随着互联网应用的不断发展变化，网络的主要需求由主机到主机的通信演进为主机到网络的海量信息访问. 现有基于TCP/IP的互联网体系架构在主机到网络的通信中效率不高. 为了适应互联网应用由发送者驱动的端对端通信模式向由接收者驱动的海量内容获取模式的转变，从网络体系架构层面提供对高效内容获取的原生支持，以信息为中心的网络(ICN,information centric networking)作为一种新型网络体系架构，得到了越来越多研究人员的关注，并成为了未来网架构相关研究的重大工程项目之一^[1]. ICN核心概念和网络架构已经度过了花样繁多的阶段，初步相互融合形成了以内容中心网络(CCN,content centric networking)和命名数据网络(NDN,named data networking)为代表的主流网络架构^[2]. 文献^[2]对CCN/NDN与其他ICN架构进行了对比分析.

CCN/NDN从内容共享的角度进行网络架构设计，具有面向内容的命名、寻址和路由等特点，不仅从根本上克服了IP网络进行内容分发的弊端，也更适用于当前互联网服务中内容共享的特点^[2]. 在CCN/NDN中，每块数据都具备唯一的、与位置无关的名字，名字可以用来进行内容搜索和检索. 请求者根据内容名字用兴趣包首先发起请求，内容源或者其他存储内容的节点回应包含内容名字、附加认证和完整信息的数据包. CCN/NDN研究关注的关键技术包括内容命名方法、内容名称解析、内容/信息路由与转发以及网络内置缓存等.

随着移动互联网与物联网的飞速发展，无线网络得到广泛应用. 在无线环境下，节点移动、频繁链路连接失败、节点电池能量受限等因素使得现有IP网络呈现多种弊端，特别在多媒体内容分发与移动性管理方面存在较大问题. 在无线网络中引入ICN可以有效弥补现有IP网络的不足，充分发挥无线网络特性，凸显ICN在内容分发方面的优势. 目前，已有学者在研究无线场景下ICN的命名、安全、路由和转发、缓存等关键技术. 表 1列出了ICN在无线场景下关键技术的潜在优势及未来的研究方向^[3].

笔者介绍了以CCN为代表的ICN缓存工作机制与主要研究内容；分析了ICN无线网络应用研究现状与技术优势；综述了缓存放置策略研究现状、缓存网络理论建模研究现状，对相关的研究思路进行溯源和比较；最后对ICN缓存技术发展与挑战进行分析与讨论，指出潜在研究方向与关键问题.

1 ICN缓存工作机制与研究内容

ICN内置缓存技术有助于降低用户内容获取时延、均衡整网业务流量、减小链路失效和节点移动对内容分发的影响^[4]. 首先利用CCN这种典型ICN介绍ICN缓存工作原理，然后总结ICN缓存技术主要研究内容.

1.1 CCN缓存工作机制

CCN内容获取由内容消费者(用户)驱动，数据进行分块传输. CCN中包括两类数据类型：兴趣包和数据包. 兴趣包中包含内容消费者所请求内容的名字，数据包中包含消费者所需要的内容. CCN中的路由方式是通过转发信息库(FIB,forward information base)寻址实现兴趣包的转发. 基于结构化的命名架构，CCN通过前缀聚合促进了全局路由.

CCN中内容获取通过两个步骤实现，第一步内容消费者向网内广播兴趣包，第二步接收到该兴趣包且具有该内容的节点将数据包按照相反的路径回传给内容消费者.

CCN节点接收到兴趣包后根据以下机制进行转发. 首先，节点在内容存储器(CS,content store)中查找内容名称前缀，进行最大前缀匹配. 如果找到匹配项，则将数据从接收到兴趣包的端口回传；否则，在未处理请求表(PIT,pending interest table)中查找匹配项(是否有其他用户需求过同样的内容)，如果有，兴趣包被丢弃，并在原有的PIT条目中增加接收到兴趣包的端口. 如果上述都不符合，就在PIT中新增一条信息，并将兴趣包按照FIB中记录的端口转发出去.

当节点接收到一个数据包时，会根据内容名称查找PIT. 如果找到匹配项，则节点会将数据包通过接收到兴趣包的端口转发出去，数据包会被缓存在CS中，PIT条目会被删除. 因此，数据会沿着PIT记录的路线逐跳发送至需求内容的用户. 如果没有在PIT中找到匹配项，数据包会被丢弃.

为了更清楚地描述CCN缓存工作的工作机制，图 1描绘了CCN对包的处理和转发过程.

R1节点(内容消费者)发出第1次请求，兴趣包通过广播的方式发送至相邻节点，相邻节点没有在CS和PIT中找到匹配项，将兴趣包转发至下一跳节点，直至兴趣包在P节点(内容提供者)的CS命中，图 1中以细虚线表示. P节点成为了R1节点的内容提供者，将数据延兴趣包请求路径传回，并在沿路径的节点上缓存该数据副本，图 1中以细实线表示. 请求的数据包被缓存到返回路径上节点的CS中，在图 1中表示为包含P1在内的3个节点. R2节点在第2次请求相同的内容时，向邻居节点发送兴趣包，当P1节点接收到兴趣包时，在CS中找到匹配项，成为命中节点，直接将数据发送给R2节点，图 1中用粗虚线和粗实线表示第2次内容请求和传回的路径. 第2次请求内容的过程省去了向内容提供者P节点请求数据的步骤，由此实现了“内容与位置分离”，且减小了传输时延与网络资源开销.

1.2 ICN缓存技术主要研究内容

ICN的以缓存换带宽的思路来源于Web、对等网络、内容分发网络等系统的缓存技术研究. 但是ICN缓存系统与传统的Web、对等网络、内容分发网络等缓存系统相比呈现出一些新的特征：缓存功能的泛在化、基于唯一标识的透明化和内容块级别的细粒度化^[4]. 因此，ICN缓存技术实现是亟须解决的关键问题之一. 如图 2所示，ICN缓存技术研究主要可以分为两大类：一类是缓存机制设计与实现，这类研究偏向于具体的技术方案，从不同的方面提升网络缓存效率与整网性能；另一类是对缓存网络进行适度抽象和简化，建立相应的理论模型并进行性能分析，为理解缓存的行为提供理论支撑.

ICN中的缓存功能是实现内容高效分发的关键，相应的缓存机制研究尤其重要. 同时，ICN缓存所呈现出来的透明化、泛在化和细粒度化等特点，对缓存机制的研究提出了新的挑战. 缓存机制研究主要包括网络中各个节点缓存空间大小设置、确定在哪些节点缓存数据副本的缓存放置策略、决定替换哪些数据副本的缓存替换算法以及缓存内容的存储方式.

首先讨论缓存资源分配、内容缓存方式和缓存替换策略实现方案. 缓存放置策略研究受到的关注度最高，研究内容较多，将在第3节着重讨论相关研究现状.

网络节点缓存空间的大小将会影响整个缓存系统的性能. 节点的缓存空间越大，能够缓存的内容也越多，系统内缓存的内容越具有多样性，这将提高网内缓存命中率. 但是，由于ICN要求节点以线速执行操作，缓存空间越大，处理的复杂度将会上升，查询的开销也越大，这限制了ICN中节点能够支持的缓存空间大小. 相关研究主要从以下两个角度展开.

首先是关于增加缓存空间对缓存性能的实际提升. 与传统的缓存系统相比，ICN将承载更多的内容分发，这将导致如果节点的缓存空间过小可能无法达到预期的效果. 而如果缓存空间太大，又会导致ICN中节点缓存的处理无法满足线速执行的要求. 为此，ICN节点进行存储器选择时，需要对各种存储器材质的访问速度、存储空间、单位存储价格以及功耗等有清楚的了解^[5]. 而在设计节点缓存资源空间分配策略时，需要根据路由器的性能差异来配置缓存的大小，以满足优化缓存性能的要求.

其次是对不同节点分配不同的缓存资源对缓存性能的提升. 这实际上是一个在给定预算下的网络规划问题. Psaras等^[6]认为合理分配缓存空间资源可以提高网络的性能，为边缘节点分配更多的缓存对提升网络性能更加有益. Rossi等^[7]发现依据节点的中心性度量进行缓存空间的分配对网络性能的提升有限，基于复杂的中心性指标分配方案与基于简单的节点度中心性的分配方案可以取得几乎相同的效果；Rossi等^[7]还指出网络流量在短期内会呈现一定的波动，但更长的时间尺度内一个区域的流量是稳定的，呈现所谓的locality特性，这为依据流量分布指导缓存资源分配提供了理论依据.

网络中的信息量将随时间出现无限制的增长. 有限的存储空间将很难满足无限的信息量的需求. 为了缓解这一矛盾，提高缓存的利用率，可釆用集中式存储和分布式存储两种不同的缓存方式.

集中式存储是指每个中间路由器将完整备份所经过的信息. 因路由器之间缺乏关于存储信息的协作交互，在整个路径上，必然会在多台路由器存储相同的信息. 但通常只有最近的缓存节点的信息才能被使用，因此导致大量远端缓存的信息闲置，成为冗余信息，造成了存储空间的大量浪费. 鉴于ICN节点之间的分布式和无组织特性，ICN的网内缓存无法使用开销较大的集中式方式.

分布式缓存方式是指多个中间节点通过互相协作进行信息分块存储，以实现信息存储的完整性. 在ICN环境下，每个自治系统都是一个内容提供者，它们应该存储最有价值的信息，整个互联网的均衡取决于它们以自我为中心的行为. 此外，未来网络中视频等多媒体内容占比极大，每个路由器所能拥有的缓存空间相比这巨大的视频流都显得微不足道，因此ICN中大多釆用分布式缓存方式.

缓存替换策略在传统的Web缓存系统中已经进行了广泛的研究. 典型的缓存替换策略有随机替换策略、最少频率使用策略和最新使用策略^[8]，分别对随机选取的内容、长时间内最小频率使用的内容和最近最少使用的内容进行替换更新. 朱轶等^[9]提出一种基于流行度的缓存概率替换策略，针对内容的流行度分布特征选择数据块在缓存队列中的替换位置，以平衡不同流行度内容在网络中的分布. 崔现东等^[10]把节点的内容缓存更替速率作为准则设计缓存放置策略. 此外，一些缓存替换策略通过延长某些内容在缓存中的时间来增加缓存的内容所服务的请求数目. Xu等^[11]通过将被替换掉的内容放到相邻的节点上来延长内容副本在网络中的寿命.

2 ICN无线网络应用研究现状

ICN设计之初，以有线网络为主要应用场景. 随着研究的深入，相关研究表明，将ICN体系结构引入无线网络可以充分发挥“内容与位置分离”的技术优势，尤其是对于没有基础设施的无线自组织网络. 利用内容缓存可以解决由链路损耗、有限的带宽以及节点移动性所带来的挑战，减小无线网络流量负载，同时降低内容获取时延. 下面分析ICN引入无线自组织网络和无线蜂窝网络的技术优势.

2.1 无线自组织网络场景

已有文献讨论了在无线自组织网络环境下部署ICN的可行性与相关技术解决方案. Detti等^[12]将ICN引入移动自组织网络(MANET,mobile ad hoc network)替代TCP/IP架构，利用ICN的网内缓存和多播特性，提出一种高效可靠的内容分发机制，该机制采用基于话题的、发布-订阅的模式. Angius等^[13]考虑利用ICN实现用户对自身发布内容的控制. 在车载自组织网络(VANET,vehicular ad-hoc network)中引入ICN思想实现内容分发的相关研究包括网络架构研究^[14]、内容获取机制实现^[15]. Mathieu等^[16]提出了将CCN体系架构应用于在线社交网络的实现方案. 在面对在线社交网络应用庞大的用户群时，ICN体系架构突显了其在内容分发方面的性能优势.

下面将介绍不同应用场景下的无线自组织网络特点以及引入CCN的技术优势.

MANET是应用广泛的自组织网络形式，如家庭办公环境、作战网络、紧急服务等. 将ICN引入MANET后，针对不同应用场景，可以体现ICN带来的不同优势.

在救援、作战指挥网络中，最重要的需求为极高的安全性、便捷的网络自配置属性，以及良好的网络恢复能力，以应对移动且多变的通信环境. ICN原生支持用户移动性，能够适应无线自组织网络环境中的间歇、短暂连接和动态变化的网络拓扑； ICN独特的内容命名机制等特性能够满足MANET在救援及作战等应用中的主要需求，实现传输数据的完整性及来源验证，传输数据可加密；从内容名称中读取信息，能够良好地支持MANET的多径传输特性，快速将文件传播到整个网络.

家庭办公网络或基于位置的信息共享等MANET应用场景需要进行高带宽且低延时的数据传输. ICN的信息共享不需要源节点ID等先验信息的特点对许多以信息为中心的移动应用来说是一个显著优势. 许多新兴的应用，包括数据监控、命令与控制、移动用户之间进行软件更新等数据交互操作，大多是围绕MANET进行的，ICN的缓存技术和内容共享机制非常适合文件在网络中快速传输与共享，具有带宽高、延时低的优势.

在VANET中ICN引入的技术优势也与车联网应用场景密切相关.

在车辆安全应用中，需要实时可靠优先级保证的信息传输，以向网络中的车辆快速传达至关重要的安全行驶信息. 面对这类应用，ICN具有优秀的广播特性. ICN原生支持数据多播传输，这得益于PIT中的兴趣包聚合，在等待第1个兴趣包获得数据期间，转发节点可以避免转发针对同一个数据包的多条需求. ICN的此种优良特性能够迅速地将安全信息传达到网络中的所有车辆. ICN中有意义的命名方式能够携带重要内容，节省数据空间，高效传达有效信息. ICN的多径传输特性能够有效地支持网络高速变化特性，实现安全信息的健壮传输.

在面向路况信息及资讯应用的车联网中，需要向网络内车辆传输特定范围内的路况、天气和停车等信息. 这类信息的传输与源节点ID或IP地址无关. 而ICN正是一种不需要任何有关源节点ID先验信息的网络，可以直接获取所需的信息. ICN还具备快速建立并维护路由的能力，ICN缓存机制也能令车联网中的路况信息等应用得到更好的实现.

无线传感器网络(WSN,wireless sensor network)引入ICN的技术优势：利用ICN的内容命名机制，可以把要传输的数据直接编辑在内容的名称中，非常简便并且节省传输带宽；以内容为中心而不是以IP地址为中心，网络拓扑控制更灵活，适合大规模传感器网络的建立和配置；ICN中的PIT的兴趣包聚合更好地支持数据多播传输.

表 2总结了信息中心自组织网络典型应用场景及技术优势.

2.2 无线蜂窝网络场景

ICN引入蜂窝网络最直接的两个技术优势：减小基站回程链路负载或移动核心网业务负载；较好地支持用户移动情况下的内容分发.

传统蜂窝网络不具备网内缓存与内容命名路由能力，因此需要在新型网络架构下部署ICN. 蜂窝网络自身体系结构与无线自组织网络差异性决定了在蜂窝网络中引入ICN思想需要从网络架构与体系协议等多个角度进行设计. Wang等^[17]将ICN引入5G蜂窝网络，给出了在移动核心网和无线接入网中内容缓存部署位置的不同方案. 通过对内容流行度、时效性、多样性以及副本位置等参数设计缓存策略，可以实现最小化ISP间或ISP内流量，以及最小化用户时延等性能增益. Satria等^[18]将ICN思想运用到虚拟长期演进网络中，用于改善在蜂窝网中由用户移动而导致的服务不连续. Zaidi等^[19]研究了异构蜂窝网络的基站配置内容缓存功能的网络性能.

除了在无线蜂窝网络的基础设施(移动核心网或无线接入网)中部署ICN缓存之外，利用移动用户之间的通信能力实现面向内容的内容共享也是一个全新的研究方向. Xu等^[20]、Chandrasekaran等^[21]针对蜂窝网络和设备间(D2D,device to device)通信组成的异构蜂窝网络场景下的ICN网络架构开展研究. Xu等^[20]比较了蜂窝接入与D2D传输模式的性能差异，并以最小化单位成功传输的耗能为目标设计了蜂窝或D2D传输模式的选择标准. Chandrasekaran等^[21]在本地用户中进行内容缓存，通过用户间D2D通信将缓存的数据副本在用户间共享，从而有效减小基站负载.

3 缓存放置策略相关研究现状

ICN/CCN缓存放置策略也称为缓存决策机制，设计目标为充分发挥内容缓存的作用，提升缓存命中率，减小内容获取时延与网络业务负载. 缓存放置策略的典型策略是沿路径缓存 (LCE,leave copy everywhere)，但如果内容所经过的路径上的所有节点都对内容进行缓存会导致网络中存在大量的内容副本冗余^[22]，过多的内容副本增加了存储空间消耗，提升了缓存替换速度，缓存内容频繁更新反而会降低ICN内容缓存利用效率^[23].

根据设计目标的不同，目前已有缓存放置策略研究主要分为3类：减小内容副本冗余的缓存放置策略、提高缓存利用效率的缓存放置策略、设计缓存效用函数并进行效用优化的缓存放置策略.

需要指出的是，提高缓存利用效率的缓存放置策略相关研究中，大多会考虑减小内容副本冗余，即从整网性能出发提高单位缓存资源的内容副本缓存的共享效率.

3.1 减小内容副本的缓存放置策略

LCE无序而不加选择的缓存占用了大量的缓存空间，产生了严重的缓存冗余. Chai等 ^[22]指出，缓存较少的内容反而会获得更大的收益.

为了降低缓存冗余，一些文献根据决策准备在内容传输路径仅选择一个或几个节点缓存内容以减少网络中内容副本的数量^[24]. 为了提高缓存效率，可以依据路径上节点的缓存空间大小、度数、介数进行缓存节点选择^[22].

概率缓存的提出也是为了减小节点的缓存开销，降低缓存冗余^[24]. 概率缓存：数据包回传路径上的每个节点都以概率p缓存内容，p的取值可以依据缓存情况进行调整. 为了充分发挥重要节点的作用，可以根据节点的重要性调整节点缓存概率的大小. 例如，考虑距离节点越近减小的内容获取时延越多，缓存节点距离请求节点越近缓存概率越大^[25]；考虑链路带宽有限则尽可能地减小网络中心节点的缓存概率^[26]；考虑用户对内容的兴趣时，缓存节点与内容的社会距离越大缓存概率越大^[27]；考虑节点缓存利用率与内容多样性的概率缓存方案^[28]等.

3.2 提高缓存效率的缓存放置策略

ICN/CCN缓存利用效率性能取决于两个方面：①缓存的内容副本所服务的请求数目，缓存热度较高的内容时缓存利用效率较高；②内容缓存减小的内容转发跳数，取决于缓存节点在网络中的位置. 相应地，已有研究中提出的缓存放置策略主要考虑两个方面：①选取热度高的内容进行缓存，同时尽量增加热度高的内容在网内生存时间；②选取网络内重要的节点进行内容缓存，增加缓存内容的利用率同时减小内容获取跳数. 已有研究中，一般是综合考虑上述两个方面，即选择网络中比较重要的节点集合N来缓存被请求次数较多(内容热度较高)的内容集合M，从而在减小内容副本冗余的同时提高单位缓存资源的缓存利用效率.

缓存节点集合N的选择方法可以抽象为

$N=\{argmax~({{w}_{i}})|\in \Omega \}$

(1)

其中：w为衡量节点重要性的指标，Ω为缓存节点的选择范围.

较为常用的衡量节点重要性的指标有图论中的节点介数^[10]、支配集^[11]、拓扑势^[29]等. 此外，考虑社交网络内的节点特性，节点在社交网络中的重要性也被用于衡量节点的重要性^[30].

缓存节点的选择需要计算和比较不同节点的重要性指标，因此需要进行节点间的协作. 基于缓存效用与协作开销折中考虑，有多种不同的协作方式. 当Ω表示整个网络时缓存策略采用全局协作，即在全网中选择缓存节点^[11]；当Ω表示一个邻域时，指的是采用邻域协作在一个邻域范围内选择最重要的一个或一组节点进行内容缓存^[29]；而使用路径协作思想选择缓存节点时，Ω指的是内容请求的路径.

缓存的内容副本集合M的选择抽象为

$M=\{argmax({{\sigma }_{r}})|r\in \Psi \}~$

(2)

其中：σ为衡量内容重要性的指标，Ψ为网络中的内容集合.

蔡君等^[31]利用在节点处对内容请求的次数统计来标志内容的流行度，只有内容请求次数大于阈值的内容才会被缓存. Bernardini等^[32]采用分布式协作缓存保持热度高的内容在缓存节点内具有更高的生存时间. 胡骞等^[33]利用最大节点中介中心度值得到缓存节点集合N，然后根据内容热度为约束条件得到缓存内容集合M，减小非流行内容不必要的缓存，增大较流行内容的缓存生存时间.

3.3 缓存效用优化的缓存放置策略

除上述直接以减小内容副本冗余度和提高内容缓存利用效率为目标的缓存放置策略，还可以通过定义效用函数，综合考虑多种影响网络性能的因素选取最佳缓存节点集合.

ICN/CCN缓存的性能增益表现为减小内容获取时延与网络业务负载，分别由缓存的内容副本所服务的请求数目n和节点缓存内容副本后为内容获取减小的转发跳数h决定. 因此，节点缓存内容副本的收益函数定义为

$u=f\left( n,h \right)~$

(3)

节点缓存内容副本的开销，主要体现在两个方面：①存储内容副本所占用的缓存空间；②存储内容副本所消耗的节点能量. 节点进行内容缓存的开销函数为

$c=g\left( C,E \right)$

(4)

其中：C为内容缓存占用的缓存空间，E为节点缓存所消耗的能量.

因此，节点缓存内容副本的效用可表示为

$\Delta =u-c=f\left( n,h \right)-g\left( C,E \right)$

(5)

缓存放置策略设计的目标为最大化整网内容缓存的效用值. 目前，针对设计缓存效用函数并进行缓存优化的研究较少.

考虑缓存能量开销的缓存放置策略优化研究已经引起学者们的重视^[34-36]. 节点可以通过两个途径获取所需内容：本地获取和外部获取. 在本地存储中获取内容所消耗的能量主要包括本地缓存内容所消耗的能量以及包处理消耗的能量；而外部获取内容所消耗的能量除了缓存内容及包处理所消耗的能量外，还有节点接收、转发包所消耗的能量. 其中，包处理以及包转发所消耗的能量还与数据请求过程中所经过的节点数有关. 因此，节点获取内容的能量消耗表示为

$V\left\{ \begin{matrix} {{E}_{local}}=N{{E}_{c}}+2{{E}_{p}} \\ {{E}_{extern}}=N{{E}_{c}}+\left( h+1 \right)({{E}_{p}}+{{E}_{f}}) \\ \end{matrix} \right.\text{ }~$

(6)

其中：N为网络中缓存节点数目，E_c为节点缓存内容所消耗的能量，E_p为节点进行包处理所消耗的能量，E_f为节点转发和接收包所消耗的能量，h为兴趣包所经过的跳数.

令C_m表示第m个内容的大小，x_mi=1表示节点i缓存第m个内容，否则x_mi=0. 最小化能耗最优化问题模型表示为

$s.t.~\left\{ \begin{matrix} \sum\limits_{m}{{{x}_{mi}}{{C}_{m}}\le C{{S}_{size}}} \\ \sum\limits_{i}{{{x}_{mi}}{{Y}_{i}}\le 1} \\ \end{matrix} \right.$

(7)

其中：Y_i为从缓存节点i获取的内容，CS_size为缓存空间值，$\sum\limits_{i}{{{x}_{mi}}{{Y}_{i}}\le 1}$表示节点最多只可接收一个缓存节点传输给它的内容. 式(7)为线性整数规划问题. 一些研究将此模型构建为线性规划问题，采用拉格朗日松弛算法求解^{[34, 36]}.

表 3对比分析了上述3方面研究的优劣性.

3.4 无线ICN缓存放置策略

在ICN缓存技术被提出之前，无线自组织网络中的缓存已经被广泛研究. 然而，ICN的创新性在于耦合缓存以及数据的命名. 事实上，命名使得内容能够以一种与应用无关的方式得到访问，因此对于一个命名内容的请求可以由任何匹配的数据满足，与它的位置无关. ICN体系结构下内容分片和内容请求聚合特性，使得无线ICN的缓存技术成为一个全新的、有待广泛研究的课题.

一般认为，无线节点处理能力与缓存空间均有限，控制无线节点中的缓存开销更为重要. 因此，较早研究中，无线网络也着重考虑缓存的内容副本冗余问题. Xu等^[37]提出了一种基于节点在网络中的位置、缓存空间的大小等因素的协作式缓存机制，对无线环境进行了针对性设计，将无线自组织网络中的任意拓扑结构转化成层级式拓扑. 核心节点组成连通支配集，然后对节点进行分组，如图 3所示，分组时基于支配集节点，还要考虑实际需求和拓扑信息. 缓存策略的核心为将流行度高的内容缓存到核心节点上，以避免网络中存在过多副本. Zhou等^[38]提出了基于广义支配集的缓存放置策略，选择缓存利用率较高的节点放置内容副本，实现网络中内容副本数量与内容获取速度的折中. 这种协作缓存机制能够提升命中率，降低平均命中所需跳数.

针对典型无线ICN应用场景，缓存技术也是研究重点之一. 在移动社交网络中，具有相同兴趣的节点相遇或者成为朋友的概率大，可以通过选择与目标节点相遇概率较大的节点缓存内容来减小内容转发的跳数^[39]. Wu等^[40]考虑移动社交网络中节点对内容的兴趣、节点重要度与内容替换率设计跨层缓存策略. Wei等^[41]探索VANET中车辆间社交协作机制，提出了基于伙伴协作和信使辅助机制的协作缓存机制来增强ICN缓存性能，并提高多媒体流服务的用户体验质量. 考虑到车辆对能源和缓存空间限制较小，Wang等^[42]提出了VANET场景下的数据传输服务，无论感兴趣与否，每一辆车都缓存它监听到的数据，以作为数据的预先推送. Lee等^[43]提出了MANET中位置辅助的内容管理架构，将数据与地理位置捆绑，并更加密集地缓存热点内容，从而将它们推送到距离潜在用户更近的节点. 然而，强制性地在多个节点中缓存流行度较高的内容副本将损害缓存的多样性^[23].

4 缓存网络理论建模研究现状

缓存模型通过对网络场景建模，分析ICN缓存的性能指标，如缓存命中率、内容请求时延、内容请求跳数等. 正如排队论对理解包交换网络的行为起到至关重要的作用一样，缓存网络的理论建模和性能分析对理解缓存网络的行为也不可或缺. 缓存网络的建模通常需要考虑对象的流行度、缓存网络的拓扑结构、缓存管理策略、每个节点上对象的外生请求到达速率、请求之间的关联性等诸多因素，并最终对建立的缓存数学模型进行理论分析. 缓存网络建模的一个难点在于上述多种因素需要放在任意图网络拓扑场景中同时考虑，节点之间存在复杂的联动关系.

4.1 缓存网络拓扑模型

如图 4所示，缓存建模所针对的网络拓扑结构分为线性拓扑、树状拓扑以及任意图拓扑结构.

线性拓扑属于级联缓存，而树状拓扑属于层次化缓存，在这两类封闭的缓存系统中，用户请求首先到达最低层的缓存节点寻求服务，若请求未能实现缓存命中，缓存节点将把请求转发给其上游的缓存节点，若仍未命中，则继续向上游节点转发直至根节点. 若请求仍然不能在根节点实现缓存命中，则根节点将请求路由到内容源节点并从源节点获得所请求内容. 内容对象将作为请求的响应沿着请求路径逆向返回，并在返回路径上经过的节点进行数据副本缓存. 而在任意图拓扑结构中，网络不存在明确的层次结构，节点间只有邻居关系，请求会从任意节点到达，内容源节点也可以和任意缓存节点相连. 当节点缓存未命中时，需要借助具体的路由算法完成对请求的转发.

相较于传统的层次化缓存模型，目前在ICN缓存网络的理论模型方面所做的研究工作仅拓展了缓存网络拓扑模型的类型，即引入了网状任意图结构，并解决了由此而衍生的缓存节点上下游关系不确定性问题. 然而在其他方面，目前的理论模型依然沿用了层次化缓存模型中的假设，如对象流行度服从zipf分布、外生请求到达服从泊松分布、请求服从独立参考模型、基于LCE缓存放置策略等. 由于ICN缓存具有透明化、泛在化和细粒度化特征，这些假设大多已经不成立或需要重新考证. 总体来看，ICN缓存网络的理论模型目前还处于研究的早期阶段，相关研究工作也较少.

缓存理论模型的研究主要包括兴趣包到达模型和系统的稳态分析等方面. 下面将对目前缓存网络建模的相关研究工作进行介绍.

4.2 兴趣包到达分布模型

在任意拓扑缓存网络中节点收到的实际兴趣包请求包括两类：一类是本地新产生的请求兴趣包，另一类是来自于邻居节点因未命中而向其转发的请求兴趣包. 假设节点的本地兴趣包请求到达速率服从泊松分布，且遵从独立参考模型，设节点i的平均本地产生请求到达速率记为λ_i，节点i产生的对内容m的请求到达速率λ_mi同样也服从泊松分布，则有λ_mi=λ_ip_m，其中p_m为被请求的内容对象是m的概率，且$\sum\limits_{m}{{{p}_{m}}}=1$.

对于具有明确的节点上下级关系拓扑结构，节点间相互关系较为简单. 设节点i实际请求到达速率为r_i，可以得到

${{r}_{i}}={{\lambda }_{i}}+\sum\limits_{i\prime \in {{D}_{i}}}{{{r}_{i\prime }}{{q}_{i\prime }}}$

(8)

其中：D_i为节点i的邻居节点集合，q_i′为节点i′的未命中率.

同样地，在节点i上内容m的请求到达速率r_mi满足

${{r}_{i}}={{\lambda }_{mi}}+\sum\limits_{i\prime \in {{D}_{i}}}{{{r}_{mi\prime }}{{q}_{mi\prime }}}$

(9)

其中q_mi′为内容m在节点i′的未命中率.

对于ICN内置缓存，节点的上下级关系由内容源节点位置和路由算法动态确定. 记P_i^m为从节点i到内容m的服务器v_s的一条最短路径，P_i^m[j]为路径上的第j个节点，P_i^m[1]=i，而P_i^m[2]是节点i的下一跳节点. 给定两个节点{i,i′}，定义R_i={i′:i=P_i′^m[2]}，即D_i中的每个节点表示对于内容m的需求到达节点i前所途径的上一跳，对于内容m的请求没有在缓存节点i′命中，则该请求将被转发给i. 由此，r_mi满足以下关系：

${{r}_{mi}}={{\lambda }_{mi}}+\sum\limits_{i\prime \in {{R}_{i}}}{{{r}_{mi\prime }}{{q}_{mi\prime }}}$

(10)

4.3 缓存系统的状态分析 4.3.1 级联和层次结构缓存网络的稳态分析

级联和层级结构网络下的缓存模型主要考虑了系统在稳态下的缓存性能. 稳态指的是在节点上的内容请求以稳定的速率及分布特征到达的前提下，每个节点的缓存命中率等相关统计指标趋于稳定的状态. 网络稳态分析的研究关注较多的是系统稳态的缓存命中率. 对ICN网络化内置缓存系统进行稳态分析面临着巨大的挑战.

Carofiglio等^[44]、Rodriguez等^[45]给出了级联和层次结构缓存系统稳态下不同流行度的内容对象在不同缓存层次的未命中概率计算方法. 假设内容请求服从独立参考模型，网络中内容的流行度服从Zipf分布. 第k个最流行内容被请求概率为p_k=βk^-a，其中β为和内容数量有关的常数. 流行度排名为k的内容在最低层节点中的未命中概率为q^k(1). 对于位于第v层上的节点请求流行度排名为k的内容的未命中率为q^k(v)递推表达式为

$lg~{{q}^{k}}\left( v \right)=\prod\limits_{l=1}^{v-1}{{{\left( \frac{{{x}_{_{l+1}}}}{{{x}_{l}}} \right)}^{\alpha }}{{q}^{k}}\left( l \right)lg~{{q}^{k}}\left( l \right)}$

(11)

其中x_l为第l级节点的缓存空间大小.

4.3.2 任意图拓扑缓存网络的稳态分析

Rosensweig等^[46]提出了一个任意图拓扑下的缓存系统稳态分析方法. 记ω_i={ω_1i,ω_2i,…,ω_mi}为稳态下缓存节点i收到的内容对象请求分布. 当内容请求服从独立参考模型时，由于内容m在缓存节点i上的未命中而转发到下一跳的兴趣包到达率速为 ${\hat{r}}$_mi=r_mi(1-η_mi)^[47]，其中r_mi为节点i上内容m的请求到达速率，η_mi为任意时刻内容m的副本存在于节点i上的概率. 定义η_i={η_1i,η_2i,…,η_mi}为节点i上各个内容副本存在的概率分布，η_i是以缓存大小和请求分布为自变量的函数，其映射结果为η_i=contents(ω_i,|i|)，其中|i|为节点i的缓存大小. Rosensweig等^[46]将上述结论推广到任意图拓扑的缓存系统，即

${{\omega }_{mi}}=\frac{{{r}_{mi}}}{\sum\limits_{j=1}^{N}{{{r}_{mj}}}}$

(12)

${{\eta }_{i}}=contents({{\omega }_{i}},\left| i \right|)$

(13)

${{r}_{mi}}={{\lambda }_{mi}}+\sum\limits_{i\prime \in {{R}_{i}}}{{{r}_{mi\prime }}(1-{{\eta }_{mi\prime }})}$

(14)

基于马尔可夫模型的稳态分析是另外一种缓存系统分析方法^[48].

上述文献主要针对特定网络拓扑下的缓存网络性能进行研究. 除此之外，Psaras等^[49]借助马尔可夫模型来为单个缓存建立模型，通过理论分析计算出了一个给定的内容对象在路径中任意一个节点缓存的时间. 给定内容对象的缓存未命中率则通过其不被系统缓存的时间百分比来体现.

4.4 无线网络缓存模型研究

在无线场景下，需要考虑节点的移动特性和广播特性^[50]. 在无线场景下，节点在起点X_s和X_d之间按照某一速度和方向v移动，系统达到稳定时节点分布可表示为

$f=\theta (v,{{X}_{s}},{{X}_{d}})$

(15)

节点i的未命中率为

${{q}_{i}}=\eta ({{\lambda }_{i}},\mu ,f)$

(16)

其中：λ_i为节点i的内容请求到达速率，μ为内容的特性分布. 进一步地，可以得到内容请求时延和网络吞吐量等特性.

在无线蜂窝网络中，相关研究开展了具有缓存能力的蜂窝网络建模与性能分析^{[19, 51-52]}. Baştuğ 等^[51]利用随机几何理论，将具有缓存能力的基站建模为空间点过程，在给定基站数、存储大小、内容分布等参数条件下，理论分析服务中断概率、平均分发速率等. Zaidi等^[19]、Yang等^[52]在异构蜂窝网络中提出了“信息中心本地覆盖概率”指标，以描述移动用户从基站侧直接获取所需数据的概率，并建立了“信息中心本地覆盖概率”与缓存空间、内容替换策略、内容热度分布、全局内容数量、所需下行传输速率以及频谱资源分配之间的数学模型.

5 ICN缓存技术发展与挑战 5.1 无线ICN缓存技术研究

将ICN从有线网络环境引入到无线自组织网络环境中，网络结构、运行机制发生了变化，节点既作为用户发送兴趣包，又作为路由节点进行包的寻址和转发，同时节点还具有移动性，网络拓扑会发生变化. 无线自组织网络作为一种无基础设施的网络，缺少全网信息管理与全局协作的能力. 传统的有线ICN缓存机制无法直接运行到无线自组织网络环境中. 有些学者虽然已经展开了无线ICN缓存技术相关研究，但无线ICN缓存技术研究需要结合无线网络特点，仍然存在较大的研究空间.

在未来蜂窝网络技术支持下，如虚拟化技术、云计算技术等，采用全新的网络架构与协议体系，实现面向内容的蜂窝网络是可行的. 无线蜂窝网络的ICN缓存技术研究属于刚刚起步阶段. 首先需要解决的关键问题是内容中心蜂窝网络的网络架构设计，由此确定缓存功能部署位置. 图 5给出了两种候选缓存功能部署位置，一种方案是将缓存功能部署在蜂窝网络的无线接入网(RAN,radio access network)，即传统网络的基站内或者未来网络的云化接入网 ；另外一种方案是将缓存功能部署在蜂窝网络的核心网(EPC,evolved packet core)侧. 无论采用何种缓存功能部署方案，都需要考虑传统蜂窝网络协议架构的修改，以及缓存资源的管理.

有线网络缓存技术研究较为广泛，无线网络缓存与有线网络缓存相比，具有广播信道和开放空间的特性.

利用广播信道，可以将网络层缓存与物理层编码结合. Maddah-Ali等^[53]提出了编码缓存的概念，将信息论与缓存技术结合，利用索引编码技术将不同内容编码缓存后，无需正交无线资源即可实现多个用户同时获得不同的内容. 这方面研究工作已经获得较多关注，但是从实现的角度，还需要考虑流行度分布、请求的非对称性、有限的编码长度和缓存空间等因素.

同时，考虑到无线传输的开放空间，一个用户可以接入多种无线网络站点，意味着一个用户可以从多个无线网络站点获取内容，此时站点间协作缓存尤为重要，最佳的缓存放置策略也更加复杂.

此外，引入ICN的无线蜂窝网络性能理论分析也是值得关注的研究点，相关研究可以为无线蜂窝网络部署缓存功能提供极具说服力的理论依据.

5.2 面向社交网络的ICN缓存策略

TCP/IP协议设计之初的目的是实现信息端到端的“传递”，但是随着互联网的飞速发展，如在线视频、社交网络等应用的普及，网络更多的是用于信息的“传播”. ICN从内容共享的角度进行网络架构设计，具有面向内容的命名、寻址和路由等特点，不仅从根本上避免了IP网络进行内容分发的弊端，也更适用于社交网络服务中内容共享的特点.

当前，面向移动社交网络的ICN相关研究刚刚起步^[30]. 将ICN体系结构引入社交网络后，社交内容分发的业务流量特性对内容发布、内容请求以及内容分发方式都将产生影响，相应的内容路由、缓存、协作传输等技术需要充分研究. 缓存策略设计主要考虑用户兴趣和社会属性，但针对不同网络应用场景，缓存策略需要考虑的因素差异较大，单一策略无法满足全部网络性能要求. 因此，有必要针对特定应用场景，结合节点的社会属性、网络拓扑与物理资源限制等因素，实现面向社交网络的跨层缓存策略. 图 6展示了一种用于设计跨层缓存放置策略的移动社交网络模型^[40].

此外，已有研究大多针对ICN引入社交网络后的具体问题设计相应机制，目前没有见到关于引入ICN的社交网络理论模型研究的文献.

5.3 基于ICN缓存的网络能效优化

信息与通信技术的进步与相关产业的发展，使得信息与通信领域的能源消耗不断增加，由此引起了人们对该领域节能环保的广泛关注^[54].

ICN缓存技术可以提升内容分发效率，减小网络负载与传输时延. 同时，内容缓存在网络能量效率提升方面也具有技术优势. 目前已有文献开展以能效最优或能耗最小为目标进行有线ICN缓存放置策略设计的研究^[34-36]. 根据无线网络中设备资源有限的特点，一些研究者从最大化网络能效的角度出发设计缓存机制. Yang等^[55]综合考虑内容流行度、缓存空间与接入控制协议，根据最大化缓存能效提出了一种次优化的解决方案. Taghizadeh等^[56]考虑无线社交网络节点的自私性，通过按比例分配缓存空间的固定缓存部分，达到缓存开销最小的目的.

上述已有研究在缓存策略设计过程中仅考虑单一能效影响因素. 实际上缓存也影响了路由与传输，因此整网能耗不仅仅与缓存内容副本带来的能耗有关，而是涉及网络运行的每一个步骤. 同时，相关研究缺少合理的内容缓存能耗模型. 缓存内容副本产生的能耗与不同通信设备的硬件特性密切相关，或者有效的缓存能效模型需要具有针对性的测试与建模工作. 此外，针对蜂窝网络的高能效缓存机制研究仍属空白.

5.4 ICN缓存中的安全问题研究

ICN直接对内容对象进行保护，能够有效保护内容对象的真实性和完整性，但是ICN的网络内置缓存技术带来了内容非授权访问和用户行为隐私泄露的安全问题.

5.4.1 内容非授权访问问题

ICN内置缓存特性会导致内容非授权访问问题. 在ICN中，内容一经发布者分布出去，就脱离了发布者的控制，攻击者通过接收其他节点的兴趣包就可以获取其中的内容名字，并进而通过重发兴趣包来获取内容，实现内容的非授权访问.

在ICN设计初期采用了基于加密的方法来保护内容^[2]，即利用对称密钥对内容进行加密，任何节点都能够获取加密后的内容，然而只有获得密钥的授权用户才能得到内容数据. 但该方法中所有授权用户使用同一个密钥，密钥泄露后，所有获得该密钥的用户都可以获取内容，导致无法有效地进行访问控制. 为此，Hamdane等^[57]提出了一种改进的访问控制方法，该方案将内容加密与命名系统相结合，用非对称密钥替换对称密钥以提高内容加密性能，并为每个授权用户分配一个不同的密钥，从而能够确定泄露密钥的用户，可以实施更精准的接入控制. Li等^[58]基于轻量级的签名和验证算法提出了一种完整性认证架构实现有效、可扩展的内容访问控制，并通过向授权用户分配完整性验证令牌来控制对内容的访问.

已有访问控制方案主要是通过内容加密/密钥分配来实现静态的访问控制，存在诸多不足之处. 首先，已有方案难以用于用户访问权限动态变化的情况；其次，如何在实现有效访问控制的情况下，确保ICN的分发效率，减少因用户权限改变或被盗用的密钥管理开销和协议开销，目前还没有良好的解决方案.

5.4.2 用户行为隐私保护问题

ICN内置缓存会泄露内容消费者的行为隐私. 一方面，攻击者通过探测获取某内容的响应时间，就可以判定该内容是否被缓存在某一个节点，从而获知邻居用户是否检索、访问了该内容^[59]；另一方面，用户检索内容的名字易被邻居用户获知，攻击者可以利用请求者的检索信息推测出请求者的行为偏好等隐私信息.

Giulia等^[60]分析了ICN中网络性能与用户隐私的关系，表明消费者行为隐私泄露与缓存策略存在紧密联系. 为降低内容消费者检索隐私泄露风险，Mohaisen等^[61]提出了基于随机延迟的隐私保护方式，通过对缓存内容的响应时间附加额外时延，以对抗基于响应时间的探测攻击. 但是该方案增大了用户请求时延，导致网络缓存降低时延的优势无法发挥. Tamoi等^[62]指出，可以通过协作缓存，增大请求者的匿名集合，实现用户行为隐私保护.

已有隐私保护方案主要是通过隔断请求者身份与请求者行为、发布者身份等之间的关联，增加匿名区域来实现的. 但是，已有方案没有区分用户需求、内容类型等对隐私保护的要求，而在实际中不同用户、不同内容具有不同等级的隐私保护要求，如高级用户、隐私内容具有更高的隐私保护要求. 因此，需要进一步研究新的隐私保护技术，从而能够根据用户需求、内容类型等因素对用户隐私信息进行自适应保护.

6 结束语

笔者综述了以CCN为代表的ICN缓存技术研究内容与最新进展，概述了ICN关键技术及其缓存技术工作原理与特点，分析了在无线网络中引入ICN的技术优势；针对已有缓存机制设计相关研究进行了总结，特别是缓存放置策略的相关研究；同时也讨论了缓存理论建模与性能分析相关研究现状；并且分析了ICN缓存技术发展趋势与未来研究需要解决的关键问题. 通过对ICN缓存技术研究进行综述与展望，理清了相关研究思路与主要方法，指出了潜在研究方向与关键问题，为后续研究提供有益参考.