内容中心网络研究与进展

马琳琳+张建伟+蔡增玉+尚志会+袁臣+胡春晖

摘 要： 与互联网不同，内容中心网络（CCN）是一种面向内容共享的通信架构，支持高效的内容分发，在网络安全和部署方面具有显著的优势。文章综述了内容中心网络的相关研究，主要介绍了CCN的工作机制，分析了CCN的比较优势与特点，对CCN的热点问题进行了调研，并对CCN进一步的设计研究和发展进行了展望。CCN网络是信息中心网络（ICN）的主要架构之一，在未来网络的演化中将发挥更大的作用。

关键词： 内容中心网络； 内容分发； 网络安全； 信息中心网络

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）08-25-03

Abstract： Different from the Internet， content center network （CCN） is a kind of communication architecture for content sharing， supports efficient content distribution， and has significant advantages in network security and deployment. This paper reviews the related research of CCN， mainly introduces the working mechanism of CCN， analyzes the comparative superiority and characteristics of CCN， carries on the investigation and study on the hot issues of CCN， and prospects the further research and development of CCN. CCN is one of the main frameworks of the information center network （ICN）， and will play an even greater role in the evolution of network in the future.

Key words： content center network； content distribution； network security； information center network

0 引言

随着科技的不断创新和发展，互联网已经从传统的客户端-服务器（client-server）通信模式转变成现在广泛使用的内容分发网络（content distribution network）。同时，互联网的用户行为也在发生变化[1]，从传统关注服务器和主机IP地址，转变为只关心数据的内容是否符合要求。因此，传统的基于TCP/IP协议的互联网架构面临的挑战主要有：高效可扩展内容分发、海量普适计算设备、多宿主和多链接、移动性支持。为了解决上述问题，对未来网络进行改进和设计，提出了内容中心网络（content-centric networking，CCN）[2]。国外学术界关于内容中心网络的研究项目很多，主要包括美国伯克利大学RAD实验室提出的“面向数据的网络体系架构”（DONA）、美国卡内基梅隆大学的“面型数据传输”（DOT）、芬兰赫尔辛基科技大学和赫尔辛基信息技术研究所的“发布、订阅式互联网路由示范”（PSIRP）、美国帕洛阿尔托研究中心提出的“内容中心网络”（CCN）、欧盟FP7的4WARD和美国斯坦福大学的TRIAD等项目[8]。另外，欧洲的CONNET项目[6-7]也在为完善CCN做出贡献，CONNECT主要研究CCN的流量控制、命名、路由和转发，并思考CCN的部署策略。

1 内容中心网络原理介绍

1.1 体系结构

内容中心网络体系结构保持了传统TCP/IP结构沙漏模型，不同之处在于中间层的协议（见图1），用命名数据取代IP，直接以内容名字进行路由，实现点到多点的高效内容分发。这种命名方式只与其传输的信息有关，给网络节点的可移动性带来了方便。另外，CCN内建了存储功能，中间节点可以暂态缓存数据，提高了数据的高效利用率。最后，CCN体系结构中还设计了安全层，对核心网络包进行封装保护。

1.2 工作机制

CCN包含了两种报文类型，即兴趣包（Interest Packet）和数据包（Data Packet）（见图2），三类数据结构如：内容存储器（Content Store，CS）、未决请求表（Pending Interest Table，PIT）和转发信息库（Forwarding Information Base，FIB）。

CCN采用请求者驱动的模式，依次查询CS、PIT、FIB进行Interest的转发过程。以内容为中心的网络的节点模型如图3所示。

当兴趣包到达一个接口时，首先需要对名字进行最长前缀来相应查找，先在CS中匹配，如果响应请求就丢弃兴趣包，如果没有就查找PIT，如果PIT中有该Content Name条目，则在该条目中增加该兴趣包到来的Face，并丢弃兴趣包；如果没有就查找FIB，如果在FIB中找到，则按照查找到的所有Face口转发兴趣包，并在PIT中记录，如果没有就丢弃兴趣包。PIT表记录了已经转发的兴趣包，当响应请求的数据包借助PIT表的某条目转发后，该条目应被删除，以保证数据包能顺利传输到请求者那里。

当数据包到达一个接口时，首先需要对数据包的内容名字进行最长前缀来相应查找，先在CS中匹配，如果响应请求就丢弃兴趣包，再在PIT表中匹配条目，如果PIT中有该Content Name条目，则发送到请求者那里，同时缓存在CS中，如果没有匹配，则丢弃该数据包。

1.3 内容中心网络特点分析

⑴ 安全。安全是CCN体系结构的一部分，其中数据签名为未来互联网提供了必不可少的安全性。另外，CCN网络不存在数据通道的安全，因为数据没有固定的通道，可以存储在任意的缓存节点。最后，CCN对许多DOS攻击有天生的防御能力[4]。

⑵ 性能。CCN天生支持内容分发和多播功能，相对于当今IP网络具有明显的优势。另外，CCN在动态内容、点对点通信上也具有和IP网络相当的性能，并具有比IP更高的灵活性、安全性和鲁棒性[3]。

⑶ 流量调节。流量均衡调节功能是网络应具备的功能之一，CCN具有自然的流量调节能力，在数据转发市，可以根据链路状况，选择转发策略，从而均衡整个网络流量。另外，CCN的中间节点可以缓存经过的数据，这种设计可以节省用户访问同一数据的响应时间，进而从整体上减少了整个网络的流量。

⑷ 简化应用部署。互联网上的很多应用都需要复杂的中间件，进行IP地址和应用关心的内容之间的映射，而CCN可以大大简化应用的部署和开发。

2 内容中心网络的研究热点

⑴ 路由机制

CCN结构采用了层次化的命名体系，使用前缀最长匹配的方式对内容名字进行解析。如果节点路由器存有请求的内容，则立即返回，若没有相应内容，则通过匹配将请求继续发到下一个路由器节点，直到请求被满足。在CCN系统中，名字路由和内容传输的过程是合二为一的，而且这一设计完全抛开了IP网络的概念。但层次化的命名方式与网络拓扑无关，同样也会导致路由表膨胀。因此，为了显示CCN能够实现全球规模的部署，首先要解决的问题是可扩展的路由和线速的转发引擎。

⑵ 隐私保护机制

针对内容中心网络，内容对象的命名方式和内容安全机制的结合是一个很大的挑战。内容中心网络安全机制直接从路径保护转变为面向内容的保护。内容中心网络采用层次化的命名机制，从而可利用前缀汇聚方式更好支持路由。内容名称对于所有发布者都是全局惟一的。在隐私保护方面，CCN包含可访问和不可访问两部分。在不可访问部分使用公共密钥进行加密和身份验证。

⑶ 缓存机制

对于CCN网络，采用了分布式的内容缓存机制，允许节点对传输的内容进行缓存。如何在合理的代价开销下，增大节点临时缓存内容的可用性，提升缓存资源利用率，是发挥CCN网络内容普遍缓存优势的关键。但是，CCN没有考虑局部节点的暂态缓存内容，只针对稳定持久的内容源建立了路由条目。目前，已内容为中心的网络缓存技术的研究主要涉及缓存的分配策略、缓存替换策略、缓存利用策略和缓存放置策略[5]。

3 结束语

随着网络规模的爆炸式增长、新型业务的多样化发展、智能终端的不断升级，网络的设计又要改变，网络节点要增加更常用的信息处理功能，使用最近的计算资源来更有效的满足逐渐增多的终端的计算要求。当前，情景感知在追求个性化的今天得到了越来越多学者的关注，其研究价值都是不容小觑的。因此，为了使情景感知技术在内容中心网络中得到更加合理、高效的应用，可以通过设计具备情景感知能力的内容路由算法，增强网络智能，在内容中心网络框架下解决用户位置移动、兴趣变化等动态情景下内容的高效获取问题。这就需要在接下来的研究中，设计宏观情景拟合的内容路由算法以及缓存机制，实现宏观情景转移时的内容高效获取，规划好路由算法、缓存策略同宏观情景之间存在的匹配问题，解决匹配带来适应性和稳定性之间的矛盾。

参考文献（References）：

[1] Greenemeier L.Content is king： can researchers design an information-centric internet？http：//www.scientificamerican.com/article.cfm？id=internet-infrastructure-information-redesign，2012.

[2] Jacobson V， Smetters D K， Thornton J D， et al.Networking named content. Proceedings of CoNEXT， Rome， Italy， 2009.

[3] Z. Zhu， S. Wang， X. Yang， V. Jacobson， and L. Zhang.Act： An audio conference tool over named data networking[C]. ACM Sigcomm workshop ICN'11， August 2011.

[4] 闵二龙，陈震，徐宏峰等.内容中心网络CCN研究进展探析[J].信息网络安全，2012.2：6-10

[5] Zhang G， Li Y. Caching in Information Centric Networking：a Survery[J].Computer Networks，2014.57（16）：3128-3141

[6] CONNECT project. http：//anr-connect.org

[7] ANR project. http：//anr-connect.org

[8] 林啸.以内容为中心的新一代互联网体系架构研究[J].电信科学，2010.5.