On (SSO), token credentials, certified asymmetric keys, and signed NDN packets, NDNOTA aims to bolster the security of NDN-based interactions. To vi gauge the efficacy of the proposed framework, we validate and evaluate its impact on the three core elements in terms of time performance. For example, when a consumer request authenticated content through the entire NDNOTA process, there is an additional time overhead of 70 milliseconds compared to requesting normal content that doesn't require authentication. However, once the authentication token is generated and stored, this delay is amortized, resulting in a comparable timeframe to unauthenticated content requests.
Arabic abstract
تبرر شبكات البيانات المسماة (ش.ب.م) كهندسة انترنت مستقبلية، مما يمثل نقلة نوعية من الشبكات التي تركز على الموقع إلى الشبكات التي تركز على المحتوى في (ش.ب.م) يعتمد استرجاع البيانات على أسماء المحتوى بدلاً من موقع البيانات لتسريع نشر (ش.ب.م)، من الضروري إنشاء آلية للإعلان عن البادئات المستندة إلى الاسم عبر نطاقات مختلفة في التوجيه المستند إلى بروتوكول الإنترنت بعد بروتوكول البوابة الحدودية (ب. ب (ج) هو بروتوكول التوجيه الفعلي بين المجالات الذي يلعب دورا حيويا في الاتصال عبر الإنترنت من خلال تمكين مجالات الإنترنت المختلفة من تبادل معلومات التوجيه في شكله الحالي، يمكن لـ (ب. ب (ح) الإعلان عن الباديات المستندة إلى بروتوكول الإنترنت ومعالجتها، لكن لا يمكنه الإعلان عن البادئات المستندة إلى اسماء (ش.ب.م) أو معالجتها وبناء على ذلك، فإن الهدف الرئيسي من هذه الأطروحة هو التوصل إلى حل شامل وعملي لتوجيه حركة مرور (ش.ب.م) عالميا ضمن شبكات (ب. ب.ح) دون إزعاج أو تعطيل عملية الإنترنت الحالية.
في البداية، هناك ضرورة لتوسيع (ب.ب.ح) لاستيعاب تقنية (ش. ب.م) لضمان التوجيه السلس الحرم (ش.ب.م) جنبا إلى جنب مع حرم بروتوكول الإنترنت دون تعطيل أو المساس بالوظائف الحالية للإنترنت. لذلك، تم اقتراح امتداد (ش.ب.م) لـ (ب ب .ح)، المصمم لتمكين تبادل المسارات القائمة على الاسم داخل شبكات (ب.ب.ح) الحالية يحول الامتداد المقترح أجهزة التوجيه التقليدية إلى أجهرة توجيه هجينة، قادرة على الفهم والإعلان والاستقبال والمعالجة وتخزين البادنات القائمة على بروتوكول الإنترنت والبادئات القائمة على الاسم بشكل متزامن يتم تحقيق ذلك من خلال (1) إضافة قدرة في المجالات الاختيارية لرسالة (ب.ب.ح) المفتوحة (2) اقتراح رسالة تحديث جديدة لنقل أسماء (ش.ب.م) المعلن عنها أو المسحوبة (3) تحديد ثلاث قواعد معلومات توجيه منطقية الإدارة بادنات الأسماء ومعلومات التوجيه المرتبطة بها، (4) اقتراح نوع خطا جديد وأخطاء فرعية جديدة لإبلاغ أجهزة التوجيه . الهجينة في حالة حدوث أي خطأ في الرسالة الجديدة. علاوة على ذلك، يشتمل امتداد ال (ب. ب. (ح) على معالج مترابط دوري، معالج الإعلانات"، لمعالجة الرسائل المستلمة بكفاءة، (5) دمج عملية المعالجة التابعة للامتداد المقترح مع عملية المعالجة التابعة ل (ش.ب.م) والموجودة في أجهزة التوجيه لتبسيط الكتابة الآلية لبادنات الأسماء في قواعد البيانات تم التحقق من صحة عمل الامتداد المقترح وتقييمه في بيئة مختلطة، وأظهرت النتائج أن لديه القدرة على تبادل ومعالجة المسارات القائمة على الاسم بروتوكول الإنترنت بكفاءة.
يمكن أن تؤثر ضرورة الإعلان عن ملايين أسماء النطاقات بشكل كبير على عدة جوانب مثل تكرار رسائل وحجم جداول التوجيه ووقت التقارب وبالتالي، يمكن أن يؤثر هذا الاستخدام المتزايد الموارد أجهزة التوجيه سلبا على استهلاك وحدة المعالجة المركزية والذاكرة، مما يشكل تحديات أمام استقرار امتداد (ش.ب.م) لـ (ب. ب (حج) وقابلية التوسع واستجابة لهذه التحديات، تم اقتراح نهج جديد لتحسين التوجيه العالمي تتضمن استراتيجية التحسين هذه عدة خطوات رئيسية (1) تنفيذ نظام موفر اسم النظير الذي يشتمل على كل من خوادم وعملاء، (2) الإعلان عالميا عن الأسماء الخوادم ومواقع التسليم، والتي مشتقة من أرقام النظام المستقل بدلاً من أسماء المنتجين (3) استخدام عنصر من عناصر احدى الرسائل الخاصة بـ (ش.ب.م) لنقل موقع التسليم الخاص بالمنتج ثم بعد ذلك تنفيذ المخطط المقترح وتقييمه باستخدام محاكي تشير النتائج إلى أن النهج المقترح يعزز بشكل كبير أداء قابلية التوسع الامتداد (شب (م) لـ (ب. ب (ج) ويتجلى ذلك في العديد من المقاييس الرئيسية. انخفاض حجم الرسائل المتبادلة بعامل قدره 14.5، وانخفاض وقت التقارب بمقدار 93 ضعفاء وانخفاض كبير في استخدام الذاكرة بمقدار 2.500 مرة، وانخفاض ملحوظ في استخدام وحدة المعالجة المركزية من 91% على مدار 228 ثانية تقريبا إلى 23% في أقل من 3 ثوان عند تنفيذ N-BGP بالمخطط المقترح أحد العناصر الحاسمة لدعم العملية ضمن نظام التوجيه العالمي هو دقة العنوان لتلبية هذه الحاجة في سياق أحد العناصر الحاسمة لدعم العملية ضمن نظام التوجيه العالمي هو دقة العنوان لتلبية هذه الحاجة في سياق مجال (ش.ب.م)، تقترح حلا جديدا مكونا من عنصرين يهدف إلى تحسين دقة موقع الاسم إلى التسليم داخل شبكات (ش.ب.م) يشتمل هذا الحل على (1) بنية بيانات مقتر. رحة لجدول التعيين الموجود في الخوادم، يطلق عليها بنية بيانات تجزئة الترميز المحسنة المصممة لتحسين عمليات الإدراج والحذف والبحث، و(2) بروتوكول ادارة نظام موفر اسم النظير مقترح يهدف إلى أتمنة عملية السكان وتعديل جدول التعيين، وبالتالي تعزيز الكفاءة من خلال تبسيط العمليات وتقليل الأخطاء البشرية أثناء التعديلات على إدخالات جدول التعيين تم تنفيذ الحل المقترح واختباره بدقة على جدول التعيين الموجود في الخوادم، مع مقارنة أدائه مع خوارزميتين بديلتين كشفت النتائج عن تحسن كبير في السرعة التشغيلية لجدول التعيين عند استخدام بنية البيانات المقترحة على وجه التحديد، تحقق عملية الإدراج معدلات 335.96 اسما مللي ثانية للخوارزمية المقترحة، و 9.196 و 8.576 اسما مللي ثانية لخوارزميات الوكون والأحرف، على التوالي.
لمنع التعديلات غير المصرح بها على جدول التعيين في الخوادم من قبل أي منتج، يصبح من الضروري تنفيذ إطار المصادقة وبالتالي، فإننا نقترح إطار عمل مصادقة (ش.ب.م) لمرة واحدة، المصمم المصادقة خدمات وتطبيقات وبيانات (ش.ب.م) عبر الإنترنت في الوقت الفعلي يتكون إطار عمل المصادقة من ثلاثة عناصر أساسية المستهلك والمنتج وخادم المصادقة من خلال استخدام تدابير أمنية مختلفة مثل تسجيل الدخول الموحدة و بيانات اعتماد الرمز المميز، والمفاتيح غير المتماثلة المعتمدة، وحرم NDN الموقعة لقياس مدى فعالية الإطار المقترح، نقوم بالتحقق من صحة وتقييم تأثيره على العناصر الأساسية الثلاثة من حيث الأداء الزمني على سبيل المثال، عندما يطلب المستهلك محتوى تمت مصادقته من خلال عملية المصادقة بأكملها، يكون هناك وقت إضافي يصل إلى 70 مللي ثانية مقارنة بطلب المحتوى العادي الذي لا يتطلب المصادقة ومع ذلك، بمجرد إنشاء رمز المصادقة وتحرينه، لا يتم هذا التأخير، مما يؤدي إلى إطار زمني مماثل لطلبات المحتوى غير المصادق عليها. وبهذا يكون لدينا حل شامل وشامل لتحقيق توجيه وإعادة توجيه ثابت وقابل للتطوير وسلس وسريع وأمن الحرم (ش.ب.م) عالميا بين النطاقات.
في البداية، هناك ضرورة لتوسيع (ب.ب.ح) لاستيعاب تقنية (ش. ب.م) لضمان التوجيه السلس الحرم (ش.ب.م) جنبا إلى جنب مع حرم بروتوكول الإنترنت دون تعطيل أو المساس بالوظائف الحالية للإنترنت. لذلك، تم اقتراح امتداد (ش.ب.م) لـ (ب ب .ح)، المصمم لتمكين تبادل المسارات القائمة على الاسم داخل شبكات (ب.ب.ح) الحالية يحول الامتداد المقترح أجهزة التوجيه التقليدية إلى أجهرة توجيه هجينة، قادرة على الفهم والإعلان والاستقبال والمعالجة وتخزين البادنات القائمة على بروتوكول الإنترنت والبادئات القائمة على الاسم بشكل متزامن يتم تحقيق ذلك من خلال (1) إضافة قدرة في المجالات الاختيارية لرسالة (ب.ب.ح) المفتوحة (2) اقتراح رسالة تحديث جديدة لنقل أسماء (ش.ب.م) المعلن عنها أو المسحوبة (3) تحديد ثلاث قواعد معلومات توجيه منطقية الإدارة بادنات الأسماء ومعلومات التوجيه المرتبطة بها، (4) اقتراح نوع خطا جديد وأخطاء فرعية جديدة لإبلاغ أجهزة التوجيه . الهجينة في حالة حدوث أي خطأ في الرسالة الجديدة. علاوة على ذلك، يشتمل امتداد ال (ب. ب. (ح) على معالج مترابط دوري، معالج الإعلانات"، لمعالجة الرسائل المستلمة بكفاءة، (5) دمج عملية المعالجة التابعة للامتداد المقترح مع عملية المعالجة التابعة ل (ش.ب.م) والموجودة في أجهزة التوجيه لتبسيط الكتابة الآلية لبادنات الأسماء في قواعد البيانات تم التحقق من صحة عمل الامتداد المقترح وتقييمه في بيئة مختلطة، وأظهرت النتائج أن لديه القدرة على تبادل ومعالجة المسارات القائمة على الاسم بروتوكول الإنترنت بكفاءة.
يمكن أن تؤثر ضرورة الإعلان عن ملايين أسماء النطاقات بشكل كبير على عدة جوانب مثل تكرار رسائل وحجم جداول التوجيه ووقت التقارب وبالتالي، يمكن أن يؤثر هذا الاستخدام المتزايد الموارد أجهزة التوجيه سلبا على استهلاك وحدة المعالجة المركزية والذاكرة، مما يشكل تحديات أمام استقرار امتداد (ش.ب.م) لـ (ب. ب (حج) وقابلية التوسع واستجابة لهذه التحديات، تم اقتراح نهج جديد لتحسين التوجيه العالمي تتضمن استراتيجية التحسين هذه عدة خطوات رئيسية (1) تنفيذ نظام موفر اسم النظير الذي يشتمل على كل من خوادم وعملاء، (2) الإعلان عالميا عن الأسماء الخوادم ومواقع التسليم، والتي مشتقة من أرقام النظام المستقل بدلاً من أسماء المنتجين (3) استخدام عنصر من عناصر احدى الرسائل الخاصة بـ (ش.ب.م) لنقل موقع التسليم الخاص بالمنتج ثم بعد ذلك تنفيذ المخطط المقترح وتقييمه باستخدام محاكي تشير النتائج إلى أن النهج المقترح يعزز بشكل كبير أداء قابلية التوسع الامتداد (شب (م) لـ (ب. ب (ج) ويتجلى ذلك في العديد من المقاييس الرئيسية. انخفاض حجم الرسائل المتبادلة بعامل قدره 14.5، وانخفاض وقت التقارب بمقدار 93 ضعفاء وانخفاض كبير في استخدام الذاكرة بمقدار 2.500 مرة، وانخفاض ملحوظ في استخدام وحدة المعالجة المركزية من 91% على مدار 228 ثانية تقريبا إلى 23% في أقل من 3 ثوان عند تنفيذ N-BGP بالمخطط المقترح أحد العناصر الحاسمة لدعم العملية ضمن نظام التوجيه العالمي هو دقة العنوان لتلبية هذه الحاجة في سياق أحد العناصر الحاسمة لدعم العملية ضمن نظام التوجيه العالمي هو دقة العنوان لتلبية هذه الحاجة في سياق مجال (ش.ب.م)، تقترح حلا جديدا مكونا من عنصرين يهدف إلى تحسين دقة موقع الاسم إلى التسليم داخل شبكات (ش.ب.م) يشتمل هذا الحل على (1) بنية بيانات مقتر. رحة لجدول التعيين الموجود في الخوادم، يطلق عليها بنية بيانات تجزئة الترميز المحسنة المصممة لتحسين عمليات الإدراج والحذف والبحث، و(2) بروتوكول ادارة نظام موفر اسم النظير مقترح يهدف إلى أتمنة عملية السكان وتعديل جدول التعيين، وبالتالي تعزيز الكفاءة من خلال تبسيط العمليات وتقليل الأخطاء البشرية أثناء التعديلات على إدخالات جدول التعيين تم تنفيذ الحل المقترح واختباره بدقة على جدول التعيين الموجود في الخوادم، مع مقارنة أدائه مع خوارزميتين بديلتين كشفت النتائج عن تحسن كبير في السرعة التشغيلية لجدول التعيين عند استخدام بنية البيانات المقترحة على وجه التحديد، تحقق عملية الإدراج معدلات 335.96 اسما مللي ثانية للخوارزمية المقترحة، و 9.196 و 8.576 اسما مللي ثانية لخوارزميات الوكون والأحرف، على التوالي.
لمنع التعديلات غير المصرح بها على جدول التعيين في الخوادم من قبل أي منتج، يصبح من الضروري تنفيذ إطار المصادقة وبالتالي، فإننا نقترح إطار عمل مصادقة (ش.ب.م) لمرة واحدة، المصمم المصادقة خدمات وتطبيقات وبيانات (ش.ب.م) عبر الإنترنت في الوقت الفعلي يتكون إطار عمل المصادقة من ثلاثة عناصر أساسية المستهلك والمنتج وخادم المصادقة من خلال استخدام تدابير أمنية مختلفة مثل تسجيل الدخول الموحدة و بيانات اعتماد الرمز المميز، والمفاتيح غير المتماثلة المعتمدة، وحرم NDN الموقعة لقياس مدى فعالية الإطار المقترح، نقوم بالتحقق من صحة وتقييم تأثيره على العناصر الأساسية الثلاثة من حيث الأداء الزمني على سبيل المثال، عندما يطلب المستهلك محتوى تمت مصادقته من خلال عملية المصادقة بأكملها، يكون هناك وقت إضافي يصل إلى 70 مللي ثانية مقارنة بطلب المحتوى العادي الذي لا يتطلب المصادقة ومع ذلك، بمجرد إنشاء رمز المصادقة وتحرينه، لا يتم هذا التأخير، مما يؤدي إلى إطار زمني مماثل لطلبات المحتوى غير المصادق عليها. وبهذا يكون لدينا حل شامل وشامل لتحقيق توجيه وإعادة توجيه ثابت وقابل للتطوير وسلس وسريع وأمن الحرم (ش.ب.م) عالميا بين النطاقات.
Category
Theses and Dissertations