一种内容中心网络全新实现机制的研究 自94 马戈 指导老师：曹军威 陈震

内容目录 研究背景 相关研究 系统设计 实验结果分析 Underlay系统设计 性能对比 结论与展望

研究背景 随着Internet的高速发展，其信息流量有近90% 都是信息的发布和订阅，传统的互联网模式已 经很难适应当前的应用需求； 内容分发网络（CDN）是改良派代表，内容中 心网络（CCN）是革命派代表。 何为改良？改良是在原有架构基础上，研究新的技术来改善当前问题；革命，则是颠覆现有的互联网架构，研究新的体系来从根本上解决问题。

研究背景 研究目标 在相同的拓扑结构下，通过实验对比CDN和CCN 网络在传输性能、部署开销等方面的差异，得到 各自的优劣势与改进方向； 设计、实现一个基于以太网帧协议、不依赖传统 TCP/IP结构、完全依靠命名的数据路由的CCN网 络；

相关研究 CDN（内容分发网络） CDN是指在现有的Internet中，通过在多地部署服 务节点，利用应用层协议来构成覆盖网络，形成服 务层，从而向用户提供网络服务； 将内容、应用发布到离用户最近的网络边缘，使用 户就近获取所需的内容和服务； 提高用户体验、降低网络拥塞； 通过控制节点，将内容。。

相关研究 CCN（内容中心网络） CCN网络中用对数据命名代替了对物理实体的命名； 下面这幅图展现了现有IP网络和CCN网络的架构对比，这种沙漏式结构的特点是，在不改变核心的基础上，允许两头不断发展。而二者最大的不同是，CCN网络中用对。。。

系统设计 CDN实验平台 负载均衡服务器 域名: www.cdn.com 代理缓存服务器I Web 源站点 客户端 代理缓存服务器II DNS 服务器

系统设计 CCN实验平台 中间路由服务器I 负载均衡服务器 客户端 Web源站点 中间路由服务器II

系统设计 实验设计 传输多个小文件（大小：62.6KB） 传输单个大文件（大小：2.2GB） 传输多个大文件 限制带宽后传输单个文件 我们从文件大小、文件传输个数等方面，设计了下面的实验，

实验结果分析 部署开销对比 CDN CCN 命令行/指令数 >80 <20 我们统计了配置一个最简单的CDN和CCN网络所需要的指令数。因为CDN网络中的绝大部分节点都是不同的，而且各节点所依赖的软件也不同，因此每一个节点的服务器都需要单独配置；而CCN网络中包括客户端在内的所有节点都是相同平等的，因此配置好一台进行迁移复制即可，所以CDN的部署开销远大于CCN。

实验结果分析 传输多个小文件 从该图中可以发现，CDN的性能明显优于CCN，而且我们查看CCN客户端的CPU使用率，发现基本都维持在90%以上，这是因为CCN的机制是将数据编码成4K的小数据包再进行传输，客户端需要将收到的数据包解码、重组后才能获得真实的数据。所以，CCN要花费大量时间在。。。

实验结果分析 传输单个大文件 在这个实验中，我们将CCN的缓存设为了2.5G和200M两种。其中，红色曲线是CCN 200M缓存，

实验结果分析 传输多个大文件 红色曲线：网络间传输时间+解码时间+其它时间 蓝色曲线：本地传输时间+解码时间+其它时间 (很小) 红色曲线 — 蓝色曲线 >= 网络间传输时间 传输多个大文件

实验结果分析 限制带宽后传输单个文件 限制下载速度：50KB/s 文件大小：5MB 通过多次实验，得到结果如下， 为了能单纯地比较二者在网络间传输时间的差异，我们做了如下实验。我们限制了带宽，延长了网络间的传输时间，使得该时间与CCN的解码、重组时间不在同一数量级上，即可以忽略解码、重组时间。具体设置如下，

Underlay系统设计 基本思想 该图展示了端到端连接的架构变化，现在的CCN覆盖网络是物理层到以太网层到TCP/IP协议层再到CCN协议层的架构，而我们希望改成物理层到以太网帧层到CCN帧层到CCN数据层的架构。

Underlay系统设计 技术背景 以太网帧 网卡混杂模式 原始套接字 同步位 分隔位 负载 校验序列 结束位 7 1 60-1518 4 12 具体做了以下的修改。首先是以太网帧，一般的以太网帧结构是由7字节的同步位、1字节的分割位加负载加校验序列、结束位组成。其中，负载部分的最大长度，大部分系统默认为1518字节，其中一般都用其中的18字节作为MAC表头，还剩下1500字节，因此大部分网卡设备默认的最大传输单元长度（MTU）为1500字节，可以查看网卡信息看到。 CCNx在设计中默认的一个数据包长度是4KB，因此，一个CCN的数据包加到以太网帧上，势必会被切分传输。于是，我们修改了修改最大传输单元长度，来足以装载整个CCN数据包。我们将MTU最大改到了7000字节，该帧也被称为超大以太网帧。 网卡通常有正常模式、混杂模式等。正常模式下，对于接收到的数据帧，都是先校验MAC地址，如果MAC地址不是自己的，就会将其丢弃，其它的帧包才会传递给上层程序。而混杂模式下，所有经过网卡的帧包，无论什么格式、什么地址的，都会被接收传递给上层程序。因为要建立一个无IP地址的网络，已经去掉了MAC地址，因此不能让网卡选择丢弃这些包。于是修改网卡为混杂模式，将所有的帧包都收集起来，在上层再去判断哪些是需要的数据包，然后进行取舍。 原始套接字是网络编程协议栈的一个软件接口，而且允许开发人员对网络协议进行很底层的编程。因为原始套接字可以接收和发送原始的以太网帧，即直接在第二层以太网帧层进行操作，所以我们使用原始套接字来进行接口的代码编程。

性能对比 协议传输效率 部署好Underlay物理网络后，我们进行了性能对比。对于大块数据，CCN覆盖网的效率大约为77%，原始以太网帧的CCNx协议大约为83%。这个结果是比较符合理论结果的。理论上， CCN覆盖网既有TCP报头的消耗，又有签名和编码的消耗；而基于原始以太网帧的CCNx协议省掉了TCP报头，因此效率会变高。

性能对比 传输时延 文件大小/MB 2 8 32 128 256 下载时延/s Overlay 3.0 8.2 12.3 30.2 52.5 Underlay 2.1 5.0 8.6 18.6 33.2

结论与展望 结论 多方面、多角度地对比了CDN和CCN的差异；在 某些情况下，CCN的性能是优于CDN的； CCNx协议的签名、编码、路由等操作是限制性能 的主要瓶颈； 设计并部署了一个基于以太网帧协议、不依赖传统 TCP/IP结构、完全依靠命名数据路由的CCN网 络； 通过实验验证了CCN Underlay比Overlay 的网络性 能有所提高；

结论与展望 未来工作 改进CCNx协议的解码、重组算法； 部署多主机的Underlay网络；

相关学术成果 Ge Ma, Zhen Chen, Shuo Chen, et al., Performance Comparison on CDN and CCN- poster, CCNxCon, 2013.（Under Review）

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