葉張權(quán) 黃艷艷 高強(qiáng)

【摘 要】?jī)?nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)CCN（Content Centric Network）為當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)通信模式帶來一種全新的改變，它不再是通過主機(jī)地址，而通過尋址“命名數(shù)據(jù)”進(jìn)行通信。內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著特征是將存儲(chǔ)功能嵌入到網(wǎng)絡(luò)中，為處理傳輸問題增加了一個(gè)新的維度。目前內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一個(gè)接收端驅(qū)動(dòng)的請(qǐng)求控制協(xié)議ICP（Interest Control Protocol）。文中對(duì)這些過程的模型化進(jìn)行了概括，并對(duì)這些過程模型的合理性和準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，最后給出了ICP協(xié)議的研究趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】?jī)?nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)；CCN；請(qǐng)求控制協(xié)議ICP

1.引言

當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則和結(jié)構(gòu)起源于20世紀(jì)六七十年代，當(dāng)時(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的目標(biāo)是解決硬件資源的共享問題，由于當(dāng)時(shí)硬件資源稀缺且成本較高。因此，通信的主要目的是連接兩臺(tái)主機(jī)，且需要確定具體的設(shè)備位置。IP數(shù)據(jù)包是以IP地址作為數(shù)據(jù)進(jìn)行打包的，以IP地址標(biāo)識(shí)具體的設(shè)備，IP包中源地址和目的地址的設(shè)計(jì)就是為了滿足這種發(fā)生在兩臺(tái)具體設(shè)備間的通信需求。然而，隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的硬件成本大幅度降低，人們對(duì)硬件資源共享的需求已經(jīng)淡化，并且網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的主體已經(jīng)轉(zhuǎn)向文字信息和視頻等內(nèi)容，內(nèi)容服務(wù)慢慢成為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的主體，互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容服務(wù)得到了更多的關(guān)注。在內(nèi)容服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，人們并不關(guān)心哪臺(tái)計(jì)算機(jī)提供內(nèi)容信息，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。但是，目前互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的TCP/IP仍然是Host-to-Host通信模式，這種通信模式對(duì)于以發(fā)布和獲取信息為主的內(nèi)容服務(wù)網(wǎng)絡(luò)來說存在明顯的不足。因此，端到端和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的出現(xiàn)在一定程度上緩解了用戶對(duì)“內(nèi)容/信息共享”的需求。但是，任何在目前體系結(jié)構(gòu)下進(jìn)行的內(nèi)容傳送機(jī)制的改進(jìn)都無法徹底克服底層機(jī)制的缺陷，終究會(huì)造成資源的浪費(fèi)、安全性下降，并且需要復(fù)雜的內(nèi)容和“位置”的映射。

目前，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)都參與了內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)有工業(yè)和信息化部電信研究院，清華大學(xué)網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)室，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建和融合實(shí)驗(yàn)室等；國(guó)外的機(jī)構(gòu)有美國(guó)的PARC研究中心，UCLA和貝爾實(shí)驗(yàn)室，歐洲的CONNECT項(xiàng)目組等。

2.CCN體系介紹

內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的基本涵義就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的需求是內(nèi)容，而不是主機(jī)。它從根本上改變了IP包的封裝結(jié)構(gòu)和尋址方式，數(shù)據(jù)包的包頭不再以地址作為標(biāo)識(shí)，而是以內(nèi)容名稱作為標(biāo)識(shí)。所以，CCN最主要的驅(qū)動(dòng)力就是對(duì)內(nèi)容的需求，其主要的數(shù)據(jù)包有內(nèi)容請(qǐng)求包（interest packet）和內(nèi)容數(shù)據(jù)包（data packe）兩種，具體結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 典型的CCN數(shù)據(jù)包類型[4]

整個(gè)信息傳輸共享過程是，請(qǐng)求數(shù)據(jù)包定義了一個(gè)報(bào)文所包含的內(nèi)容標(biāo)題，該包向所有方向發(fā)送請(qǐng)求，能夠提供該請(qǐng)求內(nèi)容的鄰近的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，就會(huì)通過內(nèi)容數(shù)據(jù)包向請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。由此可以看出，CCN的整個(gè)過程不再關(guān)心位置在哪里，而是關(guān)心以最小的代價(jià)從鄰近的節(jié)點(diǎn)最迅速的獲得該內(nèi)容，對(duì)此CCN提出了一種新的協(xié)議棧。

3.ICP介紹

內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的ICP協(xié)議詳細(xì)描述了整個(gè)信息通信過程，從請(qǐng)求數(shù)據(jù)包的發(fā)送，到鏈路上的帶寬公平共享傳輸，以及路由節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)和過濾過程。ICP請(qǐng)求控制協(xié)議，發(fā)送端發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，通過鏈路傳輸，到達(dá)一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，按路由節(jié)點(diǎn)的查詢順序依次處理（詳細(xì)過程見下邊的路由節(jié)點(diǎn)分析），通過一個(gè)節(jié)點(diǎn)后繼續(xù)上行傳輸（在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中，只有請(qǐng)求數(shù)據(jù)包被路由），直到檢索到需要的數(shù)據(jù)包時(shí)停止，此時(shí)該數(shù)據(jù)包按請(qǐng)求包路由的路徑反向傳輸，送達(dá)接收端。我們把ICP的過程劃分為幾部分：請(qǐng)求包發(fā)送過程，鏈路帶寬共享傳輸過程，路由節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)及過濾過程。為利于研究，把這些分過程模型化，并基于線形和二進(jìn)制樹的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究探討ICP協(xié)議的可用性，高效性，公平性。

3.1 路由節(jié)點(diǎn)分析

1.請(qǐng)求數(shù)據(jù)包路由分析

內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中，只有請(qǐng)求數(shù)據(jù)包被路由，下面將介紹請(qǐng)求包的路由分析。從圖3看出，典型的CCN節(jié)點(diǎn)模型包括內(nèi)容存儲(chǔ)器（CS），待定請(qǐng)求表（PIT）和前向轉(zhuǎn)發(fā)表（FIB）三部分。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)接口收到一個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)包時(shí)，將根據(jù)它所包含的內(nèi)容名進(jìn)行最大匹配查詢，而后根據(jù)查詢結(jié)果進(jìn)行下一步的操作。查詢的優(yōu)先級(jí)順序依次為CS、PIT、FIB，具體操作如下。

·CS 如果包含請(qǐng)求數(shù)據(jù)包請(qǐng)求的內(nèi)容，就會(huì)直接將相應(yīng)的內(nèi)容發(fā)送到請(qǐng)求端口，并丟棄請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，否則將在PIT 中繼續(xù)查詢。

·PIT 如果包含與內(nèi)容名相關(guān)的條目，就將請(qǐng)求端口添加到請(qǐng)求端口列表中，并丟棄請(qǐng)求數(shù)據(jù)包，否則將在FIB 中繼續(xù)查詢。

·FIB 如果包含與內(nèi)容名相關(guān)的條目，就按照FIB 的指示將該請(qǐng)求數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)CCN 節(jié)點(diǎn)。將該請(qǐng)求端口從FIB 的端口列表中刪除，如果剩下的端口不為空，則向所有剩下的端口轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，并在FIB 中形成新的條目和端口列表。

·如果以上3 種情況都不符合，說明不存在相關(guān)的匹配路由，則丟棄該請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。

圖3 CCN節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)模型[5]

2.內(nèi)容數(shù)據(jù)包傳輸過程分析

內(nèi)容數(shù)據(jù)包的流程比請(qǐng)求數(shù)據(jù)包簡(jiǎn)單，因?yàn)閮?nèi)容數(shù)據(jù)包不需要路由，僅跟隨PIT端口記錄的請(qǐng)求數(shù)據(jù)包傳輸軌跡情況，到達(dá)最初請(qǐng)求端即可。

當(dāng)一個(gè)內(nèi)容數(shù)據(jù)包到達(dá)路由節(jié)點(diǎn)時(shí)，對(duì)其內(nèi)容名進(jìn)行最長(zhǎng)匹配查詢。當(dāng)CS匹配時(shí)說明該數(shù)據(jù)包重復(fù)，將其刪除；FIB匹配說明該節(jié)點(diǎn)沒有相匹配的PIT端口，所以該數(shù)據(jù)包是未經(jīng)請(qǐng)求的，將其刪除；PIT匹配時(shí)說明該數(shù)據(jù)包是經(jīng)過請(qǐng)求的，通過請(qǐng)求端經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)發(fā)送。

3.2 模型分析

3.2.1請(qǐng)求包請(qǐng)求發(fā)送過程模型

內(nèi)容請(qǐng)求過程分為2個(gè)層次結(jié)構(gòu)：content 和 chunk。請(qǐng)求到達(dá)過程模型化為：Markov Modulated Rate Process（MMRP）：對(duì)于K等級(jí)的內(nèi)容請(qǐng)求產(chǎn)生過程依據(jù)泊松過程：強(qiáng)度 ，且被請(qǐng)求的內(nèi)容是在K等級(jí)的M個(gè)不同的內(nèi)容項(xiàng)目中統(tǒng)一選擇。一個(gè)內(nèi)容請(qǐng)求恰好是內(nèi)容的第一個(gè)組塊，當(dāng)一個(gè)組塊接受到后，另外一個(gè)新的組塊再發(fā)送，直到內(nèi)容的最后一個(gè)組塊被接受。

ICP實(shí)現(xiàn)的是基于窗口的請(qǐng)求流量控制。窗口的變化規(guī)則和TCP類似，也是按照AIMD（Additive Increase Multiplicative）機(jī)制來變化。

·請(qǐng)求窗口增加速率：窗口W增加參數(shù)為η

·請(qǐng)求窗口減少速率：W乘以參數(shù)β，β<1

·請(qǐng)求重傳時(shí)間設(shè)置：參數(shù)τ，τ應(yīng)該比最小網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)間大，當(dāng)然一個(gè)最小τ值也是必須的，以保證對(duì)可利用帶寬的充分使用。同TCP樣，對(duì)于τ的平衡也主要是基于對(duì)最小往返延遲的評(píng)估。參數(shù)τ設(shè)置如下：

3.2.2路由節(jié)點(diǎn)匯聚（過濾）模型

CCN阻止請(qǐng)求泛濫的一個(gè)基本特征就是匯聚，通過節(jié)點(diǎn)上的PIT記錄待定請(qǐng)求組塊的軌跡，防止對(duì)于相同數(shù)據(jù)的請(qǐng)求再次發(fā)送。PIT時(shí)間窗口值Δ：用來限制待定請(qǐng)求包的數(shù)量。值越大，過濾掉的請(qǐng)求包數(shù)量越多；值越小，意味著有越多的不必要的請(qǐng)求繼續(xù)被路由。在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，等級(jí)為K的請(qǐng)求組塊的匯聚時(shí)間范圍值定義為 ，具體為 。

請(qǐng)求包的匯聚，對(duì)于給定的一個(gè)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的丟失概率會(huì)產(chǎn)生很明顯的影響。當(dāng)一個(gè)請(qǐng)求組塊到達(dá)一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，如果該節(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)著相應(yīng)組塊，產(chǎn)生命中，否則為丟失。對(duì)于后者，如果之前有一個(gè)對(duì)于相同組塊的請(qǐng)求已經(jīng)發(fā)送且該組塊還沒收到時(shí)，則過濾掉該請(qǐng)求，即該請(qǐng)求不再被路由。對(duì)于第一個(gè)節(jié)點(diǎn)，同樣滿足MMRP請(qǐng)求過程，等級(jí)為k的請(qǐng)求包被過濾的可能性模型如下：

3.2.3帶寬共享傳輸模型

用戶感知的網(wǎng)絡(luò)性能主要依賴于在并行下載時(shí)帶寬共享的方式。普遍可接受的公平目標(biāo)是最大最小公平原理，來實(shí)現(xiàn)速率均衡。假定每一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)由一些并行流來體現(xiàn)，這些流共享路由和有限的帶寬，并行流的數(shù)量n的變化是生死馬爾科夫過程。

出生率：

死亡率：

出生率定義為，在強(qiáng)度為 的MMRP丟失過程假定下，在節(jié)點(diǎn)i的內(nèi)容請(qǐng)求泊松過程的速率；死亡率由節(jié)點(diǎn)i的n個(gè)并行流中的每個(gè)流按最大最小公平算法共享的帶寬速率 來決定。

4.結(jié)束語

通過研究發(fā)現(xiàn)，ICP協(xié)議的一個(gè)顯著特征是將存儲(chǔ)功能嵌入到網(wǎng)絡(luò)中，為處理傳輸問題增加了一個(gè)新的維度，這是CCN 非常關(guān)鍵的理念，它可以幫助減少內(nèi)容下載時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)帶寬占用，大大提高了帶寬利用性能；另外，ICP協(xié)議提供了中斷容忍的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念，通過請(qǐng)求數(shù)據(jù)包對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)檢索的特性可以使它在高速動(dòng)態(tài)環(huán)境中保持靈活的通信，利用它的緩存，一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就可以作為兩個(gè)不連接域之間的網(wǎng)絡(luò)中介媒體或者通過斷續(xù)的鏈路來提供延遲連接。這些特性對(duì)于解決目前互聯(lián)網(wǎng)問題確實(shí)提供了有效的幫助，但是，由于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)的研究還處于起步的階段，對(duì)于ICP協(xié)議的研究也還不是很成熟，考慮的協(xié)議過程和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還相對(duì)比較簡(jiǎn)單，對(duì)于協(xié)議的流量控制問題還有待細(xì)化的研究，所以內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的下一步的研究重點(diǎn)將是繼續(xù)完善ICP協(xié)議，且在一段時(shí)間內(nèi)還將是下一代網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]Project CCNxTM.http：//www.ccnx.org.

[2]林嘯，以內(nèi)容為中心的新一代互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)研究[J].電信科學(xué)，2010（5）.

[3]胡騫，武穆清，郭嵩.以內(nèi)容為中心的未來通信網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].電信科學(xué)，2012（9）：74-80.

作者簡(jiǎn)介：

葉張權(quán)（1983-），男，浙江省溫州市，工程師，主要研究電力信息通信方向。注：作者聯(lián)系方式：葉張權(quán)，13736710989，51108637，314072676@qq.com。

黃艷艷（1984-），女，浙江省溫州市，工程師，主要研究電力信息通信方向。注：作者聯(lián)系方式：黃艷艷，13736728890，51108615，68421614@qq.com

高 強(qiáng)（1987-），男，山東濟(jì)南，工程師，主要研究電力信息通信方向。注：作者聯(lián)系方式：高強(qiáng)，15805770315，51108623，690106663@qq.com，溫州市鹿城區(qū)錦繡路1314號(hào)電力大廈，325000。

（作者單位：國(guó)網(wǎng)溫州供電公司）