内容中心网络的ICP协议研究进展

叶张权 黄艳艳 高强

【摘 要】内容中心网络CCN（Content Centric Network）为当前的互联网通信模式带来一种全新的改变，它不再是通过主机地址，而通过寻址“命名数据”进行通信。内容中心网络的一个显著特征是将存储功能嵌入到网络中，为处理传输问题增加了一个新的维度。目前内容中心网络研究的重点是设计一个接收端驱动的请求控制协议ICP（Interest Control Protocol）。文中对这些过程的模型化进行了概括，并对这些过程模型的合理性和准确性进行评价分析，最后给出了ICP协议的研究趋势。

【关键词】内容中心网络；CCN；请求控制协议ICP

1.引言

当今互联网的设计原则和结构起源于20世纪六七十年代，当时网络设计的目标是解决硬件资源的共享问题，由于当时硬件资源稀缺且成本较高。因此，通信的主要目的是连接两台主机，且需要确定具体的设备位置。IP数据包是以IP地址作为数据进行打包的，以IP地址标识具体的设备，IP包中源地址和目的地址的设计就是为了满足这种发生在两台具体设备间的通信需求。然而，随着信息技术的迅速发展，计算机的硬件成本大幅度降低，人们对硬件资源共享的需求已经淡化，并且网络应用的主体已经转向文字信息和视频等内容，内容服务慢慢成为网络服务的主体，互联网的内容服务得到了更多的关注。在内容服务网络中，人们并不关心哪台计算机提供内容信息，而只关心获取内容的速度以及内容的可靠性和安全性。但是，目前互联网中广泛应用的TCP/IP仍然是Host-to-Host通信模式，这种通信模式对于以发布和获取信息为主的内容服务网络来说存在明显的不足。因此，端到端和内容分发网络等技术的出现在一定程度上缓解了用户对“内容/信息共享”的需求。但是，任何在目前体系结构下进行的内容传送机制的改进都无法彻底克服底层机制的缺陷，终究会造成资源的浪费、安全性下降，并且需要复杂的内容和“位置”的映射。

目前，国内外很多研究机构都参与了内容中心网络架构的研究，国内的研究机构有工业和信息化部电信研究院，清华大学网络安全实验室，北京邮电大学网络体系构建和融合实验室等；国外的机构有美国的PARC研究中心，UCLA和贝尔实验室，欧洲的CONNECT项目组等。

2.CCN体系介绍

内容中心网络的基本涵义就是整个网络的需求是内容，而不是主机。它从根本上改变了IP包的封装结构和寻址方式，数据包的包头不再以地址作为标识，而是以内容名称作为标识。所以，CCN最主要的驱动力就是对内容的需求，其主要的数据包有内容请求包（interest packet）和内容数据包（data packe）两种，具体结构如图1。

图1 典型的CCN数据包类型[4]

整个信息传输共享过程是，请求数据包定义了一个报文所包含的内容标题，该包向所有方向发送请求，能够提供该请求内容的邻近的节点设备，就会通过内容数据包向请求节点发送响应数据。由此可以看出，CCN的整个过程不再关心位置在哪里，而是关心以最小的代价从邻近的节点最迅速的获得该内容，对此CCN提出了一种新的协议栈。

3.ICP介绍

内容中心网络的ICP协议详细描述了整个信息通信过程，从请求数据包的发送，到链路上的带宽公平共享传输，以及路由节点的存储和过滤过程。ICP请求控制协议，发送端发送请求数据包，通过链路传输，到达一个路由节点时，按路由节点的查询顺序依次处理（详细过程见下边的路由节点分析），通过一个节点后继续上行传输（在内容中心网络中，只有请求数据包被路由），直到检索到需要的数据包时停止，此时该数据包按请求包路由的路径反向传输，送达接收端。我们把ICP的过程划分为几部分：请求包发送过程，链路带宽共享传输过程，路由节点的存储及过滤过程。为利于研究，把这些分过程模型化，并基于线形和二进制树的网络拓扑结构研究探讨ICP协议的可用性，高效性，公平性。

3.1 路由节点分析

1.请求数据包路由分析

内容中心网络中，只有请求数据包被路由，下面将介绍请求包的路由分析。从图3看出，典型的CCN节点模型包括内容存储器（CS），待定请求表（PIT）和前向转发表（FIB）三部分。

当节点从一个接口收到一个请求数据包时，将根据它所包含的内容名进行最大匹配查询，而后根据查询结果进行下一步的操作。查询的优先级顺序依次为CS、PIT、FIB，具体操作如下。

·CS 如果包含请求数据包请求的内容，就会直接将相应的内容发送到请求端口，并丢弃请求数据包，否则将在PIT 中继续查询。

·PIT 如果包含与内容名相关的条目，就将请求端口添加到请求端口列表中，并丢弃请求数据包，否则将在FIB 中继续查询。

·FIB 如果包含与内容名相关的条目，就按照FIB 的指示将该请求数据包转发到下一个CCN 节点。将该请求端口从FIB 的端口列表中删除，如果剩下的端口不为空，则向所有剩下的端口转发请求，并在FIB 中形成新的条目和端口列表。

·如果以上3 种情况都不符合，说明不存在相关的匹配路由，则丢弃该请求数据包。

图3 CCN节点转发模型[5]

2.内容数据包传输过程分析

内容数据包的流程比请求数据包简单，因为内容数据包不需要路由，仅跟随PIT端口记录的请求数据包传输轨迹情况，到达最初请求端即可。

当一个内容数据包到达路由节点时，对其内容名进行最长匹配查询。当CS匹配时说明该数据包重复，将其删除；FIB匹配說明该节点没有相匹配的PIT端口，所以该数据包是未经请求的，将其删除；PIT匹配时说明该数据包是经过请求的，通过请求端经过该节点发送。

3.2 模型分析

3.2.1请求包请求发送过程模型

内容请求过程分为2个层次结构：content 和 chunk。请求到达过程模型化为：Markov Modulated Rate Process（MMRP）：对于K等级的内容请求产生过程依据泊松过程：强度 ，且被请求的内容是在K等级的M个不同的内容项目中统一选择。一个内容请求恰好是内容的第一个组块，当一个组块接受到后，另外一个新的组块再发送，直到内容的最后一个组块被接受。

ICP实现的是基于窗口的请求流量控制。窗口的变化规则和TCP类似，也是按照AIMD（Additive Increase Multiplicative）机制来变化。

·请求窗口增加速率：窗口W增加参数为η

·请求窗口减少速率：W乘以参数β，β<1

·请求重传时间设置：参数τ，τ应该比最小网络延迟时间大，当然一个最小τ值也是必须的，以保证对可利用带宽的充分使用。同TCP样，对于τ的平衡也主要是基于对最小往返延迟的评估。参数τ设置如下：

3.2.2路由节点汇聚（过滤）模型

CCN阻止请求泛滥的一个基本特征就是汇聚，通过节点上的PIT记录待定请求组块的轨迹，防止对于相同数据的请求再次发送。PIT时间窗口值Δ：用来限制待定请求包的数量。值越大，过滤掉的请求包数量越多；值越小，意味着有越多的不必要的请求继续被路由。在稳定状态时，等级为K的请求组块的汇聚时间范围值定义为 ，具体为 。

请求包的汇聚，对于给定的一个存储节点的丢失概率会产生很明显的影响。当一个请求组块到达一个节点时，如果该节点中存储着相应组块，产生命中，否则为丢失。对于后者，如果之前有一个对于相同组块的请求已经发送且该组块还没收到时，则过滤掉该请求，即该请求不再被路由。对于第一个节点，同样满足MMRP请求过程，等级为k的请求包被过滤的可能性模型如下：

3.2.3带宽共享传输模型

用户感知的网络性能主要依赖于在并行下载时带宽共享的方式。普遍可接受的公平目标是最大最小公平原理，来实现速率均衡。假定每一个路由节点由一些并行流来体现，这些流共享路由和有限的带宽，并行流的数量n的变化是生死马尔科夫过程。

出生率：

死亡率：

出生率定义为，在强度为 的MMRP丢失过程假定下，在节点i的内容请求泊松过程的速率；死亡率由节点i的n个并行流中的每个流按最大最小公平算法共享的带宽速率 来决定。

4.结束语

通过研究发现，ICP协议的一个显著特征是将存储功能嵌入到网络中，为处理传输问题增加了一个新的维度，这是CCN 非常关键的理念，它可以帮助减少内容下载时延和网络带宽占用，大大提高了带宽利用性能；另外，ICP协议提供了中断容忍的网络设计理念，通过请求数据包对多点数据检索的特性可以使它在高速动态环境中保持灵活的通信，利用它的缓存，一个移动节点就可以作为两个不连接域之间的网络中介媒体或者通过断续的链路来提供延迟连接。这些特性对于解决目前互联网问题确实提供了有效的帮助，但是，由于内容中心网络相关技术的研究还处于起步的阶段，对于ICP协议的研究也还不是很成熟，考虑的协议过程和拓扑结构还相对比较简单，对于协议的流量控制问题还有待细化的研究，所以内容中心网络的下一步的研究重点将是继续完善ICP协议，且在一段时间内还将是下一代网络研究的热点问题。

参考文献：

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

[2]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）.

[3]胡骞，武穆清，郭嵩.以内容为中心的未来通信网络研究综述[J].电信科学，2012（9）：74-80.

作者简介：

叶张权（1983-），男，浙江省温州市，工程师，主要研究电力信息通信方向。注：作者联系方式：叶张权，13736710989，51108637，314072676@qq.com。

黄艳艳（1984-），女，浙江省温州市，工程师，主要研究电力信息通信方向。注：作者聯系方式：黄艳艳，13736728890，51108615，68421614@qq.com

高 强（1987-），男，山东济南，工程师，主要研究电力信息通信方向。注：作者联系方式：高强，15805770315，51108623，690106663@qq.com，温州市鹿城区锦绣路1314号电力大厦，325000。

（作者单位：国网温州供电公司）