CN111917658B - 一种命名数据网络下基于分组的隐私保护协作缓存方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息安全技术领域，提供了一种命名数据网络下基于分组的隐私保护协作缓存方法。首先，网络中的各个路由器节点收集所需要的信息，根据信息计算信息熵和缓存相似性，之后生成相邻路由器之间边的权重，再将路由器划分为组，使组内路由器缓存状态尽可能相似。然后，根据节点的数量，利用分配算法将内容分堆，将内容映射到哈希环上，并根据分堆结果，将节点也映射到哈希环上，实现负载均衡。最后，各路由器在接收到内容后，进行哈希计算得到目标节点，查看缓存状态表中是否缓存了该内容，根据相应的转发策略进行转发。

Description

一种命名数据网络下基于分组的隐私保护协作缓存方法

技术领域

本发明涉及一种命名数据网络下基于分组的隐私保护协作缓存方法，属于信息安全技术领域。

背景技术

随着技术和应用的快速发展，定制服务已经越来越流行。人们现在关注被请求的内容，而不是内容来自哪里。并且传统的TCP/IP网络已经暴露出越来越多的问题，如可扩展性差、安全性差、移动性弱等。为了解决传统网络中存在的这些问题，近年来，关于下一代互联网架构的研究也有不少。命名数据网络(Named Data Network，NDN)就是其中的一种新的网络模型。NDN作为一个有前景的以信息为中心的网络架构，与IP网络不同，内容名称是NDN中的基本元素，它的特征是内容请求包(称为“兴趣”)和内容响应包(称为“数据”)的基本交换，要求每个消费者根据自己想要请求内容的名字来请求内容，而不关心内容的目的地址。请求节点广播一个包含内容名称的兴趣数据包，该兴趣数据包将通过网络逐级地向服务器转发。如果在中间节点找到了所请求的内容，该内容将沿着原路径被返回给请求节点。每个转发节点根据缓存策略决定是否缓存经过它的内容。

现有的基于命名数据网络的协作缓存方案有几种经典的缓存策略，如原生的NDN缓存策略CEE(Cache Everything Everywhere)、LCD(Leave Copy Down)、和ProbCache，这些策略都是在内容的传输路径上起作用，决定了路径上的哪个路由器缓存该内容。除此之外，还有根据路由器在网络拓扑中的位置来执行缓存策略以及根据内容的流行度来决定是否缓存。另外一个受到较大关注的是联合缓存和转发策略设计缓存方案。这两者之间会相互影响最终决定网络的整体缓存性能。有些方案对基本的缓存策略进行了优化，但仍然存在一些普遍的问题。传统的缓存设计大多为了将流行的内容尽可能地靠近用户，有些方案照顾到了路径上的内容冗余但是忽视了在路径外的内容冗余，另外这些缓存方案都只照顾到了缓存性能而忽视了隐私保护方面的影响。同时，考虑到各个节点间的缓存能力不同，系统中缺乏统筹缓存资源的管理者或者相应的管理机制，可能导致缓存负载的不平衡。

发明内容

为了有效的提高命名数据网络下的隐私保护以及缓存系统性能，本发明提出了一种基于分组的隐私保护协作缓存策略，在提升网络性能的同时保证了用户的隐私。该方案首先提出一个基于贪婪的分组算法，根据节点之间的缓存相似性和信息熵将中间节点进行分组，来提高消费者的匿名性。然后，在组内采用一致性哈希思想来减少组内缓存内容的冗余并设计了一个启发式算法解决一致性哈希中负载不均衡的问题。最后，实现了组内兴趣包的路由转发，使兴趣包可以在组内外安全进行传输。

本发明的技术方案：

一种命名数据网络下基于分组的隐私保护协作缓存方法，步骤如下：

定义变量：

(1)首先根据路由器的请求分布和信息熵将路由器进行分组，从而使组内的路由器具有相似的请求分布和较大的信息熵；

分组的生成与调整，具体过程如下：

(1.1)当路由器收到兴趣包时，统计如下信息：对相同内容的请求包的数量、收到的这些请求包的请求者；

隐私泄露概率：表示为1与某一个内容的请求来自的不同接口数的比值，定义如下：

其中，n(C_i)表示请求过C_i的接口个数；

信息熵：用信息熵的公式计算信息熵；

由于路由器的缓存更新频繁，不容易使用缓存状态来判断缓存相似性；用路由器收到的兴趣包的分布情况作为路由器的缓存情况；之后用余弦相似性计算两个向量之间的相似性从而得到缓存相似性；

其中

表示路由器A与路由器B之间的缓存相似性，V_A代表路由器A在一段时间内收到的兴趣包分布，V_A[1]代表V_A的第二行，|V_A[1]|代表向量的大小；

边的权重：表示为信息熵的值乘上缓存相似性；

其中W_A,B表示路由器A与路由器B之间的边的权重，两个路由器必须相邻；

(1.2)得到以上统计信息后，利用基于贪婪思想的分组算法进行分组，并保证匿名集内的路由器个数大于2，且直径不大于2，以达到提高隐私保护水平以及提升网络的性能的目的；

(2)为了解决命名数据网络中缓存冗余的问题，在分组内将内容均匀分配给不同的路由器，使得每个路由器尽可能所负责缓存的内容的请求总数相同，达到负载均衡的目的；

内容分配的具体过程如下：

(2.1)由于命名数据网络中不同的内容存在较大的流行度差异，所以哈希槽的位置放置不当容易导致组内负载不均衡；所以各个路由器记录着每个内容的请求次数，结合所有路由器节点保存的信息，根据组内的节点个数，利用分配算法，将内容分成m堆，m为组内路由节点个数；

(2.2)内容分好之后，将内容根据哈希函数映射到大小为0～2³²-1的哈希环上；每个内容从自己所在位点出发，沿哈希环顺时针搜索到的第一个节点，即该内容缓存到该节点上，所以根据分堆结果，在将路由器节点映射到哈希环上，并且如有需要，添加相应的虚拟节点，构建出一个内容与节点的多对一映射；内容被分配到不同的路由器，每个路由器所负责缓存的内容的请求总数相同，达到负载均衡；

(3)在构成哈希环并建立内容与节点的映射之后，由于命名数据网络当中路由器默认将兴趣包沿着路由器与内容生产者之间的最短路径进行转发，转发过程中可能会产生回路，以及造成兴趣包的丢失；为了避免兴趣包在传输过程中形成环路而导致被丢弃，因此每一个组都会维护一张缓存状态表，组内的节点都持有一份；当组内有节点缓存了新内容时，会广播告诉组内成员；组内成员进行缓存状态表的更新；

路由转发策略的具体过程如下：

(3.1)当节点Node_j收到兴趣包，首先进行哈希计算，得到哈希槽，从而得到哈希槽对应的节点Node_i，之后查看缓存状态表中Node_i中是否缓存了对应的内容，如果缓存状态表中显示Node_i中不存在对应的内容，则Node_j将兴趣包添加到自己的PIT表中，按照FIB进行下一跳的转发；如果缓存状态表中显示Node_i中存在对应的内容，按照以下几种情况进行转发：

(1)Node_j所在的组的大小为2

由于组内只有两个节点，Node_j直接将兴趣包转发给组内的另一个节点；

(2)Node_j所在的组的大小大于2，且Node_j不是中心节点

由于Node_j可能与目标节点不相邻，但是组内的中心节点与组内的所有节点都相邻；所以Node_j将兴趣包转发给中心节点；

(3)Node_j所在的组的大小大于2，且Node_j是中心节点

由于中心节点与组内的任意节点都相邻，所以Node_j将直接将兴趣包转发给目的节点。

本发明的有益效果：命名数据网络(NDN)是当今互联网上以主机为中心的网络的一种替代方案。NDN的一个主要特点是网内缓存，通过在服务器和中间路由器缓存流行的内容，减少访问延迟和查询开销。然而，网内缓存可能会受到多种攻击，存在着各种隐私风险，因此，我们设计了一个基于分组的隐私保护协作缓存策略在提升网络性能的同时保证了用户的隐私。

附图说明

图1为本发明所述的协作缓存策略的组织结构图。

图2为本发明所述的路由器分组的流程图。

图3为本发明所述的内容分配的流程图。

图4为本发明所述的组内兴趣包路由转发的流程图。

具体实施方式

为了将本发明的目的，技术方案和优点表达的更清晰明了，接下来将通过实施例和附图，对本发明做进一步的详尽的说明。

一种命名数据网络下基于分组的隐私保护协作缓存策略，本方法包括生成相邻路由器之间边的权重以及对路由器分组、构建哈希环并为路由器进行内容分配、路由器接收内容后进行组内兴趣包路由转发。

参照图2，生成相邻路由器之间边的权重以及对路由器分组的具体运行过程如下：

步骤1.网络中的每个路由器节点收到兴趣包请求。

步骤2.网络中的每个节点统计一下信息：对相同内容请求包的数量以及这些请求包相应的请求者。

步骤3.首先根据统计信息计算隐私泄露概率，公式如下：

其中n(C_i)表示请求过C_i的接口个数。之后根据信息熵的公式计算信息熵：

步骤4.将路由器在一段时间收到的兴趣包的分布情况作为路由器的缓存情况并且转化为一个向量，向量中由收到的兴趣包以及兴趣包对应的数量组成，例如：

步骤5.用余弦相似性计算两个向量之间的相似性从而得到缓存相似性。在计算两个路由器之间的缓存相似性时，如果遇到在其中一个路由器中出现的内容没有在另一个路由器中出现时，需要在未出现的路由器向量中补上请求次数为0的内容，如

计算缓存相似性公式如下：

步骤6.计算各相邻路由器之间边的权重，边的权重等于信息熵的值乘以缓存相似性。

W_A,B＝H(S)_A,B*CacheSimilarity_A,B

步骤7.通过基于贪婪的分组算法把路由器划分为组，分组要保证任意区域的半径不大于2以及任意一个区域的路由器数大于2，且组内的路由器缓存状态尽可能相似以及信息熵尽可能大。分组算法如下：

(1)从边集E中抽出权重最大的边，记对应的节点为V_i,V_j.

(2)若这两个点还未属于某个匿名区域，则它们构成一个新的匿名区域。若其中一个节点V_i属于某个匿名区域g，另一个节点V_j没有属于的匿名区域，并且将V_j加入到g不会使g的直径大于2，则将V_j加入到g。若两个节点都已有属于的匿名区域，则不做操作。

(3)重复步骤(1)，(2)。直到遍历完所有的边。

(4)若还有节点是单独节点，尝试将它添加到与跟它权重最大的节点所在的组中，如果组的直径大于2，则与它权重最大的节点退出原来的组，并与该节点形成组。

参照图3，在组内进行内容分配的具体运行过程如下：

步骤8.结合所有路由器保存的信息，得到内容请求数的数组，数组如下：

L＝[l₁,l_2,…,l_m]

其中，L代表存储每个内容请求数的数组，l₁代表内容C₁的请求数。

步骤9.采用贪心策略求解内容分配问题，将内容分成m堆(m为组内路由器个数)，使得每个路由器分配到的内容的请求总数类似。算法如下：

(1)将L按照降序排列。

(2)将前M个内容分配到M个数组中。

(3)取出L中最前面的那个记为l_i，当前M个数组中哪个内容请求数之和最小，就将l_i放入哪个数组中。

(4)重复步骤(3)直到L为空。

步骤10.将内容通过哈希函数映射为一个0～2³²-1的整数，将整数序列首尾相接构成哈希环。

步骤11.从内容对应的位置出发顺时针搜索到的第一个路由器节点或虚拟节点，对应路由器即该内容所分配到的路由器，亦即该内容为对应路由器的协作内容。所以根据分堆结果，将路由器节点和虚拟节点映射到哈希环上。

参照图4，组内兴趣包路由转发的具体运行过程如下：

步骤12.路由器节点收到兴趣包。

步骤13.查看此节点是否是中间路由器，如果是则进行步骤14，否则进行步骤17。

步骤14.对兴趣包进行哈希计算，判断内容是否位于自己的哈希环，如果是则进行步骤17，否则进行步骤15。

步骤15.如果内容位于自己的哈希环，得到对应节点，查看缓存状态表中对应节点是否缓存了对应的内容，如果缓存了对应内容进行步骤16，否则进行步骤17。

步骤16.如果对应节点缓存了对应内容，则在组内转发该兴趣包。判断当前节点是否是中心节点，如果是进行步骤18，否则进行步骤19。

步骤17.如果当前路由器不是中间路由器、内容位于自己的哈希环上或者说组内没有缓存对应内容，那么就将兴趣包添加到PIT表中，按照FIB进行吓一跳的转发。

步骤18.如果当前节点为中心节点，那么直接将兴趣包转发目的节点。

步骤19.如果当前节点不是中心节点，若当前节点所在组大小为2，则直接将兴趣包转发给组内的另一个节点；若当前节点所在组大小大于2，且当前节点不是中心节点，则将兴趣包转发给当前组的中心节点，进行下一步转发。

Claims (1)

1.一种命名数据网络下基于分组的隐私保护协作缓存方法，其特征在于，步骤如下：

定义变量：

(1)根据路由器的请求分布和信息熵将路由器进行分组，从而使组内的路由器具有相似的请求分布和较大的信息熵；

分组的生成与调整，具体过程如下：

(1.1)当路由器收到兴趣包时，统计如下信息：对相同内容的请求包的数量、收到的这些请求包的请求者；

隐私泄露概率：表示为1与某一个内容的请求来自的不同接口数的比值，定义如下：

其中，n(C_i)表示请求过C_i的接口个数；

信息熵：用信息熵的公式计算信息熵；

其中m为组内路由节点个数；由于路由器的缓存更新频繁，不容易使用缓存状态来判断缓存相似性；用路由器收到的兴趣包的分布情况作为路由器的缓存情况；之后用余弦相似性计算两个向量之间的相似性从而得到缓存相似性；

其中

表示路由器A与路由器B之间的缓存相似性，V_A代表路由器A在一段时间内收到的兴趣包分布，V_A[1]代表V_A的第二行，|V_A[1]|代表向量的大小；

边的权重：表示为信息熵的值乘上缓存相似性；

其中W_A，B表示路由器A与路由器B之间的边的权重，两个路由器必须相邻；

(1.2)得到以上统计信息后，利用基于贪婪思想的分组算法进行分组，并保证匿名集内的路由器个数大于2，且直径不大于2，以达到提高隐私保护水平以及提升网络的性能的目的；

(2)为了解决命名数据网络中缓存冗余的问题，在分组内将内容均匀分配给不同的路由器，使得每个路由器尽可能所负责缓存的内容的请求总数相同，达到负载均衡的目的；

内容分配的具体过程如下：

(2.1)由于命名数据网络中不同的内容存在较大的流行度差异，所以哈希槽的位置放置不当容易导致组内负载不均衡；所以各个路由器记录着每个内容的请求次数，结合所有路由器节点保存的信息，根据组内的节点个数，利用分配算法，将内容分成m堆；

(2.2)内容分好之后，将内容根据哈希函数映射到大小为0～2³²-1的哈希环上；每个内容从自己所在位点出发，沿哈希环顺时针搜索到的第一个节点，即该内容缓存到该节点上，所以根据分堆结果，在将路由器节点映射到哈希环上，并且如有需要，添加相应的虚拟节点，构建出一个内容与节点的多对一映射；内容被分配到不同的路由器，每个路由器所负责缓存的内容的请求总数相同，达到负载均衡；

(3)在构成哈希环并建立内容与节点的映射之后，由于命名数据网络当中路由器默认将兴趣包沿着路由器与内容生产者之间的最短路径进行转发，转发过程中可能会产生回路，以及造成兴趣包的丢失；为了避免兴趣包在传输过程中形成环路而导致被丢弃，因此每一个组都会维护一张缓存状态表，组内的节点都持有一份；当组内有节点缓存了新内容时，会广播告诉组内成员；组内成员进行缓存状态表的更新；

路由转发策略的具体过程如下：

(3.1)当节点Node_j收到兴趣包，首先进行哈希计算，得到哈希槽，从而得到哈希槽对应的节点Node_i，之后查看缓存状态表中Node_i中是否缓存了对应的内容，如果缓存状态表中显示Node_i中不存在对应的内容，则Node_j将兴趣包添加到自己的PIT表中，按照FIB进行下一跳的转发；如果缓存状态表中显示Node_i中存在对应的内容，按照以下几种情况进行转发：

(1)Node_j所在的组的大小为2

由于组内只有两个节点，Node_j直接将兴趣包转发给组内的另一个节点；

(2)Node_j所在的组的大小大于2，且Node_j不是中心节点

由于Node_j可能与目标节点不相邻，但是组内的中心节点与组内的所有节点都相邻；所以Node_j将兴趣包转发给中心节点；

(3)Node_j所在的组的大小大于2，且Node_j是中心节点

由于中心节点与组内的任意节点都相邻，所以Node_j将直接将兴趣包转发给目的节点。

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