基于网络编码的信息中心网络研究

Information-centric networking (ICN) supports pervasive in-network caching and multi-path forwarding. However, considering the limitation of individual cache capacity imposed by the requirement of line-speed operation, sophisticated cache coordination is required to improve network-wide cache utility. Consequently, it is difficult for ICN to take full advantage of content cached in the network utilizing multi-path forwarding. Luckily, network coding (NC) allows intermediate nodes to perform arbitrary coding operations on data and trades computation for bandwidth. The resulting randomness allows the network to realize the upper bound of multicast capacity given by max-flow min-cut theorem and removes the need for coordination between network nodes. Therefore, we devote ourselves to incorporate NC with ICN to allow network nodes to simultaneously perform computation, storage and forwarding on data, which trades computation and storage together for bandwidth and can effectively utilize multiple paths and content cached in the network. We first devise a foundation framework that incorporates NC with ICN, dubbed NC-ICN here, as a starting point. We then propose a network coding oriented parallel multi-source transmission mechanism and in-network caching policy respectively, coupling the capabilities of recoding, storage and multi-path forwarding of network nodes to improve the efficiency of content delivery. Finally, a prototype system for our proposed NC-ICN is designed and developed. This work couples the recoding of network nodes resulting from the incorporation of network coding and the built-in caching and multi-path forwarding of ICN, which would provide new ideas and methods for the further optimization of ICN from the conception connotation and extension and promote the development and application of NC and ICN.

信息中心网络 （ICN）支持网络缓存和多路径传输，但由于缓存节点间、用户和缓存节点间协调的复杂性，网络缓存和多路径传输难以结合以实现内容的高效传输。而网络编码（NC）允许网络节点对多个报文再编码，由此产生的随机性使得网络可从多数据源并行传输数据，简化节点间协调。因此本项目旨在结合NC与ICN两者优势，使网络节点同时具备再编码、缓存和多路径传输能力，用计算和缓存空间一起换带宽，有效地利用网络的多条路径和缓存内容。本项目首先设计支持NC的ICN基础框架NC-ICN，然后设计面向NC的多数据源并行传输机制和网络缓存策略，紧密结合节点的再编码、缓存和多路径传输能力，实现内容的高效传输。最后，设计并实现完整的NC-ICN原型系统。该工作融合NC提供的节点再编码能力与ICN网络缓存和多路径传输功能，在内涵和外延上对ICN的进一步优化提供新的思路和方法，对于促进ICN和NC的发展及应用具有重要意义。

ICN支持网络缓存和多路径传输，但充分结合二者以实现内容的高效传输需要请求者、内容发布者和缓存节点间的复杂协调。NC可与ICN结合提升其传输效率。然而，目前结合NC和ICN的工作不能以轻量级的方式处理引入NC后的报文转发尤其是以pipeline模式发送的Interest报文，并且没有发掘NC与ICN结合后利用路径外缓存的潜力。本报告在提出支持Interest报文pipeline发送模式的NC-ICN基础框架后，深度挖掘了该框架下高效的转发策略和低能耗的缓存策略，并提出引入NC后的签名方案。另外，本课题也调研了ICN中视频传输相关工作并提出NC-ICN在这方面的应用潜力。.具体来说，在本项目的资助下，我们研究了如下科学问题：1. 基于NC且支持Interest报文pipeline发送模式的NC-ICN基础框架：该框架缓存命中率与ICN相比提升了1.72倍，与最新的支持Interest报文pipeline发送模式的NC-ICN相比缓存命中率有所提升而且降低了编码块的处理开销。2. 基于NC-ICN的按需探索路径外缓存内容的多路径转发策略：该策略是NC-ICN中第一个探索路径外缓存内容可用性的转发策略。与问题1中的NC-ICN相比，缓存命中率提升了17%。 与较新的ICN转发策略相比，缓存命中率提升明显而且开销减少了43%。3. 基于缓存价值的低能耗缓存放置策略：该策略通过综合考虑NC-ICN中的内容流行度，节点位置和缓存节点响应编码块请求的潜在能力来决定编码块的放置。应用该缓存策略后，缓存节点的处理开销降低了43%。4. 面向NC-ICN的重编码块线性同态签名方案：该方案是NC-ICN中关于中间节点产生的重编码块签名问题的第一个实际解决方案。NC-ICN可通过线性同态签名来保证基于内容的安全。5. 对ICN中视频传输相关研究的调研：申请人调研了ICN在视频传输上存在的优劣势并对现有的策略进行了分析，通过总结现有ICN视频传输的问题，指出了NC应用于ICN视频传输中的优势和未来的研究方向。. 截止目前，我们项目的研究成果是29篇论文，项目组负责人发表第一作者论文8篇，其中7篇SCI/EI论文，发表在中国计算机学会的中文A类期刊，计算机网络方向B类期刊和会议，ACM国际会议等。项目组共申请专利8篇，其中项目负责人以第一作者申请专利6篇。