清华大学计算机系：内容中心网络CCN研究进展（闵二龙、陈震、许宏峰、梁勇）.pdf

内容中心网络CCN研究进展闵二龙,陈震,许宏峰,梁勇清华大学计算机系信息技术研究院网络安全实验室, 信息国家实验室北京100084 e-mail:min.erlong@gmail.com 摘要当前以信息中心网络(CN)为代表的未来网络的研究发展迅速,并越来越得到研究人员的关注。本文综述了内容中心网络(CCN)的相关研究,CCN网络是CN研究热点之一,CCN 网络在内容分发效率,网络安全和部署方面具有显著的优势。本文首先给出了CCN的相关研究背景,介绍了cCN的工作机制,并调研了当前CCN的研究热点问题及其挑战,分析了 cCN主要比较优势与存在的问题,最后通过实验测试床验证了CCN的工作模式。CCN网络是CN的主要架构之一,是现有TCP/P网络体系架构的强有力的竞争者,在未来网络的演化中将发挥更大的作用。关键词:网络体系结构,信息中心网络,内容中心网络,内容分发,网络安全,物联网 ,ccN研究背景随着互联网上应用的不断发展变化,基于TCP/P的现有互联网也逐渐暴露出许多的不适应,当前互联网上暴露出的问题主要有:安全性差,不支持移动,不可靠,缺乏灵活性有效性限制2,对新应用僵化等问题。针对这些问题,当前国内外研究机构主要有“改良和“革命”两种解决思路,简单的讲,凡不改变互联网P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,进行未来网络的设计研究。2010年,美国NSF就资助了4个未来互联网体系结构FA( Future Internet Architecture)研究项目【14】,分别是:NDN( Named Data Networking)【15】、 Mobility First【16】 NEBULA【17】、ⅪA( eXpressive Internet Architecture)【18】,资助时间是3年。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背景和应用需求改变的观察。当今互联网在设计之初,主要的应用需求是计算资源共享,而经过50多年的发展,互联网的使用己发生了巨大的变化,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 1本文受国家973项目(编号:No2011cD302600,No.2011cB302805,No,2012CB315800) 和国家自然科学A3重点基金项目(编号:No.61161140320)资助 2内容分发作为主要互联网应用并没有得到体系架构支持作者简介:闵二龙(1978-),男,陕西,硕士;陈震(1976-),男,浙江,副研究员,工学博士;许宏峰,男,广东;梁勇,男,安徽 [键入文字]

[键入文字] 内容中心网络 CCN 研究进展1 闵二龙，陈震，许宏峰，梁勇清华大学计算机系信息技术研究院网络安全实验室，信息国家实验室，北京 100084 e-mail: min.erlong@gmail.com 摘要‐当前以信息中心网络(ICN)为代表的未来网络的研究发展迅速，并越来越得到研究人员的关注。本文综述了内容中心网络（CCN）的相关研究，CCN 网络是 ICN 研究热点之一，CCN 网络在内容分发效率，网络安全和部署方面具有显著的优势。本文首先给出了 CCN 的相关研究背景，介绍了 CCN 的工作机制，并调研了当前 CCN 的研究热点问题及其挑战，分析了 CCN 主要比较优势与存在的问题，最后通过实验测试床验证了 CCN 的工作模式。CCN 网络是 ICN 的主要架构之一，是现有 TCP/IP 网络体系架构的强有力的竞争者，在未来网络的演化中将发挥更大的作用。关键词：网络体系结构，信息中心网络，内容中心网络，内容分发，网络安全，物联网一， CCN 研究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，当前互联网上暴露出的问题主要有：安全性差，不支持移动，不可靠，缺乏灵活性，有效性限制2 ，对新应用僵化等问题。针对这些问题，当前国内外研究机构主要有“改良” 和“革命”两种解决思路，简单的讲，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，进行未来网络的设计研究。2010 年，美国 NSF 就资助了 4 个未来互联网体系结构 FIA ( Future Internet Architecture)研究项目【14】，分别是：NDN (Named Data Networking)【15】、MobilityFirst【16】、 NEBULA 【17】、XIA (eXpressive Internet Architecture)【18】，资助时间是 3 年。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背景和应用需求改变的观察。当今互联网在设计之初，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 1 本文受国家 973 项目（编号：No.2011CD302600，No.2011CB302805，No.2012CB315800) 和国家自然科学 A3 重点基金项目（编号：No.61161140320）资助 2 内容分发作为主要互联网应用并没有得到体系架构支持作者简介：闵二龙（1978‐），男，陕西，硕士；陈震（1976‐），男，浙江，副研究员，工学博士；许宏峰，男，广东；梁勇，男，安徽

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,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)。 Mobility First项目主要针对移动问题,以终端移动为正常,而非例外,该体系结构使用普遍的延时可容忍网络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项目针对当前更多的存储、计算和应用都迁移到了“云”上这个事实,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,该项目集中在部署云计算网络服务,使新的可信数据、控制和核心网络支持直可用,从而实现一个可以快速提供计算服务的计算基础设施 XA项目主要针对的问题是:网络使用的多样化、可信通信的需求以及同时提供网络服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。XA天生支持多个第类责任者(x- centric),也支持未出现的应用模式,即ⅪA的体系结构可以随着网络背景和应用的变化而演化,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】。本文主要介绍的网络是NDN项目,该项目的前身是PARC的CCN。主要针对当前TCP/P 协议互联网的可扩展性和有效的内容分发问题,该问题前今年已经引起了覆盖网( Overlay Network)和内容分发网络( Content Delivery Network)的研究热潮。最近发现,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(CN, nformation Centric Networking)的解决方案,不同的是,该方案针对的是整个网络体系结构,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的解决当今互联网中存在的各种问题【刁】。而CCN就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,通过信息的名字进行标识每一个信息。对网络来说,其中流动的都是有名字的信息,网络能区别每一个信息,但具体信息意义,网络并不知道,靠信息的生产者和消费者的上层应用解释。整个网络及其终端就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请求者。用户或应用可以只关注信息本身,而不关心信息块的其他属性,比如信息的所有者属性。当今信息中心网络体系结构的研究机构和项目主要在欧洲(PSRP/ PURSUIT,4WARD, and sail)和美国(CN和DONA)【7】。近来,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 CONNECT【19】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。 CONNECT项目也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协议的有效性。 [键入文字]

[键入文字] 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，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，以终端移动为正常，而非例外，该体系结构使用普遍的延时可容忍网络 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 项目针对当前更多的存储、计算和应用都迁移到了“云”上这个事实，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，该项目集中在部署云计算网络服务，使新的可信数据、控制和核心网络支持一直可用，从而实现一个可以快速提供计算服务的计算基础设施。 XIA 项目主要针对的问题是：网络使用的多样化、可信通信的需求以及同时提供网络服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 天生支持多个第一类责任者（x‐centric），也支持未出现的应用模式，即 XIA 的体系结构可以随着网络背景和应用的变化而演化，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】。本文主要介绍的网络是 NDN 项目，该项目的前身是 PARC 的 CCN。主要针对当前 TCP/IP 协议互联网的可扩展性和有效的内容分发问题，该问题前今年已经引起了覆盖网(Overlay Network)和内容分发网络(Content Delivery Network)的研究热潮。最近发现，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 Centric Networking）的解决方案，不同的是，该方案针对的是整个网络体系结构，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的解决当今互联网中存在的各种问题【7】。而 CCN 就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，通过信息的名字进行标识每一个信息。对网络来说，其中流动的都是有名字的信息，网络能区别每一个信息，但具体信息意义，网络并不知道，靠信息的生产者和消费者的上层应用解释。整个网络及其终端就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请求者。用户或应用可以只关注信息本身，而不关心信息块的其他属性，比如信息的所有者属性。当今信息中心网络体系结构的研究机构和项目主要在欧洲(PSIRP/PURSUIT, 4WARD , and SAIL)和美国(CCN 和 DONA)【7】。近来，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 CONNECT【19】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。CONNECT 项目也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 协议的有效性

二,cCN原理介绍 21CCN体系结构 ccN体系结构的外形和当今TCP/P网络很相似,都是沙漏模型(图2.1),最大的不同是在“瘦腰”处用内容块( Contentchunk)代替了|P。从网络的角度看,就是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,用以缩短其他用户访问同样数据的响应时间,同时可大大减少网络中的流量。 email www phone browser chat Smtp Http Rtp File stream TCP UDP ° individual apps Security IP Every node hunks ethernet PPp individual links Strategy CSMA async sonet. IP UDP P2P Bcast. coper fiber radio oper fiber radio 图21:CCN和P的比较 22CCN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CN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。 David d.Cark等人在【1】中分析了端到端等原则在互联网设计中的重要作用,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的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UcA的 Lixia Zhang教授等提出了设计CCN的6个原则【10】。这些原则借鉴了很多在当今互联网上被证明是很成功的设计原则。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,因为他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,应该是网络功能的部分。但当今互联网的体系结构在起初设计时并没有考虑流量自调节,其流量调节要依靠端 [键入文字]

[键入文字] 二， CCN 原理介绍 2.1 CCN 体系结构 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 2.1），最大的不同是在“瘦腰”处用内容块（Contentchunk）代替了 IP。从网络的角度看，就是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，用以缩短其他用户访问同样数据的响应时间，同时可大大减少网络中的流量。图2.1： CCN和IP的比较 2.2 CCN 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。 David D. Clark等人在【1】中分析了端到端等原则在互联网设计中的重要作用，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的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】。这些原则借鉴了很多在当今互联网上被证明是很成功的设计原则。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，因为他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，应该是网络功能的一部分。但当今互联网的体系结构在起初设计时并没有考虑流量自调节，其流量调节要依靠端

的传输协议, 5,保留了路由和转发平面的分离。该原则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】 23CCN工作机制 cCN通信由内容消费者驱动,数据可以进行块级传输。CCN有两个包类型: interest和 data(图22)。为了请求所需内容,消费者广播 interest包,有三个关键数据结构完成转发 (图2.3),分别是:FB、内容缓存( Content store)、PI。FB类似P的FB,但允许有组出口,而不限于是一个。内容缓存可以尽可能长时间的缓存已经转发的数据包,以供其他消费者使用。PT记录已经转发但尚未被响应的 Interest包及其到达接口,目的是为了让响应数据包能准确到达其请求者,当响应数据包利用某PT条目转发后,或者某PT条目超出时间阈值,该条目被擦除。当一个 Interest包到达,路由器根据 Interest中的 Content Name,首先査找内容缓存, 如果缓存中有被请求的内容,则响应该请求,并丢弃该 Interest包;如果内容缓存中没有被请求的内容,则查找PT,如果PT中有该 Content name条目,则在该 Content name条目中增加face,并丢弃该 interest包;如果PIT中没有该 Content name条目,则查找FB,如果在FB中找到,则按照查找到的所有face口转发 Interest,并在P中记录。如果FB中也没有该 Content name条目,则丢弃该 Interest包路由器对Data包的处理相对简单,当数据包到达时,根据数据包的 Content Name字段首先在内容缓存中查找,如果有,则丢弃该Data包;如果没找到,则在PT中查找,如果有,则根据查找的face口转发出去,然后缓存在内容缓存中;如果在PT中没有匹配,则丢弃该Data包 Content Name Signature (order preference, publisher Signed Int filter scope,…) (publisher ID, key locator stalt Nonce Data Interest Packet Data packet 图22:CCN包类型 CCN网络中,用户请求的内容和位置无关,因为 nterest包中没有位置信息,中间节点和内容提供者都可以响应内容请求。 cCN网络天然支持多播,因为在一个路由器内,如果有一个 Interest包请求某内容,则其他经过该路由器,且对同一内容感兴趣的消费者可以共享该请求。当相应的内容响应时, 可以同时响应所有请求 cCN的数据包强制实行签名机制,保证了内容的安全,根据签名,可以验证内容的可信性,完整性,不可否认性。 [键入文字]

[键入文字] 的传输协议， 5，保留了路由和转发平面的分离。该原则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】。 2.3 CCN 工作机制 CCN 通信由内容消费者驱动，数据可以进行块级传输。CCN 有两个包类型：interest 和 data（图 2.2）。为了请求所需内容，消费者广播 interest 包，有三个关键数据结构完成转发（图 2.3），分别是：FIB、内容缓存（Content Store）、PIT。FIB 类似 IP 的 FIB，但允许有一组出口，而不限于是一个。内容缓存可以尽可能长时间的缓存已经转发的数据包，以供其他消费者使用。PIT 记录已经转发但尚未被响应的 Interest 包及其到达接口，目的是为了让响应数据包能准确到达其请求者，当响应数据包利用某 PIT 条目转发后，或者某 PIT 条目超出时间阈值，该条目被擦除。当一个 Interest 包到达，路由器根据 Interest 中的 Content Name，首先查找内容缓存，如果缓存中有被请求的内容，则响应该请求，并丢弃该 Interest 包；如果内容缓存中没有被请求的内容，则查找 PIT，如果 PIT 中有该 Content Name 条目，则在该 Content Name 条目中增加 face，并丢弃该 interest 包；如果 PIT 中没有该 Content Name 条目，则查找 FIB，如果在 FIB 中找到，则按照查找到的所有 face 口转发 Interest，并在 PIT 中记录。如果 FIB 中也没有该 Content Name 条目，则丢弃该 Interest 包。路由器对 Data 包的处理相对简单，当数据包到达时，根据数据包的 Content Name 字段，首先在内容缓存中查找，如果有，则丢弃该 Data 包；如果没找到，则在 PIT 中查找，如果有，则根据查找的 face 口转发出去，然后缓存在内容缓存中；如果在 PIT 中没有匹配，则丢弃该 Data 包。 Interest Packet Data Packet 图2.2：CCN包类型 CCN 网络中，用户请求的内容和位置无关，因为 Interest 包中没有位置信息，中间节点和内容提供者都可以响应内容请求。 CCN 网络天然支持多播，因为在一个路由器内，如果有一个 Interest 包请求某内容，则其他经过该路由器，且对同一内容感兴趣的消费者可以共享该请求。当相应的内容响应时，可以同时响应所有请求。 CCN 的数据包强制实行签名机制，保证了内容的安全，根据签名，可以验证内容的可信性，完整性，不可否认性