Phối hợp Content Store giữa các node CCN

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------

ĐẶNG TRẦN PHƢƠNG

PHỐI HỢP CONTENT STORE

GIỮA CÁC NODE CCN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH – 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------

ĐẶNG TRẦN PHƢƠNG

PHỐI HỢP CONTENT STORE
GIỮA CÁC NODE CCN

Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN
Mã số:
60.48.01.04

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS. LÊ TUẤN ANH

TP. HỒ CHÍ MINH – 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17, tháng 06, năm 2016
Tác giả luận văn

Đặng Trần Phương


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Lê Tuấn Anh đã hướng dẫn nhiệt
tình, tận tâm trong suốt quá trình giúp tôi thực hiện luận văn này. Thầy đã giúp cho
tôi định hướng mục tiêu, phương pháp nghiên cứu và tiếp cận, các tài liệu bổ ích và
đặt biệt là kinh nghiệm quý giá.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Võ Thị Lưu Phương đã cho tôi những ý tưởng
rất hữu ích để giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã
tạo điều kiện và đặc biệt gửi lời cám ơn sâu sắc tới các Thầy, các Cô đã tận tụy
hướng dẫn, giúp đỡ và truyền dạy những kiến thức quý báu, bổ ích cho trong suốt
khóa học, để tôi áp dụng vào công việc trong lĩnh vực công nghệ thông tin, cũng

như hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn các bạn học viên của lớp Cao học Hệ Thống Thông Tin 2014 đã gắn
bó, đoàn kết cùng nhau chia sẻ những kinh nghiệm, và giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 17, tháng 06, năm 2016
Tác giả luận văn
Đặng Trần Phương


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii
MỤC LỤC............................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................... v
DANH SÁCH BẢNG ..............................................................................................vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... vii
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
Chƣơng 1 – TỔNG QUAN ....................................................................................... 2
1.1

Vấn đề của mạng Internet ngày nay ............................................................. 2

1.2

Mục tiêu của luận văn .................................................................................. 4

1.3

Phƣơng pháp nghiên cứu.............................................................................. 6

Chƣơng 2 – CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN.............................. 8
2.1

Hoạt động của mạng CCN ........................................................................... 8

2.1.1

Giới thiệu .............................................................................................. 8

2.1.2

Cấu trúc gói tin CCN........................................................................... 10

2.1.3

Cấu trúc dữ liệu và hoạt động của node CCN ..................................... 11

2.2

Chính sách caching của CCN ..................................................................... 18

2.3

Các công trình nghiên cứu liên quan .......................................................... 21

Chƣơng 3 - PHỐI HỢP CÁC NODE CCN ............................................................. 26
TRONG CHIẾN THUẬT CACHING..................................................................... 26

3.1

Chia sẻ thông tin giữa các node CCN ........................................................ 26

3.2

Tính xác suất caching ................................................................................. 30

3.3

Thuật toán LCD-Prob................................................................................. 32

Chƣơng 4 -TRIỂN KHAI MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ....................................... 33


iv

4.1

Mô hình cài đặt mô phỏng ......................................................................... 33

4.2

Kết quả đạt đƣợc ........................................................................................ 35

4.3

Tiểu kết chƣơng ......................................................................................... 38

KẾT LUẬN ............................................................................................................. 39

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................ 40


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

CCN

Content Centric Networking

CDN

Content Distribution Newtork

CS

Content Store

FIB

Forwading Information Base

ICN

Information Centric Networks

LFU

Least Frequency Used

LRU

Least Recent Used

IP

Internet Protocol

MCD

Move Copy Down

MRU

Most Recent Used

PIT

Pending Interest Table

TCP

Transmission Control Protocol

WWW

World Wide Web


vi

DANH SÁCH BẢNG

Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

4.1

Tham số mô phỏng

31

4.2

So sánh tỉ lệ cache-hit của cơ chế cải tiến với
LCD

34

4.3

So sánh Hop-count trung bình của cơ chế cải

tiến với LCD

34


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Số hiệu hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Mô hình kết nối internet hiện nay

2

1.2

Dự báo tốc độ tăng trƣởng lƣu lƣợng internet

4

toàn cầu trong thời gian gần của Cisco
2.1

Mô tả các chunk có thể đƣớc sử dụng lại trong

9

mạng CCN
2.2

Cấu trúc Interest packet

10

2.3

Cấu trúc gói tin Data

11

2.4

Cấu trúc bảng Forwarding Information Base

12

2.5

Cấu trúc bảng Pending Interest Table

13

2.6

Cấu trúc Content Store

14

2.7

Bảng con trỏ (Index)

15

2.8

Lƣu đồ hoạt động của node CCN khi nhận gói

16

tin Interest
2.9

Hoạt động của node CCN khi nhận gói tin Data

17

2.10

Minh họa khác về xử lý gói tin tại node CCN

18

2.11

Mô tả hoạt động của LCE

19

2.12

Mô tả hoạt động của LCD

20

2.13

Kết quả mô phỏng với tỉ số cache-hit trung bình

24

2.14

Kết quả mô phỏng với chỉ số Số hop count

24

trung bình
3.1

Một mô hình topology

26

3.2

Các node core có tỉ lệ cache-hit thấp hơn các

27

node biên
3.3

Lƣu đồ thuật toán caching cải tiến

29

4.1

Topology mô phỏng của mạng CCN theo mô

32

hình Watts-Strogatz
4.2

Đồ thị về tỉ lệ cache-hit trung bình

33

4.3

Đồ thị về tỉ lệ Hop count trung bình

33


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay mạng máy tính đang ngày càng phát triển nhanh chóng và mạnh
mẽ, ngày càng có nhiều ngƣời sử dụng Internet để truy cập các tài nguyên trên
mạng nhƣ các trang web, dịch vụ âm thanh, hình ảnh, video….
Có rất nhiều thách thức đƣợc đặt ra khi nhu cầu truyền dữ liệu trên mạng
nhƣ: băng thông yêu cầu ngày càng cao, thời gian truyền dữ liệu có độ trễ lớn và
chiếm dụng đƣờng truyền lâu khi ngƣời dùng truy cập đến một máy chủ ở cách rất
xa vị trí của ngƣời dùng, về độ tin cậy, về khả năng mở rộng và tính bảo mật dữ
liệu, ...
Hiện tại các giao thức truyền tải chủ yếu dựa trên kiến trúc TCP/IP, giao thức
này ra đời từ những năm 70 của thế kỷ trƣớc và trở thành nền tảng cho mạng máy
tính ngày nay. Đây là kiến trúc mạng mà các đầu cuối kết nối với nhau theo mô
hình “Host-to-Host”, các kết nối theo giao thức TCP/IP điển hình giữa máy client
và máy server đòi hỏi sự báo hiệu và duy trì kết nối liên tục. Các gói tin dữ liệu
đƣợc chuyển từ đầu cuối này đến đầu cuối khác trên mạng, mỗi gói tin chỉ có giá trị
cho một kết nối giữa hai đầu cuối nhất định và không có giá trị sử dụng lại, các gói
dữ liệu đó sẽ bị hủy bỏ khỏi bộ nhớ cache của các router mạng sau khi đã đƣợc
chuyển đi thành công. Nếu có một ngƣời dùng đầu cuối có yêu cầu các gói dữ liệu
tƣơng tự thì thiết bị đầu cuối đó phải thực hiện thiết lập một kết nối mới TCP/IP độc
lập với server và yêu cầu cung cấp các gói dữ liệu đó.
Để phù hợp với xu thế ngày nay và thay thế kiến trúc mạng TCP/IP thì ông
Van JacobSon [8] đã giới thiệu một kiến trúc mạng mới là Content Centric
Networking (CCN). CCN là một kiến trúc mạng còn mới mẻ và đƣợc đánh giá là
kiến trúc mạng của tƣơng lai, rất thích hợp cho các dịch vụ cung cấp nội dung mà

điển hình đáng kể đến là video, tuy nhiên do đây là một mạng mới nên cần phải
nghiên cứu cải thiện và đánh giá một cách cụ thể. Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài
“Phối hợp content store giữa các node CCN” làm luận văn tốt nghiệp của mình.


2

Chƣơng 1 – TỔNG QUAN
Nội dung chƣơng này chúng tôi trình bày các vấn đề của mạng Internet ngày
nay là yêu cầu đặt ra để chúng tôi thực hiện nghiên cứu này, đó cũng chính là mục
tiêu của đề tài. Cuối cùng là nói về phƣơng pháp mà chúng tôi chọn để thực hiện
nghiên cứu và bố cục của luận văn.

1.1

Vấn đề của mạng Internet ngày nay
Dễ thấy rằng với mô hình mạng Internet thì tại gần các đầu cuối server sẽ có

yêu cầu lƣu lƣợng truyền dẫn lớn, thực tế là tại đầu cuối từ server kết nối đến mạng
Internet thƣờng hay xảy ra hiện tƣợng “nghẽn cổ chai”. Hiện tƣợng “nghẽn cổ chai”
xảy ra khi có quá nhiều các yêu cầu kết nối trên một liên kết vật lý mà băng thông
của liên kết vật lý này không có khả năng đáp ứng cùng lúc đƣợc dẫn tới các kết nối
bị trễ tại liên kết vật lý đó, nhƣ vậy các kết nối này cũng sẽ bị trễ trên toàn tuyến.

Hình 1.1: Mô hình kết nối internet hiện nay

Nhƣ hình 1.1 ta thấy rằng có hai điểm đánh dấu trên hình là tại đó khả năng
xảy ra “nghẽn cổ chai” là cao nhất đối với dịch vụ video của YouTube.

3

Một điều rất dễ thấy là mô hình mạng dùng giao thức TCP/IP rất lãng phí tài
nguyên mạng (băng thông đƣờng truyền, tài nguyên xử lý của node mạng trên
đƣờng truyền, tài nguyên của server, …). Một client kết nối đến một server mà
server đó ở càng xa nó thì việc lãng phí tài nguyên mạng càng tăng.
Nhân loại đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị di động
thông minh, các dịch vụ trực tuyến, hầu nhƣ mọi ngƣời dùng đều có thiết bị di động
thông minh: Smartphone, Tablet, Smartwatch,…Theo sự phát triển của các thiết bị
cầm tay thông minh thì nhu cầu chụp ảnh, quay video, chia sẻ ảnh, video trên
Facebook, upload video lên Youtube,… ngày càng tăng và kết quả là dữ liệu nội
dung đƣợc tạo ra bởi ngƣời dùng ngày càng nhiều.
Với công nghệ đám mây (Cloud) đang ngày càng phổ biến và xu hƣớng dịch
vụ đám mây tƣơng lai là tập trung năng lực xử lý tại đám mây thay vì tại các thiết bị
đầu cuối của khách hàng, khi đó thiết bị ngƣời dùng đóng vai trò nhƣ một màn hình
hiển thị. Điều này đặt ra là yêu cầu về công nghệ và băng thông đƣờng truyền để
truyền tải thêm một lƣợng lớn thông tin trên mạng là một điều thách thức lớn đối
với cơ sở hạ tầng mạng hiện nay.
Một cáo cáo về lƣu lƣợng mạng của Cisco cho thấy sự tăng trƣởng của lƣu
lƣợng mạng qua các năm là rất nhanh và có thể tin rằng đà tăng trƣởng này sẽ còn
“dốc” hơn nữa trong những năm tiếp theo. Một điều đáng lƣu ý là loại dữ liệu nội
dung có tỉ trọng và tốc độ tăng trƣởng chiếm vị trí độc nhất đó là lƣu lƣợng video,
đây là loại lƣu lƣợng thời gian thực và yêu cầu cao đối với thời gian trễ (delay). Với
đà tăng trƣởng mạnh mẽ của lƣu lƣợng mạng và tỉ trọng ngày càng tập trung vào
video là một thách thức rất lớn đối với hạ tầng mạng cũng nhƣ cơ chế hoạt động của
giao thức internet TCP/IP hiện nay.


4

Hình 1.2: Dự báo tốc độ tăng trƣởng lƣu lƣợng internet toàn cầu trong thời gian
gần của Cisco [22]

1.2

Mục tiêu của luận văn
Đứng trƣớc vấn đề mà mạng Internet ngày nay đang đối mặt, năm 2009 ông

Van Jacobson đã đƣa ra kiến trúc mạng Content Centric Networking (CCN) trong
công trình nghiên cứu [8]. Đặc điểm của kiến trúc này không theo mô hình Host-toHost hoặc sử dụng địa chỉ IP là cơ sở cho định tuyến và kết nối mà giờ đây mọi thứ
đều xoay quanh dữ liệu đƣợc đặt tên (Named Content). Dữ liệu nội dung sẽ đƣợc
cache lại tại các router mạng (gọi là router CCN hay node CCN) và đƣợc chia sẽ
cho nhiều ngƣời dùng mà có yêu cầu giống nhau.
Mỗi node CCN có một bộ nhớ (Content Store) dùng để cache lại các gói tin
cần thiết, gói tin nào đƣợc cache đƣợc quyết định bởi chính sách quyết định


5

(Decision policy). Bởi vì dung lƣợng bộ nhớ cache của các node CCN là giới hạn,
do đó các chiến lƣợc caching nhƣ: chính sách quyết định (Decision policy) và chính
sách thay thế (Replacement policy) đối các gói tin dữ liệu trên mỗi node CCN cần
đƣợc nghiên cứu và cải tiến sao cho các gói tin đƣợc cache lại trên node CCN có giá
trị sử dụng lại cao và mỗi node CCN sử dụng bộ nhớ cache của nó hiệu quả.
Trong mạng CCN, caching đƣợc diễn ra tại mỗi các node CCN. Chiến lƣợc
caching trong mạng CCN đƣợc ông Van Jacobson giới thiệu bao gồm:
-

Chính sách quyết định là Leave Copy Everywhere (LCE) sẽ quyết định
node CCN luôn luôn cache lại các khối dữ liệu của ngƣời dùng khi đi qua

nó.

-

Chính sách thay thế (Replacement policy) là lựa chọn một khối dữ liệu để
thay thế bằng một khối dữ liệu mới, ông Van Jacobson giới thiệu kiến trúc
mạng CCN sử dụng chính sách thay thế là Least Recent Used (LRU) hoặc
Least Frequency Used (LFU).
Caching là thành phần quan trọng hàng đầu trong kiến trúc mạng CCN và

đã đƣợc rất nhiều sự quan tâm và nghiên cứu của cộng đồng khoa học trong lĩnh
vực mạng trên thế giới. Nghiên cứu, cải tiến hoặc tìm ra một cơ chế caching hiệu
quả hơn mà có thể áp dụng cho mạng CCN nhằm góp phần thúc đẩy sự hoàn thiện
của mạng CCN và đƣa vào thực tiễn ứng dụng để thay thế cho mạng Internet ngày
này là mục tiêu chung của rất nhiều nhà nghiên cứu trong cộng đồng khoa học lĩnh
vực mạng trên thế giới. Cũng cùng mục tiêu đó, trong đề tài này, chúng tôi lựa chọn
chính sách quyết định (Decision policy) làm mục tiêu nghiên cứu nhằm tìm ra một
cơ chế hoạt động hiệu quả hơn LCE, đơn giản ở mức có thể áp dụng trong thực tế
cho mạng CCN.
Để đánh giá tính hiệu quả của các cơ chế, chúng tôi sử dụng chỉ tiêu đánh
giá phổ biến mà đƣợc nhiều công trình nghiên cứu về caching đã sử dụng, đó là tỉ lệ
cache-hit (%) của mỗi node CCN trong quá trình hoạt động và tỉ lệ cache-hit (%)


6

trung bình của toàn mạng để đánh giá tổng quát tính hiệu quả của cơ chế caching
trong mạng CCN. Tỉ số cache-hit trung bình càng cao thì cho thấy cơ chế đó càng
hiệu quả hơn. Ngoài ra một chỉ tiêu quan trọng khác mà hay đƣợc sử dụng để đánh
giá caching là trung bình hop-count, hop-count là số hop mà một gói tin yêu cầu

(Interest packet) phải đi qua (hoặc đi đến) cho đến khi có sự kiện cache-hit xảy ra
cho yêu cầu đó. Nhƣ vậy nếu hop-count càng nhỏ thì dữ liệu khả dụng càng đƣợc
cache gần với ngƣời dùng hơn. Để đánh giá tính hiệu quả chung của cơ chế thì
chúng tôi sử dụng hop-count trung bình của tất cả các yêu cầu trong quá tình mô
phỏng.
Hai chỉ tiêu cache-hit trung bình và hop-count trung bình đƣợc chúng tôi sử
dụng đánh giá khi mô phỏng nhiều cơ chế khác nhau và đã cho thấy là chúng không
hề mâu thuẫn nhau trong việc đánh giá hiệu quả của các cơ chế caching.

1.3

Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu là Phƣơng

pháp thực nghiệm khoa học bằng cách mô phỏng thực nghiệm đối với một số
topoloty mạng CCN và áp dụng các cơ chế caching khác nhau (LCD, LCD, các cơ
chế chúng tôi đề xuất), xem xét kết quả và đánh giá sự hiệu quả của các cơ chế qua
các chỉ tiêu đánh giá (nhƣ đã nói ở trên và đƣợc đề cập cụ thể trong chƣơng 4).
Phân tích kết quả đạt đƣợc và tiến hành điều chỉnh cơ chế và tiếp tục thực nghiệm
mô phỏng để kiểm chứng đề xuất.
Nội dung luận văn gồm bốn chƣơng:
Chƣơng 2 trình bày cấu trúc và hoạt động của mạng CCN ở các phần liên
quan đến caching, khảo sát các công trình đã đăng tải liên quan đến đề tài luận văn,
nêu những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà đề tài luận văn quan tâm.
Chƣơng 3 trình bày đề xuất của chúng tôi về cơ chế phối hợp giữa các node
CCN trong hoạt động caching, giải thuật và lƣu đồ của cơ chế mà chúng tôi đề xuất.


7

Chƣơng 4 chúng tôi sẽ tiến hành thực hiện mô phỏng để đánh giá hiệu quả
của cơ chế mà chúng tôi đề xuất trên mạng CCN và kết luận.


8

Chƣơng 2 – CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN
Nội dung của chƣơng này trình bày cấu trúc các gói tin, cấu trúc dữ liệu và
cơ chế hoạt động của mạng CCN, các chính sách caching liên quan của CCN, đặc
biệt đề cập đến chính sách quyết định (Decision policy) mà nó liên quan đến đề tài
này. Cuối cùng là nói về các công trình nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực mà đề tài
đã chọn.

2.1 Hoạt động của mạng CCN
2.1.1 Giới thiệu
Trong mạng Content Centric Networking (CCN), các gói tin (còn gọi là các
chunk) đƣợc cache lại trên các node CCN (các Router CCN - Router đƣợc trang bị
bộ nhớ cache dung lƣợng lớn) mỗi khi có gói tin đi xuyên qua một node CCN trên
đƣờng từ nguồn đến đích, các gói tin này đƣợc cache lại nhằm mục đích đáp ứng
cho những ngƣời dùng khác có nhu cầu sử dụng gói tin này. Nếu có ngƣời dùng
khác có yêu cầu gói tin tƣơng tự thì node CCN mà đang cache các gói tin này sẽ
đƣợc gởi đi gói tin tƣơng ứng để đáp ứng cho ngƣời dùng đó, nhƣ vậy ngƣời dùng
có thể nhanh chóng nhận đƣợc dữ liệu cần thiết thay vì phải trao đổi các gói tin báo
hiệu để thiết lập một kết nối đến server nhằm chuyển khối dữ liệu ấy từ server đến
ngƣời sử dụng. Tƣơng ứng là độ trễ đáp ứng dịch vụ cho ngƣời dùng của mạng
CCN sẽ giảm xuống.
Các node CCN sẽ không cache lại theo đơn vị là đối tƣợng (object) mà sẽ
cache lại trên đơn vị là các chunk của object đó (một object có thể có gồm nhiều
chunk ghép lại thành). Các đối tƣợng trong mạng CCN đƣợc đặt tên sao cho có tính
chất duy nhất trong phạm vi toàn mạng. Khi ngƣời dùng yêu cầu một đối tƣợng đã

đƣợc đặt tên thì yêu cầu này đƣợc thể hiện bằng một chuỗi các gói tin Interest
(Interest packet) cho đối tƣợng đó, các gói tin Interest đƣợc chuyển đi trong mạng
CCN để tìm về các chunk tƣơng ứng của đối tƣợng. Mỗi node CCN có thể cache


9

một hoặc một số chunk của đối tƣợng, mỗi khi một gói tin Interest đến một node
CCN và tìm thấy chunk thích hợp thì chunk này sẽ đƣợc gởi trả lời bằng các gói tin
Data theo ngƣợc hƣớng của gói tin Interest đến.

Hình 2.1: Mô tả các chunk có thể đƣớc sử dụng lại trong mạng CCN

Truyền thông trong mạng CCN đƣợc điều khiển bởi đầu nhận, còn đƣợc gọi
là ngƣời dùng (Receiver) là thành phần cần truy cập dữ liệu từ mạng CCN. Để nhận
đƣợc dữ liệu cần thiết, Receiver gửi các gói tin Interest ra mạng, các gói tin này
mang định danh của dữ liệu cần nhận. Lƣu ý là trong mạng CCN, để nhận đƣợc dữ
liệu cần thiết, Receiver không cần biết cụ thể địa chỉ nơi lƣu trữ dữ liệu, nó chỉ cần
gửi yêu cầu ra mạng, và phía mạng sẽ chịu trách nhiệm về việc định tuyến và
chuyển dữ liệu có cùng định danh trong yêu cầu về cho Receiver.
Ví dụ: Receiver cần nhận dữ liệu có định danh parc/lecture/section1.ppt.
Receiver chỉ cần gửi gói tin Interest có định danh “parc/lecture/section1.ppt” đến
node CCN trực tiếp, nếu dữ liệu này không đƣợc cache trong node CCN đó thì
node đó sẽ ghi lại interface mà gói tin Interest đƣợc chuyển đến và sau đó sẽ có cơ


10

chế chuyển tiếp gói tin Interest đến nguồn lƣu trữ dữ liệu có cùng định danh chứa
trong gói tin Interest. Sau khi tìm đƣợc đến nguồn lƣu trữ dữ liệu, gói tin Data

tƣơng ứng sẽ đƣợc gởi trả về cho Receiver theo thông tin đánh dấu đƣờng đi trong
các node CCN mà gói tin Interest đã đi qua.

2.1.2 Cấu trúc gói tin CCN
Các gói tin trong mạng Internet hiện tại chứa địa chỉ IP nguồn, IP đích, dữ
liệu và các thông tin khác. Tuy nhiên, trong CCN, địa chỉ của các thực thể tham gia
truyền thông mạng không còn đƣợc chú trọng, thay vào đó thì dữ liệu mới là thành
phần đƣợc quan tâm. Chính vì vậy, các gói tin trong CCN không hề mang địa chỉ IP
của nguồn dữ liệu hoặc và của Receiver. Thay vào đó, nó mang định danh dữ liệu,
nó là thành phần có tính tồn tại duy nhất trong mạng. Đề xuất gói tin trong mạng
CCN có hai loại: gói tin Interest và gói tin Data.

a. Gói tin Interest:
Interest là gói tin yêu cầu dữ liệu từ phía Receiver. Mỗi gói tin dữ liệu
(chunk) tƣơng ứng với một gói tin Interest. Interest mang định danh tƣơng ứng với
với định danh của các chunk cần nhận. Các node CCN sẽ dựa vào định danh đƣợc
mang trong gói tin Interest để định tuyến gói tin đến nơi lƣu trữ dữ liệu. Cấu trúc
của một gói tin Interest nhƣ sau:

Hình 1.2: Cấu trúc Interest packet


11

b. Gói tin Data:
Trong mạng CCN, dữ liệu đƣợc chia thành các gói tin data (chunk), mỗi
chunk mang một định danh là trong trƣờng content name, định danh này là duy nhất
trên mạng. Nguồi dữ liệu sẽ gửi trả lời các chunk tƣơng ứng mỗi khi nhận đƣợc các
gói tin Interest có cùng định danh cho Receiver theo cơ chế lƣu dấu đƣờng đi của
các gói tin Interest trong các node CCN, cơ chế này sẽ đƣợc trình bày trong phần

sau luận văn.
Hình ảnh mô tả cấu trúc gói tin gói tin Data trong mạng CCN:

Hình 2.3: Cấu trúc gói tin Data

2.1.3 Cấu trúc dữ liệu và hoạt động của node CCN
CCN định tuyến và chuyển tiếp gói tin dựa vào định danh dữ liệu, nhờ thế nó
loại bỏ các vấn đề mà trong mạng Ipv4 hiện tại đặt ra ví dụ nhƣ không gian địa chỉ
giới hạn, khả năng mở rộng quản lý địa chỉ IP hạn chế, các máy chủ không cần để lộ
thông tin khi cung cấp một nội dung nào đó (và do đó hạn chế rất nhiều thể loại tấn
công mạng hiện nay dựa trên địa chỉ và cơ chế địa chỉ IP), tính di động (khi một
thiết bị chuyển vùng từ mạng này sang mạng khác, nó không cần tính toán cấp lại
địa chỉ IP)... Ƣu điểm quan trọng là Receiver khi cần truy hồi một dữ liệu nào đó,
nó không cần phải biết cụ thể địa chỉ của nguồn lƣu trữ, nó chỉ cần gửi một yêu cầu
đến node CCN gần nhất, phía mạng có nhiệm vụ định tuyến yêu cầu này đến nguồn
dữ liệu gần nhất và lấy về dữ liệu mà Receiver yêu cầu.


12

Định tuyến có thể đƣợc thực hiện giống nhƣ mô hình mạng hiện tại, thay vì
hiện tại sử dụng địa chỉ IP để định tuyến, các node CCN định tuyến dựa trên định
danh dữ liệu, dữ liệu thông tin định tuyến đƣợc lƣu trữ trong node CCN với cấu trúc
bảng Forwarding Information Base (FIB). Mỗi node CCN xây dựng bảng FIB của
nó dựa trên các báo hiệu định tuyến lan truyền qua mạng thông qua một giao thức
định tuyến, chẳng hạn nhƣ là các giao thức OSPF, BGP. Không gian tên dữ liệu là
không có giới hạn do tính mở không rộng hạn chế theo cấu trúc phân cấp (“/”), làm
thế nào để giữ cho kích thƣớc của bảng định tuyến có thể quản lý đƣợc lại là một
vấn đề cần phải nghiên cứu.

Prefix list

Interface list

parc/

9

…

…

IEEexplore.ieee/

8

…

…

Hình 2.4: Cấu trúc bảng Forwarding Information Base (FIB)

Mỗi gói tin Interest đi qua node CCN, node CCN ghi lại định danh trong
bảng Pending Interest Table (PIT). Bảng này có nhiệm vụ lƣu vết các gói tin
Interest đang chờ để đƣợc phục vụ, có nghĩa là đã đƣợc gửi yêu cầu đến các node
khác và chờ phản hồi từ chúng. Đồng thời bảng PIT cũng lƣu lại cổng Interface mà
gói tin Interest đến node CCN. Một khi gói tin Data đƣợc gửi trả lại node CCN,
node CCN sẽ dựa vào bảng PIT để gửi trả gói tin Data ra ngoài theo Interface yêu
cầu, nhờ đó mà dữ liệu có thể tìm về đúng Receiver đã gửi yêu cầu ra mạng.

13

Prefix list

Interface list

parc/lecture/section1.ppt/2/1

1,3

parc/paper/2016/paper1.pdf

2,3

IEEexplore.ieee/paper/Jornal/Paris2016.pdf

5

…

…

Hình 2.5: Cấu trúc bảng Pending Interest Table (PIT)

Mỗi gói tin Data khi đi qua node CCN thì có thể sẽ đƣợc lƣu lại ở node CCN
trong một khoảng thời gian nhất định (quyết định có lƣu lại gói tin Data hay không
phụ thuộc và chính sách quyết định – Decision policy của node CCN), thời gian này
tùy thuộc vào khả năng bộ nhớ của node CCN và đƣợc quyết định bởi chính sách
thay thế (Replacement policy). Content Store là bộ nhớ thể hiện là một cấu trúc

bảng giúp node CCN quản lý lƣu trữ danh sách các gói tin Data trong bộ nhớ cache.
Thực chất đây chỉ là bộ nhớ đệm của node CCN.
Khi nhận đƣợc một gói tin Interest, node CCN kiểm tra trong Content Store
của nó, nếu tồn tại dữ liệu có định danh trùng với định danh trong gói tin Interest,
dữ liệu đó sẽ đƣợc gởi ra trong gói tin Data để gửi trả lời cho Receiver và hủy gói
tin Interest đó.
Trong cấu rúc của mạng Internet TCP/IP hiện tại cũng có bộ nhớ đệm cho dữ
liệu mạng. Tuy nhiên điểm khác biệt cơ bản giữa cấu trúc mạng Internet hiện nay và
mạng CCN đó là khả năng sử dụng lại của các gói tin. Trong mạng Internet hiện
nay, các gói tin gói tin dữ liệu mang duy nhất một cặp địa chỉ Source và
Destination, chính vì vậy chúng không thể đƣợc tái sử dụng lại nếu có một ngƣời
dùng nào đó muốn cùng một dữ liệu đó. Ngƣợc lại, với mạng CCN, gói tin Data
đƣợc định danh bằng tên, do đó bất kì Receiver nào yêu cầu dữ liệu có cùng định
danh với dữ liệu đang đƣợc lƣu tại bộ nhớ cache (Content Store) của node CCN đều


14

có thể sử dụng gói tin này mà không cần phải tìm đến nguồn lƣu trữ cố định của dữ
liệu. Điều này thể hiện tính chất tái sử dụng tốt trong cơ chế mạng CCN. Đối với dữ
liệu càng có nhiều ngƣời quan tâm truy cập thì khả năng phục vụ của dữ liệu đó
càng nhanh, bởi vì nó sẽ đƣợc cache lại thƣờng xuyên và phổ biến trong các node
CCN dựa trên các chính sách caching trong hoạt động của mạng CCN (Least Recent
Used hoặc Least Frequency Used).

Prefix list

Info

parc/lecture/section1.ppt/2/1

…

parc/lecture/section1.ppt/2/2

…

parc/lecture/section1.ppt/2/3

…

parc/lecture/section1.ppt/1/1

…

parc/paper/2016/paper1.pdf

…

…

…

IEEexplore.ieee/paper/Jornal/Paris2016.pdf

…

IEEexplore.ieee/paper/Jornal/Paris2015.pdf/1

…

IEEexplore.ieee/paper/Jornal/Paris2016.pdf/2

…

…

…

Hình 2.6: Cấu trúc Content Store (CS)

Các node CCN phải có các cơ chế quản lý bộ nhớ CS này sao cho hiệu quả,
tốc độ truy cập và so khớp định danh các gói tin một cách nhanh chóng. Một số cơ


15

chế quản lý thay thế gói tin trong CS đƣợc đề xuất nhƣ Least Recently Used (LRU),
Least Frequency Used (LFU) hoặc Random (RND). Thay vì loại bỏ gói gói tin dữ
liệu tại node CCN một cách ngẫu nhiên nhƣ RND thì LRU hoặc LFU cho phép loại
bỏ các gói tin ít đƣợc sử dụng nhất (hoặc ít thƣờng xuyên sử dụng nhất) trong danh
sách lƣu trữ để dành không gian cho dữ liệu mới.
Các khối dữ liệu đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ cache có định danh lƣu trong
bảng con trỏ:

Hình 2.7: Bảng con trỏ (Index)

Khi một gói tin Interest đƣợc gửi đến node CCN, trƣớc tiên node CCN sẽ tìm
kiếm trong bảng con trỏ (Index), bảng này sẽ cho biết bƣớc kế tiếp cần tra cứu bảng
nào (CS hoặc PIB hoặc PIT), Nếu bảng Index trỏ vào bảng CS thì dữ liệu cần tìm

đang đƣợc cache lại trong node CCN (tức là có trong Content Store) và node CCN
sẽ tra cứu trong CS để truy xuất bộ nhớ nơi lƣu trữ dữ liệu và sẽ gửi trả bằng gói tin
Data về cho Receiver.


16

Nếu bảng Index trỏ vào bảng PIT thì tức là node CCN không có cache dữ
liệu này và đang xử lý một yêu cầu tƣơng tự, do đó node CCN sẽ tra cứu trong bảng
PIT và cập nhật thêm interface đến của gói tin Interest này vào trƣờng Interface list
của định danh dữ liệu tƣơng ứng và hủy gói tin Interest.
Nếu bảng Index trỏ vào bảng FIB tức là node CCN không cache dữ liệu này
trong bộ nhớ cũng nhƣ đang không xử lý một yêu cầu tƣơng tự. Vì vậy node CCN
sẽ tra cứu trong bảng FIB để biết cần chuyển tiếp gói tin Interest này ra interface
nào để có thể đi đến nguồn chứa dữ liệu cần tìm. Đồng thời node CCN sẽ cập nhật
thông tin này (định danh dữ liệu và interface đến của gói tin Interest) vào bảng PIT
để lƣu dấu vết.

Hình 2.8: Lƣu đồ hoạt động của node CCN khi nhận gói tin Interest