CN106973013A - 用于基于互联网协议的内容路由器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种互联网协议(IP)内容路由器，包括转发信息库(FIB)引擎，该引擎包括包含转发指令的数据存储，包含处理器的IP报文分类器，用于将第一入IP报文分类为信息中心网络(ICN)报文以及将第二入IP报文分类为非ICN报文，以及包含处理器的IP报文处理器，其中所述IP报文处理器耦合至所述FIB引擎和所述IP报文分类器，所述IP报文处理器用于拦截ICN报文以在IP内容路由器中进一步处理，在FIB引擎中咨询针对非ICN报文的转发指令，以及根据所述转发指令转发所述非ICN报文。

Description

用于基于互联网协议的内容路由器的方法和装置
相关申请案的交叉参考
本发明要求2012年8月20日由Ravishankar Ravindran等人递交的发明名称为“用于基于互联网协议的内容路由器的方法和装置(Method and Apparatus for InternetProtocol Based Content Router)”的第13/589530号美国专利申请案的在先申请优先权，以及2012年2月18日由Ravishankar Ravindran等人递交的发明名称为“用于基于互联网协议的内容路由器的方法和装置(Method and Apparatus for Internet Protocol BasedContent Router)”的第61/604056号美国临时专利申请案的在先申请优先权，所述申请案的内容以引用的方式全文并入本文本中。
关于由联邦政府赞助的
研究或开发的声明
不适用。
参考缩微胶片附录
不适用。
背景技术
互联网协议(IP)转发是基于主机到主机的通信原理进行的，即，假设通信发生在两个静止端点之间。IP转发是面向发送器的，即，接收器对于说明与其所需信息相关的属性无法控制，例如其内容版本、发布者等等。并且，由于知道用户的位置，恶意的发送器能够向用户发送垃圾邮件等不需要的内容。如今，IP路由器不支持寻求流行内容的应用，所述内容可使用网内缓存等内容多播技术进行有效传递，也不有效支持如移动性和安全性等网络功能。考虑到现今由用户推动的多媒体内容的增长，开发出内容分发网络(CDN)以支持内容分发。然而，CDN是一种叠加在IP技术之上的技术，并且是针对每个应用的。
作为一种替代方法，信息中心网络(ICN)研究，通过将通信模式由主机到主机转换为主机到内容来解决这些问题。在此情况下，用户需求被转变为报文数据单元，所述报文数据单元包含通过相关元数据来寻求的信息名称。当接收到此种查询时，如果路由器具有该数据的缓存副本，路由器在其内部自行解析该查询，或者将该查询向能够获取内容的方向转发。此外，所有的ICN解决方案自身支持移动性和安全性。目前，ICN方案和CDN的缺点之一，在于它们要么需要重新设计，这样可以替换IP协议栈，要么需要在供应商的域内引入新的重叠的私有协议(如实施分布式哈希表(DHT)，或域名系统(DNS)重定向等)。这些方法均倾向于高资本支出(CAPEX)和操作支出 (OPEX)作为供应商的初始投资，这会导致这些方案的延时实施，这些方案的目标是为了提高网络效率并可降低供应商的总体操作成本。
发明内容
在一项实施例中，本发明包括互联网协议(IP)内容路由器，包括转发信息库(FIB)引擎，该引擎包括包含转发指令的数据存储，包含处理器的IP报文分类器，用于将第一入IP报文分类为信息中心网络(ICN)报文以及将第二入IP报文分类为非ICN报文，以及包含处理器的IP报文处理器，其中所述IP报文处理器耦合至所述 FIB引擎和所述IP报文分类器，所述IP报文处理器用于拦截ICN报文以在IP内容路由器中进一步处理，在FIB引擎中咨询针对非ICN报文的转发指令，以及根据所述转发指令转发所述非ICN报文。
在另一项实施例中，本发明包括一种在网络中转发报文的方法，包括在路由器处从网络节点接收互联网协议(IP)报文，使用处理器确定所述IP报文的种类，其中所述种类包括信息中心网络(ICN)报文和非ICN报文之一，以及在确定数据报文为ICN报文时对该数据报文执行应用协议级处理。
在另一项实施例中，本发明包括一种在基于互联网协议(IP)的网络环境中路由信息中心网络(ICN)内容的装置，包括多个接口，与所述多个接口耦合的互联网协议(IP)报文分类器，其中所述IP报文分类器用于标识来自所述多个端口上的入 IP流量的IP兴趣(IP-I)报文和IP内容(IP-C)报文，与所述IP报文分类器耦合的IP协议分类器，其中所述IP协议分类器用于基于多个会话级协议中的一个协议的标识来分类IP-I报文和IP-C报文，以及与所述IP协议分类器耦合的多个应用处理引擎(APE)，其中每个所述APE对应于一个相应的会话级协议，且每个所述APE用于拦截IP-I报文中的名称以分发服务，例如在目标内容/服务位置由于移动(即，后期绑定)发生变化时将请求重定向至新的定位器、在应用内容存储器包含请求的内容时响应内容请求、将IP-C报文中的内容存储在应用内容存储器中以及基于IP-C报文的名称在应用内容存储器中索引来自IP-C报文的内容。
从结合附图和所附权利要求书进行的以下具体实施方式将更清楚地理解这些和其他特征。
附图说明
为了更全面地理解本发明，现在参考以下结合附图和具体实施方式进行的简要描述，其中相同参考标号表示相同部分。
图1为一项实施例所述的基于IP的内容路由器(IP-CR)的方框图。
图2为本发明一项实施例所述的示例性IP-I或IP-C报文协议栈的方框图。
图3为本发明一项实施例所述的系统的示意图，该系统中可实施基于IP的内容路由。
图4为本发明一项实施例所述的方法的协议图，该方法由主机使用来从IP-CR 域中提取内容。
图5为本发明的一项实施例所述的IP-CR的示意图。
图6为本发明一项实施例所述的IP报文602的头部的一部分的示意图。
图7为本发明一项实施例所述的方法的示意图，该方法保证用于内容多播的对称路径。
图8为内容识别网络单元的一项实施例的示意图。
图9示出了典型的通用网络组件，该网络组件适用于实施一个或多个本文本所公开的组件的实施例。
具体实施方式
最初应理解，尽管下文提供一个或多个实施例的说明性实施方案，但可使用任意数目的当前已知或现有的技术来实施所公开的系统和/或方法。本发明决不应限于下文所说明的描述性实施方案、图式和技术，包含本文所说明描述的示范性设计和实施方案，而是可以在所附权利要求书的范围以及其均等物的完整范围内修改。
互联网目前的运行，是通过将内容名称解析到域，然后再解析到原本储存该内容的主机IP地址。该方法的缺陷在于，无论以前是否曾请求过相同的内容，该内容必须重新提取。重新提取内容的想法，在网络效率方面(即在路由器和链接容量使用方面)，以及经济方面，尤其对于需要雇佣高层操作员来接入互联网的底层供应商来说，效率都非常低下。此外，内容提供服务器也有可能由于单点发生失误从而导致轻易过载的场景，这是因为内容供应服务器可能被要求调整为能够向上百万用户提供反复查找相同信息的服务。CDN等解决方案通过叠加分布式内容缓存基础设施来处理该问题。除减轻原始服务器的负载外，CDN还尝试在最接近的叠加缓存点解决用户请求，从而改善获取内容的时延。尽管CND通过提高网络效率减缓了服务供应商(SP)的问题，但是CND在经济上损害了SP的利益，因为原本CDN的数据是通过SP的基础设施进行传递从而不会对CDN产生成本。而且，对其叠加的缓存进行分布式优化可能导致潜在的SP网络不稳定，这是因为该网络的支撑对于其最终优化目标来说完全被忽视。
ICN通过使互联网络层基于名称而非内容服务器位置来将内容从主机去耦合。ICN提案为PULL驱动模型，其中用户明确请求(如表示对内容有兴趣)其查找的内容，且假设网络有信息能将该请求路由至最接近的位置。ICN网络的主干为内容路由器。内容路由器是具有缓存和计算资源的内容识别路由器。将PULL驱动模型与能够记忆流经其内的内容的内容路由器结合可处理现今许多IP缺陷。例如，缓存特征使内容能够得以多路广播，并解决了一旦网络由于之前用户的操作该内容已见就不能重新提取该内容的问题。由于该内容的名称在ICN框架中是固定的，所以只要对相同的内容名称表示兴趣，就可以从最接近的内容路由器中取回相同的内容。此外，ICN在遭遇网络切换中的网络中断之后，通过平衡网内缓存特征，以及重新表达出兴趣，解决了高速移动的问题。通过接收器使每个内容块无论在何处接收到均可自行验证，从而确保其安全性。
ICN解决方案可以三种方式部署。第一种方式为叠加模型，该方式为增量方法且实用。其涉及在域的边界处放置ICN路由器。此处的支撑层可为任意已部署的3层 (L3)技术(如IP等)、任意2层(L2)技术(如以太网等)或者其他协议(如多协议标记交换(MPLS)等)。此处，在此种部署下可实现ICN的全效率增益，ICN在内容分发效率方面要优于现在的网络。供应商的管理任务之一便是部署和管理涉及新协议的新网元(用户终端和网络设备)，并学习调节所述新网络设备(NE)以取得最大效率。
第二种方式为集成模型，该方法利用IP/超文本传输协议(HTTP)等已知协议来使能ICN架构中需要的特征。该方法在CAPEX和OPEX方面均能使实现新网络功能的成本最小。资本支出将减少，这是因为此种特征可通过软件升级至现存网元中来潜在实现，而无需替换终端和路由器中的IP协议栈。现今文献中的提案之一是使用HTTP 作为窄带宽。然而，其存在如下问题：(1)假设HTTP是用于内容分发的唯一协议(实时传输协议(RTP)是互联网协议电视(IPTv)应用的另一常见选择协议)；(2)使用 HTTP取代简单IP提供主机到主机的应用，其现在必须映射一段HTTP语义，比如Popa 提出的订阅者-获取协议(S-GET)等。有关于此的更多细节在Lucian Popa等人发表的名为《HTTP As a Narrow Waist for FutureInternetr》(Hot-ICE 2011)文章中进行了讨论，该文章作文参考文献全文并入本文本中。
第三种方式为重新设计的方法，该方法为最具破环性的方法，因为该方法涉及交换当前技术。该方式中的新解决方案需要部署新的硬件和软件。此外，该重新设计的方法也是最昂贵的方法。
本发明于此公开的系统、装置和方法，通过在IP中启用某些ICN特征，缩小了IP如今所达到与ICN设法达到之间的差距。支持这些特征的路由器此处称之为IP 内容路由器(IP-CR)。IP-CR可为传统的IP路由器，不同在于其实施此处所公开的新功能。因为这些特征基于IP构建，所以本发明所提议的加固的益处可通过一些软件更新以及重新决定现今IP路由器的缓存能力，并在必要时增加缓存大小来立即实现。所述系统、装置和方法不需要除现存协议之外的任何新协议。因此，实施这些特征的成本可以最低。
在一项实施例中，IP报文可包含一字段，该字段指示所述报文是否为传统IP 报文、IP兴趣报文(即包含针对内容的ICN兴趣或请求的IP报文)或者IP内容报文 (即包含ICN内容的IP报文)。在一项实施例中，如果所述IP报文为传统IP报文，则所述IP-CR正常处理所述报文(例如，根据公知的IP处理方法)。然而，如果所述 IP报文为IP兴趣报文或IP内容报文，则拦截所述报文进行附加处理。所述附加处理可包括从本地数据存储器中检索该内容并将该内容返回至请求客户端，而无需将请求转发至存储内容的原始服务器。在一项实施例中，IP内容报文中的内容可缓存至IP-CR 的本地数据存储器中，以便检索和提供所述IP内容报文至其他用户，而无需从所述 IP内容报文的原始服务器重新提取该内容。因此，所公开的IP-CR可通过基于IP的网络来路由传统IP报文和ICN数据，所述传统IP报文用于支持信息中心网络。
本发明公开的方法、系统和装置可提供一项或多项如下益处：本发明所公开的方法、系统和装置可使IP在PULL模式下操作，以便应用能够表达具有明确的内容名称和关联属性的“兴趣”协议数据单元(PDU)，所述明确的内容名称和关联属性使得网络能够在拓扑上最接近的位置解决该数据单元。本发明所公开的方法、系统和装置可提供使用“内容”PDU使IP有义务缓存内容，以便网络中的内容能够动态缓存以及随意检索，并因此使能网络中的内容多播特征。本发明所公开的方法、系统和装置可使能用户请求聚集允许多播树的动态构建以实现高效内容分发。本发明所公开的方法、系统和装置可允许IP层支持具有不可共享特性的点到点应用以及网络中固有地可分享的内容消耗和分发应用。本发明所公开的方法、系统和装置可提供一个解决方法，该解决方案可通过现今的IP网络(例如，互联网)中的IP基础设施进行少量升级来实现。本发明所公开的方法、系统和装置可运行于无连接以及面向连接的会话层协议，例如用户数据报/传输连接协议(UDP/TCP)。本发明公开的方法、系统和装置可对IP域内传播的内容实施各种安全级别。
此处公开IP的两种扩展。第一扩展可允许应用向IP层指示PDU所表达的是内容兴趣。第二扩展可指示IP PDU包含内容对象。兴趣IP报文(IP-I)可由IP内容路由器(IP-CR)解析为兴趣以查找内容对象。IP-I可在HTTP中模拟PULL模型。内容IP报文(IP-C)可解析为包含内容对象的响应报文，所述内容对象可潜在地缓存在网络中。实际上，IP报文中的单个比特可标记两种类型的报文。从将该信息编码至 IP头部中的视角来看，可有多种方法实现此目的。
一种方法为使用差分服务码点(DSCP)比特。在某种程度上，IP-(I/C)PDU 表示不同种类的流量，所述流量必须在路由器中差分并区别处理。IP报文头的8-13 比特用于指示DSCP码点，请求注解(RFC)2747定义该比特空间的三个池。RFC2724，“IPv4和IPv6报文头中差分服务字段(DS字段)的定义(Definition of the Differentiated Services Field(DSField)in the IPv4and IPv6Headers)”在此以引用方式全文并入本文本中。池3已标识为用于未来标准化，且池3的比特范围可用于标识IP-I或IP-C报文。在另一种方法中，可利用IP中的“选项”条款。通常，选项字段用于控制和调测。出于该目的还可能使用扩展字段。这两种类型的报文在下文中描述。该扩展适用于IPv6的情况。两者均遵循类型长度值(TLV)格式，可做如下编码。
如表1所示，对于IP兴趣(IP-I)PDU，如下选项设置可用于将报文标识为 IPv4中的IP-I PDU。下面是选项字段标识IP-I的类型长度值(TLV)的细节。
表1
如表2所示，选项数据字段可用于指示任意对IP层有用的兴趣专用属性。对于IP内容(IP-C)PDU，选项字段的设置与IP-I选项字段的设置相似，不同在于设置“选项数字(Option Number)”以指示内容报文并将“选项数据(Option Data)”映射到与内容对象关联的属性。
表2
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Copied 1 1
Option Class 2 (基于标准化)
Option Number 5 (基于标准化)
Option Length 8 基于内容属性可变。
Option Data 可变 对IP层有用的内容专用属性
图1为一项实施例所述的基于IP的内容路由器(IP-CR)102的方框图。 IP-CR102可包括IP报文分类器104、IP报文处理器106、转发信息库(FIB)引擎108、协议分类器110、多个应用处理组件118、120、122和124以及多个接口150。所述接口150可提供通往IP-CR102的网络连接以接收和发送报文，且其也可称为端口。接口150可耦合至或者包括发射器(未示出)和/或接收器(未示出)。所述协议分类器110可包括传输连接协议(TCP)端口分类器112、用户数据报协议(UDP)端口分类器114和针对其他类型协议的其他端口分类器116。每个应用处理组件118、120、 122和124可包括应用处理引擎(APE)126、应用待定兴趣表(A-PIT)124、内容存储引擎132和应用内容存储器(A-CS)130。FIB引擎108可包含转发表。FIB引擎108 可在IP-CR102中确定合适的接口150，IP报文发送至该接口以发射。
IP-CR102可接收、处理和发送三种类型的报文：IP报文140、IP-I报文142 和IP-C报文114。IP-I报文142是从网络中请求内容对象的IP兴趣报文。IP-C报文 144是包含可缓存内容对象的IP内容报文。可将IP-C报文144索引至应用协议层的命名语义，从而将IP-C报文144存储在IP-CR102的缓存中。IP报文由IP-CR102根据公知的方法进行接收和转发。IP-I142和IP-C144报文可由IP-CR102拦截以进行应用协议级处理。一旦拦截，可实施任意类型的服务，如内容分发或转换。可利用域名服务器(DNS)设置IP-I142和IP-C144报文的IP目的地址。如果不能在基于IP的内容路由器102的缓存或者附近内容路由器的缓存中找到该内容，则目的地设为默认回落。基于IP的内容路由器102可支持一个、多个或所有应用级协议，例如以太网、 IP、超文本传输协议(HTTP)和实时传输协议(RTP)等。
IP报文分类器104标识来自物理接口150上的入IP流量的IP-I和IP-C报文，该物理接口在IP-CR102的左下方和右侧示出。IP-I和IP-C报文由IP报文分类器104 和IP报文处理器106转发至协议分类器110。所述协议分类器110基于TCP或UDP等会话级协议将IP报文分类。一旦标识了会话级协议，端口分类器112基于该协议将该报文递交给对应的APE126来进一步处理。
APE126实施逻辑以处理应用层协议协议数据单元(PDU)。所述PDU可为HTTP、 RTP或任意其它应用层协议PDU。APE126可与其他基于IP的内容路由器中的APE协同以实施针对内容/位置确定的分布式哈希表(DHT)、安全服务和协作缓存等等。APE126 执行应用协议层功能，包括内容传播逻辑、本地缓存、业务点位置重定向(即通过改变目的IP地址，后期绑定)以及复杂应用数据操作，例如基于入IP-I或IP-C报文的媒体处理等。更重要的是，APE126可识别应用使用的命名语义，因此APE126能够解析IP-I报文内的名称，且如果APE126在其本地存储器130中包含有请求的内容，则响应内容请求。同时，IP-C报文中的名称可用于索引内容存储器130中的内容以备将来使用。如果未在APE126本地内容存储器130中发现该内容且内容/服务位置由于信息/服务供应商的移动已发生改变，则可在发送报文至FIB引擎108之前更新目的地定位器(例如IP地址或者名称等服务属性)以继续转发过程。
A-CS130可缓存从IP-C报文中获取的应用层净负荷。内容可存储在数据结构中，该数据结构索被引为内容名称的函数以备后续检索。A-CS130也可存储由针对应用层协议、统一资源标识(URI)或数据报文头的协议字段的其它字段的命名语义进行哈希的内容。
A-PIT124使用为可选，取决于应用。A-PIT124可聚集需求，以此避免将多个 IP-I报文142转发至上行基于IP的内容路由器或者服务器。在一项实施例中，为了在逆向路径多路广播非缓存内容，在边缘路由器中启用了A-PIT 124。端到端PIT的使用可能需要使用如OpenFlow等在网络的入口和出口点之间进行对称转发。在一项实施例中，A-PIT124可为状态A-PIT，其保存查找相同内容的入兴趣的列表以使能端到端A-PIT。在这种实施例中，IP-C报文144的转发目的地可由存储在A-PIT124中的本地信息替代。A-PIT124也可通过主动监控用户请求来缓和分布式拒绝服务(DDoS) 问题。
在内容可用于服务之前，A-PIT124将内容请求聚集在A-PIT124中。此处，只要IP路由能保证两点(例如，大多为网络的入口和出口点)之间的对称路由，聚集就可以为端到端的。IP路由总体可不使能该特征，但是可在如OpenFlow等框架下使能该特征。在内容从上行路由器到达前，聚集需求可能需要保存查找内容的主机的状态。该特征确保只有一个请求转发至内容源，因此，减轻服务器的负担。当IP-C路由器102接收到响应时，对应的APE126检查A-PIT124来查找其他请求该内容的用户、创建该内容的更多副本并将内容单播至每个所述端点。进一步地，APE126可决定基于内容策略缓存内容。考虑到APE126可配备用于记录针对每个前缀的流量以及用于在 APE126注意到请求特定内容或服务的请求泛滥时终止IP-I报文的逻辑，A-PIT124也可防护分布式拒绝服务(DDoS)攻击。A-PIT124可在每个内容路由器中实施，尤其在 IP路由聚集路由器(接入或主干)中。
如有需要，IP报文处理器106可执行从APE126卸载IP处理函数。可在FIB108 处理其之前，通过提交净负荷和动作的编码指令来实现这点，其中所述动作可为交换 IP地址或者创建多个IP报文副本等等。
在IP中，面向内容的应用，可与内容源主机及其内容自身的名称一起合作。内容命名可为应用专用。尽管基于URL的方法为最流行的方法，但不存在由NetFlix 或Google等内容供应商使用的针对特定内容的每个内容对象的公用格式。现今，大部分内容是通过HTTP分发的。内容显示的初始请求可遵循URL格式 file://<location>/<content>，该请求解析到提供内容元数据的服务器。然后，应用协议通过标准化动作使能客户端服务器(client-server)交互，该标准动作可为 Get和Post使能分发至终端用户的内容。
可使能应用以利用所提议的网络功能。新提议的对IP的扩展应能在改善网络效率的同时加速内容分发。应用使用HTTP和RTP等应用层协议及其自身的命名语义，通过所述语义，应用可以传达若干内容需求和流逻辑。套接口编程是利用底层会话和网络层功能的标准应用层协议概括。可实现新的套接字抽象，以允许应用在网络中生成IP-I和IP-C报文来通过IP-CR102执行内容分发逻辑。
图2为本发明一项实施例所述的示例性IP-I或IP-C报文协议栈200的方框图。所述IP报文协议栈200可扩展以允许应用层协议(字段206)利用IP-CR。可在终端主机上简单扩展套接字i/f来实现这点。通过此种扩展，应用级协议可选择与标示为 Reg.的常规字段208的标准套接字接口或者支持标示为Ext(字段210)的IP-I/C标记的扩展套接字共同工作。兴趣/内容(I/C)扩展字段210可提供指示信息以指示报文是否为IP-I/C报文220(即，IP-I报文或者IP-C报文)或者IP报文222。I/C扩展字段210可包含一个或多个用以指示报文类型的比特。
鉴于IP-CR节点终止了IP-I或IP-C报文，这对终端主机之间的会话级协议产生了影响。如果通过UDP请求和分发内容，则考虑到UDP的无状态属性，可相对容易的实施提议的IP扩展。在TCP情况下，必须在IP-CR或另一专用路由器中管理的代理处终止会话，路由器随后可将TCP会话报文(可进一步通过应用类型过滤)翻译成派定至原始服务器的IP-I兴趣请求。如果原始服务器仅通过TCP提供内容且服务器终端基础设施不支持IP-CR节点，则在域出口点至原始服务器之间可能需要有另一适配层，以便通过TCP检索缓存在网络中以备后续检索的内容。
即使对ICN提案来说，内容对象和IP级最大传输单元(MTU)不匹配也可能是一个难题。可能的解决方案如下。首先，媒体层可调整到IP可处理的媒体层内容对象的大小，并相应地对其命名，这样不用考虑内容破碎或重组，IP-CR节点可以对该内容进行缓存和服务。其次，可在应用协议和每跳IP层(类似于TCP)之间引入适配层，以便在缓存内容至IP-CR的内容存储器之前，APE中的逻辑能基于IP传输要求分割和重组这些内容块。
使用在PULL模式下工作的协议的应用应该能够利用本发明中的提案来改善移动服务的整体质量。对于此种应用，网络缓存组合和应用按名称表达数据的能力，可帮助减少转换过程中的报文丢失。例如，在依赖本地重定向和隧道通讯技术的 Mobile-IP协议中，可将内容移动通知归属代理(home-agent)，在此期间IP-CR可缓存该内容。切换完成后，可在移动/委托代理与归属代理之间发送信号来恢复该内容。对于在PUSH模式下工作的应用，一种方法是在重定向点和移动节点的当前锚点之间倒装工作的PULL模式，以便于恢复缓存的内容，然后移动至默认的工作PUSH模式。
本发明公开的IP-CR架构允许使用与鉴权、内容校验、信任以及隐私相关的各种级别的安全策略。在低级别中，可部署V.Jacobson等人(PARC)所发表的文章《网络命名内容(Networking named content)》(CoNext,2009)中提及的安全构造，并可以验证接收器所接收到的每个内容对象的完整性，该文章作为参考并入本文本中。此种每个PDU的签名逻辑同样遵循其他ICN架构方案。如前所述，路由器中的应用逻辑可基于应用要求灵活并入这个或其他安全策略。
域间路由或转发机制不应受本发明公开的方法、系统和装置影响，因为一个目的便是从本地域提供内容，而不考虑内容可能来自的其他域。这样做的话，考虑到内容分发中涉及的经济动机，此种问题可能必须稍后处理。
只要传输层开关可在本发明提供的路由器架构中逻辑地实施，这些提案也可在软件定义的网络(SDN)架构中实现。
本发明公开的IP-CR、方法和系统可支持静态内容。此种内容是基于供应商的角度的一些要求置于网络中。在此种情况下，入IP-I报文必须在网络中存在该内容的一个或多个位置进行解决。这可使用叠加<key,value>索引逻辑来实现，例如实施为PAE一部分的DHT等。在这种情况下，IP-C域的入口点处的入IP-I报文可将对应内容解析至网络中的具体位置。
也可支持集成的IP路由协议。IP-CR路由器可在部署仅限于边缘的场景中，实施针对自动拓扑发现的扩展的开放式最短路径优先/边界网关协议(OSPF/BGP)路由协议，也可通过使能网络中的IP-CR路由器之间的交互来执行内容级优化。
从网络边缘启用内容组播开始，可以用增量的方式部署IP-CR节点。通过转换更多的核心路由器来实现IP-CR功能应该能够取得更高的内容分发效率。内容传播逻辑也可在叠加模型中工作，其中IP-CR节点之间可相互协作以将内容路由和分发至用户，此种情况下，下层IP或MPLS等其他传输可扮演传输网络的角色。
图3为本发明一项实施例所述的系统300的示意图，该系统中可实施基于IP 的内容路由。系统300可包括IP-CR域302、客户端308、多个服务器314、316和318、多个其他域303-306以及DNS服务器312。IP-CR域302可包括多个IP-CR320、322、 324、326、328和330。
图3示出获取内容的过程，该过程中的步骤以圆圈内的数字示出。当客户端 308需要内容时，客户端308在步骤1处咨询DNS312以解析域，并从DNS312接收带有IP地址的响应。在步骤2，客户端308发送IP-I报文310至网络303。IP-I报文 310可包含多个字段，包括指示报文为兴趣报文的报文类型字段311。IP-I报文310 也可包含内容元数据信息、内容块的数量、片段时长、比特率编码以及传统IP报文字段等。IP-I报文可将IP目的地地址设置为原始服务器314的IP地址，因为如果网络302没有缓存的内容时，该地址是其回落地址。然后将IP-I报文310转发至 IP-CR320。
在步骤3，“兴趣”IP-I报文310碰到IP-CR域302，且IP-I报文310可由合适的APE进行处理。IP-CR320中的应用(APP)协议头传达名称并搜索内容存储器以确定内容是否包含在该内容存储器中并且可提取。如果发现内容，则将APP协议头制成合适的响应，将IP-I头中的IP目的地设置为源且将IP报文发送至请求客户端 308。如果在IP-CR310中未发现内容，则可在APE的PIT中匹配该内容以查看是否有先前用户请求过该内容。如果先前有用户请求过该内容，则记录主机源且IP-CR310 等待上行路由器的响应。如果用户为第一个请求该内容的用户，在PIT中创建一条该内容名称的记录，并将报文转发至原始服务器314。如果目标内容/服务位置由于移动发生变更，则在发送至FIB以继续转发流程之前，可基于策略更新目的地定位器(例如，IP地址)，这使能了后期绑定特征。
在步骤4，可在上行IP-CR322和324中执行与步骤3中相同的处理。在步骤5，在服务器中，内容报文可作为IP-C PDU源自内容源。当内容数据流经IP-CR时，PDU 可与其APP协议内容对象名称反向散列，并复制到内容存储器中。在这种方式下，本文本描述的IP-CR知道IP报文包含数据。可用单个比特来传达IP报文是否为“兴趣”或“内容”报文。
在步骤6，IP-C报文(未示出)到达IP-CR，例如IP-CR322。然后，IP-CR搜索PIT检查是否存在请求相同内容的先前请求。如果存在，则APE创建该内容的多个副本并将其单播至每个请求源。如果不存在，则可缓存APP报文并将其转发至请求源。
图4为本发明一项实施例所述的方法400的协议图，该方法由主机使用来从 IP-CR域中提取内容。在步骤402，从域http://domain.com/content中寻求内容的用户450可发送消息至DNS440寻求解析http://domain.com。在步骤404，DNS440可返回包含http://domain.com的IP地址的答复消息至用户450。在步骤406，用户450 然后可发送带有报文的消息至IP-CR460。IP-CR460可检测该报文来确定报文类型、在路由器缓存中查找声明(该声明可包含已请求过的内容的元数据，因此允许接收器恰当地命名和请求其余的内容)并可使用A-PIT来聚集相似的兴趣。如果在IP-CR460 的路由器缓存中未发现内容，则在步骤408，IP-CR460可将报文转发至IP-CR470。 IP-CR470可检测该报文的报文类型，并可在IP-CR470的路由器缓存中查找声明。如果未发现内容，则在步骤410，IP-CR470可将报文转发至服务器480。
服务器480可检索请求的内容，并在步骤412将包含请求内容的报文转发至 IP-CR470。从服务器480转发至IP-CR470的报文可包含指示报文包含有内容的报文类型字段。当从服务器480接收到报文时，IP-CR470可将内容存储或缓存至其内容存储器中，然后再步骤414将报文转发至IP-CR460。当收到报文时，IP-CR460可(在内容属主授权的情况下)将该内容存储或缓存至其内容存储器中。缓存该内容后， IP-CR460可将返回的报文转发至用户450。在步骤418、420和422，用户450可发送其他兴趣报文至IP-CR460。然后，IP-CR460可按照上述类似方式处理兴趣报文。如果IP-CR460在其内容存储器中包含内容，则IP-CR460可从IP-CR460的内容存储器中检索该内容并将该内容提供给用户450。否则，IP-CR460可将其余的兴趣报文转发至IP-CR470并可能转发至服务器480，以在其中检索内容并将内容返回至用户450。 IP-CR460和470可在内容转发至用户450时，将返回内容缓存至其内容存储器中。
图5为本发明的一项实施例所述的IP-CR502的示意图。IP-CR502可包括HTTP 处理单元504和移动性服务处理单元506。HTTP处理单元504可包括HTTP处理引擎 508、PIT510、内容存储引擎512和内容存储器514。内容存储器514可包含缓存的内容。内容存储器514也可包含表516，该表具有名称(例如URI)、键值以及指示内容在内容存储器514中的位置的关联指针。HTTP处理单元504可使能报文级本地缓存/ 内容多播、管理涌入场景以及聚集用户兴趣，从而在本地缓存前减少多个流。HTTP处理引擎508可确定传入报文的IP报文类型(例如，IP-C或者IP-I)。PIT510可包括含有兴趣名称(即，内容名称)的记录以及一套接收匹配兴趣的端口。当IP-I报文到达IP-CR502时，HTTP处理引擎508可找到匹配的PIT，且如果未在内容存储器514 中找到该内容，则将IP-I报文转发至PIT记录中列出的一个或多个端口。内容存储引擎512可与HTTP处理引擎508通信，并可确定与IP-I报文关联的内容包含在内容存储器514中。此外，内容存储引擎512可将IP-C报文中的内容存储至内容存储器 514中。
移动性服务处理单元506可包括移动性服务处理引擎520、PIT522、内容存储引擎524和内容存储器526。当移动节点从一个附着点转换到另一个时可应用该特征。内容存储器526可包括缓存的内容。内容存储器526也可包括表528，该表具有名称 (例如URI)、键值以及指示内容在内容存储器中的位置的关联指针。PIT522可包括含有兴趣名称(即，内容名称)以及一套接收匹配兴趣并等待数据到达的端口。两个或众多移动节点之间的对话，正常状态下，以面向发送器的方式进行，该对话可在本地切换，即，在所附PoA或者切换至操作PULL模式的背景下。这就需要临时归属代理将合适的规则注入IP报文处理引擎中以将数据保存为移动性服务引擎的一部分。当移动设备的IP-I报文到达IP-CR502和转换后的新PoA中的移动性服务引擎520时，可基于对话会话中使用的应用层协议的命名语义来检索数据。内容存储引擎524可与移动性服务引擎520通信，并可确定与IP-I报文关联的内容是否包含在内容存储器 526中。此外，内容存储引擎524可将IP-C报文中的内容存储在内容存储器526中。当前IP在移动期间会出现报文丢失。IP-I和IP-C可用于通过将内容缓存至内容存储器526以及稍后在聚集点检索内容来实现移动客户端(例如，移动电话和平板电脑等) 的无损切换。通过协助或合适的信令，移动性服务处理单元506可用于在对话会话递交中翻转发送器和接收器导向模式，以及当IP-CR502也充当PoA时利用IP-CR502的缓存能力。
图6为本发明一项实施例所述的IP报文602的ToS字段的示意图。IP报文602 可包括差分服务码点(DSCP)字段。DSCP字段可包括多个DSCP比特和多个明确拥塞通告(ECN)比特。在一项实施例中，DSCP比特可包含约6个比特，并可为比特0-5。在一项实施例中，ECN比特可包含约2个比特，并可为比特6和7。DSCP根据优先过的每跳行为，标识出不同流量的种类。池3可用于标记IP-I和IP-C报文，进一步地， DSCP包含足够的空间以再比特空间内代表应用级协议，例如，可只拦截基于HTTP/RTP 的内容导向流量。IPv4中的服务类型(ToS)字节已在IPv4中重新定义为DSCP+ECN 比特。IPv6保存IPv4的ToS字节，所以可应用同样的对使用池3标记IP-I和IP-C 报文的解释。
在IPv4中，“选项”设置也可用于将报文标识为IP-I PDU，如下表3所示。
表3
IP兴趣/内容PDU
在IPv6中，可利用“下一头域(Next-Header)”特征来将报文标识为IP-I 或IP-C。IPv6的“下一头域(Next-Header)”特征以类型长度值(TLV)格式编码“选项”。
图7为本发明一项实施例所述的方法的示意图，该方法保证用于多播流量的对称路径。IP路由为非对称的。然而，使用PIT构建的多播树，应确保内容延IP-I PDU 所构建树的相同路径返回。两个选项可确保针对多播流量的对称路径。选项一702使用OpenFlow(OF)构建流路径，以便路径为对称的。选项二704提供在具有IP-Src (IP源)和入隧道之间的映射关系的内容路由器间创建隧道，以便IP-C报文可正确映射回隧道。
隧道可基于通用路由封装协议(GRE)。IP-I和IP-C报文中的映射关系可映射至外部GRE头域以使得这些PDU可在隧道端点处进行恰当处理。协议头可为2B且应足以指示IP-I和IP-C报文。隧道可用于仅仅转发内容导向IP流量。当IP-CR以增量方式部署在供应上网络中时，这些技术可能尤为必要。
图8示出了网络单元800的一个实施例，该网络单元可以为经由网络传输和处理数据的任一设备。例如，网络单元800可以位于IP-CR102、IP-CR502或IP-CR域 302中的任何节点中，或者位于上述方案中的任何节点中。网络单元800(即内容路由器)也可以用于实施或支持上述的基于IP的内容中心路由和方法。网络单元800 可以包括一个或多个输入端口或单元810，所述输入端口或单元耦接到接收器(RX) 812，以从其他网络组件接收信号和帧/数据。网络单元800可以包括内容识别单元820，用于确定将内容发送到哪些网络组件。内容识别单元820可以使用硬件、软件或两者结合来实施。网络单元800还可以包括一个或多个输出端口或单元832，所述一个或多个输出端口或单元耦接到发射器(TX)830，以将信号和帧/数据传输到其他网络组件。接收器812、内容识别单元820和发射器832也可以用于实施至少一些所公开的方案和方法，该实施可以基于硬件、软件或者两者结合。网络单元800的组件可按照图8所示进行布置。
内容识别单元820也可以包括可编程内容转发平面块828，以及可以耦合到所述可编程内容转发平面块828的一个或多个存储块822。可编程内容转发平面块828 可以用于实施内容转发和处理功能，例如在应用层或L3处，其中可以基于内容名称或前缀对内容进行转发，并且可能基于将内容映射到网络流量的其他内容相关信息而进行转发。此类映射信息可以保存在内容识别单元820或网络单元800中的内容表中。可编程内容转发平面块828可以解译用户的内容请求，并相应地例如基于元数据和/ 或内容名称从网络或其他内容路由器中获取内容，并且可以例如暂时地将该内容存储在存储块822中。可编程内容转发平面块828随后可以将所缓存的内容转发给用户。可编程内容转发平面块828可以使用软件、硬件或两者的结合来实施，并且可以在IP 层或L2中操作。存储块822可以包含缓存824，用于临时存储内容，如订阅者所请求的内容。另外，存储块822可以包含长期存储器826，用于相对长久地存储内容，如发布者所提交的内容等。例如，缓存824和长期存储器826可包括动态随机存取存储器(DRAM)、固态驱动器(SSD)、硬盘或其组合。
上述网络组件和设备可在计算机或网络组件等任意通用网络组件上实施，所述计算机或网络设备具有足够的处理功率、内存资源和网络吞吐量能力来处理置于其上的必要工作量。图9示出一种典型的通用网络组件900，该组件适用于实施本发明公开的组件的一项或多项实施例。网络组件900包含处理器902(可以称为中央处理器单元或CPU)，所述处理器与包含以下项的存储设备通信：辅助存储装置904、只读存储器(ROM)906、随机存取存储器(RAM)908、输入/输出(I/O)设备910以及网络连接设备912。处理器902可以作为一个或多个CPU芯片实施，或者可以为一个或多个专用集成电路(ASIC)或数字信号处理器(DSP)的一部分。
辅助存储器904通常由一个或多个磁盘驱动器或磁带驱动器组成，用于数据的非易失性存储，且如果RAM908的大小不足以保存所有工作数据，那么所述辅助存储器还用作溢流数据存储设备。辅助存储器904可以用于存储程序，当选择执行这些程序时，所述程序将加载到RAM908中。ROM906用于存储在程序执行期间读取的指令以及可能读取的数据。ROM906为非易失性存储设备，其存储容量相对于辅助存储器904 的较大存储容量而言通常较小。RAM908用于存储易失性数据，并且可能用于存储指令。 ROM906和RAM908两者的存取速度通常比辅助存储器904的存取速度快。
本发明公开至少一项实施例，且所属领域的普通技术人员对所述实施例和/或所述实施例的特征作出的变化、组合和/或修改均在本发明公开的范围内。因组合、合并和/或省略所述实施例的特征而得到的替代性实施例也在本发明公开的范围内。应当理解的是，本发明已明确阐明了数值范围或限制，此类明确的范围或限制应包括涵盖在上述范围或限制(如从大约1至大约10的范围包括2、3、4等；大于0.10的范围包括0.11、0.12、0.13等)内的类似数量级的迭代范围或限制。例如，无论何时公开具有下限Rl和上限Ru的数值范围时，任何在该范围内的数值均已具体公开。具体而言，具体公开了在所述范围内的以下数字：R＝R1+k*(Ru–R1)，其中k为从1％到100％范围内以1％递增的变量，即，k为1％、2％、3％、4％、7％、…、70％、71％、72％、…、 97％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，还具体公开了由两个R数字定义的如上所述的任何数值范围。除非另有说明，否则使用术语“约”是指随后数字的±10％。相对于权利要求的任一元件使用术语“可选地”表示需要所述元件或者不需要所述元件，这两种替代方案均在所述权利要求的范围内。使用如“包括”、“包含”和“具有”等较广术语应被理解为提供对如“由…组成”、“基本上由...组成”以及“大体上由…组成”等较窄术语的支持。相应地，保护范围不限于上文的描述，而是由所附权利要求书界定，所述范围包含所附权利要求的主题的所有等效物。每项和每条权利要求作为进一步公开的内容并入说明书中，且权利要求书为本发明的实施例。本发明公开内容中对参考的论述并非承认其为现有技术，尤其是公开日期在本申请案的在先申请优先权日期之后的任何参考。本发明中所引用的所有专利、专利申请案和公开案的公开内容在此以引用的方式并入本文本中，其提供对本发明的示例性、程序性或其他细节补充。
虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来体现。本发明的示例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或组件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。
此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述的彼此耦合或直接耦合或通信的其他项也可以采用电方式、机械方式或其他方式通过某一接口、设备或中间组件间接地耦合或通信。其他变化、替代和改变的示例可以由本领域的技术人员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定。

Claims (20)

1.一种互联网协议(IP)内容路由器，其特征在于，包括：
转发信息库(FIB)引擎，所述引擎包括含有转发指令的数据存储器；
IP报文分类器，包括处理器，用于将第一入IP报文分类为信息中心网络(ICN)报文并将第二入IP报文分类为非ICN报文；以及
包含处理器的IP报文处理器，其中所述IP报文处理器耦合至所述FIB引擎和所述IP报文分类器，其中所述IP报文处理器用于：
拦截ICN报文以在IP内容路由器中进行进一步ICN处理；
针对非ICN报文的转发指令咨询FIB引擎；以及
根据所述转发指令转发所述非ICN报文。
2.根据权利要求1所述的IP内容路由器，其特征在于，所述ICN报文是IP兴趣(IP-I)报文和IP内容(IP-C)报文中的一种。
3.根据权利要求1所述的IP内容路由器，其特征在于，进一步包括与所述IP报文分类器耦合的IP协议分类器，其中所述IP协议分类器用于基于多个会话级协议中一个协议的标识对所述ICN报文进行分类。
4.根据权利要求3所述的IP内容路由器，其特征在于，所述会话级协议包括传输链接协议(TCP)和用户数据报协议(UDP)。
5.根据权利要求1所述的IP内容路由器，其特征在于，进一步包括与所述协议分类器耦合的多个应用处理引擎(APE)，其中每个所述APE对应于一个会话级协议，且每个所述APE用于解析IP兴趣(IP-I)报文中的名称，并且在请求内容包含在应用存储器内时响应内容请求。
6.根据权利要求5所述的IP内容路由器，其特征在于，如果未发现所述内容且内容/服务位置由于信息/服务供应商的移动发生变更，则所述APE进一步用于在报文发送至FIB以继续转发流程之前更新目的地定位器。
7.根据权利要求6所述的IP内容路由器，其特征在于，所述目的地定位器包含IP地址、服务属性和名称之中的一种。
8.根据权利要求5所述的IP内容路由器，其特征在于，进一步包括与所述协议分类器耦合的多个应用处理引擎(APE)，其中每个所述APE用于将IP内容(IP-C)报文中的内容存储在所述应用内容存储器中，并基于所述IP-C报文的名称在所述应用内容存储器中索引所述内容。
9.根据权利要求5所述的IP内容路由器，其特征在于，进一步包括与所述APE耦合的端口分类器，其中所述端口分类器用于在标识会话级协议后，基于所述协议号将所述IP-I报文和所述IP-C报文发送至相应的APE进行进一步处理。
10.根据权利要求5所述的IP内容路由器，其特征在于，进一步包括针对每个APE的应用专用待定兴趣表(A-PIT)，其中所述A-PIT用于在请求内容可用之前将内容请求聚集到待定兴趣表中，其中聚集内容请求包括在内容从上行路由器到达之前，保持搜寻该内容的主机的状态。
11.根据权利要求5所述的IP内容路由器，其特征在于，进一步包括为每个APE配置的内容存储器，其中所述内容存储器用于缓存从IP-C报文中获取的应用层净负荷，其中内容存储在索引为所述IP-C报文名称的函数的数据结构中。
12.根据权利要求5所述的IP内容路由器，其特征在于，进一步包括与所述IP报文分类器耦合的IP报文处理器，其中所述IP报文处理器用于执行从一个所述APE卸载的IP处理函数，且所述IP报文处理器用于接收净负荷以及动作的编码指令。
13.根据权利要求1所述的IP内容路由器，其特征在于，进一步包括与所述协议分类器耦合的多个移动性服务处理单元，其中所述移动性服务处理单元用于缓存IP兴趣(IP-I)和IP内容(IP-C)报文以实现移动客户端的无损切换。
14.一种在网络中转发报文的方法，其特征在于，包括：
在路由器处从网络节点中接收互联网协议(IP)报文；
通过处理器确定所述IP报文的种类，其中所述种类包括信息中心网络(ICN)报文和非ICN报文中的一种；以及
如果确定数据报文为ICN报文，则对数据报文执行应用协议级处理。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
解析IP兴趣(IP-I)报文中的名称；以及
如果与所述名称关联的内容包含在应用内容存储器中，则用应用数据存储器中的内容响应发起IP-I报文的节点。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将IP内容(IP-C)报文中的内容存储在应用内容存储器中；以及
基于所述IP-C报文的名称，在所述应用内容存储器中索引所述IP-C报文中的所述内容。
17.一种在基于互联网协议(IP)的网络环境中路由信息中心网络(ICN)内容的装置，其特征在于，包括：
多个接口；
与所述接口耦合的互联网协议(IP)报文分类器，其中所述IP报文分类器用于标识来自所述多个接口上的入IP流量的IP-I报文和IP-C报文；
与所述IP报文分类器耦合的IP协议分类器，其中所述IP协议分类器用于基于多个会话级协议中的一个协议的标识来对IP-I报文和IP-C报文进行分类；以及
与所述IP协议分类器耦合的多个应用处理引擎(APE)，其中每个所述APE对应一个对应的会话级协议，且每个所述APE用于：
解析IP-I报文中的名称；
如果请求内容包含在应用内容存储器中，则响应内容请求；
将所述IP-C报文中的内容存储在所述应用内容存储器中；以及
基于所述IP-C报文的名称，在所述应用内容存储器中索引所述IP-C报文中的所述内容。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，进一步包括端口分类器，用于在标识会话级协议后，基于协议号将IP-I报文和IP-C报文中的一种发送至所述多个APE中一个对应的APE进行进一步处理。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，进一步包括针对每个APE的应用专用待定兴趣表(A-PIT)，其中所述A-PIT用于在请求内容可用于服务之前将内容请求聚集到待定兴趣表中，其中聚集内容请求包括在内容从上行路由器到达之前，保持搜寻该内容的主机的状态。
20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，进一步包括为每个APE配置的内容存储器，其中所述内容存储器用于缓存从IP-C报文中获取的应用层净负荷，其中内容存储在索引为所述IP-C报文名称的函数的数据结构中。
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