信息中心网络发展研究综述(2)

时间:2015-12-31 13:35 来源:www.fabiaoba.com 作者:吴超 张尧学 周悦芝 点击:

  4.1解析技术

  ICN解析技术涉及信息命名与名称解析系统两个方面.其中,信息命名是ICN体系结构设计过程中的一个关键点.不恰当的信息命名会因为自身的语义性而对ICN体系结构中其他部分产生恶劣的影响.相对于其他信息命名策略而言,层次命名与平面命名被认为是最具有代表性的两种信息命名方法.尽管如此,对每种ICN信息命名方法优缺点的讨论却从未停止过,至今也没有达到统一认知.层次命名方法存在的争议主要是它允许系统规模通过层次信息名称实现聚合而带来的优势与缺点.当信息命名对象数量级达到1013~1016时,采用层次命名的网络系统相对于传统的DNS或BGP等系统具有更高的执行效率,往往能够处理这些系统所不能处理的任务.同时,由于在ICN体系结构中所有信息名称都将被保存在路由器缓存中,通过层次文件命名所有的路由决策都具有层次性,这就允许通过聚合文件名实现缩减路由表大小,极大地优化了骨干网的核心路由性能.然而,这也要求路由转发表中的信息名称必须根据网络拓扑分配.例如,NDN数据路由转发策略中.根据信息转发表FIB,所有名称前缀为/thu/cs的路由条目都能够通过接口C访问.当新的名称前缀/thu/ee,根据信息名称的可聚合性,新的前缀被聚合到前缀/thu/下,实现路由条目聚合并且用户能够通过接口F访问.然而,当访问路径仅仅只能够通过接口C时,FIB表中就需要创建一个新的路由条目而不能够直接进行聚合.因此,除非所有具有相同名称前缀的信息名处在同一区域,否则对应的路由条目不能直接聚合,需要将信息名称与信息存在的位置进行绑定匹配.遗憾的是,将信息名称与信息位置绑定的方法已经被证明在动态性等方面具有难以解决的根本性问题.因此,通过层次命名而实现的系统可聚合的优点并不是绝对的.平面命名方法的优势主要是能够避免位置身份绑定问题,因此使得信息数据具有更强的动态性.然而,平面文件名却难以聚合,这就导致路由表的大小难以控制.同时,采用平面命名方法的系统需要根据数据到来时刻不断更新数据结构.除此之外,人们对于信息命名的争论还表现在信息名称的人类可读性与自我认证能力无法兼顾.遗憾的是,目前并没有任何文件命名方法能够在这两方面找到一个完美的平衡点.现有的ICN方案主要通过外部辅助机制实现这个目的.例如,NDN依靠外部信任机制将签署信息绑定到人类可读的名称上,而MobilityFirst则依靠外部命名系统将人类可读名称绑定到GUIDs上.名称解析系统的工作性能很大程度上受到ICN解析技术影响.在采用层次命名的ICN体系结构中,名称解析系统存在的主要问题是如何避免信息名称与信息位置绑定.最初,NDN项目试图通过使用ISP服务商的信息名称作为名称前缀从而实现信息名称可聚合.然而,这个思想却因不能清晰完整地实现在避免信息与位置绑定的前提下令信息名称具有可聚合性的缺点而没有被进一步细化实现.CONVERGENCE试图通过在路由缓存部分信息名称前缀的方法绕过名称解析与信息位置绑定冲突的问题.然而,这就需要通过引进外部名称解析系统,并没有从根本上解决这个问题.另一方面,在采用平面命名的ICN体系结构中,名称解析系统存在的主要问题则是平面名称无法聚合而导致需要极大的信息名称存储空间.DONA与COMET通过积累所有信息名称,层层传递至顶级ISP进行解析.其中,DONA更直接地将所有信息都存储在顶层服务器,这将导致顶层解析服务器需要存储巨大的信息名称数据.COMET则试图通过限制传播信息名称解析范围来部分缓解这个问题.同时,COMET还提出创建一种清晰的可聚合名从而减少信息名称对语义表达需求.尽管如此,COMET提出这种可聚合名仍旧不能实现自我认证功能.PURSUIT依靠层次化的分布式Hash表(DHTs)分摊信息名称存储、膨胀名称路径解析、路由验证以及外部名称信息解析等过程中的开销负担.为了总能够在本地解决全局的信息请求,SAIL在本地与全局两个方面分别建立分布式Hash表(DHT),代价却是需要将信息名称与特定的自治域(AS)绑定.MobilityFirst采用一种基于Hash的策略来确定每一个GUID所对应名称解析服务的地址,进而这个普通地址路由获取名称解析服务.然而,MobilityFirst的部署前提是世界上所有的AS都具有相同实现机制.

  另一种名称解析策略是采用平面显式聚合名称.在这种方法中,数据请求通常含有一系列平面信息名称.路由决策总是基于从右到左的最深匹配顺序.例如当信息请求字串为a.b.c时,路由将优先查找信息名称c.当查找失败时会继续查找信息名称b,依此类推.平面显式聚合方法在一些条件下能够有效地减小路由表大小.例如,查询路由条目a能够代替含有地址a.b.c的路由条目.因此,用户路由线索就可以缩减为只含有地址a而不再需要完整地址信息a.b.c.

  4.2路由技术

  ICN的路由技术根据信息名称解析方法不同可以分为同步数据路由以及异步数据路由.尽管同步数据路由理论上对数据请求路径与数据传输路径是否相同并没有限定,然而随着路由信息在信息名称解析的过程不断积累,路由表的具体优化、分配以及调度在实际过程中往往采用沿着数据请求的方向路径反向的策略进行.异步数据路由的结构特点则不尽相同.在异步数据路由的每种方法中,信息名称解析与数据路由都相对独立.因此,异步数据路由相对于同步数据路由而言具有更大的灵活性.

  在采用同步数据路由的ICN方案中,NDN与COMET将路由转发数据信息安装在信息路由缓存中.CONVERGENCE,DONA以及同步SAIL则将路由转发数据信息嵌入数据请求数据包中.尽管信息数据包的形式不同,但是它们最终都沿着数据请求路径返回至消息订阅者.虽然同步数据路由容易部署,但是同时也具有以下两点不足.首先,数据路由需要通过内容路由器进行维护.其次,数据路由状态需要保存在对应数据请求数据包中.

  在采用异步数据路由的ICN方案中,DONA与异步SAIL通过名称解析系统获得源数据服务地址,接着通过正常的地址路由访问获取数据信息.当数据请求获取到多个位置时,名称解析系统将返回多个地址.PURSUIT则通过独立的拓扑管理实体计算请求信息数据的返回路径,这个拓扑管理实体采用的计算技术与现有源路由类似,都将在BloomFilter加密,因此并不会扩大网络规模.在所有的ICN方案中,MobilityFirst利用“由一般地址开始,到具体地址结束”的快速名称解析系统迭代地获取网络服务地址.除此之外,为了尽可能简化数据订阅者与发布者之间数据动态性需求的门槛,MobilityFirst在信息请求与数据返回的过程中采用同步数据路由.

  为了令发布与订阅协议具有无状态性,从而在一定程度上更好地支持数据动态性,ICN最初将位置识别独立处理.然而在具体实现过程中却并非如同设想的简单.在DONA等项目中,为快速移动物理位置的对象查找网络地址会产生巨大的开销.虽然独立数据请求能够移动地从不同物理位置得到信息数据,但在接受单个简单信息对象的过程中仍旧存在问题,当这个信息对象体积变大时这个问题会更加的严重.

  支持订阅者动态性通常较为简单.在最坏情况下,订阅者也仅需要重新发送请求.然而这就造成订阅者在漫长等待过程中浪费时间与其他资源.为了避免这个问题,异步DONA与SAIL采用获取名称解析系统返回响应主机网络地址的方法进而获取数据.另一方面,在NDN与COMET方法中重发的请求最终都会与路由内容表中旧的请求相遇.因此,新的订阅记录会被重新定位悬挂在旧的记录之后.在一些ICN方案中,当对象运动到它新的位置之后,路由器需要对源路由打补丁式更新.尽管这样处理方式通常并不具有较高的效率,每一部分的路径都是可视的,这种方法在CONVERGENCE、同步SAIL以及DONA中相对容易实现.然而,这种方法在PURSUIT中就变得较为棘手.PURSUIT中所有链接因BloomFilter加密保存而变得难以更新或移除.相比之下,MobilityFirst提供了一个最具有弹性的解决方案.MobilityFirst依靠一系列的解析步骤来尽可能延迟位置移动而重新进行的身份认证与位置绑定,并且仅允许对象当前所在区域内移动更新.支持信息发布者的动态性则需要用获取消息发布者移动后的新位置信息来更新名称解析系统.然而更新名称解析系统可能会造成额外的操作开销.另一方面,MobilityFirst以及同步异步混合SAIL采用上述延迟位置绑定后更新信息位置的方法.值得一提的是,同步异步混合SAIL仅延迟名称绑定到请求而不是数据信息,因此不能够支持消息订阅者的动态性.

  4.3数据技术

  ICN中数据技术主要包括数据信息缓存与信息安全两个方面.信息缓存是ICN体系结构的基础特性之一,ICN中信息意识(InformationAwareness)能够直接通过网络层识别而不再仅能凭借应用层获取.在On-path存储方式中,中间路由器收到本地缓存资源数据请求时不需要再次调用名字解析系统而是直接传输数据.然而,这种数据传输方式的成功命中通常具有一定的概率性.在最坏情况下信息请求需要经过长时间转发才能够遇到信息发布者.而在Off-path存储方式中,缓存则需要将它们的信息注册到名称解析系统,从而与对应的数据请求相匹配.这样令缓存实际上变成了新的信息发布者,在很大程度上增加信息请求响应的效率,实时动态的获取数据信息.

  尽管大部分ICN实现方法在理论上都原生地支持On-path存储方式.但是,异步数据路由的On-path存储方式在探测随机缓存过程中命中的概率较低.而在同步数据路由过程中,由于沿着数据请求的路径上已经缓存了信息数据,探测随机缓存命中的概率能够得到保证.以NDN和COMET为代表的ICN方案主要采用这种基于同步数据路由的On-path信息缓存机制.

  另一方面,采用Off-path存储方式的ICN方案则关注缓存内容与缓存位置的选择策略.在这个过程中存在的主要问题是如何尽可能减少名称解析以及数据缓存更新过程中所带来的额外开销.由于不同的名称解析系统具有不同的实现特点,因此解决策略也不尽相同.尽管如此,这些方法的公共目标都是通过本地保存更新信息的方法减少整个AS内的信息广播等开销.例如,DONA与COMET提供了范围限定机制,获取缓存信息被限制在单个AS中,并且不支持向层次结构中的上级传递.在异步SAIL与PURSUIT中,缓存信息仅仅对单个AS中本地保存的DHT中的路由条目数据广播.而在NDN,CONVERGENCE,以及同步SAIL中,需要通过不断更新名称前缀表从而减少开销.遗憾的是,由于路由协议大都通过洪泛广播名称前缀,目前依旧没有一种较为经济适用的方法能够从根本上减少这些额外的开销.MobilityFirst在这个方面同样面临着额外开销较大的问题.并且,MobilityFirst在全局快速名称解析查找过程中依旧难以高效地将本地缓存的信息数据在单个AS中并且广播.

  信息安全问题是所有ICN方案都关注的一个重要问题.相对于TCP/IP网络中要求信道具有机密性与完整性,ICN体系结构更强调信息的机密性与完整性.DONA通过将信息内容数据嵌入信息名称中实现对信息的机密性与完整性的保证.NDN通过联合信息与元数据(metadata)来保证信息的机密性与完整性.然而,正如之前已经描述的,这些方法都需要通过额外提供的信任系统将信息本身与能够自我认证的信息名称绑定.另一方面,由于层次名称与平面名称都可以被转化成自我认证的名称,因此ICN信息名称大多具有自我认知的功能,并且允许任何网络节点验证对应数据包中的信息.目前大部分ICN体系结构通过信息名称的自我认知能力将信息取舍的最终权直接交给用户.这个过程对于采用平面名称的ICN体系结构更为轻松容易.因此,所有支持平面名称的系统通常都允许使用具有自我认证功能的信息名称.

  4.4试验技术

  作为新型网络体系结构,ICN中对应的网络试验往往被要求在基于信息名称路由的环境中进行.然而,当前网络基础设施的路由方式基于IP地址,在当前网络基础设施上无法直接进行ICN试验.因此,ICN试验需要按照新的网络协议搭建网络基础设施.然而,这将耗费大量的时间与金钱,短期内并不能够为紧急的ICN试验提供测试环境.为了尽可能的避免重建网络基础设施,研究人员提出了两个解决方法.

  (1)通过ICNOverlay进行试验

  由于目前网络中并不存在直接支持ICN的网络基础设施,研究人员提出可以通过在IP网络上构建ICN网络的策略,使ICN成为一种新的Overlay网络.尽管ICNOverlay能够在一定程度上保证试验的顺利进行.然而,由于网络基础设施底层仍旧通过IP地址进行路由,这种方式不能够保证试验结果的准确性,在特定的情况下甚至可能得到相反的试验结果.

  (2)进行ICN模拟试验

  由于ICNOverlay会使试验结果不够准确,研究人员往往采用模拟试验证明各自研究成果的有效性.采用模拟试验的方式能够较好地保证ICN试验结果的准确性.常见的模拟试验主要有三种途径:通过模拟工具进行试验、通过试验床进行试验以及直接编写代码进行试验.

  由于NS2、NS3、OPNET、BOSON、Netsim等模拟工具能够根据自身特点重构已有的或实现新的ICN网络协议.因此,大部分研究人员通过这种方法进行ICN试验.除此之外,欧美的大型项目研究组针对各自提出的ICN方案分别搭建了试验床,以CCNx,ndnSIM、OFELIA等为代表的试验床已经为全球ICN工作研究人员试验提供了有力的保证.另一方面,由于试验工作的某些特殊需求,部分研究人员采用直接编写代码的方式实现ICN模拟.然而这种方法具有极大的工作量,且不能够较好地保证测试结果正确性.

  5、相关技术与下一步发展方向

  5.1CDN技术与ICN结构

  Sandvine调查结果表明,在2011年北美地区互联网流量中,Netflix占据总份额的37.5%,Youtube占据总份额的11.3%.Cisco的白皮书同样表明,2014年P2P数据交换或直接由Web下载的流媒体占据整个网络流量的91%,世界网络流量开始以流媒体内容分发为主.

  目前,大部分流媒体服务商采用CDN技术解决在基于IP路由的网络中内容获取与传递性能低下的问题.与ICN相比,CDN并不具有完整的网络体系结构.请求路由(RequestRouting)与内容服务(ContentService)是CDN技术中两个核心思想.CDN的请求路由能够根据用户拓扑位置信息分配代理路由路径,而内容服务功能则能够为用户提供请求内容信息文件.因此,CDN的请求路由是一套能够定向用户请求到拓扑最近代理的机制.请求路由包括3个主要步骤:

  (1)寻找距离用户拓扑位置最近的代理.

  (2)将用户的信息内容请求转发到已经发现的拓扑最近代理.

  (3)当拓扑最近代理出现数据缺失,能够向其他代理或原始数据源请求缺失数据.

  ICN结构的路由技术与数据存储在一定程度上借鉴了CDN的思想,希望能够将数据就近地转发回用户.不同的是,ICN结构中用户并不需要一套寻找拓扑最近代理的机制,用户总是将信息请求发送到一级路由,之后路由总是采用直接返回请求数据内容或继续向其他路由请求数据.

  5.2协同缓存系统与ICN结构

  协同缓存系统通过多个代理缓存服务器的协同工作,利用各自有效的缓存空间提高缓存命中率.同时,系统分散热点数据,均衡各服务器的负载,从而避免单点出错或瓶颈问题.现有的协同缓存系统结构分为层次式和分布式两种.层次式结构中代理缓存服务器按照树状层次组成,相邻的服务器之间可以进行协同和数据共享.分布式结构中服务器没有从属和层次关系,通常采用路由表和组播技术发现或定位其他代理缓存服务器上的数据.协同缓存系统涉及对象定位和对象放置两个核心技术.对象定位的主要目的是快速寻找一个满足用户请求的、拓扑最近的缓存副本.对象放置则研究一个对象何时应该被缓存以及缓存到哪一个服务器上可以获得更好的系统总体性能.

  现有的ICN网络通常属于分布式结构,并能够借鉴协同缓存系统的优秀性能.受到定位技术的启发,现有的ICN路由转发总是希望能够快速寻找一个满足用户请求的、拓扑最近的缓存副本.另一方面,现有的ICN体系结构在对象放置方面的性能并不够优秀.近年来,已经有学者开始了相关工作的研究.

  5.3ICN的发展现状与未来方向

  尽管Nelson早在1979年就提出了以信息作为网络中心的思想.然而,这种背离Host-Centric模型的网络协议在大部分情况下需要建立在改变网络基础设施的基础上.虽然Baccala的工作在一定程度上强化了信息中心网络的具体工作,Information-Centric的思想却仍没能够得到人们的重视.CCN项目的提出在很大程度上重新激励并引导了ICN的发展.在过去五年中,包括DONA、NDN、XIA、4WARD、SAIL以及COMET在内的越来越多的网络体系结构宣布支持ICN或能够与ICN相兼容.这些新型网络体系结构同时也具有了ICN所具有的能够在网络层对信息名称进行解析、在路由缓存信息数据、支持最近路由副本、能够采用多播机制进行信息传递等优点.

  由于ICN的相关研究目前处于雏形阶段,路由协议、数据转发、缓存机制、信息安全以及数据动态方面仍旧留有大量有待解决的问题,人们倾注了大量的时间与精力解决这些问题,并取得了有意义的研究成果.例如Wang等人将OSPF协议移植到NDN中,提出了OSPFN协议.Hoque等人则在OSPFN的基础上进一步提出了脱离IP路由的新协议NLSR.Wang等人则通过GPU并行计算的方式大大促进了ICN中路由表查找检索的速度.然而,人们在专注解决这些问题的同时却忽略了现有大部分ICN实现方法严格地要求所有终端主机和网络路由器支持ICN网络协议、添加内容存储路由器以及支持内容名称路由的情况.这就使得ICN相对于现有计算机网络所具有的优势都需要建立在不可忽视的基础设施建设成本开销基础上.为了提高网络性能而将现有基础设施推翻重建,庞大的代价让学者们开始反思是否能够在现有网络基础设施上部署ICN.因此,ICN基础设施建设及其优化工作也成为未来ICN研究与发展中的一个关键点.由于与现有基础设施的兼容度直接决定了未来ICN的经济适用性与普及程度.而ICN基础设施本身结构组成与IP网络基础设施结构并不一致.因此,尽可能提高ICN与现有IP网络设施兼容能力将是未来一段时间中的研究难点.为此,本文建议接下来ICN相关研究可以针对以下两方面开展.

  (1)移植相关技术以提升ICN网络性能

  ICN体系结构的不成熟令越来越多研究人员开始思考如何将相关技术中的优点移植到ICN中,令其更加完善.Lee等人为在ICN网络中架设CDN技术的可行性做出了验证.刘外喜等人则在ICN对象放置方面开展了相关研究,并取得了较好的成果.然而,ICN结构的成熟化仍然需要研究人员不断发现并尝试将各种基于IP网络的成熟技术移植到这个新平台中.研究人员可以从路由协议、数据转发、缓存机制、信息安全以及数据动态方面入手,发现并解决ICN结构中存在的问题.

  (2)避免不必要的网络基础设施建设

  近两年来,已经有学者开始在这方面进行研究并取得了一些研究成果.例如,Fayazbakhsh等人提出基于Http以及Https的方式增量部署ICN,从而尽可能的减少额外部署的硬件设施,提高ICN与现有IP基础设施的兼容能力.Lee等人试图将IP网络中P2P功能移植到ICN中,实现ICN中数据的高效共享,进而缓解ICN中对路由器缓存大小的严格需求.Chen等人通过CoExist系统令ICN的消息订阅与分布能够与IP相兼容,利用集结与分发的思想角度减轻部分ICN基础设施的建设必要性.

  尽管目前在兼容性方面的相关研究工作并不多,但是它们为接下来的相关研究工作带来了巨大的意义.这些工作为ICN建设做出了积极的贡献,并激励接下来的相关工作通过沿着它们所提出的思路进一步缓解或解决ICN基础设施的需求.遗憾的是,这些工作并没有进一步详细地提及如何在现有IP网络基础设施基础上部署ICN.因此,未来ICN的相关研究还需要在路由协议、数据转发策略、缓存策略、数据动态性等方面更好地兼容现有IP网络基础设施,在尽可能复用现有网络基础设施的前提条件下推进ICN的发展.

  综上所述,学者们需要在未来研究工作中对现有成熟技术移植与兼容现有网络基础设施两方面投入更多的研究.

  6、结论

  这篇文章提供了一个关于ICN近年来发展研究的深入调查报告.全文首先识别并分析了当前网络体系结构所存在的一系列关键问题,并激励互联网在新兴的需求与挑战面前应该在哪些方面做出基本反思.接着,文章通过对ICN体系结构理论模型的论述,分析了ICN为何能够解决这些问题.尽管关于信息中心思想的研究已经持续了三十多年.然而,在过去五年中由于CCN的出现才使得ICN相关研究在很大程度上被重新激励并引导.另一方面,ICN的相关研究工作目前仍旧处于起步阶段,各个ICN方案之间难以找到一套完整的标准.文章试图通过对ICN的解析技术、路由技术、数据技术以及试验技术等四个方面对现有ICN方案进行归类,并希望能够梳理得出一套相对较为统一的ICN核心功能标准.文章详细比较了主流ICN方案在各个技术方面的异同点,并针对它们的优势与不足做出了分析.同时,文章还对ICN相关技术差异与未来有待研究的问题做出了分析.这就带来了两个开放性问题:现有成熟技术的移植是否具有必要性?未来ICN基础设施应该如何建设?是完全推翻现有基础设施还是基于现有基础设施平稳过渡.而这些不仅与当前的ICN方案息息相关,更是影响未来ICN进一步发展的要点.沿着这个问题的思路,文章继续提出了对未来有待研究问题的看法.

  综上所述,ICN是一块值得人们进行更多思考的研究领域.尽管在某些方面ICN已经展现出能够解决当前一些互联网问题的潜力.然而,目前ICN仍旧只能通过定性的方式寻求解决方案.正因如此,还需要更进一步的研究评价约束这个新型网络体系结构的规范,挖掘ICN关键的性能优势,探索迄今为止在ICN中仍旧被忽视的领域.通过人们的不断完善,ICN体系结构才能具有更强的适用性、更高的可行性以及更可观的经济效益.

  参考文献:

  [1]谢高岗,张玉军,李振宇,孙毅,谢应科,李忠诚,刘韵洁.未来互联网体系结构研究综述.计算机学报,

  [2]尹浩,詹同宇,林闯.多媒体网络:从内容分发网络到未来互联网.计算机学报,

  [3]夏春梅,徐明伟.信息中心网络研究综述.计算机科学与探索,

  [4]李军,陈震,石希.ICN体系结构与技术研究.技术研究,

  [5]李文中等.GCaching———一种网格协同缓存系统.计算研究与发展,


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