信息中心網絡中網絡緩存的角色探索*

胡曉艷，龔 儉

(1.東南大學計算機科學與工程學院 南京211189；2.江蘇省網絡技術重點實驗室 南京211189）

1 引言

互聯網的進化是技術改革歷史上最重要的成就之一，它改變了人們生活的方方面面。但在過去的數十年中，互聯網的使用已經從傳統的兩臺靜態主機之間“通話式”的資源共享逐漸演化為以信息數據的傳輸為主，如網頁、視頻等的傳輸。用戶關注的是訪問的信息數據內容而不是數據源自哪里。而當前網絡技術仍然是對話式的，與當前網絡的主要用途不相匹配，使得當前的互聯網面臨著一系列挑戰，如安全性、可擴展性、交互性等。

為了解決上述問題，在過去的十多年中，信息中心網絡（information-centric networking，ICN）體系結構被提出，將網絡問題的抽象從以主機為中心轉向以數據為中心。其中，TRIAD[1]和Baccala在2002年撰寫的IETF草案[2]是ICN的開創性工作，而DONA[3]是第一個全面、詳細的全新ICN設計，接著CCN[4]在ICN研究團體中引起了廣泛的興趣，而一些項目 如4WARD[5]、PSIRP/PURSUIT[6]、SAIL[7]和COMET[8]則進一步集中討論該問題，CCN也以NDN[9]項目的形式成為美國自然科學基金未來互聯網體系結構計劃的四大項目之一。

雖然這些ICN系統之間存在一些差異，但是它們有著一些共同點，如由用戶發送指定內容名字的請求以獲取數據（即以內容名字獲取和識別內容）、內容內置安全性能以及具有普遍的網絡緩存功能。實際上正是由于ICN中內容的自識別能力和內置的安全性能才使得內容在網絡中的普遍緩存具有意義，因為這樣用戶才可以識別緩存的副本并驗證其完整性和可靠性。網絡緩存可以在所有ICN節點（包括終端用戶節點和網絡中的路由器）中實現，可以緩存任何用戶的任何應用的數據。網絡緩存將數據的請求和響應在時間和空間上都分離開來，方便了ICN系統中內容的獲取。作為ICN的特色之一，網絡緩存已經引起了研究團體的廣泛關注，如一些工作[10～15]已經通過建模或實驗評估了網絡緩存的有效性。網絡緩存在彰顯ICN的優勢方面扮演著重要的角色，而能夠充分利用網絡緩存的前提是弄清楚網絡緩存能夠扮演的具體角色，但當前大家對這一問題并沒有一致的看法。本文對此問題進行了探索，指出網絡緩存應具有三級緩存，并解釋這三級網絡緩存如何在錯誤恢復、突發訪問緩解、分布式拒絕服務（distributed denial of service，DDoS）攻擊防治、熱點內容緩存及托管服務方面奏效。

2 三級網絡緩存

為了有效利用網絡緩存的功能，本文提出ICN路由器應該提供下述三級緩存功能。

·一級緩存是短暫的緩存，例如NDN（named date networking,命名數據網絡）中的內容存儲庫(content store，CS)，CS緩存數據報文的時間比較短，可能以秒為時間粒度。CS盡量長地記住到達的數據，但內容置換可能隨時發生。

·二級緩存較一級緩存是更為持久的緩存，存儲數據的時間較長。它緩存用戶中較為熱點的內容，而且這些內容的流行度相對穩定。這一級別的網絡緩存在ICN中尚未實現。

·三級緩存是半持久的緩存，例如“持久”緩存數據的CCNx Repository[16]。數據的發布者應該為這一級別的持久緩存付費，但ICN中的路由器還未實現這一級別的緩存。

這三級網絡緩存可以在同一個ICN路由器中實現，但并不是必須的。最低級別的緩存應該并已經在ICN每個路由器中實現，但其他兩級的緩存是否實現取決于對數據傳輸性能改善、帶寬使用量減少和數據發布者數據推廣的需求。同一路由器中這三級緩存器存儲的內容可以一起或分別編入索引。當收到用戶的數據請求時，路由器通過索引查找這三級緩存器是否緩存了請求的內容。網絡緩存允許任何網絡節點存儲任何應用的內容然后提供給任何用戶的特征，在解決當前互聯網存在的一些問題方面具有較大的潛力。接下來討論這三級緩存如何在錯誤恢復、突發訪問緩解和DDoS攻擊防治、熱點內容緩存及托管服務方面奏效。

2.1 錯誤恢復

NDN中網絡節點的CS是第一級網絡緩存很好的代表。在NDN中，用戶通過發送interest報文指定請求的內容實現從網絡上“拉”內容，然后請求的內容以data報文返回。而當有未緩存的data報文到達時，網絡節點（路由器或終端用戶節點）在（可選地）驗證數據的安全性后將data報文緩存在CS中。

在傳統意義上，緩存器一般用于存儲那些被用戶重復請求的熱點內容。這樣看來，NDN節點緩存途經的任何數據報文貌似有點太激進且不明智，因為會話中動態生成的一次性數據，只有會話雙方會請求，除此外沒有其他人會要這樣的數據，存儲這樣的數據看似無意義。但是，NDN以及其他ICN系統被設計在不可靠的數據傳輸服務上運行，包括在高度移動和間歇性鏈路連通性的環境之下，用戶請求的數據在傳輸中可能丟失也可能被破壞。為了提供可靠且有彈性的數據傳輸服務，若用戶發送的請求在合理的時間內仍未收到返回的數據，用戶可以重傳這些請求。當重傳的請求在網絡上傳輸時，它們在沿途的網絡節點中可能碰到上一次請求返回的內容在丟失或被破壞之前被緩存的副本，這樣的副本可以快速返回給用戶，使得錯誤被快速恢復。網絡緩存在錯誤恢復方面的角色對于對時延敏感的應用很重要，同時在中斷容錯網絡[17]（網絡鏈路的連通性動態變化）中也比較有意義，這樣使得任何能夠訪問多個節點的網絡節點可以在斷開連接的區域當作網絡媒體或在間歇性鏈路上提供時延的連接。

為了充分利用這一錯誤恢復的角色，緩存的管理需要識別這樣的動態數據并在一個往返時延（round trip time，RTT）后置換這些數據，以確保這些動態數據的緩存既能夠應付可能發生的錯誤，同時又不會因被緩存過長時間而降低CS內容分發的優勢。動態數據的識別可以像IP網絡中那樣讓數據的生成者設置服務類型（動態或靜態），而RTT的估計可以基于對interest報文和data報文對的監測，因為NDN中interest報文和data報文對途經的路徑是對稱的。

2.2 突發訪問緩解和DDoS攻擊防治

在互聯網中，某些內容在短時間內（如數秒內）突然被世界各地的用戶頻繁訪問，這樣的突發頻繁訪問可能源于下述兩種情況。

（1）突發訪問[18]

突發訪問通常是因為出現了吸引大眾眼球的突發事件，大量終端用戶幾乎同時向該事件內容的發布者發送請求。這樣的突發事件可能是事先安排的，如網絡直播的熱門電影或節目（奧林匹克節目直播）；也可能是不可預測的，如地震這樣的自然災害引發公眾幾乎同時訪問地震相關消息。當突發訪問發生時，到目標內容服務器的請求流量急劇增長，可能是正常情況下的數千數萬甚至數十萬倍。

（2）DDoS攻擊[19,20]

DDoS攻擊者常用的攻擊方式就是讓散布在網絡各個地方的惡意節點向目標節點或網絡發送密集的請求流量。

在IP網絡中，如此密集的請求流量在如此短的時間內均到達內容服務器可能導致服務器超載，進而響應速度變慢甚至服務器崩潰。與此同時，響應請求的流量在流量最為密集的鏈路上可能導致網絡擁塞。結果大部分用戶（突發訪問的用戶或DDoS所攻擊服務器的真正用戶）得到的都是極差的服務質量，而使得用戶無法正常使用目標機器或網絡資源是DDoS攻擊者的目的。實際上在突發訪問或DDoS攻擊發生時，多播可以起到緩解的作用。但是在IP網絡中，路由器需要耗費大量資源才能為每個多播組維護一棵多播樹，這一點限制了IP網絡中多播的部署。而在ICN中，數據內容可以被路由器緩存，路由器運用緩存的內容響應幾乎同時來自于不同用戶的請求而自然地支持多播，即中間路由器所緩存的內容可以作為多播源將數據返回給用戶而無需內容服務器參與。具體來說，在突發訪問發生時，前面用戶請求的下一節目片段緩存在中間路由器中，可以用于直接響應緊接著到來的其他用戶發送的請求。而在DDoS攻擊中，被請求的內容分布在網絡節點中，在密集請求匯聚處的路由器直接用緩存的內容響應這些請求，使得服務器置身事外，而服務器真正用戶的數據訪問也不受干擾。因此ICN中DDoS攻擊比較難成功，攻擊者不可以通過向目標服務器發送特定請求而達到拒絕服務的目的。這樣看來網絡緩存在緩解突發訪問的負面影響以及防治DDoS攻擊方面可以發揮重要的作用。

突發訪問和DDoS攻擊中所請求內容的流行度是動態變化的，內容突然變得很熱門，但其“熱度”僅持續很短的時間，且在DDoS攻擊下，這一“熱度”是假的。這樣具有動態流行度的內容可以緩存在一級緩存中，而路由器中運用的置換策略對于突發訪問的緩解和DDoS攻擊的防治是至關重要的。由于這類請求幾乎是同時發送的，最近最少使用（LRU）的置換策略比較適合捕捉這類流行度動態性。

2.3 熱點內容緩存

網絡中除了上述流行度動態變化的內容，還存在一些在較長時間內都穩定流行的內容，如今日新聞在當天比較熱門，人們可以選擇一天內的任意空閑時間閱讀。對于這種在較長時間內穩定流行的內容，路由器可以將它們在二級緩存器中較長時間地緩存，以減少帶寬的需求和響應請求產生的時延。

這種情況下的網絡緩存與IP網絡中緩存代理所扮演的角色類似，即緩存熱門的內容。區別在于IP網絡中一個組織往往只有少量緩存代理且是為特定應用（如Web）所設計的；而ICN中的緩存散布在網絡的各個路由器中，是網絡層的功能，可以緩存任何應用（現有的，甚至在未來出現的應用）的數據內容，具有更廣的應用前景。ICN路由器中的計算和空間資源可能有限，如何有效利用這些資源決定了二級網絡緩存的效率。二級緩存需要依賴用戶訪問歷史的統計結果來識別熱點內容。本文提出CCBF，即用兩個CBF（counting bloom filter，計數布魯姆過濾器）[21]來識別熱點內容，具體思路如圖1所示。其中PopularData_CBF用于測試數據內容是否已經作為流行內容緩存于二級緩存器，而filter_CBF用于過濾熱點內容，兩者都是具有m個計數器的CBF。當對數據內容ID的請求到達時，K個不同散列函數作用于該ID映射到K個不同的計數器，接下來的處理如下。

圖1 用CCBF識別熱點內容

（1）若PopularData_CBF的K個計數器均大于0，則該請求的數據已經作為熱點內容過濾出來并已緩存，可以直接從緩存中獲取，需要做的就是更新該內容的訪問記錄。

（2）否則，請求的內容尚未被認為是熱點，需要進一步確認。將filter_CBF的上述K個計數器加1后看這些計數器的值是否均大于設定的閾值x（被判定為熱點內容所需的最少訪問次數）。若是，這次數據內容ID被過濾為熱點，當數據從數據源返回時存儲到二級緩存器中，filter_CBF的K個計數器分別減去x，而PopularData_CBF的K個計數器分別加1，并為該內容創建一個訪問記錄。

這里的CCBF與參考文獻[22]中用于識別主干網上大流的算法類似，吳樺等人分析了該算法的誤報率與m、K和流數n的關系，并用實驗證明了該算法的有效性及空間效率。

與IP網絡中的緩存代理相關的另一個問題是協作緩存[21,23]，即緩存代理之間協作緩存內容并共享緩存，以高效利用緩存空間。關于這一點，ICN的網絡緩存也出現了類似的工作[24,25]，但是Ghodsi等人指出由于內容的流行度分布往往服從類似于Zipf的分布，網絡緩存器之間協作緩存效果可能有限[26,27]。此外，與IP網絡中的緩存代理相比，ICN中網絡緩存器的數量較大，它們之間協作所產生的開銷也較大。因此網絡緩存器之間中心式的協作可能不太現實，而分散式的協作不失為一種選擇。

2.4 托管服務

互聯網上現代企業應用和服務具有嚴格的服務質量要求，因為在服務性能和可靠性方面細微的退化就可能產生相當大的業務影響，而中斷供應可能對品牌聲譽產生重大的損害，進而流失客戶，并且互聯網服務提供商之間的競爭將會越來越激烈。如第3～5節所述，前兩級的網絡緩存有利于改善內容（尤其是熱點內容）的可用性和數據傳輸性能，但新興數據發布者（如新的視頻網站）的內容傳輸可能不會從這兩級緩存獲益很大。因此新興的內容發布者可能需要借助額外的緩存來提升它們的競爭力。而第三級網絡緩存可以承諾為那些不那么熱門的內容提供“持久的”緩存，與CDN[28]的托管服務類似。

第三級網絡緩存不需要在每個路由器上都部署，ISP可以根據三級緩存的需求量來部署。三級網絡緩存的發展可能需要新的商業模型來促進。在傳統的IP網絡中，CDN運營者從內容提供商（如多媒體公司）那里獲取報酬，因為CDN幫助他們把內容傳送給用戶；反過來，CDN運營者付費給ISP、網絡運營者等，因為他們用數據中心為CDN存儲數據。相比之下，ICN中內容提供商將直接付費給第三級網絡緩存的擁有者，即ISP或網絡運營者[29]。ICN中網絡運營者和內容提供商之間的爭斗將潛在地增加，因為前者希望從后者收入中“分一杯羹”以資助網絡緩存設備的投資。具體的付費方案需要在這兩者之間協商，但必須確保兩者均從中受益。

與第三級緩存相關的另一問題是，因為網絡運營者是有償提供緩存服務的，他們可能需要設置路由，將第三級緩存器中存儲的內容的可達性在路由系統的控制層通告，以便用戶的請求可以快速找到附近緩存的副本。而嵌入緩存內容可達性的路由系統可能面臨可擴展性問題，這取決于內容名字的管理及路由的設計。Wang等人[30]設計了一個嵌入緩存內容可達性的路由系統，該系統中緩存內容的路由通告范圍受限，受限的范圍基于某些因素，如在上述托管服務中，可以基于內容提供商提供的報酬來決定。

3 結束語

ICN將重心從主機轉向數據，是下一代網絡體系結構中比較有前景的一個。作為ICN的特色之一，網絡緩存在彰顯ICN的優勢方面扮演著重要的角色，而且已經引起了研究團體的關注。但當前大家對網絡緩存仍存在不一致的看法，也沒有文獻明確指出網絡緩存到底應該是怎樣的，它在ICN中扮演著怎樣的角色。本文對此進行了初步探索，指出ICN應該具有3個級別的網絡緩存，并簡單解釋了這三級網絡緩存可以以及如何在錯誤恢復、突發訪問緩解、DDoS攻擊防治、熱點內容緩存以及托管服務方面起作用。

網絡緩存的研究尚處于初始階段，希望本文的工作會引起研究團體的進一步討論進而將網絡緩存研究的腳步向前邁一步。筆者下一步的工作是設計ICN路由器的二級緩存器之間分散式的協作緩存算法，并研究三級緩存的托管服務所需的商業模型。

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