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基于CCN的CDN视频内容分发技术研究

范文

张震　张雷

摘要：随着互联网的快速发展，网络的使用逐渐转变为以内容分发和获取为主，面向大规模用户的流媒体视频点播直播已经成为当今互联网上最流行的应用之一，占到了网络流量的很大一部分，如何有效地进行流媒体视频内容的大规模分发已经成为网络运营商和内容提供商面临的一个挑战。内容中心网络是一种新型的以内容为中心的网络架构，引入路由缓存和请求聚合机制以优化互联网的内容分发。传统TCP/IP网络中的内容分发网技术为视频分发提供了有效的途径，在提高用户体验的同时减少了网络流量。CDN将内容从源服务器推动到边缘镜像服务器供用户使用的思想和CCN在路径上缓存的思想如出一辙，如果在CCN上使用CDN技术进行视频分发，可以获得更好的效果。但是CCN的通信模式被设计成接收方驱动的方式，只有用户向网络发出请求时网络上才会有流向用户的数据，如何在CCN上把内容推送到CDN镜像服务器是一个必须解决的问题。本文利用种子在CCN上实现了基于CDN的流媒体视频内容分发技术。

关键词：关键词内容中心网络；内容分发网；视频内容

中图分类号：TP393

文献标识码：A

0 引言

随着互联网技术和多媒体技术的发展，面向大规模用户的视频流媒体服务已经成为互联网上最流行的应用之一。2014年亚太地区在线视频消费报告显示，截止到2014年8月的统计信息，全球PC用户每个月收看的视频数量超过3000亿，每个用户每月平均观看视频202个，时长达952分钟。同样的趋势也体现在移动互联网领域，根据Cisco VNI Mobile Forecast预测，到2016年，网络视频流量将占到互联网流量的55%，到2017年，视频类移动流量将占到移动数据总流量的66%。由此可见，以网络视频为主的大规模流媒体内容分发流量已经成为网络运营商面临的主要挑战。

CDN技术是目前互联网中广泛使用的内容分发技术，内容提供商向CDN服务商购买服务，CDN服务商将各种内容资源推送到网络中广泛存在的镜像服务器，用户在请求网上资源时CDN利用重定向机制将用户的请求重定向到离用户最近的CDN镜像服务器，这样既避免了因为大量用户访问源服务器造成的核心服务器负载过大，也减少了网络上自治域间的流量，同时减少了响应延迟，提高了用户体验。

目前美国Palo Alto研究中心提出了一个革命性的互联网架构CCN，其核心思想是以命名数据代替主机，用“what”取代“where”，从根本上改变传统TCP/IP网络中IP数据包的封装结构和寻址方式，直接以内容名字作为网络内容的标识，取代了IP地址，实现了身份与位置的分离；同时CCN提供了网内缓存机制，内容可以在网络中的路由结点缓存，缓存可以作为内容服务器为用户提供内容服务；CCN的路由结点还具有请求聚合的特点，对同一内容的多个请求在公共路由结点处被拦截，只有第一个请求被转发出去，其他所有的请求只是在路由器上进行记录，当收到响应数据时，根据请求记录将内容复制后发给所有请求者，这样就构成了多播，CCN可以直接使用多播技术进行内容的分发。因此CCN的多播可以用于CDN向镜像服务器进行内容推送。但是CCN中通信变成了用户“拉”的方式，如果要继续在CCN中使用CDN技术，如何将内容推送到镜像服务器成为了一个必须解决的问题。

本文主要根据CCN的特点实现CDN的内容推送的功能，然后针对当前互联网内容分发应用中占很大比重的视频流媒体服务设计视频点播和直播解决方案，视频点播服务可以利用CDN镜像服务器将视频内容提前推送到用户的附近，减少自治域间流量和到用户传输时延，提高网络质量和用户体验；直播服务需要提前发布内容名字，然后用户通过请求视频名字实时获得视频内容片段的名字，利用CDN架构来进行视频内容的传播。解决方案中的关键技术叫做种子，用来通知用户要获取的视频片段的名字信息，之后就可以用种子内的名字信息去请求需要的内容。

1 CCN简介

以内容为中心的网络体系架构CCN是由在TCP拥塞控制机制等领域做出卓越贡献的著名科学家Van Ja-cobson于2009年首先提出的，其核心思想是把互联网体系的核心从“where”转向“what”，即从以IP为核心转向以内容为核心。这一思想得到许多研究人员的响应，并得到了美国国家科学基金会NSF的项目支持，取得了不少研究成果。

1.1CCN体系结构

CCN网络的协议采用和TCP/IP类似的7层沙漏模型（如图1所示），底层完全一样，而且下层协议都是为了适配各种底层物理链路和通信机制而设计的，上层则可针对不同的应用设计不同的协议，这也是现在的互联网架构能够飞速发展的原因。二者最大的区别在于全网的统一标识，TCP/IP采用IP地址，CCN采用内容名字，CCN可以实施在任何底层协议之上，甚至是IP协议，因此CCN并未完全抛弃现有的IP网络，未来的CCN应用应该可以不用更改现有的网络体系而运行，这有利于CCN架构的发展。

1.2CCN报文类型

CCN的通信是接收方驱动的，即用户驱动。在CCN中有两种报文，兴趣包Interest和数据包Data，Interest和Data都携带有内容的名字，名字作为网络中内容的唯一标识在内容的请求、路由、匹配、缓存、转发和交付过程中发挥着十分重要的作用。数据包中还有签名信息和数据内容，签名能保证信息的安全性，CCN支持内容的自验证。

1.3CCN路由结点

如图2所示，CCN路由结点主要包含三个数据结构，内容存储（Content Store，CS）、请求记录表（Pending Interest Table，PIT）和转发信息表（Forwarding Information Base，FIB）。CS用于将收到的数据内容进行缓存备份，能为后来的请求提供数据；PIT用于记录从哪些端口收到的兴趣包，有请求聚合功能；FIB用于兴趣包的转发，由于CCN中内容的名字是分层次的，和IP地址很相似，FIB和路由转发表的原理相似，区别在于IP路由转发信息表中一个IP对应一个出口，而FIB中一个名字可能对应多个出口。

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