成果介紹:一種面向內(nèi)容共性特征的自適應(yīng)管線傳輸機(jī)制
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作者：張毅
1引言
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)正經(jīng)歷從“以互聯(lián)為中心”到“以內(nèi)容為中心”的演變歷程�；ヂ�(lián)網(wǎng)的設(shè)計理念可以上溯至20世紀(jì)六七十年代，設(shè)計的核心理念是實現(xiàn)主機(jī)的互聯(lián)互通，進(jìn)而共享計算資源，本質(zhì)上是一種“主機(jī)一主機(jī)”的通信模式。TCP/IP體系結(jié)構(gòu)以IP地址為核心、以傳輸為目的、按照端到端原理設(shè)計，很好地滿足了這一需求，促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展。經(jīng)過50多年的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)的使用已發(fā)生了巨大變化，現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求更多關(guān)注的是內(nèi)容共享。據(jù)Cisco VNI MobileForecast預(yù)測，2014年互聯(lián)網(wǎng)上所有內(nèi)容相關(guān)的流量將占據(jù)97.5%以上的份額，其中視頻類流量（互聯(lián)網(wǎng)電視、VOD和P2P）將超過91010。人們越來越關(guān)心獲取內(nèi)容的速度以及內(nèi)容的可靠性和安全性，內(nèi)容中心化正成為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主旋律。
互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)對內(nèi)容中心化趨勢的技術(shù)方案主要包括兩類。一類是基于現(xiàn)有TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的增量式內(nèi)容傳輸優(yōu)化方案，采用“打補(bǔ)丁(incremental)”方法增強(qiáng)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)容分發(fā)能力，包括CDN (content deliverynetwork，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò))和P2P等技術(shù)，其本質(zhì)是通過在網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)的上層建立覆蓋網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)內(nèi)容分發(fā)支持，而下層對內(nèi)容的基礎(chǔ)傳送能力仍然是無任何保證的無連接分組交換能力（即IP），內(nèi)容存儲的位置與內(nèi)容本身、內(nèi)容的組織（發(fā)現(xiàn)）方式和內(nèi)容傳遞方式都沒有直接聯(lián)系，每次內(nèi)容傳遞都需要多層、多次處理，傳遞效率低下且成本居高不下。另外一類是革命式的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用“從零開始(clean slate)”的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，其中以內(nèi)容為中心的設(shè)計思路得到廣泛的重視。美國國家自然基金委員會資助的NDN（named data networking，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）項目提出，以數(shù)據(jù)的名稱(name)作為數(shù)據(jù)的唯一標(biāo)識符在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行路由和傳遞，不再需要主機(jī)地址的間接轉(zhuǎn)換，緩解了傳統(tǒng)方案傳遞效率低下的問題。
總體上，增量式方案屬于拼接式設(shè)計和改進(jìn)，雖然在短期內(nèi)緩解了互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容分發(fā)問題，但重重補(bǔ)丁進(jìn)一步加劇了網(wǎng)絡(luò)本身的復(fù)雜性。從長遠(yuǎn)看，革命式的內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)著眼于發(fā)展支持內(nèi)容的全新結(jié)構(gòu)，將是未來以內(nèi)容為中心互聯(lián)網(wǎng)的根本解決方案。然而，近年來NDN等內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究僅專注于數(shù)據(jù)的命名和基于名字的路由和轉(zhuǎn)發(fā)問題，而對于內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)如何保證QoS這一內(nèi)容分發(fā)傳送的基本問題卻未給出相關(guān)研究成果。提供用戶滿意的QoS保障是未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計永恒的基本主題之一，研究并揭示應(yīng)用內(nèi)容的共性特征，提出針對內(nèi)容共性特征的新型傳送機(jī)理，創(chuàng)立具備高效內(nèi)容傳送固有能力的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的QoS保障具有重要意義。本文的研究目標(biāo)是將網(wǎng)絡(luò)對內(nèi)容的支持從應(yīng)用層“下沉”到基礎(chǔ)傳送層，加強(qiáng)傳送能力對內(nèi)容語義的針對性，同時還保持對內(nèi)容類型的普適性。
2研究現(xiàn)狀
當(dāng)前在各個以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)研究中，只要不改變互聯(lián)網(wǎng)中IP主體和核心功能結(jié)構(gòu)的，都屬于“改良”型技術(shù)路線，如內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)、P2P;而替代IP主體地位的則屬于“革命”型技術(shù)路線，如目前提出的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。
2.1內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)
CDN的基本思路就是通過在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部部署特定的內(nèi)容服務(wù)器群結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上構(gòu)建針對數(shù)據(jù)內(nèi)容的一個虛擬網(wǎng)絡(luò)。CDN系統(tǒng)能夠?qū)崟r地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)流量和各內(nèi)容節(jié)點(diǎn)的連接、負(fù)載狀況、到用戶的距離和響應(yīng)時間等綜合信息，將用戶的請求重新定向到離用戶最近的服務(wù)節(jié)點(diǎn)上。CDN技術(shù)利用高速緩存和負(fù)載均衡網(wǎng)絡(luò)，快速響應(yīng)用戶的請求，如果cache服務(wù)器中沒有用戶要訪問的內(nèi)容，它會根據(jù)配置自動到原服務(wù)器抓取相應(yīng)的頁面并提供給用戶。因此，在CDN正常運(yùn)行后，內(nèi)容的分布、用戶訪問的定位全部是自動的。
和傳統(tǒng)的分發(fā)模式相比，CDN系統(tǒng)采用分布式服務(wù)，能夠有效避免網(wǎng)絡(luò)瓶頸的產(chǎn)生，提高應(yīng)用服務(wù)器的服務(wù)能力，并最終改善用戶的服務(wù)質(zhì)量。CDN系統(tǒng)是一個經(jīng)過策略性部署的整體系統(tǒng)，是一個緩存系統(tǒng)、負(fù)載均衡系統(tǒng)、內(nèi)容分發(fā)管理系統(tǒng)的綜合體。比較典型的CDN是美國的Akamai CDN，作為CDN的先驅(qū)，它擁有全球規(guī)模最大的CDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。最近的測量結(jié)果顯示，Akamai CDN在全球分布了近300 000臺邊緣節(jié)點(diǎn)服務(wù)器，覆蓋了69個國家近1 000個運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)，全球50%以上的CDN通信量就源自于此。
2.2融合CDN系統(tǒng)與P2P技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)
P2P技術(shù)的出現(xiàn)和成熟對很多網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序產(chǎn)生了巨大影響。P2P技術(shù)能夠利用客戶端的資源，包括CPU、內(nèi)存、存儲和帶寬資源進(jìn)行內(nèi)容服務(wù)。通過多種P2P技術(shù)或節(jié)點(diǎn)協(xié)助架構(gòu)，能夠大大減少內(nèi)容分發(fā)對CDN系統(tǒng)和中心內(nèi)容服務(wù)器的依賴。但是P2P技術(shù)的大量應(yīng)用卻導(dǎo)致了ISP（intemet service provider，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商）網(wǎng)絡(luò)中通信量的增加，增加了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。P2P緩存被用來減少這個負(fù)面影響，雖然能夠有效減少部分區(qū)域ISP網(wǎng)絡(luò)的通信量，但其顯著缺點(diǎn)就是依賴于應(yīng)用程序，P2P應(yīng)用協(xié)議之間不能實現(xiàn)很好地兼容和更新，P2P緩存也不能有效地對網(wǎng)絡(luò)中的存儲進(jìn)行控制。以下是幾種典型的融合技術(shù)方案。美國普渡大學(xué)提出了一種CDN系統(tǒng)與P2P技術(shù)混合的數(shù)據(jù)分發(fā)架構(gòu)，這一方案類似于BT（BitTorrent，比特流）系統(tǒng)，CDN服務(wù)器類似于BT系統(tǒng)中的tracker服務(wù)器，能夠提供種子信息。與BT系統(tǒng)不同的是，它還是超級節(jié)點(diǎn)，能夠提供內(nèi)容下載服務(wù)。當(dāng)其服務(wù)的peer節(jié)點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)目，使得peer節(jié)點(diǎn)域中存在足夠的內(nèi)容時，CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)就可以釋放相應(yīng)的內(nèi)容，在其他的peer節(jié)點(diǎn)之間共享。參考文獻(xiàn)[9]將C/S結(jié)構(gòu)的流媒體架構(gòu)和P2P架構(gòu)結(jié)合起來，提出了一種混合視頻下載／流媒體策略(hybrid video download/streaming scheme,HDS)，此方案與美國普渡大學(xué)的方案類似，主要不同點(diǎn)為CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)始終可以提供內(nèi)容下載。當(dāng)peer節(jié)點(diǎn)緩存的內(nèi)容達(dá)到閾值上限時，就斷開從CDN服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的下載：當(dāng)緩存內(nèi)容減少到閾值下限時，peer節(jié)點(diǎn)再啟動與CDN服務(wù)器的下載連接。P2SP直播q是將P2P技術(shù)與CDN流媒體技術(shù)有效結(jié)合的直播產(chǎn)品。它利用了流技術(shù)的特點(diǎn)，在核心層通過P2P方式提高骨干傳輸效率，并降低源站點(diǎn)負(fù)載，在邊緣層通過就近的CDN節(jié)點(diǎn)將直播流分發(fā)給終端用戶，從而徹底減輕了源站負(fù)載并保證了用戶的接收速度和收看質(zhì)量。P2P內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(P2P content delivery network，PCDN)是為順應(yīng)電信運(yùn)營商需求而產(chǎn)生的，利用有效的CDN平臺管理無序的P2P技術(shù)，它是結(jié)合了P2P技術(shù)的新一代CDN系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)是將P2P技術(shù)的流量嚴(yán)格限制在同一邊緣節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，在邊緣節(jié)點(diǎn)引入P2P技術(shù)來進(jìn)行文件及流媒體的共享。
2.3命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)
命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過對互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行、管理機(jī)制進(jìn)行全新設(shè)計，將未來互聯(lián)網(wǎng)打造成集計算、通信以及存儲為一體的信息服務(wù)平臺，具有更好的可擴(kuò)展性、安全性和移動性等特點(diǎn)。NDN與TCP/IP結(jié)構(gòu)的沙漏模型相同，仍采用7層結(jié)構(gòu)，其底層協(xié)議用于適配底層物理鏈路，上層協(xié)議用于相關(guān)的應(yīng)用。它與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)最大的不同點(diǎn)在于中間層用命名數(shù)據(jù)的方式取代IP，如圖1所示。
NDN中設(shè)計了兩種協(xié)議分組：興趣分組( interestpacket)和數(shù)據(jù)分組(data packet)，分別用于尋找路徑和傳遞數(shù)據(jù)內(nèi)容。如圖2所示，為實現(xiàn)有效的內(nèi)容分發(fā)，NDN定義了由3部分構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)引擎模型，類似于現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(forwarding information base，F(xiàn)IB)、用于存儲內(nèi)容副本的內(nèi)容緩存(content store，CS)和用于記錄興趣分組進(jìn)入端口信息的未決興趣表(pending interest table，PIT)。當(dāng)興趣分組到達(dá)內(nèi)容提供者時，攜帶數(shù)據(jù)內(nèi)容、名字及其發(fā)布者簽名的數(shù)據(jù)分組則沿著興趣分組建立的反向路徑傳回給請求者。興趣分組和數(shù)據(jù)分組的傳遞過程都通過基于名字的路由方式進(jìn)行。NDN采用由內(nèi)容請求者驅(qū)動的通信機(jī)制，查詢的優(yōu)先級順序依次為內(nèi)容緩存、未決興趣表、轉(zhuǎn)發(fā)信息庫，具體操作如下：當(dāng)NDN路由器收到請求者發(fā)送的興趣分組后，首先利用興趣分組攜帶的名字信息在內(nèi)容緩存中進(jìn)行最長前綴匹配查找，若內(nèi)容緩存中包含興趣分組所請求的內(nèi)容，則直接將相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容通過端口進(jìn)行響應(yīng)，以提供數(shù)據(jù)內(nèi)容并丟棄興趣分組；否則，將在未決興趣表中繼續(xù)查詢。
若未決興趣表中包含與內(nèi)容名相關(guān)的條目，則在條目中添加端口信息并丟棄興趣分組，隨后繼續(xù)匹配轉(zhuǎn)發(fā)信息庫，然后根據(jù)端口信息進(jìn)行興趣分組的轉(zhuǎn)發(fā)。若未決興趣表中沒有包含與內(nèi)容名相關(guān)的條目信息，將興趣分組按照轉(zhuǎn)發(fā)信息庫匹配進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)后，需要把該興趣分組到達(dá)的端口信息及內(nèi)容名字添加到未決興趣表中，供數(shù)據(jù)分組反向傳遞使用。
數(shù)據(jù)分組的處理相對簡單，當(dāng)NDN路由器收到數(shù)據(jù)分組后，首先對數(shù)據(jù)分組的content name字段進(jìn)行最長前綴匹配，若內(nèi)容緩存中有相應(yīng)數(shù)據(jù)內(nèi)容，則將數(shù)據(jù)分
組丟棄，否則，在未決興趣表中進(jìn)行匹配。若未決興趣表中有記錄對應(yīng)名字的條目信息，則按照端口信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并刪除該項未決興趣表條目信息，隨后將數(shù)據(jù)內(nèi)容添加至內(nèi)容緩存中；若未決興趣表中沒有匹配信息，則將數(shù)據(jù)分組丟棄。
2.4參數(shù)化自適應(yīng)內(nèi)容管線
受NDN以“內(nèi)容為中心”思想的啟發(fā)，針對內(nèi)容特征解析、內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)、管線對內(nèi)容特征的自動匹配3個方面展開研究，這3個研究內(nèi)容將直接支撐在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)中嵌入被傳送數(shù)據(jù)內(nèi)容語義，創(chuàng)立具備高效內(nèi)容傳送的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。
第一，揭示不依賴網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用內(nèi)容共性特征。對各種內(nèi)容進(jìn)行正確、有效的傳送是以內(nèi)容為中心網(wǎng)絡(luò)的核心目標(biāo)。如果網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)傳送能力要保持對內(nèi)容類型的普適性，同時還具有對內(nèi)容語義的針對性，一個關(guān)鍵問題是將網(wǎng)絡(luò)支持的各種應(yīng)用內(nèi)容的特征有效分解為個性特征和共性特征，從而為構(gòu)造具有語義功能的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)奠定了理論基礎(chǔ)。
第二，提出針對內(nèi)容共性特征的新型基礎(chǔ)傳送機(jī)理。提高網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)效率的關(guān)鍵是加強(qiáng)被傳送數(shù)據(jù)語義的針對性，lP恰恰不具備這種針對性。本文為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送層引入數(shù)據(jù)內(nèi)容語義的適度針對性，將各類應(yīng)用內(nèi)容的共性特征作為新型基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)的語義需求，針對內(nèi)容共性特征創(chuàng)新性，設(shè)計了基礎(chǔ)傳送機(jī)理——參數(shù)化自適應(yīng)內(nèi)容管線（parameterized adaptive content pipeline，PACP），通過這種不依賴網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用內(nèi)容共性特征的適應(yīng)機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)核心層實現(xiàn)對各類應(yīng)用內(nèi)容的高效傳送。
第三，設(shè)計PACP對內(nèi)容特征的自動匹配和自我適應(yīng)機(jī)制。參數(shù)化自適應(yīng)內(nèi)容管線具備全新的基礎(chǔ)傳送能力，旨在從網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送結(jié)構(gòu)的角度改進(jìn)各類應(yīng)用內(nèi)容的傳送效果，具有4個重要性質(zhì)：是網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)傳送能力而非應(yīng)用層功能；具有應(yīng)用內(nèi)容共性特征的強(qiáng)針對性：其結(jié)構(gòu)是參數(shù)化的；具有對應(yīng)用內(nèi)容共性特征實例時變性的自動適應(yīng)能力。
3內(nèi)容特征解析
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用內(nèi)容的特征是指組成相應(yīng)內(nèi)容的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及時變規(guī)律。內(nèi)容特征解析是后續(xù)傳遞管線構(gòu)建和調(diào)整的基礎(chǔ)，若建立的特征模型不足以刻畫相應(yīng)內(nèi)容，將直接導(dǎo)致后續(xù)傳遞管線對內(nèi)容的不適配。本文從多種角度刻畫不同應(yīng)用內(nèi)容的固有特征，建立統(tǒng)一的多維內(nèi)容特征模型，為不同內(nèi)容自適應(yīng)地建立不同規(guī)格的傳遞管線奠定基礎(chǔ)。這些特征包括：時域特征、空域特征以及時一空域關(guān)聯(lián)特征。時域特征。指內(nèi)容的數(shù)據(jù)報文時序結(jié)構(gòu)特性，包括傳輸時長、報文時間間隔分布、有效傳輸比等。對于不同類別的應(yīng)用，其內(nèi)容在時域特征上有較大區(qū)別，從而影響內(nèi)容管線的規(guī)格調(diào)整。例如，流媒體業(yè)務(wù)的報文時間間隔分布具有較高的平穩(wěn)性，而其有效傳輸比則較低。空域特征。指內(nèi)容的數(shù)據(jù)報文空間結(jié)構(gòu)特性，包括數(shù)據(jù)報文長度分布、平均報文數(shù)量、報文數(shù)量分布等。很多應(yīng)用（相同類型或不同類型）的內(nèi)容在時域上特征相似，但在空域上卻表現(xiàn)出很大的不同。時一空域關(guān)聯(lián)特征。指綜合時域和空域的數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)特性。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出數(shù)據(jù)報文結(jié)構(gòu)特性的特征可能不同，因此需要從不同域綜合描述內(nèi)容的特征屬性，如圖3所示。
4內(nèi)容管線傳輸結(jié)構(gòu)
不同類型的內(nèi)容數(shù)據(jù)具有不同特征，對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)也有不同的傳輸需求。為了真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)，本文提出內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的管線結(jié)構(gòu)概念，用內(nèi)容管線取代“盡力而為”服務(wù)的IP。內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的管線結(jié)構(gòu)（簡稱內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)）是內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)為了適應(yīng)內(nèi)容數(shù)據(jù)特征而設(shè)計的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)提供端到端的數(shù)據(jù)交換服務(wù)，并能夠根據(jù)所傳內(nèi)容特征進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以保障達(dá)到其傳輸需求的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對于內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)的研究主要包含數(shù)據(jù)交換模式、規(guī)格參數(shù)集和管道規(guī)格自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制3個方面。
4.1數(shù)據(jù)交換模式
在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中，每一次數(shù)據(jù)傳輸都有一個興趣分組和內(nèi)容分組與之對應(yīng)，興趣分組和內(nèi)容分組所走的路徑相同，而方向相反。即當(dāng)內(nèi)容分組開始發(fā)送時，其轉(zhuǎn)發(fā)路徑是確定的，相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)為內(nèi)容分組建立好了一個端到端的連接。這個特性是南于路由節(jié)點(diǎn)總會記錄興趣分組的狀態(tài)而產(chǎn)生的，該特性也能為保障具有不同特征內(nèi)容的傳輸需求提供便利。內(nèi)容分組在傳輸過程中，節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)內(nèi)容名字以及內(nèi)容特征，為該內(nèi)容分組設(shè)置合適的管道規(guī)格參數(shù)，并沿著興趣分組發(fā)送路徑的反向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對于有多播需求的內(nèi)容分組，當(dāng)在某一個節(jié)點(diǎn)處需要進(jìn)行多播發(fā)送時，則為每一個組成員設(shè)置合適的管道規(guī)格參數(shù)進(jìn)行多播，如圖4所示。用戶A、B、C都向服務(wù)器S請求內(nèi)容，請求成功后內(nèi)容分組沿著興趣分組所走路徑反向發(fā)送，而且在節(jié)點(diǎn)R1和R3處進(jìn)行多播。
4.2規(guī)格參數(shù)集
為了適應(yīng)內(nèi)容特征的多樣性，內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)需要一系列規(guī)格參數(shù)進(jìn)行描述。內(nèi)容特征與管線的規(guī)格參數(shù)具有對應(yīng)關(guān)系，前者表示內(nèi)容傳輸需求，而后者表示底層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸能力。
通常用于表征網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸能力的參數(shù)包括QoS參數(shù)，例如帶寬、時延、抖動、分組丟失率、吞吐率、可靠性等。另外，還有一些其他參數(shù)用于表征一些特殊的傳輸能力，例如，安全等級參數(shù)用于表征安全傳輸能力。
管線規(guī)格參數(shù)集的選取需要以內(nèi)容特征與規(guī)格參數(shù)之間是否相互映射為檢驗?zāi)繕?biāo)，在選取規(guī)格參數(shù)的過程中，需要分析參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，使得所選參數(shù)集在與內(nèi)容特征合理映射的前提下，實現(xiàn)參數(shù)選取的簡單化。
4.3管線規(guī)格自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制
為了能夠在傳輸數(shù)據(jù)分組時滿足內(nèi)容的特征需求，網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)內(nèi)容的特征設(shè)置一組與之匹配的規(guī)格參數(shù)集，使得網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力能夠滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨�。同時，這個過程也是一個轉(zhuǎn)發(fā)過程，使整個匹配規(guī)格參數(shù)集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的過程成為管線規(guī)格自適應(yīng)調(diào)整的機(jī)制，如圖5所示。
管線規(guī)格自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制的設(shè)計需要結(jié)合內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)原有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，將內(nèi)容特征解析、管線對內(nèi)容特征的自動匹配、管線規(guī)格參數(shù)設(shè)置等功能融合進(jìn)去，最終得到一個能夠正常運(yùn)行的、無誤的機(jī)制流程。
5 管線對內(nèi)容特征的自動匹配
本文旨在探索跟隨時變應(yīng)用內(nèi)容特征的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)性，從而為構(gòu)建內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在機(jī)理與核心結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。因此，在對內(nèi)容特征和內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究之后，需要重點(diǎn)研究管線對內(nèi)容特征的自動匹配。該研究內(nèi)容包括內(nèi)容特征和管線規(guī)格自匹配、時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整、關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應(yīng)。
5.1內(nèi)容特征和管線規(guī)格自匹配
內(nèi)容特征和管線規(guī)格參數(shù)分屬不同的概率領(lǐng)域，不存在單純的一一映射關(guān)系，而且作為映射中的像集合一管線的個數(shù)不能過于繁多，所以映射過程需要考慮管線間的聚合。內(nèi)容特征和管線規(guī)格自匹配的研究充分借鑒了MapReduce計算模式，將匹配方法研究分解為單一特征一參數(shù)向量映射、參數(shù)向量疊加、參數(shù)向量聚合，如圖6所示。
單一特征一參數(shù)向量的映射是指各內(nèi)容特征向量G的分量Ci到管線規(guī)格參數(shù)向量P的映射方法以及映射合理性的論證。首先分析各種類型的內(nèi)容特征以及典型應(yīng)用，然后參照現(xiàn)有的ATM、DiffServ、ITU-T等技術(shù)體系或標(biāo)準(zhǔn)來制定每類典型應(yīng)用所對應(yīng)的性能指標(biāo)參數(shù)，從而完成單一內(nèi)容特征到管線參數(shù)向量的映射。目前，下一代網(wǎng)絡(luò)用戶內(nèi)容特征大致存在幾種不同的分類方式：按照內(nèi)容的基本屬性和提供方式、功能特征、通信屬性、會話控制、應(yīng)
用屬性等進(jìn)行分類；典型內(nèi)容的性能指標(biāo)參數(shù)，包括絕對響應(yīng)速度、分組丟失率、分組誤差、時延、抖動、上行帶寬和下行帶寬等。將內(nèi)容特征及典型性能指標(biāo)參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，完成單一內(nèi)容特征到管線參數(shù)向量的映射，能夠在一定程度上簡化映射問題。最后再進(jìn)行抽象和最優(yōu)化建模。
參數(shù)向量疊加主要研究的是管線規(guī)格參數(shù)向量P之間的迭代操作（用符號O表示）以及不同參數(shù)的定義、描述方法和運(yùn)算形式。針對不同參數(shù)的含義和運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行特定方式的疊加，例如疊加過程可能表現(xiàn)為取值區(qū)間的交、并，數(shù)值的取最小、取最大、加減法等。
參數(shù)向量聚合主要是對疊加之后產(chǎn)生的新參數(shù)向量集合進(jìn)行聚類，并將得到的聚類中心Si（i1，2，…，k）轉(zhuǎn)化為最終的管線規(guī)格參數(shù)。研究思路是通過機(jī)器學(xué)習(xí)中的聚類算法將需求相似的管線參數(shù)向量聚合到同一個簇中，然后再以簇為粒度進(jìn)行管線規(guī)格的分配。聚類技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，形成了多種不同類型的聚類算法，每一類算法都有不同的特點(diǎn)和適用范圍。目前常見的聚類算法可以分為劃分聚類、基于密度的聚類、層次聚類、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類、蟻群聚類、譜聚類等多種類型，但由于未來可能出現(xiàn)各種新內(nèi)容特征，使得聚合過程不可能提前指定簇的個數(shù)。為了應(yīng)對內(nèi)容的數(shù)量和種類大量增加的情況，要求算法能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，因此，選擇層次聚類算法用于參數(shù)向量聚類更為可行。
BIRCH是一種比較典型的層次聚類算法，采取一種改進(jìn)BIRCH的研究方案設(shè)計管線參數(shù)向量的聚類算法。BIRCH算法的整體流程可以分為4個階段：輸入所有數(shù)據(jù)，構(gòu)建CF樹；如果CF樹占用的內(nèi)存大于M，則提升閾值T，重建樹：利用其他全局算法對CF樹進(jìn)行再聚類；優(yōu)化聚類結(jié)果，并標(biāo)記數(shù)據(jù)點(diǎn)所屬的簇。對傳統(tǒng)BIRCH的分裂算法進(jìn)行改進(jìn)，將密度分裂的思想引入BIRCH算法，使得密度相對集中的數(shù)據(jù)點(diǎn)更準(zhǔn)確地聚為一類，實現(xiàn)改進(jìn)后的分裂算法AS-BIRCH能更接近天然聚類的聚類結(jié)果。如圖7所示，對管線參數(shù)向量聚合算法的實驗結(jié)果分析可以看出．AS-BIRCH的聚類結(jié)果更為理想。
5.2時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整
內(nèi)容特征和管線規(guī)格的匹配關(guān)系是跟隨時變應(yīng)用內(nèi)容特征變化的，這種變化自調(diào)整過程需要兼顧內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)路由轉(zhuǎn)發(fā)的穩(wěn)定性。為此，將時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整的研究分解為自調(diào)整的周期設(shè)置以及自調(diào)整的觸發(fā)函數(shù)和閾值設(shè)置。如圖8所示，當(dāng)內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中的局部內(nèi)容特征發(fā)生變化時，原始匹配關(guān)系并不是最優(yōu)的，調(diào)整后的匹配關(guān)系具有更好的聚合效果。
圖8反映了時變需求和管線參數(shù)自調(diào)整研究的必要性。具體而言，本文中管線自調(diào)整的周期設(shè)置主要關(guān)注以何種方式觸發(fā)管線的自調(diào)整檢查，使網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性得到最大程度的滿足；自調(diào)整的觸發(fā)函數(shù)和閾值設(shè)置是管線參數(shù)調(diào)整的充分條件及其具體形式。
觸發(fā)函數(shù)設(shè)計了基于管線參數(shù)變化和基于聚類結(jié)果變化兩種方式。基于管線參數(shù)變化的觸發(fā)函數(shù)考慮的是物理鏈路中所有管線需求參數(shù)的聚合度變化幅度是否達(dá)到閾值；而基于聚類結(jié)果變化的觸發(fā)函數(shù)考慮的是物理鏈路中新的需求參數(shù)聚類結(jié)果是否與原來的聚類結(jié)果存在較大差異。
假設(shè)P．。為時刻t第i個管線需求參數(shù)向量，a為閾值，則在時刻t+At是否需要進(jìn)行管線參數(shù)的調(diào)整，依賴于基于管線參數(shù)變化的觸發(fā)函數(shù)，如式(1)所示。
假設(shè)6和6+分別為進(jìn)行自調(diào)整前后的管線需求參數(shù)向量的聚類結(jié)果，
為1表示管線需求參數(shù)向量P和只隸屬同一簇，
為0表示只和只不屬于同一簇。
亦是如此，
為閾值，則當(dāng)前時刻是否需要進(jìn)行管線參數(shù)的調(diào)整依賴于基于聚類結(jié)果變化的觸發(fā)函數(shù)，如式(2)所示。
5.3關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應(yīng)
內(nèi)容特征與管線參數(shù)的關(guān)聯(lián)、匹配和自調(diào)整在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中必須體現(xiàn)為一個完整的自組織控制系統(tǒng)，因此需要對關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應(yīng)系統(tǒng)模型和控制協(xié)議進(jìn)行研究。如圖9所示，關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移是自適應(yīng)系統(tǒng)模型和控制協(xié)議設(shè)計所需要具備的核心功能。以此為指導(dǎo)，本文對自適應(yīng)模型的研究主要關(guān)注自適應(yīng)系統(tǒng)對內(nèi)容特征變化的實時認(rèn)知和反饋控制，對自適應(yīng)控制協(xié)議設(shè)計的研究主要關(guān)注分布式協(xié)議的管理效率和可擴(kuò)展性問題。
結(jié)合對虛擬網(wǎng)動態(tài)調(diào)整和認(rèn)知重構(gòu)技術(shù)的研究，設(shè)計了內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)中關(guān)聯(lián)特征和管線參數(shù)的自適應(yīng)系統(tǒng)流程，如圖10所示，將本文所關(guān)注的3點(diǎn)研究內(nèi)容有機(jī)串聯(lián)起來，實現(xiàn)了管線參數(shù)跟隨時變應(yīng)用特征的自適應(yīng)性。
控制協(xié)議通過擴(kuò)展傳統(tǒng)的SNMP來實現(xiàn)管線對內(nèi)容特征的自適應(yīng)。對于集中式管理方式，負(fù)責(zé)擴(kuò)展管線構(gòu)建和調(diào)整的中心節(jié)點(diǎn)controller，可以通過SNMP請求與響應(yīng)方式，主動查詢節(jié)點(diǎn)和鏈路中的內(nèi)容特征和管線參數(shù)�？刂茀f(xié)議按照觸發(fā)條件可以分為周期性上報、內(nèi)容特征變化時上報以及controller主動查詢3種情況，如圖11所示。
6性能分析與對比
基于第2節(jié)研究現(xiàn)狀的描述，對CDN、P2P、NDN和PCAP進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果見表1。CDN和P2P這種增量式的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)演進(jìn)思路屬于煙囪式、拼盤式設(shè)計和改進(jìn)，雖然可以在短期內(nèi)緩解寬帶網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容分發(fā)的問題，但是重重補(bǔ)丁進(jìn)一步加劇了網(wǎng)絡(luò)本身的復(fù)雜性，也使網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化更加艱難。以內(nèi)容為中心的NDN路由問題因網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)發(fā)生顯著改變而變得十分復(fù)雜，獲取內(nèi)容路由機(jī)理以及性能等還遠(yuǎn)未得到深入研究。
7結(jié)束語
本文提出了內(nèi)容特征解析方法和內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)，并研究了跟隨時變應(yīng)用內(nèi)容特征的內(nèi)容管線自動匹配技術(shù)。在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在機(jī)理與核心結(jié)構(gòu)方面的貢獻(xiàn)主要包括如下3點(diǎn)。建立了內(nèi)容特征的描述模型，刻畫了內(nèi)容的語義特性。該模型從時域、空域及其關(guān)聯(lián)域等多角度描述不同應(yīng)用的內(nèi)容特征，跟蹤內(nèi)容特征的時變規(guī)律，解決了網(wǎng)絡(luò)對不同應(yīng)用內(nèi)容的自適應(yīng)匹配問題，為構(gòu)建內(nèi)容特征驅(qū)動的自適應(yīng)傳遞管道奠定了基礎(chǔ)。
在內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了一種新的數(shù)據(jù)傳遞模式一管線結(jié)構(gòu)。在這種模式下，內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)內(nèi)容特征做自適應(yīng)調(diào)整，并可以提供比“盡力而為”服務(wù)更加豐富的、能夠滿足不同特征內(nèi)容傳輸需求的端到端數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。
提出的管線對內(nèi)容特征的自動匹配方法有利于提高內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性，具有較好的實用性。初步提出了實現(xiàn)管線對內(nèi)容特征的自動匹配方案：利用MapReduce模式分別完成單一內(nèi)容特征到管線參數(shù)向量的映射以及管線參數(shù)向量的規(guī)約：通過設(shè)置管線參數(shù)向量聚類度閾值和聚類結(jié)果差異閾值，兼顧了管線參數(shù)跟隨時變應(yīng)用內(nèi)容特征的適應(yīng)性與穩(wěn)定性。因此，該自動匹配方法具有較好的實用性。
8摘要：
以內(nèi)容為中心是未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)主機(jī)互連為核心，其下層傳送單元無法表征上層內(nèi)容的語義。擬歸納各類應(yīng)用的內(nèi)容特征，構(gòu)造針對內(nèi)容特征的網(wǎng)絡(luò)傳送結(jié)構(gòu)——參數(shù)化自適應(yīng)內(nèi)容管線，構(gòu)建內(nèi)容特征到管線的映射，將內(nèi)容特征歸一化為管線參數(shù)，建立內(nèi)容特征驅(qū)動的自適應(yīng)傳遞通道。主要研究內(nèi)容特征解析、內(nèi)容管線結(jié)構(gòu)、管線對內(nèi)容特征的自動匹配等，其結(jié)果實現(xiàn)變化特征動態(tài)提取、管道參數(shù)實時計算、管道規(guī)格跟隨調(diào)整。
