CCN调研报告v10课案.docx

1、CCN调研报告v10课案CCN调研报告版本号说明作者V1.0第一轮调研结果网络传播系统与控制实验室1.CCN的产生背景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、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 的主体地位的网络就叫“革命”。目前国际上有很多研究机构进行未来的网络的设计研究。2010年，美国NSF 资助4个3年的未来互联网体系结构FIA（Future Internet Arch

2、itecture）项目1，分别是：NDN（Named Data Networking） 2、MobilityFirst 3、NEBULA 4、XIA（ eXpressive Internet Architecture）5。这四个项目都宣称能解决当前互联网的主要问题，但其侧重点各不相同：NDN 项目的主要思想来源于对当今互联网上应用的改变的观察。当今互联网在起源之初，主要的应用需求是计算资源共享，而经过50 多年的发展，互联网的使用已发生了巨大的变化，现在互联网的主要使用需求是内容的获取和分发。虽然应用发生了这么大的变化，但互联网的体系结构仍然是Host-to-Host 通信模式，对于以发布和获

3、取信息为主的互联网，Host-to-Host 通信模式存在明显的不足，比如每次存取内容，都要间接映射到内容所在的设备。为了解决这个问题，NDN 从UC-Berkeley 的Scott Shenker 教授等提出的DONA 体系结构26 出发，它采用名字路由，通过路由器来缓存内容，从而使数据传输更快，并能提高内容的检索效率。NDN 的具体实现例子是施乐公司的帕洛阿托研究中心（PARC）的Van Jacobson 等提出的内容中心网络，简称CCN（Content-Centric Networking）。MobilityFirst 项目主要针对移动问题，以移动为正常，而非例外，该体系结构使用普遍的延

4、时可容忍网络DTN（Delay-Tolerant Networking）提供鲁棒性，再结合自认证公钥的使用，就可提供一个具有天然可信任属性的网络。把移动作为第一属性，使得环境和位置感知服务自然的适合于该网络，该项目集中在移动、可扩展性和公平使用网络资源之间的权衡，实现移动终端间的有效通信。NEBULA 项目将更多的存储、计算和应用都迁移到了“云”上。NEBUL A 是一个体系结构，它把云计算的数据中心作为主要的数据仓库和主要的计算场所，数据中心被高速的、可靠的和安全的骨干网连接，实现了一个可以快速提供计算服务的计算基础设施。XIA 项目主要针对网络使用的多样化、可信通信的需求以及同时提供网络服

5、务的利益相关者在不断增长，XIA 是一个可信的并可演化的体系结构。XIA内在支持多个第一类责任者（X-centric），也支持未出现的应用模式，XIA 创建了一个单一网络，在当前主要的通信主体（主机、内容、服务以及未来不可知的应用）之间提供固有的通信支持5。基于TCP/ IP 协议，互联网的可扩展性和有效的内容分发问题已经引起了覆盖网（Overlay Network）和内容分发网络（Content Delivery Network）学者们的研究热潮。经过多年的研究，P2P 和CDN 在解决内容分发问题时仍存在一些不足6。因此，现在又提出了信息中心网络（ICN, Information Cent

6、ric Networking）的解决方案，不同的是该方案是针对整个网络的体系结构的，其目标不只是解决内容分发问题，而是要解决当今互联网存在的所有问题。已有研究证明了信息中心网络能够更好地解决当今互联网中存在的各种问题7。在这些未来网络的研究项目中，CCN 属于信息中心网络范畴，是目前较为主流的研究热潮。所谓的信息中心网络，就是网络中的一切都可以看做是信息，可以说是一个信息互联的网络，而非主机互联，其核心对象是信息，通过信息的名字标识每一个信息。对网络来说，其中流动的都是有名字的信息，网络系统能区别每一个信息，但具体信息意义，网络系统却无法分析，靠生产者和消费者的上层应用解释。整个网络及其终端就

7、在各种信息的驱动下运行起来了，而网络的作用就是管理所有信息的流动和缓存，并用正确的信息快速响应信息的接受者，用户或应用只直接关注信息本身，而与该信息块的其他属性没有关系。当今，信息中心网络体系结构的主要的研究机构和项目在欧洲（PSIRP/PURSUIT，4WARD，and SAIL）和美国（CCN 和 DONA）7。美国加州伯克利大学的Scott Shenker 等研究了各种信息中心网络的共性和区别，发现各种信息中心网络的设计本质很相似，但各自的术语却十分不同，比如在CCN 中采用的术语Register、Interest 等，在本质上相当于发布和订阅术语8。在众多的信息中心网络中，施乐公司的帕

8、洛阿托研究中心（PARC）的内容中心网络CCN 具有更多的优势，也是目前研究较多的体系结构，并且有开源的原型实现4 支持。NDN项目便是在CCN 基础上进行研究的。PARC 先后发明过以太网、鼠标和激光打印机，并在IPv6上做出贡献，而CCN 则是PARC 的又一里程碑式的技术。另外欧洲的CONNECT19项目也正在为完善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，通过一些网络服务和应用的案例，力求从经济上说明CCN 取代当前互联网的不可抗拒的优势，另外CONNECT 项目也开发一些模拟和仿真工具，用来测试和证明新的CCN 协议的有

9、效性。2.CCN的原理与研究领域2.1 CCN的原理2.1.1 CCN体系结构图1. CCN和IP网络的比较CCN 体系结构的外形和当今TCP/IP 网络很相似，都是沙漏模型（图1），重要的是用Contentchunk 代替了IP。从网络的角度看，就是在网络中用对数据命名代替了对物理实体的命名。另外，网络中内建存储功能，用来缓存经过的数据包，用以加快其他用户访问缓存数据包的响应时间，同时可减少网络中的流量。2.1.2 设计目标和原则上面介绍了CCN 的体系结构，但是为什么要这样设计呢？这与CCN 的设计目标和设计原则有关（当然也与技术现状有关）。设计目标和原则对一个系统的最终表现有巨大的影响。

10、David D. Clark 等人在1 中分析了端到端等原则在互联网的设计中的重要作用，后来，又分析了设计目标对当今互联网形成产生的重要影响2。CCN 的主要设计目标是更好地支持当今的主要应用：内容存取。只这一个目标就决定了CCN 的体系结构不会是一个会话模型，而应该是一个以信息为中心的模型（兼顾资源共享式的通信）。另外，PARC 的Van Jacobson 和UCLA 的Lixia Zhang 教授等提出了设计CCN 的6 个原则10。这些原则借鉴了若干当今互联网设计的原则，而这些互联网原则已经被证明是成功的。这六个设计原则分别是：1）保留沙漏模型。这种“瘦腰”特性保证了互联网的迅猛增长，因

11、为它允许下层和上层不断革新变化，在CCN 设计中也保留了这一模型。2）考虑安全性。当今互联网的设计是没有考虑安全的，所有的安全都是事后增加的，这种修补式的安全，对互联网造成很大的负面影响。而CCN 要把安全放在体系结构的设计中。3）保留端到端原则。端到端原则考虑系统性能和代价的均衡，一般分层系统设计都应该考虑，CCN 系统也继承了这一原则。4）流量自调节。流量均衡对一个稳定的网络运行是必不可少的。当今互联网的流量调节要依靠端的传输协议，网络本身的设计没有考虑。5）保留了路由和转发平面的分离。保证了最好的转发技术和路由技术并行发展。6）保证体系结构的中立，使得用户选择和竞争尽可能简单13。2.1

12、.3 CCN工作机制图2 CCN的包格式CCN 通信由数据消费者驱动，数据可以进行块级传输，有两个包类型：Interest 和Data（图2），消费者广播Interest 包，请求内容，监听节点如果有该内容，则响应。兴趣和数据包和位置无关，在一个广播介质上，如果有一个兴趣包请求，则其他对同一内容感兴趣的消费者可以共享该请求。图3. CCN转发引擎模型兴趣包的Contentname 是数据包的Contentname 的前缀，则该数据包满足该请求。内容名字是复杂的，内容的名字可以动态生成，即让不存在该请求内容的应用接收该兴趣包，而临时产生该内容。像现在的动态Web（静态内容和动态产生混合支持）。当

13、一个包到达一个Face，利用名字进行最长前缀匹配查找，有三个关键数据结构完成转发（FIB、内容缓存、PIT）。FIB 类似IP 的FIB，但允许一列出口，而不限于是一个。内容缓存可以尽可能长时间地缓存转发的包，以供其他消费者使用。PIT 记录已经转发的兴趣包，为了让响应的数据包能到达其请求者。当响应兴趣的数据包利用PIT 的某条目转发后或者抽出时间设定，该条目被擦除。当一个Interest 包到达，首先匹配内容缓存（如果有，则响应并丢弃Interest），其次匹配PIT（如果有，则在PIT 响应条目中增加Face，并丢弃Interest），最后匹配FIB（按照所有匹配的Face（除Intere

14、st 到达Face）进行转发Interest，并在PIT 中记录）。如果没有匹配则丢弃。data 包的处理相对简单，当数据包到达时，先对数据包的Content Name 字段进行最长前缀匹配，先在Contentstore 中匹配（如果有，则丢弃），再在PIT 中匹配条目，如果有，转发到请求者，然后缓存在Contentstore，如果没有匹配则丢弃。2.1.4 CCN比较优势1）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，比如完整性检验和数据出处验证。比如当一个请求者接受到一个所需要的内容，他可以验证签名，从而知道他是否收到的是真实发布者提供的内容的复制

15、。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，可以从任意缓存处取得。最后，CCN对许多DOS 攻击有天生的防御能力。2）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11，12。3）绿色。绿色和环保是当前学术界和工业界研究的热点，在性能提高的同时，更要权衡能量的有效性。尤其是当今互联网消耗着人类巨大的能量，能量有效性对服务提供商或者对整个人类都是有益的。阿尔卡特- 朗讯的贝尔实验室的Uichin Lee 等人分析了不同的内容散布策略，

16、包括CDN、P2P和CCN，证实了CCN 的能量使用比P2P 和CDN 更有效24。4）简化应用的部署。当今互联网上的很多应用都需要很复杂的中间件，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。5）流量调节。作为一个网络，本应具备流量均衡调节的功能，当今互联网在设计之初时并没有考虑网络中的流量拥塞和控制问题，导致互联网几近崩溃。而CCN 具有自然的流量调节能力，在数据转发时，可以根据链路状况，选择转发策略，从而均衡整个网络流量。2.2 CCN的研究领域2.2.1命名针对ICN（以信息为中心的网络）五种工程研究架构，各自命名方式如下1：combined broadcast and content based routi