WO2021218068A1 - 基于icn的工业互联网标识解析系统及数据访问方法 - Google Patents

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WO2021218068A1
WO2021218068A1 PCT/CN2020/122668 CN2020122668W WO2021218068A1 WO 2021218068 A1 WO2021218068 A1 WO 2021218068A1 CN 2020122668 W CN2020122668 W CN 2020122668W WO 2021218068 A1 WO2021218068 A1 WO 2021218068A1
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ndn
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谢人超
李肖璐
黄韬
刘江
刘韵洁
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网络通信与安全紫金山实验室
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F21/00—Security arrangements for protecting computers, components thereof, programs or data against unauthorised activity
    • G06F21/60—Protecting data
    • G06F21/62—Protecting access to data via a platform, e.g. using keys or access control rules
    • G06F21/6218—Protecting access to data via a platform, e.g. using keys or access control rules to a system of files or objects, e.g. local or distributed file system or database
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/30—Computing systems specially adapted for manufacturing

Definitions

  • the industrial Internet needs to achieve high efficiency, heterogeneous compatibility, and security.
  • high efficiency in identification resolution and routing addressing is required.
  • the current identification analysis system has not yet been unified, there are multiple identification analysis systems at home and abroad.
  • the future industrial Internet system must be heterogeneous, multi-layered and distributed.
  • the security of industrial Internet data plays a key role in the development of industrial Internet ecology and enterprises. Therefore, the industrial Internet needs to have strong data protection capabilities.
  • EPC is a globally unique code assigned to each physical object based on Radio Frequency Identification (RFID) and the Internet. It can encode each single product. It is currently mainly used in the field of logistics supply chain.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • the general structure of EPC encoding consists of a fixed-length header and a series of domain values thereafter. The length, structure and function of the domain value are all determined by the value of the Header.
  • the EPC encoding length based on Gen1 tag technology contains two types: 64 bits and 96 bits, while the EPC encoding length based on Gen2 tag technology is mainly 96 bits. At the same time, it involves longer encoding lengths for different encoding categories, such as 198 bits, 195, 170, 202, 113, etc.
  • SSCC -Serialized shipping container identification
  • GSRN Global Service Relations Identification
  • -Header encoding format name, such as SGTIN, SSCC, GLN, etc.;
  • the identification structure of Ucode is "encoding category identification + encoding content (variable length) + item unique identification".
  • the basic code length of Ucode is 128 bits, which can be expanded to 256 bits, 384 bits, or 512 bits in units of 128 bits as needed.
  • the biggest feature of Ucode is that it can accommodate the meta-coding design of various existing coding systems, and can be compatible with a variety of codes including EAN, UPC, JAN, ISBN, IPv6 addresses, telephone numbers, etc.
  • the identification resolution system Since the identification resolution system obtains the address of the information of the object according to the identification of the object, the identification needs to be resolved into an address, such as an IP address, etc., and then the information request is routed by the network to the device storing the information.
  • the entire process of obtaining information and data needs to rely on two systems: the identification resolution system and the network routing system. To a certain extent, there is a problem of system complexity and redundancy, resulting in low content acquisition efficiency. In addition, data security needs to be in the two systems. Both considerations make it difficult to ensure the security of the entire system.
  • An ICN-based industrial Internet identification resolution system which includes an ICN-based router, an information data storage server, and an identification name-content name conversion module; wherein,
  • the identification name-content name conversion module performs operations before the request packet is connected to the NDN network, which unifies various identification code separators in the industrial Internet identification resolution system into "/" separators; the NDN
  • the identifier name uses the specific identifier code name as a prefix.
  • the various identification codes in the industrial Internet identification analysis system include EPC, Ucode, and OID codes.
  • the present invention also provides a data access method according to the above-mentioned ICN-based industrial Internet identification analysis system, and the data access method includes the following steps:
  • the second step is specifically:
  • Step 2.1 The first terminal initiates a query to obtain the information of the first product, converts the first product identification name to the NDN identification name through the local identification name-content name conversion module, constructs the corresponding interest package, and sends the interest package to the NDN In the network
  • Step 2.3 the interest packet arrives at the information data storage server, the information data storage server searches according to the NDN identification name, if not found, discards the interest packet; if found, returns the data packet to the NDN router;
  • the registration and broadcasting of various identification codes in the industrial Internet identification analysis system in the information data storage server mentioned in the step 1 specifically include:
  • step 2.4 the specific process of caching the data packet according to the local caching strategy is as follows:
  • the NDN router searches for the NDN identification name of the packet in the NDN identification names of all entries in the local cache. If it exists, it means that the identification name already exists in the local cache. Cache; if it does not exist, store the NDN identification name and information content of this packet in the local cache according to the cache replacement strategy.
  • This technical solution realizes the integration of industrial Internet identification resolution and routing based on NDN.
  • ICN technology By introducing ICN technology into the Industrial Internet, the capabilities of industrial Internet network connection and identification analysis can be realized at the same time, so that the overall industrial Internet architecture is flattened, information acquisition efficiency is improved, network scalability, and industrial Internet data security are improved.
  • this solution can effectively solve the heterogeneous incompatibility problem of industrial Internet identification resolution.
  • Figure 1(a) is the 7-layer structure diagram of the traditional Internet, and (b) is the seven-layer structure diagram of the NDN network;
  • Figure 3 is a flow chart of packet processing on an NDN node
  • Figure 5 shows the architecture of the current DNS-based identity resolution system
  • Fig. 6 is an architecture diagram of the NDN-based industrial Internet identity resolution system of the present invention.
  • Fig. 7 is a communication flow chart of the data access method of the NDN-based industrial Internet identification analysis system of the present invention.
  • the core idea of the information center network is to use the information naming method to replace the traditional address-centric network communication model to enable users to search for and obtain information.
  • the idea of ICN was first proposed by Nelson in 1979 and was later strengthened by Baccal. Since the idea of the information center network was put forward, countries around the world have deployed and initiated a series of related project research.
  • the American academia took the lead in launching content-oriented network architecture related project research, including CCN, NDN, DONA (Data-Oriented Network Architecture), etc., and then the European Union also launched NetInf, PURSUIT/PSIRP, Point and other related project research.
  • NDN shifts the focus of attention from the "where" of the existing network to "what", that is, the content that users and applications care about, and explores a content/service-centric network architecture; decouples the content from the protection host , Directly protect the content, make the communication mechanism fundamentally scalable; its architecture adopts name routing, referring to the hourglass model of the current IP network, placing the content block instead of IP in the waist part, and the original IP layer is moved down, and By signing all named data, a basic security module is constructed in the waist part, which supports the prosperity and development of all layers other than the network layer while realizing global interconnection. However, its routing completely relies on the content name, which also brings routing scalability issues.
  • the structure of Interest package and Data package is shown in Figure 4.
  • the Name in the Interest package and the Data package refers to the naming of the content block to be requested.
  • the user puts the name of the requested content block into the Interest packet, and the packaged Interest packet is sent to the NDN network; the NDN node router forwards the Interest packet to the node containing the content according to the Name in the Interest packet; once the Interest packet reaches one The node that contains the requested content, this node will return a Data packet containing the requested content and its signature information; the Data packet returns along the opposite path to the Interest packet, until the Data packet reaches the content requesting end, and the user gets the desired request content.
  • Content naming Name the content directly, decouple the content and location information, and realize content-based routing. On the other hand, because the address space of content naming is unlimited, it can effectively solve the problem of IP address exhaustion when the number of terminals in the IoT environment is large.
  • the main function of the identification name-content name conversion module is to combine various different The identification code separator is unified as the "/" separator.
  • the NDN identification name also uses the specific identification code name as a prefix to avoid coding naming conflicts of different identification coding systems, and at the same time enhance the aggregation of the NDN identification name, and improve the query efficiency.
  • the identification name-content name conversion module is executed before the request packet is connected to the NDN network, such as a terminal device.
  • NDN identification name Converted to NDN identification name: /Ucode/code category identification/code content/item unique identification.
  • NDN distinguished name Converted to NDN distinguished name: /OID/joint-iso-itu-t(2)/registration-procedures(17)/document-types(2)/binary(3).
  • Each record in the information storage server contains a distinguished name, an NDN distinguished name, and information content, and its format is:
  • the intranet cache stores the local data packets in the local cache according to the cache strategy.
  • the local cache can directly respond to the request, thereby improving network efficiency and saving network resources.
  • Each record in the local cache contains the NDN identification name and information content, and its format is:
  • the NDN router searches for the NDN identification name of the data packet among the NDN identification names of all entries in the local cache. If it exists, it means that the identifier already exists in the local cache, and it will not be cached.
  • the information data storage server broadcasts the locally stored NDN identification name, so that the NDN network can route and forward according to the NDN identification name.
  • Terminal 1 requests identification query
  • Terminal 1 obtains the identification name ( ⁇ 2.17.2.3 ⁇ ) of product 1, and converts the identification name ( ⁇ 2.17.2.3 ⁇ ) into the NDN identification name (/OID/2/17) through the local identification name-content name conversion module /2/3), and construct the corresponding interest packet, and send this interest packet to the NDN network.
  • This interest packet arrives at the information data storage server via R1 and R2.
  • the information data storage server searches according to the NDN identification name (the specific search process is as described in (1) (2)). If not found, discard the interest packet; if found, return the data packet (/OID/2/17/2/3).
  • the NDN router When the NDN router receives the data packet, the NDN router follows the standard NDN node processing model to return the data packet along the way to the terminal 1, and caches the data packet according to the local caching strategy (the specific caching process is as (1)(2) As described in).
  • the entries in the local cache are:
  • Terminal 2 requests identification query
  • the data packet returns from R1 to terminal 2 through R3, completing the identification query request response.
  • product 1 has an identification name with other identification standards, this identification name also needs to be registered in its corresponding information data storage server, and the information data storage server broadcasts the registered information.
  • the logo name is converted to the NDN logo name through the logo name-content name conversion module (the format and conversion rules of the logo standard have been installed), so as to be in the NDN network Get product information under this logo.
  • This technical solution realizes the integration of industrial Internet identification resolution and routing based on NDN.
  • ICN technology By introducing ICN technology into the Industrial Internet, the capabilities of industrial Internet network connection and identification analysis can be realized at the same time, so that the overall industrial Internet architecture is flattened, information acquisition efficiency is improved, network scalability, and industrial Internet data security are improved.
  • this solution can effectively solve the heterogeneous incompatibility problem of industrial Internet identification resolution.

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Abstract

一种基于ICN的工业互联网标识解析系统及数据访问方法，该系统及数据访问方法基于NDN实现了工业互联网标识解析与路由的融合，通过将ICN技术引入工业互联网，能够同时实现工业互联网网络连接及标识解析的能力，使得工业互联网整体架构扁平化，提升信息获取效率，提升网络可扩展性，提高工业互联网数据安全性。同时由于省去了解析服务器的部署，该方案能够有效解决工业互联网标识解析的异构不兼容问题。

Description

基于ICN的工业互联网标识解析系统及数据访问方法 技术领域
本发明涉及工业互联网技术领域，尤其是一种基于ICN的工业互联网标识解析系统及数据访问方法。
背景技术
工业互联网是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云网，是我国制造强国和网络强国建设的重要基础。其最终目标是企业实现智能化，助力我国由制造大国向制造强国转变。
工业互联网体系架构包含四个主要方面：网络连接架构、平台框架、安全体系架构以及标识解析框架。其中，网络连接是实现工业互联网布局的重要基础，工业互联网的网络核心是将整个工业系统连接起来，打破信息孤岛，保证数据在不同设备和系统之间实现无障碍传输，进而形成一个系统化的智能体系。标识解析体系是连接工业要素的关键枢纽，负责提供标识注册、管理、解析等服务，是实现工业数据互通的关键。标识解析体系由标识编码和解析系统两部分构成。其中，标识编码作为“身份证”，用于唯一标识设备；解析系统则利用标识对设备进行唯一地定位、寻址和信息查询。目前全球存在多种标识解析体系，如EPCglobal体系、OID体系、Handle体系、Ecode体系、UID体系等。工业互联网标识解析体系的发展将为公共服务和信息共享提供支持。
目前工业互联网需要实现高效、异构兼容、安全等方面。为支撑工业互联网应用的低时延、实时反馈等差异化需求，要求标识解析及路由寻址具有高效性。由于目前的标识解析体系尚未统一，国内外又存在多种标识解析体系。随着工业互联网的发展，未来的工业互联网体系必定是异构、多层次和分布式的。工业互联网数据的安全性对于工业互联网生态、企业的发展起着关键性作用，因此工业互联网需要具有强健的数据保护能力。
在工业互联网标识解析体系中，机器、产品等进行了标识编码，标识查询请求发送到标识解析服务器以获取机器/产品信息的存储位置，然后通过网络连接到达信息存储服 务器，获得所需信息后完成查询信息响应。
当前物联网中存在不同标准的物联网编码方案，即针对不同体系的产品会有不同体系的编码，统一的物联网编码标识体系尚未建立，例如：如EPC、Ucode、对象标识(Object Identifier，以下简称OID)等。
(1)EPC
EPC是基于射频识别(Radio Frequency Identification，以下简称RFID)和Internet的对每个实体对象分配的全球唯一编码，可实现对每一个单品进行编码，目前主要在物流供应链领域应用。
EPC编码通用结构由一固定长度的头(Header)和其后的一系列域值组成，域值的长度、结构及功能均由Header的值决定。基于Gen1标签技术的EPC编码长度包含64位和96位两种，而基于Gen2标签技术的EPC编码长度则以96位为主，同时针对不同的编码类别涉及更长的编码长度，如198位、195位、170位、202位、113位等。
为支持各种产业中不同识别需求的编码方案，基于Gen2标签技术的EPC编码包含以下多种类型：
a)通用标识类型(GID)；
b)GS1系统标识类型(兼容现有GS1编码)，包括：
-序列化全球交易品项标识(SGTIN)；
-序列化运送容器标识(SSCC)；
-全球地址标识(GLN)；
-全球可回收资产标识(GRAI)；
-全球个别资产标识(GIAI)；
-全球服务关系标识(GSRN)；
-全球文件类型标识(GDTI)；
c)美国国防部专用的DOD标识类型。
以SGTIN-96为例，GS1标识类型编码结构如下：
Figure PCTCN2020122668-appb-000001
其中：
-Header：编码格式名称，如SGTIN、SSCC、GLN等；
-Filter Value：用于快速过滤和预选所标识物品的基本物流类型，如贸易类型、内包装、箱子、托盘；
-Partition：指示后续各信息部分如何分隔；
-Company Prefix：GS1公司码；
-Item Reference：指示公司产品类别；
-Serial Number：产品序列号。
(2)Ucode
Ucode是日本提出的惟一标识符(Unique Identifier，以下简称UID)系统采用的编码，主要对物理实体和位置进行编码。
Ucode的标识结构为“编码类别标识+编码内容(长度可变)+物品唯一标识”。Ucode的基本代码长度为128位，可视需要以128位为单位扩展至256位、384位或512位。Ucode最大特点是能包容现有各种编码体系的元编码设计，可以兼容多种编码包括EAN、UPC、JAN、ISBN、IPv6地址、电话号码等。
(3)OID
OID是国际标准化组织(International Organization for Standardization，以下简称ISO)/国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，以下简称IEC)8824和ISO/IEC9834系列标准中定义的一种标识体系。OID是与对象相关联的用来无歧义地标识对象的全局唯一的值。对象的名称标识可保证对象在通信或信息处理中正确地定位和管理。
OID标识按树形结构注册，对象由从树根到结点的路径进行标识，其表示方法有OID数字值、OID字母数字值、OID国际化资源标识符(OID-IRI)三种形式。数字形式表示时，不同层次之间用“.”分隔，每一级的数字值均为一个大于0的正整数，同时该值在注册机构范围内唯一，例如{2.17.2.3}。字母数字形式表示时，每一级的名称均为不少于1个字符的可变长度字符串，例如{joint-iso-itu-t(2)registration-procedures(17)document-types(2)binary(3)}。国际化形式表示时，支持Unicode字符，即可使用任何语言的字符而不仅仅是英文字符，例如"/Joint-ISO-ITU-T/Registration-Procedures/Document Types/Binary"。
目前工业互联网标识解析在高效、异构兼容、安全等方面面临严峻挑战。
由于标识解析系统根据物的标识得到物的信息的地址，需要将标识解析为地址，如IP地址等，然后再由网络将信息请求路由到存储信息的设备。整个获取信息数据的过程需要依靠标识解析系统和网络路由系统这两个系统才能够完成，一定程度上存在系统复杂冗余的问题，造成内容获取效率低，另外数据安全性需要在两个系统中兼顾，造成整个系统安全性保障困难。
由于目前的标识解析体系尚未统一，国内外又存在多种标识解析体系。对于同一行业的统一数据规范，行业内各企业应用的系统使用的标识技术业务标准规范也存在一定差异。不同的标识之间可能存在着冲突，若缺乏对异构标识的兼容，将难以实现对使用不同标识的物联网应用之间的互联互通。随着物联网应用不断深入，跨系统、跨平台、跨地域之间的信息交互、异构系统之间的协同和信息共享会逐步增多，解决标识体系异构兼容问题已成为共识。
当前已有的统一物联网编码标识体系(例如，Ecode)通过规范编码结构兼容不同的编码标准，在此基础上建立标识名解析服务(Distinguished Name Resolve Service，简称DNRS)服务器，实现了解析方法的兼容。但Ecode仍然依赖于解析服务器，系统复杂冗余的问题愈加明显。
发明内容
为了解决上述背景技术中的问题，本发明的目的是提供一种基于BP神经网络的通过机翼结冰厚度预测气象参数MVD的方法，设计出工业互联网标识解析系统与网络路由系统融合架构，实现工业互联网整体架构扁平化，提升信息获取效率，提升网络可扩展性，提高工业互联网数据安全性。
本发明基于ICN的工业互联网标识解析系统及方法如下：
基于ICN的工业互联网标识解析系统，所述标识解析系统包括基于ICN路由器、信息数据存储服务器、标识名-内容名转换模块；其中，
所述标识名-内容名转换模块用于将需要查询的标识名转换为ICN网络的命名格式，即得到ICN标识名，以实现标识查询请求在ICN网络中转发；
所述ICN路由器用于完成兴趣包(Interest packet)和数据包(Data packet)的转发，并将经过的数据包存储到本地缓存中；
所述信息数据存储服务器为ICN标识名与其对应信息的存储服务器，用于响应标识 查询请求。
进一步的，所述标识解析系统基于NDN网络；其中，所述标识名-内容名转换模块用于将需要查询的标识名转换为NDN网络的命名格式，即得到NDN标识名，以实现标识查询请求在NDN网络中转发；
所述NDN路由器用于完成兴趣包(Interest packet)和数据包(Data packet)的转发，并将经过的数据包存储到本地缓存中；
所述信息数据存储服务器为NDN标识名与其对应信息的存储服务器。
进一步的，所述标识名-内容名转换模块在请求包接入NDN网络之前执行作业，其将工业互联网标识解析系统中各种不同的标识编码分隔符统一为“/”分隔符；所述NDN标识名将具体的标识编码名称作为前缀。
作为一种优选，所述工业互联网标识解析系统中各种不同的标识编码包括EPC、Ucode、OID编码。
本发明还提供根据上述基于ICN的工业互联网标识解析系统的数据访问方法，所述数据访问方法包括以下步骤：
步骤一，将所述工业互联网标识解析系统中各种不同的标识编码在信息数据存储服务器进行注册与广播，并通过所述标识名-内容名转换模块将标识编码转换为NDN标识名；
步骤二，某一终端发起标识查询请求，即发起对产品信息的查询时，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型将兴趣包转发至信息所在节点，获取的数据包沿路返回至该终端，并根据本地缓存策略缓存此数据包，从而完成在NDN网络中获取这一标识下的产品信息；
步骤三，另一终端查询相同产品的信息，通过获取该产品的标识名，并转换为NDN标识名，构造兴趣包发送到NDN网络中；当此兴趣包到达步骤二中的存储节点时，直接返回数据包，完成标识名查询请求响应。
进一步，所述步骤二具体为：
步骤2.1，第一终端发起获取第一产品的信息查询，通过本地的标识名-内容名转换模块将该第一产品标识名转换为NDN标识名，并构造相应兴趣包，发送此兴趣包到NDN网络中；
步骤2.2，当NDN路由器收到此兴趣包，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模 型进行兴趣包的处理、转发，首先在本地缓存中查找，如果找到则即刻返回数据包，否则依赖PIT、FIB协议将此兴趣包转发出去；
步骤2.3，此兴趣包到达信息数据存储服务器，信息数据存储服务器根据NDN标识名进行查找，如果没有找到，则丢弃该兴趣包；如果找到，则返回数据包至NDN路由器；
步骤2.4，当NDN路由器收到此数据包，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型进行数据包的沿路返回至第一，并根据本地缓存策略缓存此数据包。
进一步的，所述步骤一中提到的将所述工业互联网标识解析系统中各种不同的标识编码在信息数据存储服务器进行注册与广播具体为：
当一个新的NDN标识名以及其对应的信息内容要注册存储在信息存储服务器时，首先在信息存储服务器的所有条目的标识名中搜索要注册的NDN标识名，如果存在，则表示此NDN标识名已经存在信息存储服务器，则执行信息内容更新操作；
如果不存在，则在信息存储服务器中新添加一个条目，记录这一NDN标识名和信息内容，并且根据所述标识名-内容名转换模块中的转换规则得到这一标识名对应的NDN标识名。
更进一步的，所述步骤2.2中，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型进行兴趣包的处理、转发具体为：
当一个NDN标识名兴趣包到达信息存储服务器时，信息存储服务器在本地所有条目的NDN标识名中搜索请求兴趣包的NDN标识名，如果存在，则将对应的信息内容以数据包的形式返回给信息查询节点；如果不存在，则丢弃此兴趣包。
进一步的，所述步骤2.3中，信息数据存储服务器根据NDN标识名进行查找具体为：
当一个标识查询兴趣包到达NDN路由器时，NDN路由器在本地缓存中所有条目的NDN标识名中搜索请求兴趣包的NDN标识名，如果存在，则将对应的信息内容以数据包的形式返回给信息查询节点终端；如果不存在，则继续NDN路由器的后续操作。
进一步的，所述步骤2.4中，根据本地缓存策略缓存此数据包具体过程为：
当一个标识查询结果数据包到达NDN路由器时，NDN路由器在本地缓存中所有条目的NDN标识名中搜索数据包的NDN标识名，如果存在，则表示此标识名已经存在本地缓存中，则不进行缓存；如果不存在，则根据缓存替换策略将此数据包的NDN标识名及信息内容存储在本地缓存中。
本技术方案基于NDN实现了工业互联网标识解析与路由的融合。通过将ICN技术引 入工业互联网，能够同时实现工业互联网网络连接及标识解析的能力，使得工业互联网整体架构扁平化，提升信息获取效率，提升网络可扩展性，提高工业互联网数据安全性。同时由于省去了解析服务器的部署，该方案能够有效解决工业互联网标识解析的异构不兼容问题。
附图说明
图1(a)为传统因特网7层结构图，(b)为NDN网七层结构图；
图2为NDN层次化命名方式结构图；
图3为一个NDN节点上的包处理流程图；
图4为Interest包和Data包结构图；
图5为当前基于DNS的标识解析系统架构；
图6为本发明基于NDN的工业互联网标识解析系统架构图；
图7为本发明基于NDN的工业互联网标识解析系统的数据访问方法通信流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
信息中心网络(Information Centric Networking，ICN)能够满足上述需求，其核心思想是采用以信息命名方式取代传统的以地址为中心的网络通信模型实现用户对信息搜索和信息获取。本方案将ICN引入工业互联网，能够同时实现工业互联网网络连接及标识解析的能力，使得工业互联网整体架构扁平化，提升信息获取效率，提升网络可扩展性，提高工业互联网数据安全性。
信息中心网络的核心思想是采用以信息命名方式取代传统的以地址为中心的网络通信模型实现用户对信息搜索和信息获取。ICN的思想最早由Nelson于1979年提出，后来被Baccal强化。自从信息中心网络思想提出以后，世界各国纷纷布局，启动了一系列相关项目研究。美国学术界率先启动了面向内容的网络体系架构相关项目研究，包括CCN、NDN、DONA(Data-Oriented Network Architecture)等，随后欧盟也陆续启动了NetInf，PURSUIT/PSIRP、Point等相关项目研究。下面以NDN为例进行介绍。
(1)命名数据网络(Named Data Networking，NDN)
2009年PARC研究中心的Jacobson提出了内容中心网络(Content Centric Networking，CCN)，并开展了CCNx项目。而命名数据网络是基于CCN思想的工程项目，是美国自然科学基金于2010年8月宣布支持的未来互联网架构方面的科研项目之一。NDN力图 改变当前互联网以主机为基础的点对点通信架构，实现向以命名数据为中心的新型网络体系结构转变。NDN将关注的重点从现有网络的“在哪里”转移到“是什么”，即用户和应用关注的内容，探索以内容/服务为中心的网络体系架构；将内容从保护主机中解耦出来，直接保护内容，让通信机制从根本上实现可扩展；其架构采用名字路由，参考了当前IP网络的沙漏模型，将内容块取代IP放置在细腰部分，而原来的IP层下移，并且通过为所有命名数据签名的方式，在细腰部分构建了基本的安全模块，在实现全球互联的同时，支持网络层以外各层的繁荣发展。然而，其路由完全依赖内容名字，从而也带来了路由可扩展性问题。
NDN的命名机制为层次化命名，这种命名方式与URL相似，以“/”作为分隔符，网络中的节点可以按照最长匹配原则接收、识别、转发所收到的内容。同时，命名采用层级式便于网络节点进行命名的聚类，可以理解为合并同类项，也方便查找。比如查找/beijing/videos/ndn.mp4/v1会首先到/beijing下查找，以此命名开头的数据都已被汇聚到一起。良好的汇聚能力使NDN可以处理海量数据，也可以解决一部分由命名中心带来的负担，即全网内容的数量远大于主机数，面向内容寻址的规模会比面向主机寻址规模更大。但层次化命名通常安全性较低。
NDN网络路由器的基本节点结构包括了两张表及一个内容缓存池：一个PIT表(Pending Interest Table)、一个FIB表(Forwarding Information Base)、一个内容缓存池CS(Content Store)，其的基本通信流程如图3。
其中Interest包和Data包的结构如图4所示。Interest包和Data包中的Name都指的是要请求的内容块的命名。用户将要请求的内容块的名字放到Interest包中，包装好的Interest包发送到NDN网络中；NDN节点路由器根据Interest包中的Name将Interest包转发到含有此内容的节点；一旦Interest包到达一个含有所求内容的节点，这一节点将返回一个包含所求内容及其签名信息的Data包；Data包沿与Interest包相反的路径返回，直至Data包到达内容请求端，用户得到想要请求的内容。
当一个Interest包到的时候，NDN Router首先检查CS缓存中是否已经缓存了Interest包中请求的内容块，如果有，Router生成包含此内容块的Data包并从Interest包的入端口转发出去；如果没有，则在PIT中查找是否有相同的内容块请求存在，如果有，就在相应条目的入端口号项添加上此Interest包的入端口号即可；如果PIT中没有，在PIT中添加一条新条目，记录此Interest包的内容块名称、入端口号，并根据FIB表及具体的转 发策略将此Interest包转发出去或丢弃、返回NACK。特别指出，对于请求同一内容块的多个Interest包，PIT表只建立一个条目进行记录这一内容块和这些Interest包的入端口号，并只对第一个到达的请求这一内容块的Interest包进行转发。
当一个Data包到的时候，NDN Router首先在PIT表中查找Data包中内容块对应的PIT条目，如果没有找到，则直接丢弃此Data包；如果找到了，就将Data包从此PIT条目中记录的所有Interest包入端口转发出去，同时删掉此PIT条目并在CS中缓存下Data包中的内容。
每个NDN节点对Interest包和Data包进行上述的处理过程，实现了内容请求方的内容获取需求。若在NDN节点中实施不同的缓存策略、转发策略，能够使网络达到不同的优化效果。
ICN凭借其基于名字的路由实现了内容和位置的分离，极大便利了信息的传送和转发。因此，ICN提供了一个高效内容分发的平台，与传统IP网络相比，其核心优势在于：
(1)内容命名：直接对内容命名，将内容与位置信息解耦，实现基于内容路由。另一方面，由于内容命名的地址空间是无限的，能够有效解决IoT环境下终端数量庞大时IP地址枯竭的问题。
(2)网内缓存：由于内容命名带来的内容与特定地理位置解耦，使得网内缓存内容副本变得可行，利用网内缓存的空间资源换取时间效益，降低内容响应时间，节省了带宽。
(3)移动性支持：ICN网络是一种支持内容的请求/应答模型，无需建立连接、维持连接，由此带来的好处之一是更加适合移动性。在ICN网络中请求分组经过路由器时，路由器会自动记录下需求分组的轨迹，数据分组按轨迹返回给用户。当客户端发生移动时会再次产生新的轨迹，因此网络中不需要维护客户端的位置信息，支持主机的移动性，解决了海量信息的高效传输问题。相较于端到端连接的IP通信移动性解决困难的问题，ICN的无连接通信为移动性的无缝切换提供了良好的基础，同时，网内缓存利于内容响应时延的降低。
(4)网络层安全性：信息中心网络在设计之初就将安全性考虑在内，通过直接对内容本身进行安全保护，使得ICN的安全性机制相比于IP的安全性机制更加的强健。传统IP网络中，安全取决于主机是否可信，若主机不可信，则存储在主机上的信息被认为是不可信的。但是，信息是否安全与存储信息的主机是没有必然联系的。ICN从信息出发， 直接对信息实施安全措施，因此安全策略粒度可粗可细。
因此，信息中心网络采用以信息命名方式取代传统的以地址为中心的网络通信模型，从而可解决IP网络中一些固有问题，满足用户对海量信息访问的需求。
标识解析是实现用户与设备唯一标识、定位、寻址、路由的关键技术。随着工业互联网的蓬勃发展，采用公有标识对各类资源进行标准化编码成为信息共享、推进工业智能化的基础。几种主流的公有编码方式均可归纳为统一的逻辑模型，包括前缀字段、后缀字段、以及可选的安全字段。
当前基于DNS的标识解析系统架构如图5所示，其中，标识解析服务器能够根据标识编码查询目标对象存储的网络位置或相关信息，对机器和物品进行唯一性的定位和信息查询；信息数据存储服务器为存储机器和物品信息的服务器。
实施例1
本发明提供的基于ICN的工业互联网标识解析系统，通过内容命名和网内缓存实现了内容与特定网络节点的解耦。具体地，NDN网络利用基于内容名的路由算法实现了基于内容名的路由转发，而不需要DNS服务器进行server位置的查询。NDN网络的上述特点为工业互联网标识解析与网络路由融合提供了有效的解决途径，其系统架构如图6所示。
其中，标识名-内容名转换模块负责将需要查询的标识名转换为NDN网络的命名格式，即得到NDN标识名，以实现标识查询请求在NDN网络中转发。NDN路由器负责兴趣包(Interest packet)和数据包(Data packet)的转发，并将经过的数据包存储到本地缓存中。信息数据存储服务器为NDN标识名与其对应信息的存储服务器。
标识查询请求首先需要在接入NDN网络之前构造出符合NDN网络命名格式的兴趣包，使得兴趣包得以在NDN网络中转发。直至在NDN路由器缓存中或在信息存储服务器中找到此NDN标识名，并将NDN标识名对应的信息数据以数据包的形式沿与兴趣包相反的方向返回至标识查询请求节点，完成机器/产品等的信息查询响应。
(1)标识名-内容名转换模块
为融合标识解析与NDN网络，当务之急是要实现NDN命名与标识名的统一融合。
由于NDN的命名方式为层级式命名，同时当前已有的标识编码方式包含不同的部分；另外，NDN的命名以及标识编码均为不定长命名，因此NDN命名非常适合兼容多种标识编码方式。
具体地，由于NDN的层级式命名各部分之间由“/”分隔，而不同的标识编码方式的分隔符不尽相同，因此标识名-内容名转换模块的主要作用即为将各种不同的标识编码分隔符统一为“/”分隔符。另外，NDN标识名还将具体的标识编码名称作为前缀，以避免不同标识编码体系的编码命名冲突，同时增强NDN标识名的聚合性，提升查询效率。需要说明的是，标识名-内容名转换模块在请求包接入NDN网络之前执行，例如终端设备。
下面以EPC、Ucode、OID为例：
1)EPC
一种EPC的编码结构如下表：
表1
Figure PCTCN2020122668-appb-000002
转换为NDN标识名：/EPC/Header/Filter Value/Partition/Company Prefix/Item reference/Serial Number.
2)Ucode
Ucode的标识结构为“编码类别标识+编码内容(长度可变)+物品唯一标识”。
转换为NDN标识名：/Ucode/编码类别标识/编码内容/物品唯一标识.
3)OID
OID表示方法有OID数字值、OID字母数字值、OID国际化资源标识符(OID-IRI)三种形式。数字形式表示时，不同层次之间用“.”分隔，例如{2.17.2.3}。
转换为NDN标识名：/OID/2/17/2/3.
字母数字形式表示，例如{joint-iso-itu-t(2)registration-procedures(17)document-types(2)binary(3)}。
转换为NDN标识名：/OID/joint-iso-itu-t(2)/registration-procedures(17)/document-types(2)/binary(3).
国际化形式表示，例如"/Joint-ISO-ITU-T/Registration-Procedures/Document Types/Binary"。
转换为NDN标识名：/OID/Joint-ISO-ITU-T/Registration-Procedures/Document Types/Binary.
(2)面向异构兼容的信息存储服务器及网内缓存设计
1)信息存储服务器
由于标识名在进入NDN网络之前由标识名-内容名转换模块进行了命名的统一转换，因此标识名在信息存储服务器中的注册也应该包含转换后的NDN标识名。
信息存储服务器中的每条记录包含标识名、NDN标识名、信息内容，其格式为：
表2
标识名 NDN标识名 信息内容
标识名在信息存储服务器中的注册过程为：
a.当一个新的标识名以及其对应的信息内容要注册存储在信息存储服务器时，首先在信息存储服务器的所有条目的标识名中搜索要注册的标识名。如果存在，则表示此标识名已经存在信息存储服务器，则执行信息内容更新操作。
b.如果不存在，则在信息存储服务器中新添加一个条目，记录这一标识名和信息内容，并且根据(1)中标识名-内容名转换模块中的转换规则得到这一标识名对应的NDN标识名。由于采用相同的标识名转换规则，因此服务器中存储的NDN标识名与标识查询请求时转换得到的NDN标识名具有一致性。
当标识查询兴趣包到达信息存储服务器时，信息存储服务器执行查找操作。标识名在信息存储服务器中的查找过程为：
a.当一个NDN标识名兴趣包到达信息存储服务器时，信息存储服务器在本地所有条目的NDN标识名中搜索请求兴趣包的NDN标识名。如果存在，则将对应的信息内容以数据包的形式(数据包命名仍然为对应兴趣包的NDN标识名)返回给信息查询节点。
b.如果不存在，则丢弃此兴趣包。
2)网内缓存
网内缓存根据缓存策略，将经过本地的数据包存储在本地缓存中。当后续相同的NDN标识名请求，本地缓存可以直接进行请求的响应，从而提升网络效率，节约网络资源。本地缓存中的每条记录包含NDN标识名、信息内容，其格式为：
表3
NDN标识名 信息内容
当一个标识查询兴趣包到达NDN路由器时，NDN路由器首先在本地缓存中执行查找操作，具体过程为：
a.当一个标识查询兴趣包到达NDN路由器时，NDN路由器在本地缓存中所有条目的NDN标识名中搜索请求兴趣包的NDN标识名。如果存在，则将对应的信息内容以数据包的形式(数据包命名仍然为对应兴趣包的NDN标识名)返回给信息查询节点。
b.如果不存在，则继续NDN路由器的后续操作。
当一个标识查询结果数据包到达NDN路由器时，NDN路由器根据缓存策略在本地缓存中执行缓存操作，具体过程为：
a.当一个标识查询结果数据包到达NDN路由器时，NDN路由器在本地缓存中所有条目的NDN标识名中搜索数据包的NDN标识名。如果存在，则表示此标识名已经存在本地缓存中，则不进行缓存。
b.如果不存在，则根据缓存替换策略将此数据包的NDN标识名及信息内容存储在本地缓存中。
实施例2
基于上述工业互联网标识解析系统，下面介绍一次完整的标识查询请求与响应过程，如图7所示，其具体过程为：
A.信息数据存储服务器注册与广播
a.在赋予产品1标识的同时需要在信息数据存储服务器中进行注册，具体的注册过程如(一)(2)中所述。注册结果为：
表4
{2.17.2.3} /OID/2/17/2/3 产品1信息
b.信息数据存储服务器将本地存储的NDN标识名广播，使得NDN网络能够根据NDN标识名进行路由转发。
B.终端1请求标识查询
a.终端1获取产品1的标识名({2.17.2.3})，通过本地的标识名-内容名转换模块将标识名({2.17.2.3})转换为NDN标识名(/OID/2/17/2/3)，并构造相应兴趣包，发送此兴趣包到NDN网络中。
b.当NDN路由器收到此兴趣包，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型进行兴趣包的处理、转发，即首先在本地缓存中查找(具体查找过程如(一)(2)中所述)，如果找到则即刻返回数据包，否则依赖PIT、FIB将此兴趣包转发出去。
c.此兴趣包经过R1、R2到达信息数据存储服务器。信息数据存储服务器根据NDN 标识名进行查找(具体查找过程如(一)(2)中所述)。如果没有找到，则丢弃该兴趣包；如果找到，则返回数据包(/OID/2/17/2/3)。
d.当NDN路由器收到此数据包，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型进行数据包的沿路返回至终端1，并根据本地缓存策略缓存此数据包(具体缓存过程如(一)(2)中所述)。本地缓存中的条目为：
表5
/OID/2/17/2/3 产品1信息
C.终端2请求标识查询
a.终端2也想要查询此产品的信息，通过获取产品1的标识名，并转换为NDN标识名，构造兴趣包发送到NDN网络中。
b.当此兴趣包经过R3到达R1时，由于R1的本地缓存中已经存储了此产品信息，因此可以直接返回数据包(/OID/2/17/2/3)。
c.数据包从R1经过R3返回到终端2，完成了标识查询请求响应。
D.支持异构兼容性
a.当产品1存在其他标识标准的标识名时，此标识名同样需要在其对应的信息数据存储服务器中进行注册，并且信息数据存储服务器对注册的信息进行广播。
b.当有终端要获取这一标识下的产品信息时，通过标识名-内容名转换模块(已经安装此标识标准的格式及转换规则)将标识名转换为NDN标识名，从而在NDN网络中获取这一标识下的产品信息。
本技术方案基于NDN实现了工业互联网标识解析与路由的融合。通过将ICN技术引入工业互联网，能够同时实现工业互联网网络连接及标识解析的能力，使得工业互联网整体架构扁平化，提升信息获取效率，提升网络可扩展性，提高工业互联网数据安全性。同时由于省去了解析服务器的部署，该方案能够有效解决工业互联网标识解析的异构不兼容问题。

Claims (10)

  1. 基于ICN的工业互联网标识解析系统，其特征在于：所述标识解析系统包括基于ICN路由器、信息数据存储服务器、标识名-内容名转换模块；其中，
    所述标识名-内容名转换模块用于将需要查询的标识名转换为ICN网络的命名格式，即得到ICN标识名，以实现标识查询请求在ICN网络中转发；
    所述ICN路由器用于完成兴趣包Interest packet和数据包Data packet的转发，并将经过的数据包存储到本地缓存中；
    所述信息数据存储服务器为ICN标识名与其对应信息的存储服务器，用于响应标识查询请求。
  2. 根据权利要求1所述的基于ICN的工业互联网标识解析系统，其特征在于：所述标识解析系统基于NDN网络；其中，所述标识名-内容名转换模块用于将需要查询的标识名转换为NDN网络的命名格式，即得到NDN标识名，以实现标识查询请求在NDN网络中转发；
    所述NDN路由器用于完成兴趣包Interest packet和数据包Data packet的转发，并将经过的数据包存储到本地缓存中；
    所述信息数据存储服务器为NDN标识名与其对应信息的存储服务器。
  3. 根据权利要求2所述的基于ICN的工业互联网标识解析系统，其特征在于：所述标识名-内容名转换模块在请求包接入NDN网络之前执行作业，其将工业互联网标识解析系统中各种不同的标识编码分隔符统一为“/”分隔符；所述NDN标识名将具体的标识编码名称作为前缀。
  4. 根据权利要求1至3任一项所述的基于ICN的工业互联网标识解析系统，其特征在于：所述工业互联网标识解析系统中各种不同的标识编码包括EPC、Ucode、OID编码。
  5. 根据权利要求1所述的基于ICN的工业互联网标识解析系统的数据访问方法，其特征在于：所述数据访问方法包括以下步骤：
    步骤一，将所述工业互联网标识解析系统中各种不同的标识编码在信息数据存储服务器进行注册与广播，并通过所述标识名-内容名转换模块将标识编码转换为NDN标识名；
    步骤二，某一终端发起标识查询请求，即发起对产品信息的查询时，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型将兴趣包转发至信息所在节点，获取的数据包沿路返回至该 终端，并根据本地缓存策略缓存此数据包，从而完成在NDN网络中获取这一标识下的产品信息；
    步骤三，另一终端查询相同产品的信息，通过获取该产品的标识名，转换为NDN标识名后，构造兴趣包发送到NDN网络中；当该兴趣包到达步骤二中的存储节点时，直接返回数据包，完成标识名查询请求响应。
  6. 根据权利要求5所述的数据访问方法，其特征在于：所述步骤二具体为：
    步骤2.1，第一终端发起获取第一产品的信息查询，通过本地的标识名-内容名转换模块将该第一产品标识名转换为NDN标识名，并构造相应兴趣包，发送此兴趣包到NDN网络中；
    步骤2.2，当NDN路由器收到此兴趣包，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型进行兴趣包的处理、转发，首先在本地缓存中查找，如果找到则即刻返回数据包，否则依赖PIT、FIB协议将此兴趣包转发出去；
    步骤2.3，此兴趣包到达信息数据存储服务器，信息数据存储服务器根据NDN标识名进行查找，如果没有找到，则丢弃该兴趣包；如果找到，则返回数据包至NDN路由器；
    步骤2.4，当NDN路由器收到此数据包，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型进行数据包的沿路返回至第一，并根据本地缓存策略缓存此数据包。
  7. 根据权利要求6所述的数据访问方法，其特征在于：所述步骤一中提到的将所述工业互联网标识解析系统中各种不同的标识编码在信息数据存储服务器进行注册与广播具体为：
    当一个新的NDN标识名以及其对应的信息内容要注册存储在信息存储服务器时，首先在信息存储服务器的所有条目的标识名中搜索要注册的NDN标识名，如果存在，则表示此NDN标识名已经存在信息存储服务器，则执行信息内容更新操作；
    如果不存在，则在信息存储服务器中新添加一个条目，记录这一NDN标识名和信息内容，并且根据所述标识名-内容名转换模块中的转换规则得到这一标识名对应的NDN标识名。
  8. 根据权利要求6所述的数据访问方法，其特征在于：所述步骤2.2中，NDN路由器按照标准的NDN节点处理模型进行兴趣包的处理、转发具体为：
    当一个NDN标识名兴趣包到达信息存储服务器时，信息存储服务器在本地所有条目的NDN标识名中搜索请求兴趣包的NDN标识名，如果存在，则将对应的信息内容以数 据包的形式返回给信息查询节点；如果不存在，则丢弃此兴趣包。
  9. 根据权利要求6所述的数据访问方法，其特征在于：所述步骤2.3中，信息数据存储服务器根据NDN标识名进行查找具体为：
    当一个标识查询兴趣包到达NDN路由器时，NDN路由器在本地缓存中所有条目的NDN标识名中搜索请求兴趣包的NDN标识名，如果存在，则将对应的信息内容以数据包的形式返回给信息查询节点终端；如果不存在，则继续NDN路由器的后续操作。
  10. 根据权利要求6所述的数据访问方法，其特征在于：所述步骤2.4中，根据本地缓存策略缓存此数据包具体过程为：
    当一个标识查询结果数据包到达NDN路由器时，NDN路由器在本地缓存中所有条目的NDN标识名中搜索数据包的NDN标识名，如果存在，则表示此标识名已经存在本地缓存中，则不进行缓存；如果不存在，则根据缓存替换策略将此数据包的NDN标识名及信息内容存储在本地缓存中。
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