胡 騫，武穆清，郭 嵩

（北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建與融合北京市重點實驗室 北京 100876）

1 引言

當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計理念可以上溯至20世紀(jì)六七十年代?；ヂ?lián)網(wǎng)剛剛誕生時，計算機的硬件成本昂貴，互聯(lián)網(wǎng)最初的目標(biāo)是通過網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)硬件資源的共享。因此，通信的主要目的是連接兩臺主機，在通信過程中必須明確通信雙方的主機位置。IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議）通過在數(shù)據(jù)分組中封裝源IP地址和宿IP地址，實現(xiàn)了對主機位置的標(biāo)識，很好地滿足了當(dāng)時的需求。然而，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機的硬件成本大幅度降低，人們對硬件資源共享的需求已經(jīng)淡化，更多地關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容服務(wù)。在這種前提下，人們并不關(guān)心提供內(nèi)容信息的是哪臺計算機，而只關(guān)心獲取內(nèi)容的速度以及內(nèi)容的可靠性和安全性。然而目前互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的TCP/IP仍然通過 “主機—主機”的方式進行通信，已經(jīng)不能適應(yīng)用戶需求的變化。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，各互聯(lián)網(wǎng)站點的用戶訪問數(shù)量激增,導(dǎo)致了網(wǎng)站出口帶寬的瓶頸效應(yīng)，也降低了遠(yuǎn)距離用戶訪問的響應(yīng)速度，而且IP地址既代表拓?fù)湮恢糜质枪?jié)點的標(biāo)識，這種語義的過載也會帶來很多問題。例如，由于公司的搬遷，可能會造成服務(wù)器無法訪問，必須到相關(guān)機構(gòu)申請新的IP地址，并到域名注冊的網(wǎng)站重新將域名與新的IP地址綁定。

目前廣泛應(yīng)用的端到端（peer-to-peer，P2P）技術(shù)和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（content delivery network，CDN）技術(shù)，在一定程度上緩解了用戶對“內(nèi)容/信息共享”的需求。端到端技術(shù)允許用戶檢索內(nèi)容文件，并通過端到端覆蓋網(wǎng)絡(luò)獲取內(nèi)容；內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶需要獲取的內(nèi)容，把用戶重定向到一個存儲著相應(yīng)內(nèi)容的比較近的服務(wù)器上。但是，由于目前的互聯(lián)網(wǎng)本身依賴于“主機—主機”的通信模式，解決方案往往是在網(wǎng)絡(luò)的上層建立覆蓋網(wǎng)絡(luò)，這種“以內(nèi)容為中心的應(yīng)用/服務(wù)需求”與“主機—主機的通信模式”之間的不匹配導(dǎo)致通信的低效率和高成本。而且內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容服務(wù)器選擇與IP層的路由優(yōu)化是一種非合作博弈，這種模式會大大降低內(nèi)容的分發(fā)效率[1]。如果想從根本上解決這個問題，讓網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)與需求相適應(yīng)，就必須對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行重新的思考和定義，建立一個全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

針對上述問題，國際上主流的研究思路是建立以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)。這是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將內(nèi)容與主機在網(wǎng)絡(luò)層面區(qū)分開來，內(nèi)容不再依托于特定的主機。與端到端網(wǎng)絡(luò)等在應(yīng)用層實現(xiàn)內(nèi)容分發(fā)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，CON的思路真正打破了“主機—主機”通信模式的束縛，是一種革命性的概念。

本文結(jié)合具體的實例，對CON中涉及的關(guān)鍵技術(shù)進行介紹和總結(jié)，然后對其研究熱點和發(fā)展方向進行預(yù)測。

以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的最大區(qū)別在于，前者是基于內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)，一般并不關(guān)心內(nèi)容的來源；而后者利用<源IP地址，宿IP地址，源端口，宿端口>進行端到端通信，內(nèi)容必須從特定的主機中獲取。

2 關(guān)鍵技術(shù)

在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中，如何對內(nèi)容進行標(biāo)識和定位，是研究中最重要的兩個問題。前者是內(nèi)容的命名問題，后者是基于內(nèi)容命名的路由問題。下面對以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中的命名和路由兩項關(guān)鍵技術(shù)進行詳細(xì)闡述，然后對緩存、安全等其他關(guān)鍵技術(shù)進行簡要介紹。

2.1 命名

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)存在一個嚴(yán)重的問題就是IP地址語義過載，IP地址既代表了節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)湮恢?，又是?jié)點的標(biāo)識。IP地址的語義過載帶來移動性、擴展性以及安全性等諸多問題，因此將位置與標(biāo)識分離已成為未來網(wǎng)絡(luò)重點研究的問題之一[2]。在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的核心從位置變成內(nèi)容，通信的過程不再基于“主機—主機”，而是“請求內(nèi)容—獲得內(nèi)容”的過程，由于這一基本特性，決定了位置和標(biāo)識分離是必須要實現(xiàn)的技術(shù)。在當(dāng)前各國科研機構(gòu)提出的以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，命名技術(shù)都是針對內(nèi)容命名的，這樣就可以解決語義過載的問題，除此以外也在其他方面有了很大的改進。

以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)的命名技術(shù)可以分為分級命名和扁平化命名兩種，下面分別進行敘述。

2.1.1 分級命名

在各個國際組織提出的以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中 ，命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)（named data networking，NDN[3,4]）和TRAID[5]采用的就是分級命名機制。它們均采用一種類似于 URL（uniform resource locator）的命名方式，比如一個中國移動的用戶可以被命名為/cmcc/location/user。這種命名方式帶來了很多好處，首先內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)是以內(nèi)容為中心的，對內(nèi)容的命名是一個核心的問題，采用上述分級命名機制時，對網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用或者服務(wù)命名時就可以借用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的URL格式直接對其命名，大大降低了規(guī)范命名的工作量；其次，采用分級方式的命名機制可以通過內(nèi)容聚合技術(shù)來減輕路由工作負(fù)擔(dān)，這是非常必要的，因為網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容的數(shù)量龐大[6]，會給基于內(nèi)容的路由帶來巨大的負(fù)載，會大大降低路由的工作效率。而從上述中國移動的命名例子中不難看出，在這種命名格式中，分級是可以根據(jù)所在范圍來定義的，在這里，第一級是/cmcc，即中國移動，第二級表示的是該用戶所在地，最后一級是該用戶的標(biāo)識。在路由過程中可以根據(jù)不同的需求進行不同的聚合。例如，若僅在中國移動網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信，那么可以首先通過/cmcc/location進行路由，之后再尋找某一用戶，這樣核心路由器中路由表規(guī)模就會大大降低。但是，這種命名方式也有一些弊端。對未來網(wǎng)絡(luò)的需求之一是要很好地支持移動性，即當(dāng)某一內(nèi)容改變了位置，同樣可以獲取該內(nèi)容而不需要網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的交互，這也是位置與標(biāo)識分離最終實現(xiàn)的目標(biāo)之一，而從上述命名例子中可以發(fā)現(xiàn)，這種命名是跟提供者有一定聯(lián)系的，如果內(nèi)容的提供者發(fā)生了變更，為了保證命名的永久性而不改變命名，這樣就會造成命名與實際無聯(lián)系，容易誤導(dǎo)用戶或者使用戶無法通過提供者這一線索找到該內(nèi)容。

2.1.2 扁平化命名

與NDN不同的是，以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)（data-oriented network architecture，DONA[7]）、信息網(wǎng)絡(luò)（network of information，NetInf[8]）和發(fā)布/訂閱模式互聯(lián)網(wǎng)路由選擇范例（publish/subscribe internet routing paradigm，PSIRP[9,10])等采用扁平化命名的機制，利用內(nèi)容內(nèi)部屬性來定義標(biāo)識。在以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)中，提出了一種格式的標(biāo)識來定義一個內(nèi)容，其中P是一個公共密鑰的散列，L是一個全局唯一的標(biāo)識；信息網(wǎng)絡(luò)中提出了一種IO-DO模式的命名機制，一個信息對象（information object，IO）表示一種事物的所有相關(guān)集合，而不是特定的某種事物，一個數(shù)據(jù)對象 (data object，DO)表示一個特定的信息對象，比如一個音樂可以定義為信息對象，不需要確定它的編碼方式、大小等細(xì)節(jié)特性，只需確定它的名字就可以確定這個信息對象，然后在信息網(wǎng)絡(luò)中通過這個標(biāo)識查找這個信息對象，而數(shù)據(jù)對象是對這個音樂進行特定編碼（例如MP3）的對象，特定編碼對象的不同副本都可以歸類為相同的數(shù)據(jù)對象。在發(fā)布/訂閱模式互聯(lián)網(wǎng)路由選擇范例項目里，根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)特點，提出了4種標(biāo)識，分別為應(yīng)用層標(biāo)識（application level identifier，AID）、匯聚標(biāo)識（rendezvous identifier，RID）、范圍標(biāo)識（scope identifier，SID）和轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)識（forwarding identifiers，F(xiàn)ID），其中匯聚標(biāo)識和范圍標(biāo)識共同作用標(biāo)識一個內(nèi)容，其具體格式類似于CON的。

從上述介紹可以看出，扁平化命名機制在永久性命名和安全性方面存在優(yōu)勢。第一，由于命名的扁平化使得內(nèi)容的命名是一個全局唯一的標(biāo)識，滿足了未來網(wǎng)絡(luò)對命名的永久性要求，而且命名原則是根據(jù)內(nèi)容數(shù)據(jù)特性以及所屬領(lǐng)域規(guī)定的，用戶可以通過某種解析機制來獲取相應(yīng)內(nèi)容，這樣不會出現(xiàn)因提供者變更而無法獲得內(nèi)容的情況；第二，上述的3種命名機制都具有自我驗證的功能，大大提高了內(nèi)容的可靠性，而且這種驗證方式不依賴于網(wǎng)絡(luò)，只需獲得可靠提供者的公共密鑰就可以對內(nèi)容進行驗證，驗證過程伴隨轉(zhuǎn)發(fā)進行，在保證網(wǎng)絡(luò)效率的同時提高了可靠性。

但是這種命名機制隨著命名空間的膨脹也會帶來巨大的問題，扁平化的命名很難實現(xiàn)聚合，這樣就會使路由負(fù)擔(dān)越來越大，需要保存的條目越來越多，這樣勢必會提高對路由器存儲能力和處理能力的要求。除此以外，如前面提到的，這樣的命名不是用戶可用的，需要適當(dāng)?shù)慕馕鰴C制來實現(xiàn)用戶請求內(nèi)容、獲取內(nèi)容的過程，那么就同樣需要一個高效的命名解析機制來完成上述功能。

2.2 路由

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，路由基于IP技術(shù)來實現(xiàn)，通過路由協(xié)議計算節(jié)點之間的最優(yōu)路徑，建立IP轉(zhuǎn)發(fā)表。以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)的核心是以內(nèi)容為中心，那么應(yīng)當(dāng)具備基于名字對內(nèi)容進行定位的能力，即基于名字的路由。端到端技術(shù)是在現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)上建立覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)內(nèi)容的檢索和獲取，已經(jīng)隱含了向以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)變的設(shè)計思路，其路由的研究也有可以借鑒的地方。這里，沿用端到端路由研究中常見的分類方法，根據(jù)是否存在維持以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點路由表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將其網(wǎng)絡(luò)路由劃分為結(jié)構(gòu)化路由和非結(jié)構(gòu)化路由。

2.2.1 非結(jié)構(gòu)化的路由

非結(jié)構(gòu)化的路由中，路由通告基于泛洪機制發(fā)送，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)就是采用了這樣的方式，因此，非結(jié)構(gòu)化的路由可以較好地與IP兼容。一個典型的例子就是命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)。命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)的路由在實現(xiàn)上可以完全與IP兼容，僅需要對IP網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議進行簡單的改動，就可以適用于以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)。在NDN+IP的網(wǎng)絡(luò)中，基于名字的路由機制和基于IP的路由機制可以互不影響地運行。具體的實現(xiàn)方式描述如下。

圖1中A、B、F、E節(jié)點是命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，同時支持命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)和IP；C、D節(jié)點是傳統(tǒng)的路由節(jié)點，僅支持IP。圖中的兩個數(shù)據(jù)源分別通過命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)廣播向A、B節(jié)點通告它們各自能夠提供的內(nèi)容。A和B節(jié)點通過泛洪機制將內(nèi)容發(fā)布，與開放式最短路徑優(yōu)先（open shortest path first，OSPF）協(xié)議中鏈路狀態(tài)通告的傳播完全相同，直到全網(wǎng)更新鏈路狀態(tài)為止。圖1中的E節(jié)點通過對收到的鏈路狀態(tài)進行本地計算，得到到達A、B節(jié)點的路由。

當(dāng)與E節(jié)點相連的用戶發(fā)起內(nèi)容請求時，E節(jié)點通過已建立的路由從數(shù)據(jù)源中獲取內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具備緩存功能，會緩存轉(zhuǎn)發(fā)過的內(nèi)容信息，因此當(dāng)其他用戶再發(fā)起相同的內(nèi)容請求時，也可以從網(wǎng)絡(luò)中最近的節(jié)點獲取內(nèi)容，這種機制減少了網(wǎng)絡(luò)中的重復(fù)流量。

網(wǎng)絡(luò)中的C、D節(jié)點為普通的IP路由器，當(dāng)收到攜帶命名前綴的數(shù)據(jù)分組時，會忽略此前綴，僅基于IP地址進行轉(zhuǎn)發(fā)。這種機制是利用開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議中的TLV(type-length-value)字段來完成的，開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議規(guī)定，對于協(xié)議不理解的前綴，直接忽略不做處理[11]。在IS-IS(intermediate system to intermediate system,中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng))中，也存在類似的字段，同樣可以用來攜帶名字前綴[12]。參考文獻[3]給出了關(guān)于這種與IP兼容的路由實現(xiàn)方式更為詳盡的描述。

2.2.2 結(jié)構(gòu)化的路由

結(jié)構(gòu)化路由中，網(wǎng)絡(luò)存在一個維持CON節(jié)點路由表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用來完成命名的解析和內(nèi)容的定位。

以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)采用了樹狀的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

DONA中引入了解析處理器（resolution handler，RH）的概念，完成對內(nèi)容請求及響應(yīng)的路由功能，用于內(nèi)容的查找和注冊。解析處理器是分等級的，并以樹狀結(jié)構(gòu)相互連接。內(nèi)容提供者會根據(jù)需要發(fā)布內(nèi)容，向其所屬的解析處理器注冊，并逐級上報到根節(jié)點；客戶端有內(nèi)容的需求時，會發(fā)起查詢請求，并沿著解析處理器的樹狀結(jié)構(gòu)逐級向上查找，直到存在相應(yīng)的解析處理器響應(yīng)其查詢請求。

在這種樹狀結(jié)構(gòu)中，每一個解析處理器都要為其下屬的解析處理器維護所有已注冊內(nèi)容的路由信息。因此當(dāng)內(nèi)容文件發(fā)生更改、復(fù)制、刪除時，路由的通告會沿著樹傳播，直到所有相關(guān)的解析處理器都完成更新，這加重了解析處理器的負(fù)擔(dān)，越靠近根節(jié)點的解析處理器負(fù)擔(dān)越重，因為根節(jié)點需要了解全局的路由信息。

DONA的這種架構(gòu)并沒有完全脫離IP，而是在一定程度上依賴IP網(wǎng)絡(luò)，即通過基于名字的方式完成對內(nèi)容的定位，再通過傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的IP建立連接完成傳輸。但是以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)也可以獨立于IP，依靠內(nèi)容定位過程中建立的路徑來完成數(shù)據(jù)的傳輸[7]。

此外，發(fā)布/訂閱模式互聯(lián)網(wǎng)路由選擇范例采用了分級的分布式散列表（distributed Hash table，DHT）結(jié)構(gòu)[13]，這種結(jié)構(gòu)在一定程度上均衡了負(fù)載，但路由確定的路徑一般并不是最短路徑。

在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)研究中，采用結(jié)構(gòu)化路由還是非結(jié)構(gòu)化路由，直接取決于網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)及其采用的命名方式。此外，也可以從名字解析和內(nèi)容檢索的實現(xiàn)角度對路由體系進行分類[14]。在以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)布/訂閱模式互聯(lián)網(wǎng)路由選擇范例等架構(gòu)中，名字解析與內(nèi)容的獲取分離。例如以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)中先利用分級的解析處理器完成名字解析，得到相關(guān)的位置信息，然后獲取內(nèi)容；而對于命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)，并不存在名字解析的過程，因為命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)即使在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時也是基于名字的，相當(dāng)于把名字解析和內(nèi)容獲取的過程整合在了一起。無論從何種角度對路由進行歸類和劃分，基于名字的路由都是一個重要的問題。

從擴展性的角度來看，命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)的非結(jié)構(gòu)化路由與其他網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)（DONA、PRIRP等）相比，具有更好的可擴展性，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；從部署的角度來看，以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)等可以利用現(xiàn)有的傳輸機制，相對容易實現(xiàn)部署。

目前以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)研究普遍存在的問題是尚缺乏大規(guī)模的驗證，而路由的可擴展性等問題的研究，不能僅局限于理論和仿真分析，更需要在較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)中進行驗證。隨著學(xué)術(shù)界對CON的重視，全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境（global environment for networking innovations，GENI[15]）、未來互聯(lián)網(wǎng)研究和實驗 （future internet research and experimentation，F(xiàn)IRE[16]）等項目中推出的基于虛擬化技術(shù)的實驗床的廣泛應(yīng)用，使其在較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中進行實驗驗證成為可能，這也會加快CON的研究與發(fā)展。

2.3 其他關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 安全

以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中的安全機制與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的不同之處在于，前者并不關(guān)注數(shù)據(jù)通道的安全，因為在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)的傳輸并沒有固定的傳輸通道；直接保證內(nèi)容的安全，一般通過對內(nèi)容進行完整性校驗，并驗證數(shù)據(jù)源的可靠性來實現(xiàn)。

CON中利用發(fā)布者的私鑰對內(nèi)容進行簽名，接收方利用發(fā)布者的公鑰驗證簽名，保證內(nèi)容的完整性和可靠性[3]。以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)以格式對內(nèi)容命名，其中的P字段是一個公共密鑰的散列，通過公共密鑰可以驗證內(nèi)容的可靠性，發(fā)布/訂閱模式互聯(lián)網(wǎng)路由選擇范例的匯聚標(biāo)識也具有類似的功能。在信息網(wǎng)絡(luò)中，一個信息對象[17]被定義為，其中的ID包含了公共密鑰的散列，可以實現(xiàn)自我驗證的功能。

2.3.2 緩存

內(nèi)容緩存技術(shù)在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中都已有成熟的應(yīng)用，該技術(shù)的應(yīng)用大大提高了網(wǎng)絡(luò)工作效率，減輕了核心路由工作負(fù)擔(dān)，在邊緣網(wǎng)絡(luò)放置內(nèi)容緩存服務(wù)器，緩存熱點內(nèi)容，服務(wù)后續(xù)的內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)請求。

在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中，同樣使用了緩存技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)工作效率。在已提出的各種內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中均提到要廣泛采用內(nèi)容緩存技術(shù)，不僅像以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)在邊緣網(wǎng)絡(luò)放置緩存服務(wù)器，而且希望在所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中都設(shè)有緩存服務(wù)器用于暫時保存熱點內(nèi)容[3,7,8]，當(dāng)主機發(fā)起內(nèi)容請求時，路由節(jié)點會先搜索緩存內(nèi)是否存有相應(yīng)內(nèi)容，若有則直接返回內(nèi)容，大大降低了用戶獲取內(nèi)容的時延；若不存在則當(dāng)遠(yuǎn)端內(nèi)容提供者返回內(nèi)容時保存該內(nèi)容以便下次提供服務(wù)。

關(guān)于內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)中的緩存技術(shù)主要有緩存替換策略，因為緩存服務(wù)器的容量是有限的，需要定期更新緩存內(nèi)容，其中命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)采用的是最近最少使用置換（least recently used，LRU）算法和最不經(jīng)常使用置換（least frequently used，LFU）算法來最大限度地存儲內(nèi)容。

目前成熟的緩存技術(shù)還是應(yīng)用在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)及內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的緩存技術(shù)[18,19]，這些緩存機制仍然都是基于IP的，因此在未來的內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)中需要研究一種基于內(nèi)容的緩存機制，以便能夠更好地適應(yīng)以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)，這也是將來緩存技術(shù)的研究重點，尤其是結(jié)合適應(yīng)分布式緩存的路由機制的研究。

3 CON未來研究的難點和發(fā)展方向

3.1 內(nèi)容的命名與聚合

前面提到的兩種命名方式都是針對網(wǎng)絡(luò)提供的內(nèi)容或數(shù)據(jù)命名的，都實現(xiàn)了位置與標(biāo)識分離。二者各有優(yōu)缺點，分級命名可以比較容易地實現(xiàn)內(nèi)容的聚合，通過聚合大大降低路由的工作負(fù)擔(dān)，尤其是核心路由，但是命名所采用的字段還是與提供商或者所在位置有一定的聯(lián)系，沒有徹底地與位置分離開，當(dāng)提供商發(fā)生變更，可能會出現(xiàn)用戶無法獲得或者導(dǎo)致命名無意義；而扁平化命名恰恰很好地保證了命名的永久性，不過，需要通過命名解析機制使用戶獲得數(shù)據(jù)，而且扁平化的命名很難實現(xiàn)內(nèi)容聚合，對路由器提出了很高的要求。

因此可以考慮將分層命名和扁平命名相結(jié)合，即在邊緣網(wǎng)絡(luò)使用扁平化命名，在一個邊緣網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的內(nèi)容提供者是相對穩(wěn)定的，這樣在邊緣網(wǎng)絡(luò)使用扁平化命名可以保證命名的永久性和可靠性；而到了核心網(wǎng)采用分層命名機制，通過有效的內(nèi)容聚合技術(shù)對各類內(nèi)容進行聚合，降低核心路由器工作負(fù)擔(dān)。

3.2 有效的路由機制

路由是網(wǎng)絡(luò)研究中的重要部分，傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中路由機制的研究已經(jīng)比較成熟，但是與傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)相比，以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中的路由設(shè)計顯得稍為復(fù)雜。在以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)布/訂閱模式互聯(lián)網(wǎng)路由選擇范例、以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)等架構(gòu)中，命名解析和內(nèi)容獲取被分為兩步，接收方先通過命名解析服務(wù)器獲得所請求內(nèi)容的位置主機（或網(wǎng)絡(luò)中的緩存），再與內(nèi)容的發(fā)送方通信，獲取內(nèi)容。命名解析和內(nèi)容獲取都需要有效的路由機制支持。Caesar M等人提出直接基于扁平化命名進行路由的機制[20]，但路由的性能還有待于進一步研究。在命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)中，不存在命名解析，因為數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)直接基于內(nèi)容命名，前面介紹了命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)項目中通過對開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議進行改進來實現(xiàn)基于內(nèi)容進行路由的思路，這種設(shè)計思路能夠較好地實現(xiàn)與IP網(wǎng)絡(luò)的融合，但是對于大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)容提供商發(fā)布內(nèi)容的過程會大大加重開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議鏈路狀態(tài)通告的負(fù)擔(dān)，使開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議喪失原本收斂較快的優(yōu)點[21]，大大增加網(wǎng)絡(luò)的控制流量。命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)對開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議改進來實現(xiàn)基于內(nèi)容路由的思路可能是為了平滑地演進以及與IP網(wǎng)絡(luò)的兼容，當(dāng)前業(yè)界也在考慮和研究其完全不依賴于IP網(wǎng)絡(luò)情況下基于命名的路由。

如何有效地基于內(nèi)容的命名進行路由，在建立路由的過程中合理有效地利用網(wǎng)絡(luò)中的緩存，甚至建立多路徑轉(zhuǎn)發(fā)，仍然是一個值得研究的問題。此外，內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)的通信模式不再是傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)中的“主機—主機”，一些在IP網(wǎng)絡(luò)中難以解決的問題，都可能在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中得到解決。例如受限于端到端的通信方式，多宿主（multi-homing）在IP網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)起來較為困難，但是在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中，路由是基于內(nèi)容的，且網(wǎng)絡(luò)具備對內(nèi)容的緩存能力，因此通過路由機制可以有效地利用內(nèi)容緩存建立多路徑，進而實現(xiàn)多路徑的轉(zhuǎn)發(fā)機制，實現(xiàn)多宿主。另一個簡單的例子就是，終端用戶在接入網(wǎng)絡(luò)時，可以很方便地選擇多個互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商 （internet service provider，ISP）同時接入，網(wǎng)絡(luò)會選擇最優(yōu)的路徑收發(fā)數(shù)據(jù)，最終可以實現(xiàn)用戶體驗質(zhì)量（quality of experience，QoE）的提升。

3.3 對端到端業(yè)務(wù)的支持

目前以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要著眼于內(nèi)容分發(fā)的需求，雖然從不同的角度解決了內(nèi)容分發(fā)的問題，但是對傳統(tǒng)的端到端業(yè)務(wù)并沒有提供良好的支持。從網(wǎng)絡(luò)流量的角度來看，內(nèi)容流量的確占據(jù)較大比重，但是端到端業(yè)務(wù)的重要性仍然不可取代，像基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的話音業(yè)務(wù)（voice over internet protocol，VoIP）、視頻會議業(yè)務(wù)、電子郵件（E-mail）業(yè)務(wù)等，在未來網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)當(dāng)?shù)玫捷^好的支持。

以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)可以部署在現(xiàn)有的傳輸機制之上，嚴(yán)格意義上并非完全基于內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因此端到端業(yè)務(wù)可以采用傳統(tǒng)的通信方式解決。對于命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)這種推倒重來（clean slate）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保留端到端的服務(wù)是命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計原則之一[4]。對應(yīng)于基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的話音業(yè)務(wù)（VoIP），有人提出VoCCN[22]的概念，可以提供對話音這類實時業(yè)務(wù)的支持，即采用接收方驅(qū)動的方式，通過持續(xù)發(fā)送內(nèi)容請求分組向?qū)Ψ酵ǜ鎸ο乱粋€數(shù)據(jù)分組的“興趣”，以完成通信。VoCCN基于命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實現(xiàn)，而命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)中是針對每一個分組進行命名和路由的，這種解決端到端通信的方式是否能夠保證傳輸?shù)男剩写谶M一步研究。

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中通過覆蓋網(wǎng)絡(luò)的方式來解決內(nèi)容分發(fā)的需求；類似地，在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中，也應(yīng)該有相應(yīng)的技術(shù)來支持端到端的業(yè)務(wù)。但是，由于目前以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)本身的研究尚處于起步階段，國際上提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也不止一種，因此如何在以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)中解決端到端業(yè)務(wù)的問題，并不存在萬全的解決方法?？梢灶A(yù)測，在保證以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容分發(fā)優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，同時能夠?qū)Χ说蕉藰I(yè)務(wù)提供良好支持的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，必定會得到更廣泛的認(rèn)可。

3.4 移動性的支持

移動性分為用戶終端的移動性和內(nèi)容提供端的移動性。

從接收方驅(qū)動的通信方式來看，命名的數(shù)據(jù)—網(wǎng)絡(luò)對前者具有較好的支持，因為用戶終端可以靈活地切換到不同的接入網(wǎng)并繼續(xù)發(fā)送內(nèi)容請求。但是在端到端業(yè)務(wù)中，如果移動的用戶終端作為接收方，如何對移動的用戶終端進行定位仍然存在問題。

另外，內(nèi)容提供端的移動雖然不會導(dǎo)致通信中斷，但是會使網(wǎng)絡(luò)中路由表更新，大量內(nèi)容提供端的移動還會產(chǎn)生特殊的前綴，影響路由表項的聚合?？梢酝ㄟ^對移動的內(nèi)容重新命名的方法來解決聚合的問題，但是這會使命名失去永久性。一種可能的解決方法是在上層增添命名層，對內(nèi)容進行永久性命名，然后再映射到與拓?fù)湎嚓P(guān)的命名中。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合國際上的研究現(xiàn)狀，綜述了以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，并分析了其研究難點和發(fā)展方向。目前未來網(wǎng)絡(luò)是計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點，學(xué)術(shù)界提出了很多推倒重來（clean slate）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)的思路得到廣泛的重視。但是由于傳統(tǒng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)應(yīng)用至今，而以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)的研究剛剛起步，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)還不成熟，因此CON的概念被人們廣泛認(rèn)可并投入商用尚需要一段時間，但是必定是未來很長一段時間內(nèi)研究的熱點。

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