内容中心网络原理介绍及其相关研究 学院：信息与通信工程学院 班级：2014111103班 姓名：张雪贝 学号：2014110103 团队：陈建亚组 导师：黄韬

1研究背景 1.1 当前互联网的现状 从互联网产生至今，它给人们的生产、生活和学习带来了深刻改变，在感慨互联网技术成功经验的同时，也应该重视现有互联网面临的众多挑战：采用32位地址码的IPv4正面临着地址枯竭的境遇，难以更大规模扩展；网络安全漏洞多，可信度不高；网络服务质量控制能力弱，不能保障高质量的网络服务；网络带宽和性能不能满足用户的需求；传统无线移动通信与互联网属于不同技术体制，难以实现高效的移动互联网等等【1】。互联网在设计的最初认为网络用户是基本友好的，对商业应用、用户移动性及应用多样性等需求都欠考虑。互联网管理者和用户对网络的可知性也较差。伴随着网络规模的逐年扩大而引起的扩展性问题更迅速成为了业界关注的重点。显然，采用IP分组技术设计的传统互联网已经不能满足人们对网络规模、功能和性能等方面的需求。因此，通力解决互联网在可扩展性、安全性和可控可管性等问题的需求十分迫切。

1.2下一代互联网架构体系的研究

基于TCP/IP的现有互联网也逐渐暴露出许多的不适应和暴露出的问题，为了解决这些问题，当前国内外主要有“演进”和“革命”两种思路：一是不改变互联网IP的主体地位的“演进”方案；二是想要替代IP主体地位的网络“革命”方案。“演进”即在现有的IPv4协议的互联网基础上上不断改良和完善网络，最终平滑过渡到IPv6的互联网，例如Peer-to-Peer、内容分发网络（Content Delivery Network, CDN）等；另一种“革命”思路以美国FIND/GENI项目为代表，即重新设计全新的互联网体系结构，满足未来互联网的发展需要，例如ICN。 1. 演进型解决方案 在网络发展遇到瓶颈，人们对网络的使用需求超出了网络能力时，会有相应的解决方案被提出。这些方案都是基于现有网络架构做出的改良和完善措施，可以归之为演进型方案。这些已被采取的措施只能解决互联网面临的部分问题，而且大都以失败告终（见表1-1）。 表1-1 演进型方案的对比 方案名称 提出动机 失败原因 Multicast 减少网络流量，提高资源使用率 设置开销及性能、部署和安全等因素，用户需求不强 IPv6 解决地址不足和分配问题，支持多播、移动性和可扩展性等 对IPv6基础设施投资积极性低，用户对地址匮乏无意识 DHT 有效的数据分布式存储和路由 重叠网的结构，关键字与网络寻址机制映射的任意性等问题

上述技术得不到广泛推广和应用的原因可总结为以下三点： ·网络用户积极性不高，缺乏对技术的理解，无良好的认知紧迫性； ·网络利益相关方间的争执，意见和举措难以达成一致； ·技术自身的缺陷。 演进型方案通过“打补丁”的方式对TCP/IP互联网进行修改和补充，其核心仍然是TCP/IP体系结构，并未从根本上解决TCP/IP体系结构面临的问题，不能或者不能很好地适应互联网接入方式和数据交换的巨大变化。因此，对互联网进行革命型和创新型的改变才是行之有效的方法。 2.革命型解决方案

现如今，互联网上视频和话音通信业务量正在日益激增，高清视频点播服务无疑将进一步凸显TCP/IP体系结构所存在的数据传输瓶颈。P2P（Peer-to-Peer）系统诸如Bit Torrent被广泛应用于多媒体数据的传输，但是其传输效率也不理想，因为Peer只能从很小一部分Peer中获取数据块，总的来说就是在Peer下载同样的内容和网络拓扑时只拥有很有限的信息。信息中心网络（Information-Centric Networking，以下简称ICN）在这一背景下应运而生，它将改变当前互联网端到端的通信机制，把内容与终端位置剥离，将用户的关注点由终端改为内容，即用户不用再关心从何地去获取自己想要的数据，而只需关心想要的内容是什么。

·DONA Data-Oriented Network Architecture (DONA)【7】是由美国伯克利大学RAD实验室提出的以信息为中心的网络体系架构。DONA对网络命名系统和名字解析机制做了重新设计，替代现有的DNS，使用扁平结构、自认证（self-certifying）的名字来命名网络中的实体，依靠解析处理器（RH）来完成名字的解析，解析过程通过FIND和REGISTER两类任播原语的使用完成。RH也可以实现数据缓存功能。 ·TRIAD 美国斯坦福大学提出的Translating Relaying Internet Architecture Active Directories (TRIAD)【6】实际上为了证明依靠NAT可以缓解地址耗尽问题而不需要向IPv6过渡。值得关注的是TRIAD定义了一个具体的内容层，提供可扩展的内容路由、缓存、内容转化和流量平衡。内容层由内容路由器、内容服务器、内容缓存和内容转化器实现，综合了目录服务、路由和连接建立。在内容层中，通信终端是内容的来源，用URL标识。因为可以找到的TRIAD相关文献基本都是2000年的，可以认为业内不建议使用TRIAD，但是TRIAD的研究基础得到了许多相关方案的继承和发展。 ·PSIRP The Publish-Subscribe Internet Routing Paradigm (PSIRP)【8】是芬兰赫尔辛基科技大学和赫尔辛基信息技术研究院等的研究项目，由欧盟FP7资助，于2008年1月开展，2010年9月结束。PSIRP目的是建立一个以信息为中心的发布-订阅通信范例取代以主机为中心的发送-接收通信模式。PSIRP改变路由和转发机制，完全基于信息的概念进行网络运作。信息由标识器（identifiers）标识，通过汇聚（rendezvous）直接寻址信息而不是物理终端。在PSIRP架构中甚至可以取消IP，实现对现有Internet的彻底改造。同样由欧盟FP7资助的，于2010年9月开始的PURSUIT项目是基于PSIRP的深入研究。 ·NetInf 由欧盟FP7资助的4WARD项目的开展时间与PSIRP项目接近。4WARD的目标是研发新一代可靠的、互相协作的无线和有线网络技术。4WARD项目的WP6工作组设计了一个以信息为中心的网络架构，即Network of Information （NetInf）【9】。NetInf主要的研究内容包括信息的命名、基于扁平结构的名字解析和为了快速可靠的获取信息的缓存技术。NetInf还关注高层的信息模型的建立。基于这种简单但强大的信息模型，NetInf实现了扩展的标识与位置分离，即存储对象与位置的分离。 ·NDN Named Data Networking(NDN) 【3】是由加州大学洛杉矶分校Lixia Zhang 团队开展的研究项目，该项目由NSF Future Internet Architecture (FIA)资助，开始于2010年。NDN的提出是为了改变当前互联网host-host通信范例，使用数据名字而不是IP 地址进行数据传输，让数据本身成为因特网架构中的核心要素。NDN保持沙漏模型，采用七层结构（如图所示），下层协议都是为了适配底层物理链路和通信而设计，上层协议为对应相关的应用而设计。与TCP/IP模型最大的区别就是在中间层用命名数据（内容块）取代IP。IP与NDN的沙漏模型如图1-1所示

图1-1 IP与NDN沙漏模型 Content-centric Networking(CCN) 【2】由PARC的Van Jacobson在2009年正式提出。PARC也是NDN研究团队的成员之一，可以认为CCN和NDN仅是叫法不同，无本质上的区别。 从上述介绍可以得到如下结论： 1）TRIAD同NDN一样使用用户可读、结构化的名字命名内容，但是TRIAD保护的不是内容的安全而是通过可信的目录服务鉴权内容查找，安全是基于内容路由器间的互信实现的； 2）PSIRP本质上是一种发布-订阅通信范例，提出了基于汇聚（rendezvous）的通信概念，PSIRP使用相似的概念建立汇聚点和拓扑结构，且能更好的支持域间策略路由。另外NetInf也提供Pub/Sub类型的API； 3）NDN可以从名字中提取参数值动态产生数据作为请求响应以支持动态查找。 4）DONA、PSIRP、NetInf和NDN这几种内容中心网络体系架构沿用了其它方案的设计思想和技术，并做出了改进，彼此之间也存在一定的相似性。

1.3 内容中心网络（CCN）简介

内容中心网络（CCN）是2009年正式提出的，而NDN（Named Data Network）是基于CCN思想的工程项目，是CCN的延续。目前，NDN在命名、路由、传输控制、安全、应用等方面不断细化和修整CCN，确保CCN更加合理可行。其中的关键技术有： 1．信息命名。在ICN中，信息命名技术非常重要。首先CCN是一种信息中心网络，信息名字是信息的唯一标识，它采用URL作为信息名，采用了分层式的命名结构【10】。从用户请求开始，信息就作为请求的对象，信息名字必然作为请求分组的一个重要字段。信息名字贯穿于整个通信过程，若能设置合适的信息名字，则能提高整个通信的效率，提高CCN的安全性。 2．名字解析。CCN名字解析借鉴了DNS的特点，简化了DNS的处理流程，它将URL与接口绑定，路由的过程同时解析URL，直到最后一跳路由器获取到数据所在的位置信息，而这时分组也完成了路由过程，合并了解析和路由过程。 3．路由转发。路由转发技术是CCN中的一项重要技术。CCN采用URL作为信息名字，路由协议仍然采用传统域间和域内路由协议，唯一不同的是其类型标识值（type label value，TLV）为信息名字URL，路由表的创建过程采用洪泛方式。路由过程不考虑IP地址。 4．信息分发。当多台主机同时需求相同的信息时，路由器会合并需求分组，通过一些处理方式保证信息可返回给多个需求端。数据分组则根据需求路径返回，由于需求端是多个，返回时的信息分发方式类似于信息组播。CCN采用PIT表存储请求分组的轨迹，当相应的数据分组返回时，PIT表中对应轨迹项被删除，从而保证PIT表可以不断更新。 5．信息缓存[11]。CCN在中间节点采用了信息缓存技术，利用存储开销换取传输效率。信息缓存的优势在于若中间节点已经缓存了信息，请求端不需要再到