一種面向內(nèi)容共性特征的自適應管線傳輸機制

伊 鵬，張 震，程東年，蘭巨龍

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州 450002）

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)正經(jīng)歷從“以互聯(lián)為中心”到“以內(nèi)容為中心”的演變歷程。互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計理念可以上溯至20世紀六七十年代，設(shè)計的核心理念是實現(xiàn)主機的互聯(lián)互通，進而共享計算資源，本質(zhì)上是一種“主機—主機”的通信模式。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)以IP地址為核心、以傳輸為目的、按照端到端原理設(shè)計，很好地滿足了這一需求，促進了互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展。經(jīng)過50多年的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的使用已發(fā)生了巨大變化，現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的應用需求更多關(guān)注的是內(nèi)容共享。據(jù)Cisco VNI Mobile Forecast預測[1]，2014年互聯(lián)網(wǎng)上所有內(nèi)容相關(guān)的流量將占據(jù)97.5%以上的份額，其中視頻類流量（互聯(lián)網(wǎng)電視、VOD和P2P）將超過91%。人們越來越關(guān)心獲取內(nèi)容的速度以及內(nèi)容的可靠性和安全性，內(nèi)容中心化正成為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主旋律。

互聯(lián)網(wǎng)應對內(nèi)容中心化趨勢的技術(shù)方案主要包括兩類。一類是基于現(xiàn)有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的增量式內(nèi)容傳輸優(yōu)化方案，采用“打補丁（incremental）”方法增強現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容分發(fā)能力，包括CDN（content delivery network，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)）和P2P等技術(shù)，其本質(zhì)是通過在網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)的上層建立覆蓋網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)內(nèi)容分發(fā)支持，而下層對內(nèi)容的基礎(chǔ)傳送能力仍然是無任何保證的無連接分組交換能力（即IP），內(nèi)容存儲的位置與內(nèi)容本身、內(nèi)容的組織（發(fā)現(xiàn)）方式和內(nèi)容傳遞方式都沒有直接聯(lián)系，每次內(nèi)容傳遞都需要多層、多次處理，傳遞效率低下且成本居高不下。另外一類是革命式的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用“從零開始（clean slate）”的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，其中以內(nèi)容為中心的設(shè)計思路得到廣泛的重視。美國國家自然基金委員會資助的NDN（named data networking，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）項目提出，以數(shù)據(jù)的名稱（name）作為數(shù)據(jù)的唯一標識符在網(wǎng)絡(luò)中進行路由和傳遞，不再需要主機地址的間接轉(zhuǎn)換，緩解了傳統(tǒng)方案傳遞效率低下的問題。

總體上，增量式方案屬于拼接式設(shè)計和改進，雖然在短期內(nèi)緩解了互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容分發(fā)問題，但重重補丁進一步加劇了網(wǎng)絡(luò)本身的復雜性。從長遠看，革命式的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)著眼于發(fā)展支持內(nèi)容的全新結(jié)構(gòu)，將是未來以內(nèi)容為中心互聯(lián)網(wǎng)的根本解決方案。然而，近年來NDN等內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究僅專注于數(shù)據(jù)的命名和基于名字的路由和轉(zhuǎn)發(fā)問題，而對于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)如何保證QoS這一內(nèi)容分發(fā)傳送的基本問題卻未給出相關(guān)研究成果。提供用戶滿意的QoS保障是未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計永恒的基本主題之一，研究并揭示應用內(nèi)容的共性特征，提出針對內(nèi)容共性特征的新型傳送機理，創(chuàng)立具備高效內(nèi)容傳送固有能力的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的QoS保障具有重要意義。本文的研究目標是將網(wǎng)絡(luò)對內(nèi)容的支持從應用層“下沉”到基礎(chǔ)傳送層，加強傳送能力對內(nèi)容語義的針對性，同時還保持對內(nèi)容類型的普適性。

2 研究現(xiàn)狀

當前在各個以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)研究中，只要不改變互聯(lián)網(wǎng)中IP主體和核心功能結(jié)構(gòu)的，都屬于“改良”型技術(shù)路線，如內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、P2P；而替代IP主體地位的則屬于“革命”型技術(shù)路線，如目前提出的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

2.1 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

CDN的基本思路就是通過在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部部署特定的內(nèi)容服務器群結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上構(gòu)建針對數(shù)據(jù)內(nèi)容的一個虛擬網(wǎng)絡(luò)[2]。CDN系統(tǒng)能夠?qū)崟r地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和各內(nèi)容節(jié)點的連接、負載狀況、到用戶的距離和響應時間等綜合信息，將用戶的請求重新定向到離用戶最近的服務節(jié)點上。CDN技術(shù)利用高速緩存和負載均衡網(wǎng)絡(luò)，快速響應用戶的請求，如果cache服務器中沒有用戶要訪問的內(nèi)容，它會根據(jù)配置自動到原服務器抓取相應的頁面并提供給用戶[3～5]。因此，在CDN正常運行后，內(nèi)容的分布、用戶訪問的定位全部是自動的。

和傳統(tǒng)的分發(fā)模式相比，CDN系統(tǒng)采用分布式服務，能夠有效避免網(wǎng)絡(luò)瓶頸的產(chǎn)生，提高應用服務器的服務能力，并最終改善用戶的服務質(zhì)量。CDN系統(tǒng)是一個經(jīng)過策略性部署的整體系統(tǒng)，是一個緩存系統(tǒng)、負載均衡系統(tǒng)、內(nèi)容分發(fā)管理系統(tǒng)的綜合體。比較典型的CDN是美國的Akamai CDN[6]，作為CDN的先驅(qū)，它擁有全球規(guī)模最大的CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。最近的測量結(jié)果[7]顯示，Akamai CDN在全球分布了近300 000臺邊緣節(jié)點服務器，覆蓋了69個國家近1 000個運營商的網(wǎng)絡(luò)，全球50%以上的CDN通信量就源自于此。

2.2 融合CDN系統(tǒng)與P2P技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)

P2P技術(shù)的出現(xiàn)和成熟對很多網(wǎng)絡(luò)應用程序產(chǎn)生了巨大影響。P2P技術(shù)能夠利用客戶端的資源，包括CPU、內(nèi)存、存儲和帶寬資源進行內(nèi)容服務。通過多種P2P技術(shù)或節(jié)點協(xié)助架構(gòu)，能夠大大減少內(nèi)容分發(fā)對CDN系統(tǒng)和中心內(nèi)容服務器的依賴。但是P2P技術(shù)的大量應用卻導致了ISP（internet service provider，互聯(lián)網(wǎng)服務提供商）網(wǎng)絡(luò)中通信量的增加，增加了網(wǎng)絡(luò)負載。P2P緩存被用來減少這個負面影響，雖然能夠有效減少部分區(qū)域ISP網(wǎng)絡(luò)的通信量，但其顯著缺點就是依賴于應用程序，P2P應用協(xié)議之間不能實現(xiàn)很好地兼容和更新，P2P緩存也不能有效地對網(wǎng)絡(luò)中的存儲進行控制。以下是幾種典型的融合技術(shù)方案。

·美國普渡大學提出了一種CDN系統(tǒng)與P2P技術(shù)混合的數(shù)據(jù)分發(fā)架構(gòu)[8]，這一方案類似于BT（BitTorrent，比特流）系統(tǒng)，CDN服務器類似于BT系統(tǒng)中的tracker服務器，能夠提供種子信息。與BT系統(tǒng)不同的是，它還是超級節(jié)點，能夠提供內(nèi)容下載服務。當其服務的peer節(jié)點達到一定數(shù)目，使得peer節(jié)點域中存在足夠的內(nèi)容時，CDN服務器節(jié)點就可以釋放相應的內(nèi)容，在其他的peer節(jié)點之間共享。

[9]將C/S結(jié)構(gòu)的流媒體架構(gòu)和P2P架構(gòu)結(jié)合起來，提出了一種混合視頻下載/流媒體策略（hybrid video download/streaming scheme，HDS）。此方案與美國普渡大學的方案[8]類似，主要不同點為CDN服務器節(jié)點始終可以提供內(nèi)容下載。當peer節(jié)點緩存的內(nèi)容達到閾值上限時，就斷開從CDN服務器節(jié)點的下載；當緩存內(nèi)容減少到閾值下限時，peer節(jié)點再啟動與CDN服務器的下載連接。

·P2SP直播[10]是將P2P技術(shù)與CDN流媒體技術(shù)有效結(jié)合的直播產(chǎn)品。它利用了流技術(shù)的特點，在核心層通過P2P方式提高骨干傳輸效率，并降低源站點負載，在邊緣層通過就近的CDN節(jié)點將直播流分發(fā)給終端用戶，從而徹底減輕了源站負載并保證了用戶的接收速度和收看質(zhì)量。

·P2P內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（P2P content delivery network，PCDN）[11]是為順應電信運營商需求而產(chǎn)生的，利用有效的CDN平臺管理無序的P2P技術(shù)，它是結(jié)合了P2P技術(shù)的新一代CDN系統(tǒng)。其主要特點是將P2P技術(shù)的流量嚴格限制在同一邊緣節(jié)點區(qū)域內(nèi)，在邊緣節(jié)點引入P2P技術(shù)來進行文件及流媒體的共享。

2.3 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過對互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)運行、管理機制進行全新設(shè)計，將未來互聯(lián)網(wǎng)打造成集計算、通信以及存儲為一體的信息服務平臺，具有更好的可擴展性、安全性和移動性等特點。NDN與TCP/IP結(jié)構(gòu)的沙漏模型相同，仍采用7層結(jié)構(gòu)，其底層協(xié)議用于適配底層物理鏈路，上層協(xié)議用于相關(guān)的應用。它與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大的不同點在于中間層用命名數(shù)據(jù)的方式取代IP，如圖1所示[12]。

NDN中設(shè)計了兩種協(xié)議分組[12]：興趣分組（interest packet）和數(shù)據(jù)分組（data packet），分別用于尋找路徑和傳遞數(shù)據(jù)內(nèi)容。如圖2所示，為實現(xiàn)有效的內(nèi)容分發(fā)，NDN定義了由3部分構(gòu)成的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)引擎模型，類似于現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)信息庫（forwarding information base，F(xiàn)IB）、用于存儲內(nèi)容副本的內(nèi)容緩存（content store，CS）和用于記錄興趣分組進入端口信息的未決興趣表 （pending interest table，PIT）。當興趣分組到達內(nèi)容提供者時，攜帶數(shù)據(jù)內(nèi)容、名字及其發(fā)布者簽名的數(shù)據(jù)分組則沿著興趣分組建立的反向路徑傳回給請求者。興趣分組和數(shù)據(jù)分組的傳遞過程都通過基于名字的路由方式進行。NDN采用由內(nèi)容請求者驅(qū)動的通信機制，查詢的優(yōu)先級順序依次為內(nèi)容緩存、未決興趣表、轉(zhuǎn)發(fā)信息庫，具體操作如下[13，14]：

圖1 IP與NDN沙漏模型

·當NDN路由器收到請求者發(fā)送的興趣分組后，首先利用興趣分組攜帶的名字信息在內(nèi)容緩存中進行最長前綴匹配查找，若內(nèi)容緩存中包含興趣分組所請求的內(nèi)容，則直接將相應的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過端口進行響應，以提供數(shù)據(jù)內(nèi)容并丟棄興趣分組；否則，將在未決興趣表中繼續(xù)查詢。

·若未決興趣表中包含與內(nèi)容名相關(guān)的條目，則在條目中添加端口信息并丟棄興趣分組，隨后繼續(xù)匹配轉(zhuǎn)發(fā)信息庫，然后根據(jù)端口信息進行興趣分組的轉(zhuǎn)發(fā)。

·若未決興趣表中沒有包含與內(nèi)容名相關(guān)的條目信息，將興趣分組按照轉(zhuǎn)發(fā)信息庫匹配進行轉(zhuǎn)發(fā)后，需要把該興趣分組到達的端口信息及內(nèi)容名字添加到未決興趣表中，供數(shù)據(jù)分組反向傳遞使用。

數(shù)據(jù)分組的處理相對簡單，當NDN路由器收到數(shù)據(jù)分組后，首先對數(shù)據(jù)分組的content name字段進行最長前綴匹配，若內(nèi)容緩存中有相應數(shù)據(jù)內(nèi)容，則將數(shù)據(jù)分組丟棄，否則，在未決興趣表中進行匹配。若未決興趣表中有記錄對應名字的條目信息，則按照端口信息進行轉(zhuǎn)發(fā)，并刪除該項未決興趣表條目信息，隨后將數(shù)據(jù)內(nèi)容添加至內(nèi)容緩存中；若未決興趣表中沒有匹配信息，則將數(shù)據(jù)分組丟棄。

2.4 參數(shù)化自適應內(nèi)容管線

受NDN以“內(nèi)容為中心”思想的啟發(fā)，針對內(nèi)容特征解析、內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)、管線對內(nèi)容特征的自動匹配3個方面展開研究，這3個研究內(nèi)容將直接支撐在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)中嵌入被傳送數(shù)據(jù)內(nèi)容語義，創(chuàng)立具備高效內(nèi)容傳送的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的目標。

第一，揭示不依賴網(wǎng)絡(luò)的應用內(nèi)容共性特征。對各種內(nèi)容進行正確、有效的傳送是以內(nèi)容為中心網(wǎng)絡(luò)的核心目標。如果網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)傳送能力要保持對內(nèi)容類型的普適性，同時還具有對內(nèi)容語義的針對性，一個關(guān)鍵問題是將網(wǎng)絡(luò)支持的各種應用內(nèi)容的特征有效分解為個性特征和共性特征，從而為構(gòu)造具有語義功能的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)。

第二，提出針對內(nèi)容共性特征的新型基礎(chǔ)傳送機理。提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)效率的關(guān)鍵是加強被傳送數(shù)據(jù)語義的針對性，IP恰恰不具備這種針對性。本文為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送層引入數(shù)據(jù)內(nèi)容語義的適度針對性，將各類應用內(nèi)容的共性特征作為新型基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)的語義需求，針對內(nèi)容共性特征創(chuàng)新性，設(shè)計了基礎(chǔ)傳送機理——參數(shù)化自適應內(nèi)容管線（parameterized adaptive content pipeline，PACP），通過這種不依賴網(wǎng)絡(luò)的應用內(nèi)容共性特征的適應機制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)核心層實現(xiàn)對各類應用內(nèi)容的高效傳送。

圖2 NDN轉(zhuǎn)發(fā)引擎模型

第三，設(shè)計PACP對內(nèi)容特征的自動匹配和自我適應機制。參數(shù)化自適應內(nèi)容管線具備全新的基礎(chǔ)傳送能力，旨在從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)的角度改進各類應用內(nèi)容的傳送效果，具有4個重要性質(zhì)：是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)傳送能力而非應用層功能；具有應用內(nèi)容共性特征的強針對性；其結(jié)構(gòu)是參數(shù)化的；具有對應用內(nèi)容共性特征實例時變性的自動適應能力。

3 內(nèi)容特征解析

網(wǎng)絡(luò)應用內(nèi)容的特征是指組成相應內(nèi)容的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及時變規(guī)律。內(nèi)容特征解析是后續(xù)傳遞管線構(gòu)建和調(diào)整的基礎(chǔ)，若建立的特征模型不足以刻畫相應內(nèi)容，將直接導致后續(xù)傳遞管線對內(nèi)容的不適配。本文從多種角度刻畫不同應用內(nèi)容的固有特征，建立統(tǒng)一的多維內(nèi)容特征模型，為不同內(nèi)容自適應地建立不同規(guī)格的傳遞管線奠定基礎(chǔ)。這些特征包括：時域特征、空域特征以及時—空域關(guān)聯(lián)特征。

· 時域特征。指內(nèi)容的數(shù)據(jù)報文時序結(jié)構(gòu)特性，包括傳輸時長、報文時間間隔分布、有效傳輸比等。對于不同類別的應用，其內(nèi)容在時域特征上有較大區(qū)別，從而影響內(nèi)容管線的規(guī)格調(diào)整。例如，流媒體業(yè)務的報文時間間隔分布具有較高的平穩(wěn)性，而其有效傳輸比則較低。

·空域特征。指內(nèi)容的數(shù)據(jù)報文空間結(jié)構(gòu)特性，包括數(shù)據(jù)報文長度分布、平均報文數(shù)量、報文數(shù)量分布等。很多應用（相同類型或不同類型）的內(nèi)容在時域上特征相似，但在空域上卻表現(xiàn)出很大的不同。

·時—空域關(guān)聯(lián)特征。指綜合時域和空域的數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)特性。當前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復雜多變，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)特性的特征可能不同，因此需要從不同域綜合描述內(nèi)容的特征屬性，如圖3所示。

4 內(nèi)容管線傳輸結(jié)構(gòu)

不同類型的內(nèi)容數(shù)據(jù)具有不同特征，對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)也有不同的傳輸需求。為了真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)自適應轉(zhuǎn)發(fā)，本文提出內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的管線結(jié)構(gòu)概念，用內(nèi)容管線取代“盡力而為”服務的IP。內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的管線結(jié)構(gòu)（簡稱內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)）是內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)為了適應內(nèi)容數(shù)據(jù)特征而設(shè)計的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供端到端的數(shù)據(jù)交換服務，并能夠根據(jù)所傳內(nèi)容特征進行自適應調(diào)整，以保障達到其傳輸需求的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對于內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)的研究主要包含數(shù)據(jù)交換模式、規(guī)格參數(shù)集和管道規(guī)格自適應調(diào)整機制3個方面。

圖3 時—空域關(guān)聯(lián)特征

4.1 數(shù)據(jù)交換模式

在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中，每一次數(shù)據(jù)傳輸都有一個興趣分組和內(nèi)容分組與之對應，興趣分組和內(nèi)容分組所走的路徑相同，而方向相反。即當內(nèi)容分組開始發(fā)送時，其轉(zhuǎn)發(fā)路徑是確定的，相當于網(wǎng)絡(luò)為內(nèi)容分組建立好了一個端到端的連接。這個特性是由于路由節(jié)點總會記錄興趣分組的狀態(tài)而產(chǎn)生的，該特性也能為保障具有不同特征內(nèi)容的傳輸需求提供便利。內(nèi)容分組在傳輸過程中，節(jié)點可以根據(jù)內(nèi)容名字以及內(nèi)容特征，為該內(nèi)容分組設(shè)置合適的管道規(guī)格參數(shù)，并沿著興趣分組發(fā)送路徑的反向進行數(shù)據(jù)傳輸。對于有多播需求的內(nèi)容分組，當在某一個節(jié)點處需要進行多播發(fā)送時，則為每一個組成員設(shè)置合適的管道規(guī)格參數(shù)進行多播，如圖4所示。用戶A、B、C都向服務器S請求內(nèi)容，請求成功后內(nèi)容分組沿著興趣分組所走路徑反向發(fā)送，而且在節(jié)點R1和R3處進行多播。

4.2 規(guī)格參數(shù)集

為了適應內(nèi)容特征的多樣性，內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)需要一系列規(guī)格參數(shù)進行描述。內(nèi)容特征與管線的規(guī)格參數(shù)具有對應關(guān)系，前者表示內(nèi)容傳輸需求，而后者表示底層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力。

通常用于表征網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的參數(shù)包括QoS參數(shù)，例如帶寬、時延、抖動、分組丟失率、吞吐率、可靠性等。另外，還有一些其他參數(shù)用于表征一些特殊的傳輸能力，例如，安全等級參數(shù)用于表征安全傳輸能力。

圖4 內(nèi)容分組多播發(fā)送示例

管線規(guī)格參數(shù)集的選取需要以內(nèi)容特征與規(guī)格參數(shù)之間是否相互映射為檢驗目標，在選取規(guī)格參數(shù)的過程中，需要分析參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得所選參數(shù)集在與內(nèi)容特征合理映射的前提下，實現(xiàn)參數(shù)選取的簡單化。

4.3 管線規(guī)格自適應調(diào)整機制

為了能夠在傳輸數(shù)據(jù)分組時滿足內(nèi)容的特征需求，網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)內(nèi)容的特征設(shè)置一組與之匹配的規(guī)格參數(shù)集，使得網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆Ｍ瑫r，這個過程也是一個轉(zhuǎn)發(fā)過程，使整個匹配規(guī)格參數(shù)集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程成為管線規(guī)格自適應調(diào)整的機制，如圖5所示。

管線規(guī)格自適應調(diào)整機制的設(shè)計需要結(jié)合內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)原有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制，將內(nèi)容特征解析、管線對內(nèi)容特征的自動匹配、管線規(guī)格參數(shù)設(shè)置等功能融合進去，最終得到一個能夠正常運行的、無誤的機制流程。

圖5 管線規(guī)格自適應調(diào)整機制流程

5 管線對內(nèi)容特征的自動匹配

本文旨在探索跟隨時變應用內(nèi)容特征的網(wǎng)絡(luò)自適應性，從而為構(gòu)建內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在機理與核心結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。因此，在對內(nèi)容特征和內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)進行分析和研究之后，需要重點研究管線對內(nèi)容特征的自動匹配。該研究內(nèi)容包括內(nèi)容特征和管線規(guī)格自匹配、時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整、關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應。

5.1 內(nèi)容特征和管線規(guī)格自匹配

內(nèi)容特征和管線規(guī)格參數(shù)分屬不同的概率領(lǐng)域，不存在單純的一一映射關(guān)系，而且作為映射中的像集合—管線的個數(shù)不能過于繁多，所以映射過程需要考慮管線間的聚合。內(nèi)容特征和管線規(guī)格自匹配的研究充分借鑒了MapReduce計算模式，將匹配方法研究分解為單一特征—參數(shù)向量映射、參數(shù)向量疊加、參數(shù)向量聚合，如圖6所示。

單一特征—參數(shù)向量的映射是指各內(nèi)容特征向量Ci的分量Cij到管線規(guī)格參數(shù)向量Pij的映射方法以及映射合理性的論證。首先分析各種類型的內(nèi)容特征以及典型應用，然后參照現(xiàn)有的ATM、DiffServ、ITU-T等技術(shù)體系或標準來制定每類典型應用所對應的性能指標參數(shù)，從而完成單一內(nèi)容特征到管線參數(shù)向量的映射。目前，下一代網(wǎng)絡(luò)用戶內(nèi)容特征大致存在幾種不同的分類方式：按照內(nèi)容的基本屬性和提供方式、功能特征、通信屬性、會話控制、應用屬性等進行分類；典型內(nèi)容的性能指標參數(shù)，包括絕對響應速度、分組丟失率、分組誤差、時延、抖動、上行帶寬和下行帶寬等。將內(nèi)容特征及典型性能指標參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，完成單一內(nèi)容特征到管線參數(shù)向量的映射，能夠在一定程度上簡化映射問題。最后再進行抽象和最優(yōu)化建模。

圖6 內(nèi)容特征和管線規(guī)格自匹配過程

參數(shù)向量疊加主要研究的是管線規(guī)格參數(shù)向量Pij之間的迭代操作（用符號茌表示）以及不同參數(shù)的定義、描述方法和運算形式。針對不同參數(shù)的含義和運算規(guī)則進行特定方式的疊加，例如疊加過程可能表現(xiàn)為取值區(qū)間的交、并，數(shù)值的取最小、取最大、加減法等。

參數(shù)向量聚合主要是對疊加之后產(chǎn)生的新參數(shù)向量集合進行聚類，并將得到的聚類中心Si（i=1,2,…,k）轉(zhuǎn)化為最終的管線規(guī)格參數(shù)。研究思路是通過機器學習中的聚類算法將需求相似的管線參數(shù)向量聚合到同一個簇中，然后再以簇為粒度進行管線規(guī)格的分配。聚類技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，形成了多種不同類型的聚類算法，每一類算法都有不同的特點和適用范圍。目前常見的聚類算法可以分為劃分聚類、基于密度的聚類、層次聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類、蟻群聚類、譜聚類等多種類型，但由于未來可能出現(xiàn)各種新內(nèi)容特征，使得聚合過程不可能提前指定簇的個數(shù)。為了應對內(nèi)容的數(shù)量和種類大量增加的情況，要求算法能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，因此，選擇層次聚類算法用于參數(shù)向量聚類更為可行。

BIRCH是一種比較典型的層次聚類算法，采取一種改進BIRCH的研究方案設(shè)計管線參數(shù)向量的聚類算法。BIRCH算法的整體流程可以分為4個階段：輸入所有數(shù)據(jù)，構(gòu)建CF樹；如果CF樹占用的內(nèi)存大于M，則提升閾值T，重建樹；利用其他全局算法對CF樹進行再聚類；優(yōu)化聚類結(jié)果，并標記數(shù)據(jù)點所屬的簇。對傳統(tǒng)BIRCH的分裂算法進行改進，將密度分裂的思想引入BIRCH算法，使得密度相對集中的數(shù)據(jù)點更準確地聚為一類，實現(xiàn)改進后的分裂算法AS-BIRCH能更接近天然聚類的聚類結(jié)果。如圖7所示，對管線參數(shù)向量聚合算法的實驗結(jié)果分析可以看出，AS-BIRCH的聚類結(jié)果更為理想。

圖7 聚類算法的實驗測試比較

5.2 時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整

內(nèi)容特征和管線規(guī)格的匹配關(guān)系是跟隨時變應用內(nèi)容特征變化的，這種變化自調(diào)整過程需要兼顧內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)的穩(wěn)定性。為此，將時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整的研究分解為自調(diào)整的周期設(shè)置以及自調(diào)整的觸發(fā)函數(shù)和閾值設(shè)置。如圖8所示，當內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的局部內(nèi)容特征發(fā)生變化時，原始匹配關(guān)系并不是最優(yōu)的，調(diào)整后的匹配關(guān)系具有更好的聚合效果。

圖8反映了時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整研究的必要性。具體而言，本文中管線自調(diào)整的周期設(shè)置主要關(guān)注以何種方式觸發(fā)管線的自調(diào)整檢查，使網(wǎng)絡(luò)的適應性和穩(wěn)定性得到最大程度的滿足；自調(diào)整的觸發(fā)函數(shù)和閾值設(shè)置是管線參數(shù)調(diào)整的充分條件及其具體形式。

圖8 時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整

觸發(fā)函數(shù)設(shè)計了基于管線參數(shù)變化和基于聚類結(jié)果變化兩種方式。基于管線參數(shù)變化的觸發(fā)函數(shù)考慮的是物理鏈路中所有管線需求參數(shù)的聚合度變化幅度是否達到閾值；而基于聚類結(jié)果變化的觸發(fā)函數(shù)考慮的是物理鏈路中新的需求參數(shù)聚類結(jié)果是否與原來的聚類結(jié)果存在較大差異。

假設(shè)Pi,t為時刻t第i個管線需求參數(shù)向量，α為閾值，則在時刻t+Δt是否需要進行管線參數(shù)的調(diào)整，依賴于基于管線參數(shù)變化的觸發(fā)函數(shù)，如式（1）所示。

假設(shè)δ和δ*分別為進行自調(diào)整前后的管線需求參數(shù)向量的聚類結(jié)果，δ(Pi,Pj)為1表示管線需求參數(shù)向量Pi和Pj隸屬同一簇，δ(Pi,Pj)為0表示Pi和Pj不屬于同一簇。δ*(Pi,Pj)亦是如此，β為閾值，則當前時刻是否需要進行管線參數(shù)的調(diào)整依賴于基于聚類結(jié)果變化的觸發(fā)函數(shù)，如式（2）所示。

5.3 關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應

內(nèi)容特征與管線參數(shù)的關(guān)聯(lián)、匹配和自調(diào)整在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中必須體現(xiàn)為一個完整的自組織控制系統(tǒng)，因此需要對關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應系統(tǒng)模型和控制協(xié)議進行研究。如圖9所示，關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應狀態(tài)轉(zhuǎn)移是自適應系統(tǒng)模型和控制協(xié)議設(shè)計所需要具備的核心功能。以此為指導，本文對自適應模型的研究主要關(guān)注自適應系統(tǒng)對內(nèi)容特征變化的實時認知和反饋控制，對自適應控制協(xié)議設(shè)計的研究主要關(guān)注分布式協(xié)議的管理效率和可擴展性問題。

結(jié)合對虛擬網(wǎng)動態(tài)調(diào)整和認知重構(gòu)技術(shù)的研究，設(shè)計了內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應系統(tǒng)流程，如圖10所示，將本文所關(guān)注的3點研究內(nèi)容有機串聯(lián)起來，實現(xiàn)了管線參數(shù)跟隨時變應用特征的自適應性。

控制協(xié)議通過擴展傳統(tǒng)的SNMP來實現(xiàn)管線對內(nèi)容特征的自適應。對于集中式管理方式，負責擴展管線構(gòu)建和調(diào)整的中心節(jié)點controller，可以通過SNMP請求與響應方式，主動查詢節(jié)點和鏈路中的內(nèi)容特征和管線參數(shù)。控制協(xié)議按照觸發(fā)條件可以分為周期性上報、內(nèi)容特征變化時上報以及controller主動查詢3種情況，如圖11所示。

圖9 關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應狀態(tài)轉(zhuǎn)移

圖10 關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應系統(tǒng)簡易流程

圖11 控制進程和節(jié)點進程間的通信過程

6 性能分析與對比

基于第2節(jié)研究現(xiàn)狀的描述，對CDN、P2P、NDN和PCAP進行對比分析，對比結(jié)果見表1。CDN和P2P這種增量式的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)演進思路屬于煙囪式、拼盤式設(shè)計和改進，雖然可以在短期內(nèi)緩解寬帶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容分發(fā)的問題，但是重重補丁進一步加劇了網(wǎng)絡(luò)本身的復雜性，也使網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化更加艱難。以內(nèi)容為中心的NDN路由問題因網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)發(fā)生顯著改變而變得十分復雜，獲取內(nèi)容路由機理以及性能等還遠未得到深入研究。

7 結(jié)束語

本文提出了內(nèi)容特征解析方法和內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)，并研究了跟隨時變應用內(nèi)容特征的內(nèi)容管線自動匹配技術(shù)。在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在機理與核心結(jié)構(gòu)方面的貢獻主要包括如下3點。

·建立了內(nèi)容特征的描述模型，刻畫了內(nèi)容的語義特性。該模型從時域、空域及其關(guān)聯(lián)域等多角度描述不同應用的內(nèi)容特征，跟蹤內(nèi)容特征的時變規(guī)律，解決了網(wǎng)絡(luò)對不同應用內(nèi)容的自適應匹配問題，為構(gòu)建內(nèi)容特征驅(qū)動的自適應傳遞管道奠定了基礎(chǔ)。

·在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了一種新的數(shù)據(jù)傳遞模式—管線結(jié)構(gòu)。在這種模式下，內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)內(nèi)容特征做自適應調(diào)整，并可以提供比“盡力而為”服務更加豐富的、能夠滿足不同特征內(nèi)容傳輸需求的端到端數(shù)據(jù)傳輸服務。

·提出的管線對內(nèi)容特征的自動匹配方法有利于提高內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的自適應性，具有較好的實用性。初步提出了實現(xiàn)管線對內(nèi)容特征的自動匹配方案：利用MapReduce模式分別完成單一內(nèi)容特征到管線參數(shù)向量的映射以及管線參數(shù)向量的規(guī)約；通過設(shè)置管線參數(shù)向量聚類度閾值和聚類結(jié)果差異閾值，兼顧了管線參數(shù)跟隨時變應用內(nèi)容特征的適應性與穩(wěn)定性。因此，該自動匹配方法具有較好的實用性。

表1 P2P、CDN、NDN和PCAP的對比分析

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