信息中心網(wǎng)絡中網(wǎng)絡緩存的角色探索*

胡曉艷，龔 儉

(1.東南大學計算機科學與工程學院 南京211189；2.江蘇省網(wǎng)絡技術重點實驗室 南京211189）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的進化是技術改革歷史上最重要的成就之一，它改變了人們生活的方方面面。但在過去的數(shù)十年中，互聯(lián)網(wǎng)的使用已經(jīng)從傳統(tǒng)的兩臺靜態(tài)主機之間“通話式”的資源共享逐漸演化為以信息數(shù)據(jù)的傳輸為主，如網(wǎng)頁、視頻等的傳輸。用戶關注的是訪問的信息數(shù)據(jù)內(nèi)容而不是數(shù)據(jù)源自哪里。而當前網(wǎng)絡技術仍然是對話式的，與當前網(wǎng)絡的主要用途不相匹配，使得當前的互聯(lián)網(wǎng)面臨著一系列挑戰(zhàn)，如安全性、可擴展性、交互性等。

為了解決上述問題，在過去的十多年中，信息中心網(wǎng)絡（information-centric networking，ICN）體系結構被提出，將網(wǎng)絡問題的抽象從以主機為中心轉向以數(shù)據(jù)為中心。其中，TRIAD[1]和Baccala在2002年撰寫的IETF草案[2]是ICN的開創(chuàng)性工作，而DONA[3]是第一個全面、詳細的全新ICN設計，接著CCN[4]在ICN研究團體中引起了廣泛的興趣，而一些項目 如4WARD[5]、PSIRP/PURSUIT[6]、SAIL[7]和COMET[8]則進一步集中討論該問題，CCN也以NDN[9]項目的形式成為美國自然科學基金未來互聯(lián)網(wǎng)體系結構計劃的四大項目之一。

雖然這些ICN系統(tǒng)之間存在一些差異，但是它們有著一些共同點，如由用戶發(fā)送指定內(nèi)容名字的請求以獲取數(shù)據(jù)（即以內(nèi)容名字獲取和識別內(nèi)容）、內(nèi)容內(nèi)置安全性能以及具有普遍的網(wǎng)絡緩存功能。實際上正是由于ICN中內(nèi)容的自識別能力和內(nèi)置的安全性能才使得內(nèi)容在網(wǎng)絡中的普遍緩存具有意義，因為這樣用戶才可以識別緩存的副本并驗證其完整性和可靠性。網(wǎng)絡緩存可以在所有ICN節(jié)點（包括終端用戶節(jié)點和網(wǎng)絡中的路由器）中實現(xiàn)，可以緩存任何用戶的任何應用的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡緩存將數(shù)據(jù)的請求和響應在時間和空間上都分離開來，方便了ICN系統(tǒng)中內(nèi)容的獲取。作為ICN的特色之一，網(wǎng)絡緩存已經(jīng)引起了研究團體的廣泛關注，如一些工作[10～15]已經(jīng)通過建?；驅嶒炘u估了網(wǎng)絡緩存的有效性。網(wǎng)絡緩存在彰顯ICN的優(yōu)勢方面扮演著重要的角色，而能夠充分利用網(wǎng)絡緩存的前提是弄清楚網(wǎng)絡緩存能夠扮演的具體角色，但當前大家對這一問題并沒有一致的看法。本文對此問題進行了探索，指出網(wǎng)絡緩存應具有三級緩存，并解釋這三級網(wǎng)絡緩存如何在錯誤恢復、突發(fā)訪問緩解、分布式拒絕服務（distributed denial of service，DDoS）攻擊防治、熱點內(nèi)容緩存及托管服務方面奏效。

2 三級網(wǎng)絡緩存

為了有效利用網(wǎng)絡緩存的功能，本文提出ICN路由器應該提供下述三級緩存功能。

·一級緩存是短暫的緩存，例如NDN（named date networking,命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡）中的內(nèi)容存儲庫(content store，CS)，CS緩存數(shù)據(jù)報文的時間比較短，可能以秒為時間粒度。CS盡量長地記住到達的數(shù)據(jù)，但內(nèi)容置換可能隨時發(fā)生。

·二級緩存較一級緩存是更為持久的緩存，存儲數(shù)據(jù)的時間較長。它緩存用戶中較為熱點的內(nèi)容，而且這些內(nèi)容的流行度相對穩(wěn)定。這一級別的網(wǎng)絡緩存在ICN中尚未實現(xiàn)。

·三級緩存是半持久的緩存，例如“持久”緩存數(shù)據(jù)的CCNx Repository[16]。數(shù)據(jù)的發(fā)布者應該為這一級別的持久緩存付費，但ICN中的路由器還未實現(xiàn)這一級別的緩存。

這三級網(wǎng)絡緩存可以在同一個ICN路由器中實現(xiàn)，但并不是必須的。最低級別的緩存應該并已經(jīng)在ICN每個路由器中實現(xiàn)，但其他兩級的緩存是否實現(xiàn)取決于對數(shù)據(jù)傳輸性能改善、帶寬使用量減少和數(shù)據(jù)發(fā)布者數(shù)據(jù)推廣的需求。同一路由器中這三級緩存器存儲的內(nèi)容可以一起或分別編入索引。當收到用戶的數(shù)據(jù)請求時，路由器通過索引查找這三級緩存器是否緩存了請求的內(nèi)容。網(wǎng)絡緩存允許任何網(wǎng)絡節(jié)點存儲任何應用的內(nèi)容然后提供給任何用戶的特征，在解決當前互聯(lián)網(wǎng)存在的一些問題方面具有較大的潛力。接下來討論這三級緩存如何在錯誤恢復、突發(fā)訪問緩解和DDoS攻擊防治、熱點內(nèi)容緩存及托管服務方面奏效。

2.1 錯誤恢復

NDN中網(wǎng)絡節(jié)點的CS是第一級網(wǎng)絡緩存很好的代表。在NDN中，用戶通過發(fā)送interest報文指定請求的內(nèi)容實現(xiàn)從網(wǎng)絡上“拉”內(nèi)容，然后請求的內(nèi)容以data報文返回。而當有未緩存的data報文到達時，網(wǎng)絡節(jié)點（路由器或終端用戶節(jié)點）在（可選地）驗證數(shù)據(jù)的安全性后將data報文緩存在CS中。

在傳統(tǒng)意義上，緩存器一般用于存儲那些被用戶重復請求的熱點內(nèi)容。這樣看來，NDN節(jié)點緩存途經(jīng)的任何數(shù)據(jù)報文貌似有點太激進且不明智，因為會話中動態(tài)生成的一次性數(shù)據(jù)，只有會話雙方會請求，除此外沒有其他人會要這樣的數(shù)據(jù)，存儲這樣的數(shù)據(jù)看似無意義。但是，NDN以及其他ICN系統(tǒng)被設計在不可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務上運行，包括在高度移動和間歇性鏈路連通性的環(huán)境之下，用戶請求的數(shù)據(jù)在傳輸中可能丟失也可能被破壞。為了提供可靠且有彈性的數(shù)據(jù)傳輸服務，若用戶發(fā)送的請求在合理的時間內(nèi)仍未收到返回的數(shù)據(jù)，用戶可以重傳這些請求。當重傳的請求在網(wǎng)絡上傳輸時，它們在沿途的網(wǎng)絡節(jié)點中可能碰到上一次請求返回的內(nèi)容在丟失或被破壞之前被緩存的副本，這樣的副本可以快速返回給用戶，使得錯誤被快速恢復。網(wǎng)絡緩存在錯誤恢復方面的角色對于對時延敏感的應用很重要，同時在中斷容錯網(wǎng)絡[17]（網(wǎng)絡鏈路的連通性動態(tài)變化）中也比較有意義，這樣使得任何能夠訪問多個節(jié)點的網(wǎng)絡節(jié)點可以在斷開連接的區(qū)域當作網(wǎng)絡媒體或在間歇性鏈路上提供時延的連接。

為了充分利用這一錯誤恢復的角色，緩存的管理需要識別這樣的動態(tài)數(shù)據(jù)并在一個往返時延（round trip time，RTT）后置換這些數(shù)據(jù)，以確保這些動態(tài)數(shù)據(jù)的緩存既能夠應付可能發(fā)生的錯誤，同時又不會因被緩存過長時間而降低CS內(nèi)容分發(fā)的優(yōu)勢。動態(tài)數(shù)據(jù)的識別可以像IP網(wǎng)絡中那樣讓數(shù)據(jù)的生成者設置服務類型（動態(tài)或靜態(tài)），而RTT的估計可以基于對interest報文和data報文對的監(jiān)測，因為NDN中interest報文和data報文對途經(jīng)的路徑是對稱的。

2.2 突發(fā)訪問緩解和DDoS攻擊防治

在互聯(lián)網(wǎng)中，某些內(nèi)容在短時間內(nèi)（如數(shù)秒內(nèi)）突然被世界各地的用戶頻繁訪問，這樣的突發(fā)頻繁訪問可能源于下述兩種情況。

（1）突發(fā)訪問[18]

突發(fā)訪問通常是因為出現(xiàn)了吸引大眾眼球的突發(fā)事件，大量終端用戶幾乎同時向該事件內(nèi)容的發(fā)布者發(fā)送請求。這樣的突發(fā)事件可能是事先安排的，如網(wǎng)絡直播的熱門電影或節(jié)目（奧林匹克節(jié)目直播）；也可能是不可預測的，如地震這樣的自然災害引發(fā)公眾幾乎同時訪問地震相關消息。當突發(fā)訪問發(fā)生時，到目標內(nèi)容服務器的請求流量急劇增長，可能是正常情況下的數(shù)千數(shù)萬甚至數(shù)十萬倍。

（2）DDoS攻擊[19,20]

DDoS攻擊者常用的攻擊方式就是讓散布在網(wǎng)絡各個地方的惡意節(jié)點向目標節(jié)點或網(wǎng)絡發(fā)送密集的請求流量。

在IP網(wǎng)絡中，如此密集的請求流量在如此短的時間內(nèi)均到達內(nèi)容服務器可能導致服務器超載，進而響應速度變慢甚至服務器崩潰。與此同時，響應請求的流量在流量最為密集的鏈路上可能導致網(wǎng)絡擁塞。結果大部分用戶（突發(fā)訪問的用戶或DDoS所攻擊服務器的真正用戶）得到的都是極差的服務質量，而使得用戶無法正常使用目標機器或網(wǎng)絡資源是DDoS攻擊者的目的。實際上在突發(fā)訪問或DDoS攻擊發(fā)生時，多播可以起到緩解的作用。但是在IP網(wǎng)絡中，路由器需要耗費大量資源才能為每個多播組維護一棵多播樹，這一點限制了IP網(wǎng)絡中多播的部署。而在ICN中，數(shù)據(jù)內(nèi)容可以被路由器緩存，路由器運用緩存的內(nèi)容響應幾乎同時來自于不同用戶的請求而自然地支持多播，即中間路由器所緩存的內(nèi)容可以作為多播源將數(shù)據(jù)返回給用戶而無需內(nèi)容服務器參與。具體來說，在突發(fā)訪問發(fā)生時，前面用戶請求的下一節(jié)目片段緩存在中間路由器中，可以用于直接響應緊接著到來的其他用戶發(fā)送的請求。而在DDoS攻擊中，被請求的內(nèi)容分布在網(wǎng)絡節(jié)點中，在密集請求匯聚處的路由器直接用緩存的內(nèi)容響應這些請求，使得服務器置身事外，而服務器真正用戶的數(shù)據(jù)訪問也不受干擾。因此ICN中DDoS攻擊比較難成功，攻擊者不可以通過向目標服務器發(fā)送特定請求而達到拒絕服務的目的。這樣看來網(wǎng)絡緩存在緩解突發(fā)訪問的負面影響以及防治DDoS攻擊方面可以發(fā)揮重要的作用。

突發(fā)訪問和DDoS攻擊中所請求內(nèi)容的流行度是動態(tài)變化的，內(nèi)容突然變得很熱門，但其“熱度”僅持續(xù)很短的時間，且在DDoS攻擊下，這一“熱度”是假的。這樣具有動態(tài)流行度的內(nèi)容可以緩存在一級緩存中，而路由器中運用的置換策略對于突發(fā)訪問的緩解和DDoS攻擊的防治是至關重要的。由于這類請求幾乎是同時發(fā)送的，最近最少使用（LRU）的置換策略比較適合捕捉這類流行度動態(tài)性。

2.3 熱點內(nèi)容緩存

網(wǎng)絡中除了上述流行度動態(tài)變化的內(nèi)容，還存在一些在較長時間內(nèi)都穩(wěn)定流行的內(nèi)容，如今日新聞在當天比較熱門，人們可以選擇一天內(nèi)的任意空閑時間閱讀。對于這種在較長時間內(nèi)穩(wěn)定流行的內(nèi)容，路由器可以將它們在二級緩存器中較長時間地緩存，以減少帶寬的需求和響應請求產(chǎn)生的時延。

這種情況下的網(wǎng)絡緩存與IP網(wǎng)絡中緩存代理所扮演的角色類似，即緩存熱門的內(nèi)容。區(qū)別在于IP網(wǎng)絡中一個組織往往只有少量緩存代理且是為特定應用（如Web）所設計的；而ICN中的緩存散布在網(wǎng)絡的各個路由器中，是網(wǎng)絡層的功能，可以緩存任何應用（現(xiàn)有的，甚至在未來出現(xiàn)的應用）的數(shù)據(jù)內(nèi)容，具有更廣的應用前景。ICN路由器中的計算和空間資源可能有限，如何有效利用這些資源決定了二級網(wǎng)絡緩存的效率。二級緩存需要依賴用戶訪問歷史的統(tǒng)計結果來識別熱點內(nèi)容。本文提出CCBF，即用兩個CBF（counting bloom filter，計數(shù)布魯姆過濾器）[21]來識別熱點內(nèi)容，具體思路如圖1所示。其中PopularData_CBF用于測試數(shù)據(jù)內(nèi)容是否已經(jīng)作為流行內(nèi)容緩存于二級緩存器，而filter_CBF用于過濾熱點內(nèi)容，兩者都是具有m個計數(shù)器的CBF。當對數(shù)據(jù)內(nèi)容ID的請求到達時，K個不同散列函數(shù)作用于該ID映射到K個不同的計數(shù)器，接下來的處理如下。

圖1 用CCBF識別熱點內(nèi)容

（1）若PopularData_CBF的K個計數(shù)器均大于0，則該請求的數(shù)據(jù)已經(jīng)作為熱點內(nèi)容過濾出來并已緩存，可以直接從緩存中獲取，需要做的就是更新該內(nèi)容的訪問記錄。

（2）否則，請求的內(nèi)容尚未被認為是熱點，需要進一步確認。將filter_CBF的上述K個計數(shù)器加1后看這些計數(shù)器的值是否均大于設定的閾值x（被判定為熱點內(nèi)容所需的最少訪問次數(shù)）。若是，這次數(shù)據(jù)內(nèi)容ID被過濾為熱點，當數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)源返回時存儲到二級緩存器中，filter_CBF的K個計數(shù)器分別減去x，而PopularData_CBF的K個計數(shù)器分別加1，并為該內(nèi)容創(chuàng)建一個訪問記錄。

這里的CCBF與參考文獻[22]中用于識別主干網(wǎng)上大流的算法類似，吳樺等人分析了該算法的誤報率與m、K和流數(shù)n的關系，并用實驗證明了該算法的有效性及空間效率。

與IP網(wǎng)絡中的緩存代理相關的另一個問題是協(xié)作緩存[21,23]，即緩存代理之間協(xié)作緩存內(nèi)容并共享緩存，以高效利用緩存空間。關于這一點，ICN的網(wǎng)絡緩存也出現(xiàn)了類似的工作[24,25]，但是Ghodsi等人指出由于內(nèi)容的流行度分布往往服從類似于Zipf的分布，網(wǎng)絡緩存器之間協(xié)作緩存效果可能有限[26,27]。此外，與IP網(wǎng)絡中的緩存代理相比，ICN中網(wǎng)絡緩存器的數(shù)量較大，它們之間協(xié)作所產(chǎn)生的開銷也較大。因此網(wǎng)絡緩存器之間中心式的協(xié)作可能不太現(xiàn)實，而分散式的協(xié)作不失為一種選擇。

2.4 托管服務

互聯(lián)網(wǎng)上現(xiàn)代企業(yè)應用和服務具有嚴格的服務質量要求，因為在服務性能和可靠性方面細微的退化就可能產(chǎn)生相當大的業(yè)務影響，而中斷供應可能對品牌聲譽產(chǎn)生重大的損害，進而流失客戶，并且互聯(lián)網(wǎng)服務提供商之間的競爭將會越來越激烈。如第3～5節(jié)所述，前兩級的網(wǎng)絡緩存有利于改善內(nèi)容（尤其是熱點內(nèi)容）的可用性和數(shù)據(jù)傳輸性能，但新興數(shù)據(jù)發(fā)布者（如新的視頻網(wǎng)站）的內(nèi)容傳輸可能不會從這兩級緩存獲益很大。因此新興的內(nèi)容發(fā)布者可能需要借助額外的緩存來提升它們的競爭力。而第三級網(wǎng)絡緩存可以承諾為那些不那么熱門的內(nèi)容提供“持久的”緩存，與CDN[28]的托管服務類似。

第三級網(wǎng)絡緩存不需要在每個路由器上都部署，ISP可以根據(jù)三級緩存的需求量來部署。三級網(wǎng)絡緩存的發(fā)展可能需要新的商業(yè)模型來促進。在傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡中，CDN運營者從內(nèi)容提供商（如多媒體公司）那里獲取報酬，因為CDN幫助他們把內(nèi)容傳送給用戶；反過來，CDN運營者付費給ISP、網(wǎng)絡運營者等，因為他們用數(shù)據(jù)中心為CDN存儲數(shù)據(jù)。相比之下，ICN中內(nèi)容提供商將直接付費給第三級網(wǎng)絡緩存的擁有者，即ISP或網(wǎng)絡運營者[29]。ICN中網(wǎng)絡運營者和內(nèi)容提供商之間的爭斗將潛在地增加，因為前者希望從后者收入中“分一杯羹”以資助網(wǎng)絡緩存設備的投資。具體的付費方案需要在這兩者之間協(xié)商，但必須確保兩者均從中受益。

與第三級緩存相關的另一問題是，因為網(wǎng)絡運營者是有償提供緩存服務的，他們可能需要設置路由，將第三級緩存器中存儲的內(nèi)容的可達性在路由系統(tǒng)的控制層通告，以便用戶的請求可以快速找到附近緩存的副本。而嵌入緩存內(nèi)容可達性的路由系統(tǒng)可能面臨可擴展性問題，這取決于內(nèi)容名字的管理及路由的設計。Wang等人[30]設計了一個嵌入緩存內(nèi)容可達性的路由系統(tǒng)，該系統(tǒng)中緩存內(nèi)容的路由通告范圍受限，受限的范圍基于某些因素，如在上述托管服務中，可以基于內(nèi)容提供商提供的報酬來決定。

3 結束語

ICN將重心從主機轉向數(shù)據(jù)，是下一代網(wǎng)絡體系結構中比較有前景的一個。作為ICN的特色之一，網(wǎng)絡緩存在彰顯ICN的優(yōu)勢方面扮演著重要的角色，而且已經(jīng)引起了研究團體的關注。但當前大家對網(wǎng)絡緩存仍存在不一致的看法，也沒有文獻明確指出網(wǎng)絡緩存到底應該是怎樣的，它在ICN中扮演著怎樣的角色。本文對此進行了初步探索，指出ICN應該具有3個級別的網(wǎng)絡緩存，并簡單解釋了這三級網(wǎng)絡緩存可以以及如何在錯誤恢復、突發(fā)訪問緩解、DDoS攻擊防治、熱點內(nèi)容緩存以及托管服務方面起作用。

網(wǎng)絡緩存的研究尚處于初始階段，希望本文的工作會引起研究團體的進一步討論進而將網(wǎng)絡緩存研究的腳步向前邁一步。筆者下一步的工作是設計ICN路由器的二級緩存器之間分散式的協(xié)作緩存算法，并研究三級緩存的托管服務所需的商業(yè)模型。

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