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1.2 内容中心网络体系演进

1.2.1 DONA体系结构

DONA(Data-Oriented Network Architecture) [11] 是由美国伯克利大学RAD实验室提出的以信息为中心的网络体系架构。DONA对网络命名系统和名字解析机制做了重新设计,替代了现有的DNS,使用扁平结构、Self-Certifying名字来命名网络中的实体,依靠解析处理器(Resolution Handler)来完成名字的解析,解析过程通过FIND和REGISTER两类原语实现。

DONA的命名系统是围绕当事者进行组织的。每个当事者都拥有一对“公开−私有”密钥,且每个数据或服务或其他命名的实体(主机、域等)都和一个当事者相关联。名字的形式是P:L,P是当事者的公开密钥的加密散列,L是由当事者选择的一个标签,当事者应确保这些名字的唯一性。当一个用户用名字P:L请求一块数据并收到三元组<数据,公开密钥,标签>后,他可以通过检查公开密钥的散列P直接验证数据是否确实来自当事者,且标签也是由这个密钥产生的。

DONA的名字解析使用名字路由的范式。DONA的名字解析通过使用两个基本原语FIND(P:L)和REGISTER(P:L)实现。一个用户发出一个FIND(P:L)分组来定位命名为P:L的对象,且名字解析机制把这个请求路由到一个最近的副本,而REGISTER消息建立名字解析的有效路由所必需的状态。每个域管理实体都将有一个逻辑RH,当处理REGISTER和 FIND时,RH用本地策略。用户通过一些本地配置了解自己本地RH的位置。被授权用名字P:L向一个数据或服务提供服务的任何机器向它本地的RH发送一个REGISTER(P:L)命令,如果主机向当事者关联的所有数据提供服务(或转发进入的FIND分组给一个本地副本),则注册将采用REGISTER(P:*)的形式。每个RH都维护一个注册表(Registration Table),将名字映射到下一跳RH和副本的距离(也就是RH的跳数或一些其他向量)。除了各种P:L的单个条目外,P:*有一个单独的条目。RH采用最长前缀匹配法,如果一个P:L的FIND请求到达,且有一个P:*的条目而没有P:L的,R H就会使用P:*的条目;当P:*的条目和P:L的条目都存在时,R H会使用P:L的条目。当一个FIND(P:L)到达时,转发规则是:如果注册表中存在一个条目,则FIND将被发送到下一跳RH(如果有多个条目,则根据本地策略选择一个最接近的条目);否则,即RH是多宿主的,RH将把FIND转发到它的双亲(如它的供应者),使用它的本地策略来选择,其过程如图1-4所示。

图1-4 DONA的名字路由过程示例

FIND分组的格式如图1-5所示。DONA相关的内容插入为IP和传输头部之间的一个填隙片。DONA提供的基于名字的路由确保数据分组到达一个合适的目的地。如果FIND请求到达一个1级AS且没有找到有关当事者的记录,那么1级RH会返回一个错误消息给FIND信息源。如果FIND没有定位一个记录,对应的服务器就会返回一个标准传输级响应,为了实现这个目的,传输层协议应绑定到名字而不是地址上,其他方面不需要改变。同样地,当请求传输时,应用协议需要修改为使用名字而不是地址。事实上,当在DONA上实现时,许多应用变得简单。例如HTTP,注意到HTTP初始化中唯一关键的信息是URL和头部信息;考虑到数据已经在低层命名,不再需要URL,同时,如果给定数据的每个变量都有一个单独的名字,头部信息页就变得多余。接收到FIND后发生的数据分组的交换不是由RH处理的,而是通过标准IP路由和转发被路由到合适的目的地。在这种意义上,DONA并不需要IP基础结构的修改。

图1-5 FIND分组的格式

1.2.2 PSIRP体系结构

PSIRP(Publish-Subscribe Internet Routing Paradigm) [12] 是从2008年1月到2010年9月由欧盟FP7资助开展的项目。PSIRP旨在建立一个以信息为中心的发布−订阅式互联网路由范例,取代以主机为中心的发送−接收式通信模式。PSIRP改变路由和转发机制,完全基于信息的概念进行网络运作。信息由Identifier标识,通过汇聚直接寻址信息而不是物理终端。在PSIRP架构中甚至可以取消IP,实现对现有Internet的彻底改造。

PSIRP网络体系采用分域结构,每个域至少有三类逻辑节点:拓扑节点(TN)、分支节点(BN)和转发节点(FN)。其中,TN负责管理域内拓扑、BN间的负载平衡,TN将信息传递给域的BN;BN负责将来自订阅者的订阅信息路由到数据源并缓存常用内容,如果有多个订阅者同时请求相同的发布信息,分支节点就会成为转发树的分支点将数据复制给所有接收者,并将缓存用作中间拥塞控制点来支持多速率多播拥塞控制;FN采用布隆过滤器实现简单、快速转发算法,几乎没有路由状态,FN也周期性地将它的邻接信息和链路负载发送给BN和TN。

PSIRP处理发布−订阅的基本过程如图1-6所示。第一,授权的数据源广播潜在发布信息集合。第二,订阅者向本地RN(Rendezvous Network)发送一个请求,请求由<Sid,Rid>对识别的发布信息。如果(缓存的)结果订阅者在本地RN中找不到,则汇聚信息被发送给RI(Rendezvous Interconnect),RI将其路由到其他RN。第三,订阅者接收到数据源集合和它们的当前网络位置,这些可用来将订阅信息路由到数据源。第四,向分支点发送的订阅信息形成一个转发树中新的分段。如果在中间缓存中找到发布信息,则它将被直接发回给订阅者。第五,用创建好的转发路径,发布信息被传送给订阅者。通过重新订阅发布信息的缺失部分可以获得可靠的通信。

图1-6 PSIRP处理发布−订阅的基本过程

PSIRP体系结构包括四个不同的部分:汇聚、拓扑、路由、转发。

汇聚系统在发布者和订阅者之间扮演中间人的角色。基本上,它是以一种位置独立的方式给订阅者匹配正确的发布信息。利用管理物理网络拓扑信息的拓扑功能提供的帮助,每个域都能够在出错的情况下配置自己内部和外部的路由并平衡网络的负载。路由的功能是负责为每个发布信息和在域内分支点缓存的常用内容都建立和维护转发树。最后,真实的发布信息用转发函数沿着有效的转发树发送给订阅者。

拓扑的管理功能复杂,其功能是选择域间路由来传送发布信息。每个域都有自己的拓扑管理功能,且每个域之间都互相交换域内的连接信息,与BGP类似。

PSIRP采用布隆过滤器作为转发识别器,称为zFiler。布隆过滤器是一个概率数据结构,允许一个简单的AND操作用来测试过滤器在一个集合中是否适用。基本上,每个网络链路都有一个自己的标识符,且布隆过滤器是由位于要求路径的所有链路标识符执行OR操作构成的。由于转发决定可以通过给予一个简单的AND操作做出而不需要使用一个大型转发表,布隆过滤器使用非常简单有效的路由器。zFilter一个有趣的特性是只有网络链路具有标识符,网络节点并没有网络层标识符,因此与IP地址没有任何等价之处。

1.2.3 4WARD体系结构

由欧盟FP7资助的4WARD项目的目标是研发新一代可靠的、互相协作的无线和有线网络技术。4WARD项目的WP6工作组设计了一个以信息为中心的网络架构:NetInf (Network of Information) [13] 。NetInf关注高层信息模型的建立,实现了扩展的标识与位置分离,即存储对象与位置的分离。

信息在信息中心网中扮演着关键的角色,因此,表示信息的合适的信息模型是必需的,且必须支持有效的信息传播。为使信息访问从存储位置独立出来并获益于网络中可以得到的复制,信息网络需要建立在标识/位置分离的基础上。因此,需要一个用来命名独立于存储位置的信息的命名空间。此外,维护并分解定位器和识别器间的绑定需要一个名字解析机制。

1.信息模型

NetInf将信息作为网络的头等成员,使用一种所谓信息对象(Information Object,IO)的形式。IO在信息模型中表示信息,如音频和视频内容、Web页面和电子邮件。除了这些明显的例子,IO也可以表示数据流、实时服务、(视频)电话数据和物理对象,这些都归功于信息模型灵活通用的本质。一种特殊的IO就是数据对象(Data Object,DO)。DO表示一种特殊的位级别对象,如某个特定编码的MP3文件,也包括这些特定文件的副本。通过存储复制的定位器,一个DO集合了(一些或)所有某个特定文件的副本。元数据能够进一步表示IO的语义,如描述它的内容或与其他对象的关系。这一领域的现有研究为将这些特征整合入网络层中提供了很好的起点,特别是相关描述语言,如资源描述框架(Resource Description Framework)或创建IO之间的关系。

2.命名及名字解析

名字解析(Name Resolution,NR)机制将ID分解为一个或多个位置,NR应在全球范围内运行,以确保为世界范围内任何可获得的资源进行正确解析。NR也可以在一个不连接的网络中运行,如果一个数据对象是局部可获得的,则称为局部解析特性(Local Resolution Property,LRP)。通过支持多个共存的NR实现LRP,一些控制全球范围,另一些控制局部范围。换句话说,识别任何世界范围内ID的NR系统都可以很自然地与处理局部范围内ID的NR系统共存。

NetInf命名空间的特性将影响NR机制的选择。NetInf命名空间的重要属性是名字的持久性和内容的无关性。这些属性可以通过使用平级的命名空间来实现。平级的命名空间基于一种分级的结构且相应地要求一个分级的命名空间。对平级名字来说,分布式散列表(Distributed Hash Table,DHT)是平级名字的一种很友好的方法。DHT是分散且高度可扩展的,减少了对管理实体的需求。DHT的典型应用是P2P覆盖网的小型路由协议(如Chord、Pastry、Tapestry、CAN、Kademlia等),DHT可以在数跳由内路由信息,路由表只需要转发状态。

3.路由

路由可以使用传统的基于拓扑的方案,如基于最短路径转发的分级路由,如目前互联网使用的协议(包括OSPF、IS-IS、BGP等),或一个基于拓扑结构的紧凑路由方案。但是,由于现实网络的拓扑是非静态的,无法达到对数级缩放的目标,路由研究的结果并不令人振奋。事实上,网络通信的成本也是动态变化的,通常以很高的速率增长。另外,可以使用基于名字的路由整合解析路径和检索路径,这可能会获得较好的性能。 ehN/nALAjOtL7zezb8LmgSLsNgVh99gIgEOc2xA6uKdX3u8QirtQ6muuOQikW7uH

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