基于内容中心网络开发平台的文件分享.docx

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摘要

当前的网络环境与网络诞生之初时相比已经发生变化，信息更多被用于分享和合作，而非仅仅从一地传送至另一地，基于TCP/IP的现有互联网已经逐渐暴露出许多不适应。

在这样的背景下，一种以“方便内容的存取”为原则设计而成的新型网络架构体系——内容中心网络应运而生。

论文首先从分析当前互联网存在的弊端入手，总结出了几点当前互联网所暴露出来的问题，并提出解决这些问题的一些方案，这其中主要包括两种——“演进型”和“革命型”，简单分析之后指出“革命型”才是长久之计，进而引出论文将要研究的重点——内容中心网络（CCN）。

论文具体阐述了CCN的体系结构、设计目标和原则以及通信机制，并与当前的TCP/IP网络做了一个简单的对比，指出CCN的优势所在，最后列举了当前CCN的几个研究热点。

在做过理论上的研究之后，基于内容中心网络开发平台CCNx进行了一个探究性的文件下载实验，具体实现的功能是客户端能根据各服务节点的状态信息智能选择最优下载节点进行文件下载。

本实验主要是在CCN文件下载过程中增加一个选路的过程，目的是节省网络带宽，减少网络拥堵，缩短请求者对服务节点的额外占用时间。

应用到实际中，当要下载的文件很大，服务节点很多，链路结构很复杂时，选路所带来的好处会更加明显。

另外通过本次实验我们也验证了CCN路由器的缓存功能，缓存功能是CCN网络架构的一大优势所在。

关键词内容中心网络（CCN）CCNx文件下载

FILESHARING

BASEDONTHECONTENT-CENTRICNETWORK

DEVELOPMENTPLATFORM

ABSTRACT

Whencomparedtothebeginning,thecurrentnetworkenvironmenthaschangedalot.Theinformationhasbeenmainlyusedtoshareratherthanmerelytransferredfromoneplacetoanother.ThecurrentIP-basednetworkhasrevealedmanyinsuitableaspects.Thetraditionalhost-centricInternetcannolongermeetpeople’sneedsonthenetworksize、functionandperformance.

ThispaperstartsfromtheanalysisofthecurrentInternetdrawbacksandpointedouttheproblemsexposedbyInternet.Thussomeprogramswhichmainlyincludetwokinds——“evolution”and“revolution”areforwardedtoaddresstheseissues.Aftersimpleanalysis,the“revolution”isconsideredasthelong-termsolution.ThenCCN,thefocusofthestudyinthispaperisforwarded.FirstlyabriefintroductionofthefourkindsofCCN——NDN、DONA、PSIRPandNetinfisgivenincludingtheirbasicdesignandoverallarchitecture.ThentherepresentativeNDNistakenasanexampleforfurtherresearchanddiscussion.ThepaperspeciallyaddressestheNDNarchitecture,designobjectivesandprinciples,aswellasthecommunicationmechanismandalsomakeasimplecomparisonwiththecurrentTCP/IPnetworktopointouttheadvantagesofNDN.

Aninquryfilesharingexperimentiscarriedoutafterthetheoreticalresearch.Specificallyspeaking,itachievesthefunctionthattheclientcanselecttheoptimumdownloadnodeintelligentlyaccordingtothestatusofeachnode.ThemainpurposeofthisexperimentistodevelopsomeapplicationsbytakinguseoftheadvantagesofCCNoverTCP/IP.

KEYWORDSCCNProjectCCNxfilesharing

目录

第一章绪论4

1.1研究背景4

1.1.1当前互联网的局限性4

1.1.2下一代互联网架构体系的研究5

1.1.3关于内容中心网络（CCN）体系架构9

1.1.4命名数据网络（NDN）的提出10

1.2作者工作10

1.3论文结构11

第二章内容中心网络（CCN）架构深入研究12

2.1CCN体系结构12

2.2CCN设计目标和原则14

2.3、CCN工作机制15

2.3.1、CCN节点结构15

2.3.2、CCN包类型15

2.3.3CCN包处理流程16

2.4CCN的研究热点18

2.5CCN应用举例20

第三章基于CCNx开发平台的文件下载享实验22

3.1CCNx平台介绍22

3.2运行环境的搭建22

3.3实验描述25

3.3.1原始的CCN文件传输工作方式26

3.3.2初步改进后的CCN文件传输工作方式27

3.3.3改进前后的对比28

3.4操作步骤29

3.5实验结果31

3.6实验分析与总结32

第四章、总结与展望33

4.1论文工作总结33

4.2下一步研究工作34

参考文献35

第一章绪论

1.1研究背景

1.1.1当前互联网的局限性

互联网发展的五十年给人们的生产、生活和学习带来了深刻改变，我们在感慨互联网技术精髓和成功经验的同时，也应该重视现有互联网面临的众多技术挑战。

采用32比特地址码的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。

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。

从互联网诞生起至今，不断有相应的解决方案提出以应对各个阶段出现的问题，这些方案在一定程度上推进了网络的发展，却没能彻底解决一些潜在的问题。

DNS、TCP/IP、策略路由、CIDR、NAT和重叠网等解决方案只能称之为“evolutionarypatchwork”，仅暂时缓解了网络发展面临的问题，没能从根本上解决架构带来的局限性。

以DNS为例，互联网上几乎所有的应用都需要DNS名字解析系统的支持，但是DNS是在许多架构设计基准确立后才发展起来的。

它有效解决了名字地址转化的问题，却引入了将网络命名和用户命名一分为二的新问题。

互联网已有四五十年历史的架构、固守没有突破的解决方案、网络利益相关方难以达成一致的操作动机和不可预见的新的网络使用需求都使互联网的发展面临僵化的局面，很难对以主机为中心、发送-接收通信范例及严格的协议栈进行突破性的改变。

当前互联网存在的主要问题总结如下：

•发送端授权过重；

•网络架构可信度低；

•新应用部署困难；

•TCP拥塞控制机制有缺陷；

•域间路由（BGP）存在问题；

•对移动性、多宿主支持度差；

•地址空间不足，IPv6部署现状不佳；

•标识和位置统一（IP语义过载）问题；

•DiffServ和Intserv存在问题及QoS政策实施有难度；

单播和基于源的内容传输不适用已改变的网络环境。

1.1.2下一代互联网架构体系的研究

随着互联网上应用的不断发展变化，基于TCP/IP的现有互联网也逐渐暴露出许多的不适应，当前互联网上主要暴露出的问题有：

不安全、移动性差、可靠性差和灵活性差。

为了解决这些问题，当前国内外主要有“改良”和“革命”两种思路，简单地讲，凡不改变互联网IP的主体地位，则属于“改良”，而想要替代IP主体地位的网络就叫“革命”。

“改良”思路也成为“演进型”思路，即在现有的IPv4协议的互联网上不断“改良”和“完善”网络，最终平滑过渡到IPv6的互联网；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。

对于“演进型”或“改良型”方案能否从根本上改变互联网具有的核心体系架构，许多专家学者提出了质疑。

以IPv6为例，IPv6的设备和网络已经在不断的成熟和迅速发展，但是互联网面临的基础问题并不会随着IPv6网络的应用而自然得到解决。

IPv6还是存在可扩展性问题，主要是核心网中路由器的路由表扩大的太快，超过了电子器件的实现能力。

即使不超过，路由表过大也将使路由器的复杂性、电能消耗增加过快，是十分不利的。

而且，IPv6还存在着安全、可控可管等问题。

（一）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。

不可否认的事实是，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。

下表总结了一些常被提及的方案，并指出了大范围部署和应用失败的原因。

表2-1常见演进型方案大范围部署和应用失败原因列表

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

MIP

支持IP主机移动性

技术上存在缺陷，stakeholdertussle等问题

HIP

解决IP地址语义过载问题，支持移动性、多宿主和端到端安全

总体配置困难，互联网用户对技术缺乏理解，积极性不高

IPSec

增强网络层鉴权、保密和密钥管理等功能

技术复杂，设置开销问题，给日常网络用户造成不便

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：

1、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；

2、网络利益相关方间的争执，意见和举措难以达成一致；

3、技术自身的缺陷。

演进型解决方案大都失败的现象应该引起我们的重视和思考，当前的网络环境与网络诞生之初相比已经发生了巨大的改变，随着信息社会和正在逐渐形成的全球化知识经济形态对互联网不断提出新的要求，更需要人们对现有的互联网络体系结构的基础理论进行新的思考和研究。

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。

（二）革命型解决方案

•基于DHT的方案

基于DHT的方案有i3、ROFL和SEATTLE。

InternetIndirectionInfrastructure（i3）的提出是为了一般化传统互联网上单播、点到点的通信概念，更好的支持多播、任播和移动性。

i3是一个重叠网解决方案，提供了通用灵活的基于汇聚点（rendezvous）的通信概念。

i3通过使用一个间接层（indirection）有效分离节点的发送操作和对端节点的接收操作。

接收节点通过trigger（id，add）表达自己对网络中发送包的兴趣，然后trigger路由到合适的发送端，再由发送端发送相同id的数据包给接收端。

RoutingonFlatLabels（ROFL）采取了完全不同于标识与位置分离的方法，在网络层完全去除了位置的概念，直接采用与位置无关的标识进行路由。

继承了位置与标识分离的诸多优点，但是不需要引入映射系统。

ROFL是一种基于虚拟环路由的算法，每个主机和路由器都由全局唯一的ID标识，这些标识构成了一个环状的名字空间（pointers组成的环）以保证路由的正确性。

Pointers可以为主机指示域间和域内下一跳。

SEATTLE提出的目的是利用IP的扩展性和以太网的简单性实现基于标识的有效路由和网络管理配置的简化。

SEATTLE采用扁平标识寻址，提供了地址解析和业务发现的目录服务。

主机可以使用目录服务来发布和维护自身MAC地址和当前位置的映射。

•NIRA

NewInternetRoutingArchitecture（NIRA）的提出是为了解决Internet路由系统的可扩展性和fault-isolation的局限性。

用户可以选择本地ISPs，但是对他们的数据包在网络上的传输路径一无所知。

NIRA能够赋予用户域间路由的选择权力，有利于竞争和创新环境的形成。

在NIRA中使用的是IPv6地址，名字查找由Name-to-RouteLookupService（NRLS）实现，NIRA无名字形式的限制，可以是结构化的，也可以为扁平结构或其它形式。

其次，NIRA通过路由器反馈、超时和拓扑信息传播协议TIPP的通告来处理路由失败的问题。

•TRIAD

美国斯坦福大学提出的TranslatingRelayingInternetArchitectureActiveDirectories（TRIAD）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。

•DONA

Data-OrientedNetworkArchitecture（DONA）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。

•PSIRP

ThePublish-SubscribeInternetRoutingParadigm（PSIRP）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identifiers标识，通过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项目将基于PSIRP继续深入研究。

•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NetworkofInformation（NetInf）。

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

NamedDataNetworking（NDN）是由加州大学洛杉矶分校LIxiaZhang团队为首开展的研究项目，该项目由NSFFutureInternetArchitecture（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的沙漏模型如下图所示

图1-1IP与NDN沙漏模型

Content-centricNetworking（CCN）由PARC的VanJacobson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。

•总结

1、i3、ROFL和SEATTLE都利用了DHT实现对内容名字的查询，内容在被检索之前都需要发布以告知DHT它们具体的位置信息，且不保证检索到最近的资源复制，都不支持内容的动态查找；

2、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；

3、i3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；

4、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。

从上述总结来看，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。

下一章，我们将以NDN为例对内容中心网络架构做深入的研究。

1.1.3关于内容中心网络（CCN）体系架构

在众多革命型解决方案中，邮美国学术界率先提出的面向内容的网络体系架构值得关注，欧洲互联网大国也纷纷兴起了内容主导型网络的研究。

目前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“面向数据传输”（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。

以主机为中心的网络已不能负荷不断增长的流量和层出不穷的新应用，而且能抵御潜在性的网络不良行为。

因此，需要一种新型的网络架构来取代现有的，将内容或信息作为架构的主体不在以主机为中心。

这一观点得到了中美科学家的认可，他们都认为“基于内容”的理念会改变未来互联网的体系结构。

1.1.4命名数据网络（NDN）的提出

2010年美国NSF设立了为期三年的未来互联网体系结构（FIA）计划，以设计和验证下一代互联网综合新型的体系结构作为目标，网络设计、性能评价、大规模原型实现和端用户应用实验等都是FIA计划的研究范围。

FIA资助了四个项目，“命名数据网络”（NDN）项目是其中之一。

NDN由位于洛杉矶的加利福尼亚大学计算机科学系教授张丽霞领导，寻求通过数据分布的方式建立一个更有效的互联网。

在2009年11月于庆应义塾大学的一次演讲中，张丽霞教授以YouTube为例展示了NDN架构的运作。

在当前的互联网架构下，如果一个流行的视频被下载100万次，意味着100万个下载请求被发往同一台YouTube服务器；而在NDN架构下，一个YouTube请求会就近找到一份视频拷贝，而不是向YouTube的数据中心直接请求。

NDN直接提供面向内容的功能，不考虑内容存储所在的物理位置，致力于改变网络的通信模式，从关注于“在哪”，例如地址、服务器、端系统，转变为关注于“是什么”，即用户和应用关注的内容。

NDN将数据作为基础实体，对数据命名而不是它们的位置地址。

作为一种新的网络架构，NDN面临多项技术挑战，比如路由可扩展性、快速转发、网络安全、信任模型、内容保护和隐私，以及新的支持这一设计的基础通信原理等。

NDN项目将重点研究这些问题。

NDN专门设计成与当今网络的使用方式相匹配，既能与TCP/IP协议并行，也能独立运行，而不破坏现有的网络。

无论是从用户需求和应用发展的角度出发，还是考虑到与现有网络的兼容性等问题，以内容为中心的互联网体系架构都具有优势。

因此，深入探讨面向内容网络架构的基本设计、操作机制及关键技术会为新一代互联网体系架构研究开拓思路。

1.2作者工作

作者在该论文中所做的主要工作包括以下几个方面：

1、搜集与内容中心网路相关的研究资料，分别对现有的几种面向内容的网络体系架构做了阐述，并进行了架构间的对比分析；

2、对NamedDataNetworking体系结构进行深入研究，重点探讨了NDN在路由、转发、存储和安全等方面值得借鉴和深入研究的关键技术；

3、搭建并运行了内容CCNx开发平台，在平台上实现了几台电脑之间根据链路状态及服务节点状态动态选择下载路径的文件传输功能。

4、利用CCN文件下载过程验证CCN路由的缓存功能，证明了CCN路由器在文件传输的过程中与IP路由器的不同。

5、通过本次研究，对未来网络发展和构建总结了可供参考和共同探讨的建议和设计思路。

1.3论文结构

本论文共分为五章。

第一章为绪论，阐述了课题研究背景、研究意义和作者的主要研究工作；第二章分析了当前互联网的现状，并探讨了针对目前互联网问题所提出的“演进型”和“革命型”解决方案；第三章对革命型解决方案中的DONA、PSIRP、NetInf和NDN这四种内容中心网络做了简单介绍，并以NDN为例对比TCP/IP做了更进一步的研究，阐明了NDN的通信机制；第四章在内容中心网络开发平台CCNx上进行了一个探究性实验，即在CCN架构下实现客户端能根据服务节点的状态信息动态选择最有下载路径的文件分享功能，实验过程中也验证了CCN路由器的缓存功能；第六章为总结和展望，简要总结了作者的研究工作，给出了课题应该深入研究和探讨的方