內(nèi)容中心網(wǎng)絡的ICP協(xié)議研究進展

葉張權 黃艷艷 高強

【摘 要】內(nèi)容中心網(wǎng)絡CCN（Content Centric Network）為當前的互聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)”進行通信。內(nèi)容中心網(wǎng)絡的一個顯著特征是將存儲功能嵌入到網(wǎng)絡中，為處理傳輸問題增加了一個新的維度。目前內(nèi)容中心網(wǎng)絡研究的重點是設計一個接收端驅動的請求控制協(xié)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(xié)議的研究趨勢。

【關鍵詞】內(nèi)容中心網(wǎng)絡；CCN；請求控制協(xié)議ICP

1.引言

當今互聯(lián)網(wǎng)的設計原則和結構起源于20世紀六七十年代，當時網(wǎng)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(shù)據(jù)包是以IP地址作為數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)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(jīng)淡化，并且網(wǎng)絡應用的主體已經(jīng)轉向文字信息和視頻等內(nèi)容，內(nèi)容服務慢慢成為網(wǎng)絡服務的主體，互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容服務得到了更多的關注。在內(nèi)容服務網(wǎng)絡中，人們并不關心哪臺計算機提供內(nèi)容信息，而只關心獲取內(nèi)容的速度以及內(nèi)容的可靠性和安全性。但是，目前互聯(lián)網(wǎng)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(fā)布和獲取信息為主的內(nèi)容服務網(wǎng)絡來說存在明顯的不足。因此，端到端和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡等技術的出現(xiàn)在一定程度上緩解了用戶對“內(nèi)容/信息共享”的需求。但是，任何在目前體系結構下進行的內(nèi)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(nèi)容和“位置”的映射。

目前，國內(nèi)外很多研究機構都參與了內(nèi)容中心網(wǎng)絡架構的研究，國內(nèi)的研究機構有工業(yè)和信息化部電信研究院，清華大學網(wǎng)絡安全實驗室，北京郵電大學網(wǎng)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(nèi)容中心網(wǎng)絡的基本涵義就是整個網(wǎng)絡的需求是內(nèi)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(shù)據(jù)包的包頭不再以地址作為標識，而是以內(nèi)容名稱作為標識。所以，CCN最主要的驅動力就是對內(nèi)容的需求，其主要的數(shù)據(jù)包有內(nèi)容請求包（interest packet）和內(nèi)容數(shù)據(jù)包（data packe）兩種，具體結構如圖1。

圖1 典型的CCN數(shù)據(jù)包類型[4]

整個信息傳輸共享過程是，請求數(shù)據(jù)包定義了一個報文所包含的內(nèi)容標題，該包向所有方向發(fā)送請求，能夠提供該請求內(nèi)容的鄰近的節(jié)點設備，就會通過內(nèi)容數(shù)據(jù)包向請求節(jié)點發(fā)送響應數(shù)據(jù)。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(jié)點最迅速的獲得該內(nèi)容，對此CCN提出了一種新的協(xié)議棧。

3.ICP介紹

內(nèi)容中心網(wǎng)絡的ICP協(xié)議詳細描述了整個信息通信過程，從請求數(shù)據(jù)包的發(fā)送，到鏈路上的帶寬公平共享傳輸，以及路由節(jié)點的存儲和過濾過程。ICP請求控制協(xié)議，發(fā)送端發(fā)送請求數(shù)據(jù)包，通過鏈路傳輸，到達一個路由節(jié)點時，按路由節(jié)點的查詢順序依次處理（詳細過程見下邊的路由節(jié)點分析），通過一個節(jié)點后繼續(xù)上行傳輸（在內(nèi)容中心網(wǎng)絡中，只有請求數(shù)據(jù)包被路由），直到檢索到需要的數(shù)據(jù)包時停止，此時該數(shù)據(jù)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(fā)送過程，鏈路帶寬共享傳輸過程，路由節(jié)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(wǎng)絡拓撲結構研究探討ICP協(xié)議的可用性，高效性，公平性。

3.1 路由節(jié)點分析

1.請求數(shù)據(jù)包路由分析

內(nèi)容中心網(wǎng)絡中，只有請求數(shù)據(jù)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(jié)點模型包括內(nèi)容存儲器（CS），待定請求表（PIT）和前向轉發(fā)表（FIB）三部分。

當節(jié)點從一個接口收到一個請求數(shù)據(jù)包時，將根據(jù)它所包含的內(nèi)容名進行最大匹配查詢，而后根據(jù)查詢結果進行下一步的操作。查詢的優(yōu)先級順序依次為CS、PIT、FIB，具體操作如下。

·CS 如果包含請求數(shù)據(jù)包請求的內(nèi)容，就會直接將相應的內(nèi)容發(fā)送到請求端口，并丟棄請求數(shù)據(jù)包，否則將在PIT 中繼續(xù)查詢。

·PIT 如果包含與內(nèi)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(shù)據(jù)包，否則將在FIB 中繼續(xù)查詢。

·FIB 如果包含與內(nèi)容名相關的條目，就按照FIB 的指示將該請求數(shù)據(jù)包轉發(fā)到下一個CCN 節(jié)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(fā)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(shù)據(jù)包。

圖3 CCN節(jié)點轉發(fā)模型[5]

2.內(nèi)容數(shù)據(jù)包傳輸過程分析

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

當一個內(nèi)容數(shù)據(jù)包到達路由節(jié)點時，對其內(nèi)容名進行最長匹配查詢。當CS匹配時說明該數(shù)據(jù)包重復，將其刪除；FIB匹配說明該節(jié)點沒有相匹配的PIT端口，所以該數(shù)據(jù)包是未經(jīng)請求的，將其刪除；PIT匹配時說明該數(shù)據(jù)包是經(jīng)過請求的，通過請求端經(jīng)過該節(jié)點發(fā)送。

3.2 模型分析

3.2.1請求包請求發(fā)送過程模型

內(nèi)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(nèi)容請求產(chǎn)生過程依據(jù)泊松過程：強度 ，且被請求的內(nèi)容是在K等級的M個不同的內(nèi)容項目中統(tǒng)一選擇。一個內(nèi)容請求恰好是內(nèi)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(fā)送，直到內(nèi)容的最后一個組塊被接受。

ICP實現(xiàn)的是基于窗口的請求流量控制。窗口的變化規(guī)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(shù)為η

·請求窗口減少速率：W乘以參數(shù)β，β<1

·請求重傳時間設置：參數(shù)τ，τ應該比最小網(wǎng)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(shù)τ設置如下：

3.2.2路由節(jié)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(jié)點上的PIT記錄待定請求組塊的軌跡，防止對于相同數(shù)據(jù)的請求再次發(fā)送。PIT時間窗口值Δ：用來限制待定請求包的數(shù)量。值越大，過濾掉的請求包數(shù)量越多；值越小，意味著有越多的不必要的請求繼續(xù)被路由。在穩(wěn)定狀態(tài)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(jié)點的丟失概率會產(chǎn)生很明顯的影響。當一個請求組塊到達一個節(jié)點時，如果該節(jié)點中存儲著相應組塊，產(chǎn)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(jīng)發(fā)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(jié)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(wǎng)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(xiàn)速率均衡。假定每一個路由節(jié)點由一些并行流來體現(xiàn)，這些流共享路由和有限的帶寬，并行流的數(shù)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(jié)點i的內(nèi)容請求泊松過程的速率；死亡率由節(jié)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(fā)現(xiàn)，ICP協(xié)議的一個顯著特征是將存儲功能嵌入到網(wǎng)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(nèi)容下載時延和網(wǎng)絡帶寬占用，大大提高了帶寬利用性能；另外，ICP協(xié)議提供了中斷容忍的網(wǎng)絡設計理念，通過請求數(shù)據(jù)包對多點數(shù)據(jù)檢索的特性可以使它在高速動態(tài)環(huán)境中保持靈活的通信，利用它的緩存，一個移動節(jié)點就可以作為兩個不連接域之間的網(wǎng)絡中介媒體或者通過斷續(xù)的鏈路來提供延遲連接。這些特性對于解決目前互聯(lián)網(wǎng)問題確實提供了有效的幫助，但是，由于內(nèi)容中心網(wǎng)絡相關技術的研究還處于起步的階段，對于ICP協(xié)議的研究也還不是很成熟，考慮的協(xié)議過程和拓撲結構還相對比較簡單，對于協(xié)議的流量控制問題還有待細化的研究，所以內(nèi)容中心網(wǎng)絡的下一步的研究重點將是繼續(xù)完善ICP協(xié)議，且在一段時間內(nèi)還將是下一代網(wǎng)絡研究的熱點問題。

參考文獻：

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

[2]林嘯，以內(nèi)容為中心的新一代互聯(lián)網(wǎng)體系架構研究[J].電信科學，2010（5）.

[3]胡騫，武穆清，郭嵩.以內(nèi)容為中心的未來通信網(wǎng)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(lián)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(lián)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(lián)系方式：高強，15805770315，51108623，690106663@qq.com，溫州市鹿城區(qū)錦繡路1314號電力大廈，325000。

（作者單位：國網(wǎng)溫州供電公司）