內容感知網絡架構

隨著互聯網網絡規模的迅猛增長，以及新型應用的飛速增加，原來主要面向科學研究設計的互聯網在可擴展、安全、能耗等方面面臨重大挑戰。互聯網流量的快速增長是造成上述問題的重要原因之一。據Cisco預測，IP流量將以年復合增長率34％的速度增長，2014年全球的IP流量將達到每個月64EB，而互聯網上內容相關的流量將超過97.5％的份額。同時，互聯網在內容熱度方面呈現無尺度分布特征，大量相同內容在網絡中低效、重復傳輸是互聯網流量劇增的根本原因。

針對上述問題，目前主要存在兩種解決方案：增量式演進方案和革命式解決方案。增量式演進的方案主要通過應用層技術，如對等網絡(P2P)、緩存、內容傳送網絡(cDN)等技術來實現。雖然這些技術在一定程度上可以改進內容分發效率，但是由于難以對網絡狀態進行有效感知以及缺乏統一的內容標識，因此存在路由效率低、實施難度大等問題。革命式解決方案，包括NDNfNamed DataNetworkin曲、DONA(Date OrientedNetwork Architecture)、PSIRPs~等未來網絡架構，其中NDN最具代表性。NDN提出一個基于內容的命名／路由的網絡體系結構，實現通信方式由“Where”到“What”的根本轉變。但是基于內容的命名和路由方式，使得NDN面臨路由可擴展性以及對端到端通信類應用有效支持等挑戰。

1 總體架構

眾所周知，IP地址的雙重屬性(同時包含標識和位置信息)是導致目前互聯網路由可擴展性、移動性差的根本原因。因此，標識和位置分離的命名機制，如LISP、GLI-s plit、SHlM等方案應運而生。本文在標識和位置分離思想的基礎上，將標識進一步分為主機標識和內容標識，使得網絡具備內容感知的能力；同時主機標識和內容標識采用一種邏輯可匯聚的路由前綴，實現標識和位置的高效映射。

另外，隨著通用處理器計算能力的提高和存儲設備成本的降低，通信設備日益呈現IT化趨勢，其計算能力和存儲能力將極大提高。內容感知網絡架構的另一個重要特點就是存儲網絡化，即路由設備具備大容量存儲能力。結合本文提出的內容標識機制，具備存儲能力的路由設備在支持傳統路由轉發功能的基礎上，還可實現內容緩存和高效分發。

內容感知網絡總體架構如圖1所示。在內容感知網絡架構中，主要包括邊緣網絡、核心網絡、標識／位置映射系統3部分。在邊緣網絡，主機和邊緣路由器之間通過數據報文包含的標識信息進行通信；在核心網絡，核心路由器根據數據報文包含的位置信息進行路由、轉發。邊緣路由器作為邊緣網絡和核心網絡之間的功能實體，實現標識到位置的解析以及數據報文封裝／解封裝操作。同時，邊緣路由器和核心路由器可具備大容量存儲能力，從而支持內容感知的轉發機制。

標識，位置映射系統包括標識路由系統和分布在邊緣網絡內部的映射服務器。映射服務器存儲所在邊緣網絡內主機／內容標識與位置的映射信息。標識路由系統由標識路由器構成，標識路由器根據標識中包含的邏輯可匯聚路由前綴進行消息路由，從而將映射請求發送至目的映射服務器。為簡化起見，在本架構中，映射服務器與邊緣路由器位于同一功能實體。

2 命名機制

為了解決現有互聯網名在結構和解析機制方面的問題，本文設計了適合未來網絡的命名機制，其中包括邏輯可匯聚標識(LA-ID)和拓撲可匯聚地址fTA-LOC)。

邏輯可匯聚標識可分為兩類：主機標識和內容標識。邏輯可匯聚標識是主機或內容的全局唯一標識，其具體格式是LA-Prefix／type／Name，其中LA-Prefix是邏輯可匯聚前綴，type用于區分是主機標識還是內容標識，Name是主機或內容的名稱。主機標識主要面向端對端通信類業務，其格式為LA-Prefix／O／Host Name。內容標識面向內容類業務，其格式為LA-Prefix／1／Content Name。由于邊緣／核心路由器可具備內容存儲能力，路由器可根據邏輯可匯聚標識對內容數據進行緩存和分發，提升內容分發效率。

邏輯可匯聚前綴是指根據物理拓撲不可匯聚的前綴，這些前綴在類似重疊網的邏輯網絡上實現可匯聚。邏輯可匯聚標識不但能夠體現層次化的標識空間，明確主機或內容的歸屬網絡，還可以在邊緣網絡用于數據報文的路由。更為重要的是，配合標識路由系統，這種編址方式可極大改善映射系統的查詢效率。

拓撲可匯聚地址用于表示位置信息，其格式可采用類似目前IP地址的編址方式。在核心網絡中，核心路由器根據數據報文中的拓撲可匯聚地址進行路由轉發。

該命名機制基于標識與位置分離的思想，可以較好地解決IP地址雙重屬性所引發的路由可擴展性問題，同時還支持移動性和多宿主。

3 映射系統

映射系統由標識路由系統和分布在邊緣網絡內部的映射服務器(邊緣路由器)組成，負責維護(LA-ID、TA-LOC)的映射關系。具體映射機制與LISP-AL'P9t類似，邊緣路由器存儲映射數據庫，標識路由系統僅負責消息路由和轉發。

在標識路由系統中，標識路由器(IR)之間通過通用路由封裝(GRE)隧道相互連接，從而在底層基礎網絡上形成一個樹形拓撲結構的邏輯網絡。該邏輯網絡負責將映射請求消息(MAP-REQUEST)路由至存儲相應映射信息的邊緣路由器。標識路由器可基于邊界網關協議(BGP)向隧道鄰居通告邏輯可匯聚前綴的可達消息。這些可達性信息使得邏輯可匯聚前綴在樹形拓撲結構的邏輯網絡中逐層匯聚。

當主機或內容初次在系統中注冊時，其所在的邊緣路由器(ER)負責存儲邏輯可匯聚標識和拓撲可匯聚地址之間的映射關系。當發生移動之后，主機或內容當前連接的邊緣路由器根據邏輯可匯聚前綴信息可尋址該主機或內容的家鄉邊緣路由器，并由家鄉邊緣路由器完成映射信息的更新。

該映射系統及機制的優點在于實現了消息路由與映射信息存儲的分離，具有很好的規模可擴展性。標識路由器可以基于現有的BGP路由協議實現可達信息的通告和消息路由，降低部署的難度。另外，由于LA-ID與TA-LOc的映射是在邊緣路由器完成，終端用戶并不能直接獲取核心網絡節點信息，因此提高了網絡安全性。

4 內容感知的轉發機制

數據包的路由和轉發是路由器的主要功能，除此之外，對于支持內容感知的路由器，路由器還需要進行內容緩存和分發。為此，邊緣路由器和核心路由器需要具備兩張表：轉發表和內容庫。其中，轉發表與IP路由器的轉發表功能類似，用于拓撲可匯聚地址的路由；內容庫是近期訪問內容的緩存數據庫，內容庫可以依據訪問頻度或最近訪問時間等策略進行更新。

對于邊緣路由器，由于其承接映射服務器的功能，因此還需維護LA-ID／TA-LOC映射表，該映射表記錄本地主機和內容的LA-ID和TA-LOC映射信息，另外還記錄緩存的近期訪問主機或內容的映射信息。下面結合上述表項，分別就端到端通信類業務和內容類業務的轉發流程進行說明。

4.1端到端通信類業務

端到端通信類業務包括會話業務、在線游戲、虛擬現實等個性化、非共享類業務。對于此類業務，雖然在網絡整體流量中所占比例不大，但是大部分業務對實時性要求較高，因此對網絡的時延、抖動更為敏感。

對于端到端通信類業務，通信源端將數據報文發至邊緣路由器。邊緣路由器收到報文后，根據目的邏輯可匯聚標識中的類型字段判斷通信類型為端到端業務。因此邊緣路由器首先查詢本地LA-ID／TA-LOC映射表及映射系統，獲取目的邏輯可匯聚標識對應的目的拓撲可匯聚地址；然后進行數據封裝操作，在收到的數據報文前面添加了一個LOC首部，包括源拓撲可匯聚地址和目的拓撲可匯聚地址；最后，源邊緣路由器根據目的拓撲可匯聚地址查找轉發表，并轉發至核心路由器。

數據報文到達核心路由器后，核心路由器僅根據目的拓撲可匯聚地址進行路由和轉發。數據報文被路由至目的邊緣路由器。該邊緣路由器進行解封裝，然后根據ID首部中的目的LA-ID發送至通信目的端。

由于核心網絡具備較好的路由可擴展性，因此能夠降低路由器轉發時延，有利于提升端到端業務的用戶體驗。

4.2內容類業務

內容類業務包括文件下載、流媒體等文化共享類業務，該類業務具備文化共享和訪問熱度呈無尺度分布等兩個特點。在內容感知網絡架構中，支持在網絡層對內容進行統一標識，結合具備大容量存儲能力的路由器，可以最大化地利用內容類應用的上述兩個特點，提高內容管理和分發效率。

具體地說，路由器收到數據報文后，依據目的邏輯可匯聚標識的類型字段可初步判斷為內容類業務。另外，在ID首部中，對于內容類業務，還包含了請求／應答選項，根據該選項可判斷該數據報文是內容請求報文還是內容應答報文。

對于內容請求報文，路由器將首先查詢內容庫。若內容庫包含了請求的內容數據，則路由器將直接發送內容數據至源通信端；若內容庫沒有相應內容數據，路由器接下來執行與端到端通信類業務相同的處理流程。對于內容應答報文，路由器除完成對內容庫更新操作外，還執行路由、轉發操作。

基于上述機制，內容消費者可就近獲取內容，從而達到平抑網絡流量、改善網絡性能的目的。

5 結束語

內容類應用是互聯網流量的最重要組成部分。在互聯網內容熱度呈現無尺度分布的背景下，大量相同內容在互聯網中低效、重復傳輸是互聯網在性能、能耗等方面遭遇挑戰的重要原因。為此，本文基于標識與位置分離的思想，提出了內容感知網絡架構，通過新型的命名機制，支持主機和內容兩種標識方式，從而在保持目前互聯網端到端通信特性基礎上，實現網絡層對內容的感知，并且實現了路由可擴展、移動性支持及提高了安全性。結合具有大容量存儲能力的路由設備，該架構可以支持內容的高效分發與管理。接下來，將充分考慮高度移動和異構的未來網絡環境，圍繞該架構進一步開展關鍵技術研究和協議設計工作。