內容中心網絡的ICP協議研究進展

葉張權 黃艷艷 高強

【摘 要】內容中心網絡CCN（Content Centric Network）為當前的互聯網通信模式帶來一種全新的改變，它不再是通過主機地址，而通過尋址“命名數據”進行通信。內容中心網絡的一個顯著特征是將存儲功能嵌入到網絡中，為處理傳輸問題增加了一個新的維度。目前內容中心網絡研究的重點是設計一個接收端驅動的請求控制協議ICP（Interest Control Protocol）。文中對這些過程的模型化進行了概括，并對這些過程模型的合理性和準確性進行評價分析，最后給出了ICP協議的研究趨勢。

【關鍵詞】內容中心網絡；CCN；請求控制協議ICP

1.引言

當今互聯網的設計原則和結構起源于20世紀六七十年代，當時網絡設計的目標是解決硬件資源的共享問題，由于當時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主機，且需要確定具體的設備位置。IP數據包是以IP地址作為數據進行打包的，以IP地址標識具體的設備，IP包中源地址和目的地址的設計就是為了滿足這種發生在兩臺具體設備間的通信需求。然而，隨著信息技術的迅速發展，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淡化，并且網絡應用的主體已經轉向文字信息和視頻等內容，內容服務慢慢成為網絡服務的主體，互聯網的內容服務得到了更多的關注。在內容服務網絡中，人們并不關心哪臺計算機提供內容信息，而只關心獲取內容的速度以及內容的可靠性和安全性。但是，目前互聯網中廣泛應用的TCP/IP仍然是Host-to-Host通信模式，這種通信模式對于以發布和獲取信息為主的內容服務網絡來說存在明顯的不足。因此，端到端和內容分發網絡等技術的出現在一定程度上緩解了用戶對“內容/信息共享”的需求。但是，任何在目前體系結構下進行的內容傳送機制的改進都無法徹底克服底層機制的缺陷，終究會造成資源的浪費、安全性下降，并且需要復雜的內容和“位置”的映射。

目前，國內外很多研究機構都參與了內容中心網絡架構的研究，國內的研究機構有工業和信息化部電信研究院，清華大學網絡安全實驗室，北京郵電大學網絡體系構建和融合實驗室等；國外的機構有美國的PARC研究中心，UCLA和貝爾實驗室，歐洲的CONNECT項目組等。

2.CCN體系介紹

內容中心網絡的基本涵義就是整個網絡的需求是內容，而不是主機。它從根本上改變了IP包的封裝結構和尋址方式，數據包的包頭不再以地址作為標識，而是以內容名稱作為標識。所以，CCN最主要的驅動力就是對內容的需求，其主要的數據包有內容請求包（interest packet）和內容數據包（data packe）兩種，具體結構如圖1。

圖1 典型的CCN數據包類型[4]

整個信息傳輸共享過程是，請求數據包定義了一個報文所包含的內容標題，該包向所有方向發送請求，能夠提供該請求內容的鄰近的節點設備，就會通過內容數據包向請求節點發送響應數據。由此可以看出，CCN的整個過程不再關心位置在哪里，而是關心以最小的代價從鄰近的節點最迅速的獲得該內容，對此CCN提出了一種新的協議棧。

3.ICP介紹

內容中心網絡的ICP協議詳細描述了整個信息通信過程，從請求數據包的發送，到鏈路上的帶寬公平共享傳輸，以及路由節點的存儲和過濾過程。ICP請求控制協議，發送端發送請求數據包，通過鏈路傳輸，到達一個路由節點時，按路由節點的查詢順序依次處理（詳細過程見下邊的路由節點分析），通過一個節點后繼續上行傳輸（在內容中心網絡中，只有請求數據包被路由），直到檢索到需要的數據包時停止，此時該數據包按請求包路由的路徑反向傳輸，送達接收端。我們把ICP的過程劃分為幾部分：請求包發送過程，鏈路帶寬共享傳輸過程，路由節點的存儲及過濾過程。為利于研究，把這些分過程模型化，并基于線形和二進制樹的網絡拓撲結構研究探討ICP協議的可用性，高效性，公平性。

3.1 路由節點分析

1.請求數據包路由分析

內容中心網絡中，只有請求數據包被路由，下面將介紹請求包的路由分析。從圖3看出，典型的CCN節點模型包括內容存儲器（CS），待定請求表（PIT）和前向轉發表（FIB）三部分。

當節點從一個接口收到一個請求數據包時，將根據它所包含的內容名進行最大匹配查詢，而后根據查詢結果進行下一步的操作。查詢的優先級順序依次為CS、PIT、FIB，具體操作如下。

·CS 如果包含請求數據包請求的內容，就會直接將相應的內容發送到請求端口，并丟棄請求數據包，否則將在PIT 中繼續查詢。

·PIT 如果包含與內容名相關的條目，就將請求端口添加到請求端口列表中，并丟棄請求數據包，否則將在FIB 中繼續查詢。

·FIB 如果包含與內容名相關的條目，就按照FIB 的指示將該請求數據包轉發到下一個CCN 節點。將該請求端口從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發請求，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，說明不存在相關的匹配路由，則丟棄該請求數據包。

圖3 CCN節點轉發模型[5]

2.內容數據包傳輸過程分析

內容數據包的流程比請求數據包簡單，因為內容數據包不需要路由，僅跟隨PIT端口記錄的請求數據包傳輸軌跡情況，到達最初請求端即可。

當一個內容數據包到達路由節點時，對其內容名進行最長匹配查詢。當CS匹配時說明該數據包重復，將其刪除；FIB匹配說明該節點沒有相匹配的PIT端口，所以該數據包是未經請求的，將其刪除；PIT匹配時說明該數據包是經過請求的，通過請求端經過該節點發送。

3.2 模型分析

3.2.1請求包請求發送過程模型

內容請求過程分為2個層次結構：content 和 chunk。請求到達過程模型化為：Markov Modulated Rate Process（MMRP）：對于K等級的內容請求產生過程依據泊松過程：強度 ，且被請求的內容是在K等級的M個不同的內容項目中統一選擇。一個內容請求恰好是內容的第一個組塊，當一個組塊接受到后，另外一個新的組塊再發送，直到內容的最后一個組塊被接受。

ICP實現的是基于窗口的請求流量控制。窗口的變化規則和TCP類似，也是按照AIMD（Additive Increase Multiplicative）機制來變化。

·請求窗口增加速率：窗口W增加參數為η

·請求窗口減少速率：W乘以參數β，β<1

·請求重傳時間設置：參數τ，τ應該比最小網絡延遲時間大，當然一個最小τ值也是必須的，以保證對可利用帶寬的充分使用。同TCP樣，對于τ的平衡也主要是基于對最小往返延遲的評估。參數τ設置如下：

3.2.2路由節點匯聚（過濾）模型

CCN阻止請求泛濫的一個基本特征就是匯聚，通過節點上的PIT記錄待定請求組塊的軌跡，防止對于相同數據的請求再次發送。PIT時間窗口值Δ：用來限制待定請求包的數量。值越大，過濾掉的請求包數量越多；值越小，意味著有越多的不必要的請求繼續被路由。在穩定狀態時，等級為K的請求組塊的匯聚時間范圍值定義為 ，具體為 。

請求包的匯聚，對于給定的一個存儲節點的丟失概率會產生很明顯的影響。當一個請求組塊到達一個節點時，如果該節點中存儲著相應組塊，產生命中，否則為丟失。對于后者，如果之前有一個對于相同組塊的請求已經發送且該組塊還沒收到時，則過濾掉該請求，即該請求不再被路由。對于第一個節點，同樣滿足MMRP請求過程，等級為k的請求包被過濾的可能性模型如下：

3.2.3帶寬共享傳輸模型

用戶感知的網絡性能主要依賴于在并行下載時帶寬共享的方式。普遍可接受的公平目標是最大最小公平原理，來實現速率均衡。假定每一個路由節點由一些并行流來體現，這些流共享路由和有限的帶寬，并行流的數量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，在強度為 的MMRP丟失過程假定下，在節點i的內容請求泊松過程的速率；死亡率由節點i的n個并行流中的每個流按最大最小公平算法共享的帶寬速率 來決定。

4.結束語

通過研究發現，ICP協議的一個顯著特征是將存儲功能嵌入到網絡中，為處理傳輸問題增加了一個新的維度，這是CCN 非常關鍵的理念，它可以幫助減少內容下載時延和網絡帶寬占用，大大提高了帶寬利用性能；另外，ICP協議提供了中斷容忍的網絡設計理念，通過請求數據包對多點數據檢索的特性可以使它在高速動態環境中保持靈活的通信，利用它的緩存，一個移動節點就可以作為兩個不連接域之間的網絡中介媒體或者通過斷續的鏈路來提供延遲連接。這些特性對于解決目前互聯網問題確實提供了有效的幫助，但是，由于內容中心網絡相關技術的研究還處于起步的階段，對于ICP協議的研究也還不是很成熟，考慮的協議過程和拓撲結構還相對比較簡單，對于協議的流量控制問題還有待細化的研究，所以內容中心網絡的下一步的研究重點將是繼續完善ICP協議，且在一段時間內還將是下一代網絡研究的熱點問題。

參考文獻：

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

[2]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）.

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

作者簡介：

葉張權（1983-），男，浙江省溫州市，工程師，主要研究電力信息通信方向。注：作者聯系方式：葉張權，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：作者聯系方式：黃艷艷，13736728890，51108615，68421614@qq.com

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

（作者單位：國網溫州供電公司）