前言
傳統的基于TCP/IP協議的網絡體系結構逐漸呈現出許多問題，如網絡容量難以支持千倍流量的增長、網絡能耗及比特成本開銷較大等，無法適應當前移動互聯網的發展。在TCP/IP協議中，主機通過IP地址進行身份標識，數據包在傳輸過程中封裝源IP地址與目的IP地址，并根據路由表進行轉發，最終找到目標主機。這種“主機-主機”的傳輸機制可以很好地運行在客戶機/服務器模式下的應用場景，但是隨著移動互聯網、物聯網、云計算、霧計算等應用的興起，用戶請求的內容已從簡單的網頁文字轉變為多媒體業務，用戶更加關心如何快速獲取所需的內容，而并不關心該資源存放的具體位置。為了從根本上解決傳統的“以主機為中心”的TCP/IP通信模式造成的問題，科研人員設計了新一代以內容為中心的網絡體系結構，即內容中心網絡（Content-Centric Networking，CCN），以適應未來海量、新型網絡應用的需求。
CCN網絡將傳統TCP/IP模型中的IP承載層更換為內容承載層，使用內容名字替代IP 地址，進行定位、路由及傳輸，為用戶提供端到內容服務。同時，CCN 網絡也擴展了路由節點的功能，將只具有轉發功能的傳統節點擴展成同時具有存儲與轉發功能的CCN 節點，提升了網絡的傳輸能力。但是，CCN 網絡仍存在一些關鍵問題，其中之一就是如何設計高效、可靠的路由方法。當前的CCN 路由方法只考慮了興趣包如何找到發布者服務器上存儲的內容，卻沒有考慮實時的網絡狀態和網絡中普遍存在的大量相同緩存對路由的影響，造成CCN 路由機制的平均請求內容的時延增大，CCN 的分布式緩存資源被浪費。因此，探討在新型內容中心網絡體系結構下的路由方法具有重要意義。本書以內容中心網絡為基礎，對數據路由的技術知識及面臨的挑戰進行闡述。
本書以作者自身科研項目為基礎，系統地介紹了內容中心網絡的發展及其路由方法。全書內容共分5 章，其中，第1 章為緒論，主要介紹內容中心網絡體系結構、內容中心網絡研究現狀及發展趨勢；第2 章介紹內容中心網絡的命名技術、路由與轉發技術及緩存技術；第3 章介紹內容中心網絡的相關路由方法；第4 章介紹內容中心網絡的緩存決策及緩存替換策略；第5 章討論內容中心網絡在安全路由方面的研究。
本書的顯著特色主要包括：①目前雖有研究內容中心網絡路由機制的相關文獻，但缺乏考慮在高速移動環境下由于網絡節點不能快速自適應路由的選擇，所導致的網絡通信時延增加、鏈路失效等問題，而本書將內容中心網絡中節點對數據的處理與編碼技術有機結合，提出了基于網絡編碼的路由方法，解決了在實時多變情景下路由的選擇問題。②針對內容中心網絡中突發流量導致的通信負載加大的問題，提出了基于勢能的緩存決策策略，并通過考慮節點的情景度，提出了基于情景度的緩存決策策略；在緩存替換方面，分別提出了基于勢能冷卻的緩存替換策略及基于通告轉移的緩存替換策略。③對內容中心網絡安全研究進行了深入的調研與分析，系統闡述內容中心網絡中的安全問題，提出一系列安全路由方法及隱私保護策略。本書包含國內外許多專家的重要思想成果，但主要內容是作者近幾年來的研究成果（部分研究成果公開發表在國內外重要刊物上，得到了國內外同行專家的認可）。其研究內容能夠為研究CCN 體系結構的學者們提供一定的借鑒與啟發，同時為研究生從事相關研究提供較好的參考。本書既可作為計算機、網絡、通信等方向的研究生教材或相關專業本科生的選修課教材，也可作為相關IT 從業人員的技術參考材料。本書主要由張建偉完成，在撰寫過程中參考了課題組前期研究成果及相關碩士生論文。特別感謝為此書撰寫做出貢獻的鄭州輕工業大學朱亮講師、蔡增玉副教授、張煥龍副教授、孫海燕副教授，以及研究生王文倩、栗京曉、杜春峰、吳作棟等。
本書的研究得到國家自然科學基金面上項目（61672471、61873246）、國家自然科學基金青年項目（61902361）、河南省科技創新人才計劃杰出人才項目（184200510010），以及鄭州輕工業大學的資助，在此表示感謝！
鑒于作者的知識水平有限，加之撰寫時間倉促，書中難免有錯誤與不足之處，懇請讀者批評指正。
張建偉
鄭州輕工業大學
2019 年10 月
張建偉，男，解放軍信息工程大學博士，教授，科技處處長，碩士研究生導師。在大數據領域有多年的研發、管理和產業化經驗，是河南省\"食品安全數據智能”重點實驗室主任、河南省\"公共安全數據融合與智能服務”工程技術研究中心主任、河南省高校\"大數據智能理解及安全應用”科技創新團隊帶頭人。曾榮獲河南省科技創新杰出人才、河南省科技創新杰出青年、鄭州市青年科技專家等榮譽稱號，河南省\"大眾創業導師”，河南省計算機學會理事。曾在省內知名高校關鍵崗位從事科研和管理工作，具有較強的創新創業能力和綜合管理能力。自2015年以來，在IEEE Access、Wireless Personal Communications等國內外權威期刊和會議上發表學術論文30余篇，其中SCI、EI檢索20余篇；以主編、副主編參編著作3部（含\"十一五”、\"十二五”國家規劃教材各1部）；目前主持國家自然科學基金項目1項，河南省科技創新人才計劃杰出人才項目1項，已主持完成省部級科研項目5項，其中獲得河南省科學技術進步獎二等獎2項，三等獎2項、獲得發明專利授權3項、軟件著作權10余項，通過省級鑒定項目3項。
第1章 緒論????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．1
1．1 內容中心網絡概述??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．2
1．1．1 網絡體系結構的基本概念及分類????????????????????????????????????????????????????????????????．2
1．1．2 網絡體系結構的演進??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．4
1．1．3 內容中心網絡的工作機制??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25
1．1．4 研究挑戰????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26
1．2 內容中心網絡研究現狀??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28
1．2．1 緩存策略研究????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29
1．2．2 路由轉發策略研究????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????32
1．2．3 內容命名機制研究????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????33
1．2．4 網絡安全機制研究??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．34
1．3 內容中心網絡發展趨勢??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．35
1．3．1 服務規模與可擴展性????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．36
1．3．2 支持主動防御的網絡安全技術????????????????????????????????????????????????????????????????????．37
1．3．3 基于內容尋址的服務承載網??????????????????????????????????????????????????????????????????????????．38
1．4 小結??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．38
參考文獻????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．39
第2章 內容中心網絡核心技術????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．43
2．1 內容中心網絡內容命名技術??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．44
2．1．1 扁平化命名機制????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．45
2．1．2 層次化命名機制????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．45
2．1．3 兩種命名機制的比較????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．46
2．2 內容中心網絡內容名字查找技術??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．47
2．2．1 名字查找技術??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．47
2．2．2 主要性能指標??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．48
2．3 內容中心網絡路由與轉發技術????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．49
2．3．1 CCN路由基本原理????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．49
2．3．2 CCN轉發基本原理????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．55
2．3．3 CCN路由轉發面臨的問題??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．58
2．4 內容中心網絡緩存技術??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．59
2．4．1 典型緩存替換策略????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????59
2．4．2 典型緩存決策策略????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????62
2．4．3 CCN緩存策略的四大特征????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????67
2．5 小結??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????69
參考文獻????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????70
第3章 內容中心網絡路由機制研究??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????75
3．1 研究背景??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????76
3．1．1 與傳統TCP/IP網絡的路由區別????????????????????????????????????????????????????????????????????76
3．1．2 CCN路由協議現存問題??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????78
3．2 內容中心網絡路由概述??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????80
3．2．1 內部路由協議????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????80
3．2．2 外部路由協議????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????82
3．2．3 分布式路由機制??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????82
3．2．4 集中式路由機制??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????84
3．2．5 CCN路由選擇策略??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????86
3．3 基于網絡編碼的自適應路由方法??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????87
3．3．1 基于位置變化的自適應路由模型????????????????????????????????????????????????????????????????93
3．3．2 實驗環境配置????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????97
3．3．3 實驗結果分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．100
3．4 小結????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．102
參考文獻??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．103
第4章 內容中心網絡緩存機制研究??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．107
4．1 研究背景????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．108
4．1．1 內容緩存技術的演進??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．108
4．1．2 內容緩存技術的特征??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．111
4．1．3 內容緩存技術面臨的問題??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．114
4．2 內容中心網絡緩存決策????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．120
4．2．1 緩存決策概述????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．121
4．2．2 基于勢能的緩存決策策略（PECDS） ??????????????????????????????????????????????．127
4．2．3 基于節點情景度的緩存決策策略（CSNC）????????????????????????????????．138
4．3 內容中心網絡緩存替換策略????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．149
4．3．1 緩存替換策略概述????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．149
4．3．2 基于勢能冷卻的緩存替換策略（PEC-Rep） ??????????????????????????????．152
4．3．3 基于通告轉移的緩存替換策略??????????????????????????????????????????????????????????????????．159
4．4 小結????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．170
參考文獻??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．171
第5章 內容中心網絡安全機制研究??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．175
5．1 內容中心網絡面臨的安全威脅??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．176
5．1．1 內容非授權訪問??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．176
5．1．2 用戶隱私泄露????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．178
5．1．3 興趣包泛洪攻擊????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．182
5．2 內容中心網絡安全保護機制????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．186
5．2．1 隱私保護??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．186
5．2．2 路由與轉發安全????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．190
5．2．3 緩存安全??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．198
5．3 內容中心網絡中的隱私保護????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．202
5．3．1 內容中心網絡緩存的隱私保護策略????????????????????????????????????????????????????．202
5．3．2 內容中心網絡命名的隱私保護策略????????????????????????????????????????????????????．212
5．3．3 內容中心網絡路由與轉發的隱私保護策略??????????????????????????????????．217
5．4 內容中心網絡安全路由方法????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．222
5．4．1 內容中心網絡節點路由安全問題分析??????????????????????????????????????????????．222
5．4．2 內容中心網絡節點路由安全保護方案??????????????????????????????????????????????．225
5．5 未來展望????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．232
5．6 小結????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．233
參考文獻??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????．234
新書資訊