摘 要

信息中心网络（Information-Centric Networking，ICN）是一种新型的的未来互联网体系结构。与如今的基于IP地址的结构不同，ICN是以内容为中心的。ICN中的网络缓存通过网络节点存储内容副本，为物联网（Internet of things，IoT）通信提供了现实的解决方案。为了提高缓存效率，研究界提出了许多的新型缓存方案。这些方案不仅提高了缓存命中率，而且在带宽、内容检索延迟、访问成本、网络流量等方面都有显著的改善。然而，信息中心网络物联网缓存仍然面临着如何在数据频繁更新以及物联网用户对数据新鲜度有要求的环境中缓存内容副本以最大化缓存效率的挑战。为了解决上述问题，本文提出了一种基于内容流行度、同时考虑了物联网数据更新的缓存策略，用于在网络中放置合适的内容块。所提出的策略根据内容的流行度和新鲜程度来确定是否在节点上缓存相应的内容块，即内容的流行度与新鲜程度较高时，节点将缓存该内容。该方案的有效性在ndnSIM中进行了评估。实验结果表明，对于不同的路由器缓存大小，所提出的策略在缓存服务率、平均延迟和跳数等方面的性能优于现有的缓存策略。

关键词：信息中心网络；物联网；缓存；流行度

Abstract

Information centric Networking (ICN) is a new Internet architecture in the future. Unlike today's IP-address based architecture, ICN is content centric. The network cache in ICN stores content replicas through network nodes, which provides a practical solution for Internet of things (IoT) communication. In order to improve the cache efficiency, many new cache schemes have been proposed. These schemes not only improve cache hit rate, but also improve bandwidth, content retrieval delay, access cost, network traffic and so on. However, the Internet of things cache in the information center network still faces the challenge of how to cache the content copy to maximize the cache efficiency in the environment of frequent data updates and Internet of things users' requirements for data freshness. In order to solve the above problems, this paper proposes a caching strategy based on content popularity and considering the data update of the Internet of things, which is used to place appropriate content blocks in the network. According to the popularity and freshness of the content, the proposed strategy determines whether to cache the corresponding content block on the node, that is, when the popularity and freshness of the content is high, the node will cache the content. The effectiveness of the scheme is evaluated in ndnSIM. The experimental results show that for different router cache sizes, the performance of the proposed strategy in cache service rate, average latency and hops is better than the existing cache strategy.

Key Words：Information-Centric Networking (ICN)；Internet of Things(IoT)；cache；popularity

目 录

第1章 绪论 1

1.1 目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究（设计）的内容及贡献 2

1.3.1 基本内容 2

1.3.2 目标与采用的技术方案及措施 2

1.3.3 主要贡献 2

1.4 论文各章节安排 3

第2章 相关研究概述 4

2.1 背景介绍 4

2.1.1 NDN概述 4

2.1.2 物联网概述 6

2.1.3 信息中心物联网 8

2.2 信息中心物联网网内缓存研究 8

第3章 基于数据流行度的信息中心物联网缓存方案 10

3.1 方案概述 10

3.2 具体算法 10

3.2.1 接收到兴趣包时的算法 10

3.2.2 接收到数据包时的算法 11

3.2.3 内容流行度的计算 12

3.3 一个简单例子 13

第4章 性能评价 14

4.1 实验设置 14

4.2 性能指标 15

4.3 实验结果 16

4.3.1 缓存服务率 16

4.3.2 平均访问延迟 17

4.3.3 平均跳数 18

第5章 结论 19

参考文献 20

致谢 22

第1章 绪论

1.1 目的及意义

从上个十年开始，随着互联网在人类生活中的普及和网络技术的不断进步，以及智能设备的不断发展，物联网（Internet of things，IoT）自从概念被提出以来经历了迅速的发展，成为新一代信息技术的重要组成部分。全球移动通信系统协会GSMA公布的报告^[1]显示，截至2018年，全球的物联网设备连接数量达到了91亿，而在2018年至2025年间，全球物联网连接（蜂窝和非蜂窝）数量将增加两倍，达到250亿。这将给当前基于IP的互联网带来巨大的挑战，例如命名和寻址每个设备。许多的物联网设备还具有内存不足、电池寿命不足等特点，因此大多数时候数据将变得不可用，而基础的的IP网络中缺少如网络缓存之类的解决方案。

在此背景下，产生了以CCN/NDN^[2]、DONA^[3] 、PURSUIT^[4]、NetInf^[5]等为代表的信息中心网络（Information-Centric Networking，ICN）架构。信息中心网络是一个很有前景的新型网络模型，它可以解决当前以主机为中心的互联网缺点。基于IP的网络本质上是为主机到主机之间的通信而设计的，其中主机的位置起着至关重要的作用，但是这种与位置相关的设计会产生某些瓶颈，例如有效的信息检索和传递。物联网应用本质上是以内容为中心的，它们关注的是数据本身，而不是数据存储在哪里。ICN通过使用唯一的、与位置无关的标识符来对命名内容进行命名，这样，应用程序就可以按照名称而不是IP地址来获取内容。这一特性使得ICN能够从本质上支持移动性，并克服了基于IP来进行寻址的局限性，因此ICN适合应用于物联网中。此外，信息中心网络具有一个重要的特性——网络内缓存，它可以通过在中间节点缓存内容来促进数据的传递，减少数据的检索延迟。