内容感知网络架构

    随着互联网网络规模的迅猛增长，以及新型应用的飞速增加，原来主要面向科学研究设计的互联网在可扩展、安全、能耗等方面面临重大挑战。互联网流量的快速增长是造成上述问题的重要原因之一。据Cisco预测[1]，IP流量将以年复合增长率34%的速度增长，2014年全球的IP流量将达到每个月64 EB，而互联网上内容相关的流量将超过97.5%的份额。同时，互联网在内容热度方面呈现无尺度分布特征[2]，大量相同内容在网络中低效、重复传输是互联网流量剧增的根本原因。

    针对上述问题，目前主要存在两种解决方案：增量式演进方案和革命式解决方案。增量式演进的方案主要通过应用层技术，如对等网络(P2P)、缓存、内容传送网络(CDN)等技术来实现。虽然这些技术在一定程度上可以改进内容分发效率，但是由于难以对网络状态进行有效感知以及缺乏统一的内容标识，因此存在路由效率低、实施难度大等问题。革命式解决方案，包括NDN(Named Data Networking)[3]、DONA(Date Oriented Network Architecture)[4]、PSIRP[5]等未来网络架构，其中NDN最具代表性。NDN提出一个基于内容的命名/路由的网络体系结构，实现通信方式由“Where”到“What”的根本转变。但是基于内容的命名和路由方式，使得NDN面临路由可扩展性以及对端到端通信类应用有效支持等挑战。

1 总体架构
    众所周知，IP地址的双重属性(同时包含标识和位置信息)是导致目前互联网路由可扩展性、移动性差的根本原因。因此，标识和位置分离的命名机制，如LISP[6]、GLI-split[7]、SHIM6[8]等方案应运而生。本文在标识和位置分离思想的基础上，将标识进一步分为主机标识和内容标识，使得网络具备内容感知的能力；同时主机标识和内容标识采用一种逻辑可汇聚的路由前缀，实现标识和位置的高效映射。

    另外，随着通用处理器计算能力的提高和存储设备成本的降低，通信设备日益呈现IT化趋势，其计算能力和存储能力将极大提高。内容感知网络架构的另一个重要特点就是存储网络化，即路由设备具备大容量存储能力。结合本文提出的内容标识机制，具备存储能力的路由设备在支持传统路由转发功能的基础上，还可实现内容缓存和高效分发。

    内容感知网络总体架构如图1所示。在内容感知网络架构中，主要包括边缘网络、核心网络、标识/位置映射系统3部分。在边缘网络，主机和边缘路由器之间通过数据报文包含的标识信息进行通信；在核心网络，核心路由器根据数据报文包含的位置信息进行路由、转发。边缘路由器作为边缘网络和核心网络之间的功能实体，实现标识到位置的解析以及数据报文封装/解封装操作。同时，边缘路由器和核心路由器可具备大容量存储能力，从而支持内容感知的转发机制。

    标识/位置映射系统包括标识路由系统和分布在边缘网络内部的映射服务器。映射服务器存储所在边缘网络内主机/内容标识与位置的映射信息。标识路由系统由标识路由器构成，标识路由器根据标识中包含的逻辑可汇聚路由前缀进行消息路由，从而将映射请求发送至目的映射服务器。为简化起见，在本架构中，映射服务器与边缘路由器位于同一功能实体。

2 命名机制
    为了解决现有互联网名在结构和解析机制方面的问题，本文设计了适合未来网络的命名机制，其中包括逻辑可汇聚标识(LA-ID)和拓扑可汇聚地址(TA-LOC)。

    逻辑可汇聚标识可分为两类：主机标识和内容标识。逻辑可汇聚标识是主机或内容的全局唯一标识，其具体格式是LA-Prefix/type/Name，其中LA-Prefix是逻辑可汇聚前缀，type用于区分是主机标识还是内容标识，Name是主机或内容的名称。主机标识主要面向端对端通信类业务，其格式为LA-Prefix/0/Host Name。内容标识面向内容类业务，其格式为LA-Prefix/1/Content Name。由于边缘/核心路由器可具备内容存储能力，路由器可根据逻辑可汇聚标识对内容数据进行缓存和分发，提升内容分发效率。

    逻辑可汇聚前缀是指根据物理拓扑不可汇聚的前缀，这些前缀在类似重叠网的逻辑网络上实现可汇聚。逻辑可汇聚标识不但能够体现层次化的标识空间，明确主机或内容的归属网络，还可以在边缘网络用于数据报文的路由。更为重要的是，配合标识路由系统，这种编址方式可极大改善映射系统的查询效率。

    拓扑可汇聚地址用于表示位置信息，其格式可采用类似目前IP地址的编址方式。在核心网络中，核心路由器根据数据报文中的拓扑可汇聚地址进行路由转发。

    该命名机制基于标识与位置分离的思想，可以较好地解决IP地址双重属性所引发的路由可扩展性问题，同时还支持移动性和多宿主。

3 映射系统
    映射系统由标识路由系统和分布在边缘网络内部的映射服务器(边缘路由器)组成，负责维护(LA-ID、TA-LOC)的映射关系。具体映射机制与LISP-ALT[9]类似，边缘路由器存储映射数据库，标识路由系统仅负责消息路由和转发。

    在标识路由系统中，标识路由器(IR)之间通过通用路由封装(GRE)隧道相互连接，从而在底层基础网络上形成一个树形拓扑结构的逻辑网络。该逻辑网络负责将映射请求消息(MAP-REQUEST)路由至存储相应映射信息的边缘路由器。标识路由器可基于边界网关协议(BGP)向隧道邻居通告逻辑可汇聚前缀的可达消息。这些可达性信息使得逻辑可汇聚前缀在树形拓扑结构的逻辑网络中逐层汇聚。

    当主机或内容初次在系统中注册时，其所在的边缘路由器(ER)负责存储逻辑可汇聚标识和拓扑可汇聚地址之间的映射关系。当发生移动之后，主机或内容当前连接的边缘路由器根据逻辑可汇聚前缀信息可寻址该主机或内容的家乡边缘路由器，并由家乡边缘路由器完成映射信息的更新。

    该映射系统及机制的优点在于实现了消息路由与映射信息存储的分离，具有很好的规模可扩展性。标识路由器可以基于现有的BGP路由协议实现可达信息的通告和消息路由，降低部署的难度。另外，由于LA-ID与TA-LOC的映射是在边缘路由器完成，终端用户并不能直接获取核心网络节点信息，因此提高了网络安全性。

4 内容感知的转发机制
    数据包的路由和转发是路由器的主要功能，除此之外，对于支持内容感知的路由器，路由器还需要进行内容缓存和分发。为此，边缘路由器和核心路由器需要具备两张表：转发表和内容库。其中，转发表与IP路由器的转发表功能类似，用于拓扑可汇聚地址的路由；内容库是近期访问内容的缓存数据库，内容库可以依据访问频度或最近访问时间等策略进行更新。

    对于边缘路由器，由于其承接映射服务器的功能，因此还需维护LA-ID/TA-LOC映射表，该映射表记录本地主机和内容的LA-ID和TA-LOC映射信息，另外还记录缓存的近期访问主机或内容的映射信息。下面结合上述表项，分别就端到端通信类业务和内容类业务的转发流程进行说明。

4.1 端到端通信类业务
    端到端通信类业务包括会话业务、在线游戏、虚拟现实等个性化、非共享类业务。对于此类业务，虽然在网络整体流量中所占比例不大，但是大部分业务对实时性要求较高，因此对网络的时延、抖动更为敏感。
对于端到端通信类业务，通信源端将数据报文发至边缘路由器。边缘路由器收到报文后，根据目的逻辑可汇聚标识中的类型字段判断通信类型为端到端业务。因此边缘路由器首先查询本地LA-ID/TA-LOC映射表及映射系统，获取目的逻辑可汇聚标识对应的目的拓扑可汇聚地址；然后进行数据封装操作，在收到的数据报文前面添加了一个LOC首部，包括源拓扑可汇聚地址和目的拓扑可汇聚地址；最后，源边缘路由器根据目的拓扑可汇聚地址查找转发表，并转发至核心路由器。

    数据报文到达核心路由器后，核心路由器仅根据目的拓扑可汇聚地址进行路由和转发。数据报文被路由至目的边缘路由器。该边缘路由器进行解封装，然后根据ID首部中的目的LA-ID发送至通信目的端。
由于核心网络具备较好的路由可扩展性，因此能够降低路由器转发时延，有利于提升端到端业务的用户体验。

4.2 内容类业务
    内容类业务包括文件下载、流媒体等文化共享类业务，该类业务具备文化共享和访问热度呈无尺度分布等两个特点。在内容感知网络架构中，支持在网络层对内容进行统一标识，结合具备大容量存储能力的路由器，可以最大化地利用内容类应用的上述两个特点，提高内容管理和分发效率。

    具体地说，路由器收到数据报文后，依据目的逻辑可汇聚标识的类型字段可初步判断为内容类业务。另外，在ID首部中，对于内容类业务，还包含了请求/应答选项，根据该选项可判断该数据报文是内容请求报文还是内容应答报文。

    对于内容请求报文，路由器将首先查询内容库。若内容库包含了请求的内容数据，则路由器将直接发送内容数据至源通信端；若内容库没有相应内容数据，路由器接下来执行与端到端通信类业务相同的处理流程。对于内容应答报文，路由器除完成对内容库更新操作外，还执行路由、转发操作。

    基于上述机制，内容消费者可就近获取内容，从而达到平抑网络流量、改善网络性能的目的。

5 结束语
    内容类应用是互联网流量的最重要组成部分。在互联网内容热度呈现无尺度分布的背景下，大量相同内容在互联网中低效、重复传输是互联网在性能、能耗等方面遭遇挑战的重要原因。为此，本文基于标识与位置分离的思想，提出了内容感知网络架构，通过新型的命名机制，支持主机和内容两种标识方式，从而在保持目前互联网端到端通信特性基础上，实现网络层对内容的感知，并且实现了路由可扩展、移动性支持及提高了安全性。结合具有大容量存储能力的路由设备，该架构可以支持内容的高效分发与管理。接下来，将充分考虑高度移动和异构的未来网络环境，围绕该架构进一步开展关键技术研究和协议设计工作。

6 参考文献
[1] Cisco visual networking index: global mobile data traffic forecast update 2009-2014 [R/OL]. [2009-11-17]. www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white-paper-c11-520862.
[2] BARABASI A L. Emergence of scaling in complex networks [M]//BORNHOLDT S, SCHUSTER H G. Handbook of Graphs and Networks: From the Genome to the Internet. Berlin,Germany: Wiley-VCH, 2002: Chapter 3.
[3] ZHANG Lixia, ESTRIN D, BURKE J, et al. Named Data Networking (NDN) project [R]. Technical Report NDN-0001. Aiken,?SC, USA: PARC, 2010.
[4] KOPONEN T, CHAWLA M, CHUN B G. A data-oriented (and beyond) network architecture [C]// Proceedings of the Conference on Applications, Technologies, Architectures, and Protocols for Computer Communications(SIGCOMM’07), Aug 27-31, 2007, Kyoto, Japan. New York, NY, USA:ACM, 2007:181-192.
[5] PSIRP [EB/OL]. [2009-12-15]. http://www.psirp.org/.
[6] FARINACCI D, FULLER V, MEYER D, et al. Locator/ID Separation Protocol (LISP) [R]. IETF??draft-ietf-lisp-09. 2010.
[7] MENTH M, HARTMANN M, KLEIN D. Global locator, local locator, and identifier split (GLI-split) [R]. Technical Report 470. Wurzburg, Germany: University of?Wurzburg, 2010.
[8] NORDMARK E, BAGNULO M. Shim6: Level 3 multihoming shim protocol for IPv6 [R]. IETF RFC 5533. 2009.
[9] FULLER V, FARINACCI D, MEYER D, et al. LISP Alternative Topology (LISP+ALT) [R]. IETF draft-ietf-lisp-alt-05. 2010.

收稿日期：2011-01-31

[摘要] 文章提出一种内容感知的未来网络架构。该网络架构通过新型的主机/内容命名机制，能够在网络层支持对内容和主机的统一标识，从而在实现内容高效分发的同时，有效地支持端到端通信；同时，该网络架构还具备良好的扩展性、移动性、安全性。

[关键词] 未来网络；内容感知；路由可扩展；标识/位置分离

[Abstract] This paper proposes a content-aware network architecture. Through a novel host/content naming mechanism, the architecture supports unified identification of host and content at the network layer and has efficient content distribution and efficient end to end communication. Routing scalability, mobility, and security are also well supported.

[Keywords] future network; content aware; route scalability; identifier/location split