內容中心網絡研究與進展

馬琳琳+張建偉+蔡增玉+尚志會+袁臣+胡春暉

摘 要： 與互聯網不同，內容中心網絡（CCN）是一種面向內容共享的通信架構，支持高效的內容分發，在網絡安全和部署方面具有顯著的優勢。文章綜述了內容中心網絡的相關研究，主要介紹了CCN的工作機制，分析了CCN的比較優勢與特點，對CCN的熱點問題進行了調研，并對CCN進一步的設計研究和發展進行了展望。CCN網絡是信息中心網絡（ICN）的主要架構之一，在未來網絡的演化中將發揮更大的作用。

關鍵詞： 內容中心網絡； 內容分發； 網絡安全； 信息中心網絡

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）08-25-03

Abstract： Different from the Internet， content center network （CCN） is a kind of communication architecture for content sharing， supports efficient content distribution， and has significant advantages in network security and deployment. This paper reviews the related research of CCN， mainly introduces the working mechanism of CCN， analyzes the comparative superiority and characteristics of CCN， carries on the investigation and study on the hot issues of CCN， and prospects the further research and development of CCN. CCN is one of the main frameworks of the information center network （ICN）， and will play an even greater role in the evolution of network in the future.

Key words： content center network； content distribution； network security； information center network

0 引言

隨著科技的不斷創新和發展，互聯網已經從傳統的客戶端-服務器（client-server）通信模式轉變成現在廣泛使用的內容分發網絡（content distribution network）。同時，互聯網的用戶行為也在發生變化[1]，從傳統關注服務器和主機IP地址，轉變為只關心數據的內容是否符合要求。因此，傳統的基于TCP/IP協議的互聯網架構面臨的挑戰主要有：高效可擴展內容分發、海量普適計算設備、多宿主和多鏈接、移動性支持。為了解決上述問題，對未來網絡進行改進和設計，提出了內容中心網絡（content-centric networking，CCN）[2]。國外學術界關于內容中心網絡的研究項目很多，主要包括美國伯克利大學RAD實驗室提出的“面向數據的網絡體系架構”（DONA）、美國卡內基梅隆大學的“面型數據傳輸”（DOT）、芬蘭赫爾辛基科技大學和赫爾辛基信息技術研究所的“發布、訂閱式互聯網路由示范”（PSIRP）、美國帕洛阿爾托研究中心提出的“內容中心網絡”（CCN）、歐盟FP7的4WARD和美國斯坦福大學的TRIAD等項目[8]。另外，歐洲的CONNET項目[6-7]也在為完善CCN做出貢獻，CONNECT主要研究CCN的流量控制、命名、路由和轉發，并思考CCN的部署策略。

1 內容中心網絡原理介紹

1.1 體系結構

內容中心網絡體系結構保持了傳統TCP/IP結構沙漏模型，不同之處在于中間層的協議（見圖1），用命名數據取代IP，直接以內容名字進行路由，實現點到多點的高效內容分發。這種命名方式只與其傳輸的信息有關，給網絡節點的可移動性帶來了方便。另外，CCN內建了存儲功能，中間節點可以暫態緩存數據，提高了數據的高效利用率。最后，CCN體系結構中還設計了安全層，對核心網絡包進行封裝保護。

1.2 工作機制

CCN包含了兩種報文類型，即興趣包（Interest Packet）和數據包（Data Packet）（見圖2），三類數據結構如：內容存儲器（Content Store，CS）、未決請求表（Pending Interest Table，PIT）和轉發信息庫（Forwarding Information Base，FIB）。

CCN采用請求者驅動的模式，依次查詢CS、PIT、FIB進行Interest的轉發過程。以內容為中心的網絡的節點模型如圖3所示。

當興趣包到達一個接口時，首先需要對名字進行最長前綴來相應查找，先在CS中匹配，如果響應請求就丟棄興趣包，如果沒有就查找PIT，如果PIT中有該Content Name條目，則在該條目中增加該興趣包到來的Face，并丟棄興趣包；如果沒有就查找FIB，如果在FIB中找到，則按照查找到的所有Face口轉發興趣包，并在PIT中記錄，如果沒有就丟棄興趣包。PIT表記錄了已經轉發的興趣包，當響應請求的數據包借助PIT表的某條目轉發后，該條目應被刪除，以保證數據包能順利傳輸到請求者那里。

當數據包到達一個接口時，首先需要對數據包的內容名字進行最長前綴來相應查找，先在CS中匹配，如果響應請求就丟棄興趣包，再在PIT表中匹配條目，如果PIT中有該Content Name條目，則發送到請求者那里，同時緩存在CS中，如果沒有匹配，則丟棄該數據包。

1.3 內容中心網絡特點分析

⑴ 安全。安全是CCN體系結構的一部分，其中數據簽名為未來互聯網提供了必不可少的安全性。另外，CCN網絡不存在數據通道的安全，因為數據沒有固定的通道，可以存儲在任意的緩存節點。最后，CCN對許多DOS攻擊有天生的防御能力[4]。

⑵ 性能。CCN天生支持內容分發和多播功能，相對于當今IP網絡具有明顯的優勢。另外，CCN在動態內容、點對點通信上也具有和IP網絡相當的性能，并具有比IP更高的靈活性、安全性和魯棒性[3]。

⑶ 流量調節。流量均衡調節功能是網絡應具備的功能之一，CCN具有自然的流量調節能力，在數據轉發市，可以根據鏈路狀況，選擇轉發策略，從而均衡整個網絡流量。另外，CCN的中間節點可以緩存經過的數據，這種設計可以節省用戶訪問同一數據的響應時間，進而從整體上減少了整個網絡的流量。

⑷ 簡化應用部署。互聯網上的很多應用都需要復雜的中間件，進行IP地址和應用關心的內容之間的映射，而CCN可以大大簡化應用的部署和開發。

2 內容中心網絡的研究熱點

⑴ 路由機制

CCN結構采用了層次化的命名體系，使用前綴最長匹配的方式對內容名字進行解析。如果節點路由器存有請求的內容，則立即返回，若沒有相應內容，則通過匹配將請求繼續發到下一個路由器節點，直到請求被滿足。在CCN系統中，名字路由和內容傳輸的過程是合二為一的，而且這一設計完全拋開了IP網絡的概念。但層次化的命名方式與網絡拓撲無關，同樣也會導致路由表膨脹。因此，為了顯示CCN能夠實現全球規模的部署，首先要解決的問題是可擴展的路由和線速的轉發引擎。

⑵ 隱私保護機制

針對內容中心網絡，內容對象的命名方式和內容安全機制的結合是一個很大的挑戰。內容中心網絡安全機制直接從路徑保護轉變為面向內容的保護。內容中心網絡采用層次化的命名機制，從而可利用前綴匯聚方式更好支持路由。內容名稱對于所有發布者都是全局惟一的。在隱私保護方面，CCN包含可訪問和不可訪問兩部分。在不可訪問部分使用公共密鑰進行加密和身份驗證。

⑶ 緩存機制

對于CCN網絡，采用了分布式的內容緩存機制，允許節點對傳輸的內容進行緩存。如何在合理的代價開銷下，增大節點臨時緩存內容的可用性，提升緩存資源利用率，是發揮CCN網絡內容普遍緩存優勢的關鍵。但是，CCN沒有考慮局部節點的暫態緩存內容，只針對穩定持久的內容源建立了路由條目。目前，已內容為中心的網絡緩存技術的研究主要涉及緩存的分配策略、緩存替換策略、緩存利用策略和緩存放置策略[5]。

3 結束語

隨著網絡規模的爆炸式增長、新型業務的多樣化發展、智能終端的不斷升級，網絡的設計又要改變，網絡節點要增加更常用的信息處理功能，使用最近的計算資源來更有效的滿足逐漸增多的終端的計算要求。當前，情景感知在追求個性化的今天得到了越來越多學者的關注，其研究價值都是不容小覷的。因此，為了使情景感知技術在內容中心網絡中得到更加合理、高效的應用，可以通過設計具備情景感知能力的內容路由算法，增強網絡智能，在內容中心網絡框架下解決用戶位置移動、興趣變化等動態情景下內容的高效獲取問題。這就需要在接下來的研究中，設計宏觀情景擬合的內容路由算法以及緩存機制，實現宏觀情景轉移時的內容高效獲取，規劃好路由算法、緩存策略同宏觀情景之間存在的匹配問題，解決匹配帶來適應性和穩定性之間的矛盾。

參考文獻（References）：

[1] Greenemeier L.Content is king： can researchers design an information-centric internet？http：//www.scientificamerican.com/article.cfm？id=internet-infrastructure-information-redesign，2012.

[2] Jacobson V， Smetters D K， Thornton J D， et al.Networking named content. Proceedings of CoNEXT， Rome， Italy， 2009.

[3] Z. Zhu， S. Wang， X. Yang， V. Jacobson， and L. Zhang.Act： An audio conference tool over named data networking[C]. ACM Sigcomm workshop ICN'11， August 2011.

[4] 閔二龍，陳震，徐宏峰等.內容中心網絡CCN研究進展探析[J].信息網絡安全，2012.2：6-10

[5] Zhang G， Li Y. Caching in Information Centric Networking：a Survery[J].Computer Networks，2014.57（16）：3128-3141

[6] CONNECT project. http：//anr-connect.org

[7] ANR project. http：//anr-connect.org

[8] 林嘯.以內容為中心的新一代互聯網體系架構研究[J].電信科學，2010.5.