Blockchain Over Named Data Networking Architecture: A Review
Alsamman, M., Hassan, S., Mohammed, F., Fazea, Y. (2024). Blockchain Over Named Data Networking Architecture: A Review. In: Zakaria, N.H., Mansor, N.S., Husni, H., Mohammed, F. (eds) Computing and Informatics. ICOCI 2023. Communications in Computer and Information Science, vol 2001. Springer, Singapore.
https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-981-99-9589-9_28
摘要—随着无限的应用程序和在线服务，未来的互联网架构将面临新的挑战和后果，如可扩展性、可靠性、适当的移动性和安全性。互联网的使用已经发生了惊人的变化，从单向通信到内容分发，因为每分钟都会产生大量内容。区块链和命名数据网络(NDN)是两项前沿技术，即将彻底改变我们使用互联网的方式。区块链是一种分散的分类账技术，允许用户安全地存储和共享数据。另一方面，NDN是一种新的网络方式，它关注的是内容而不是位置。区块链和NDN的结合可以创造一个更安全、更高效、更分散的互联网。区块链可以提供防篡改的数据记录，NDN可以高效安全地向用户传递内容。本文强调了在命名数据网络上进行区块链领域研究的重要性。它强调了区块链与NDN结合的优势，并讨论了在NDN上使用区块链的困难和开放的研究问题。此外，区块链在NDN上对互联网未来的潜在影响，因为它可以创建一个更安全、更高效、更分散的互联网。
关键词：区块链;内容分发;内容中心网络;未来互联网
1.引言
区块链技术是目前最受欢迎的技术之一[1]，如图1所示，图1显示了区块链技术在全球的市场规模。区块链技术作为一项技术革命的广泛认可产生了巨大的关注和宣传。所有交易的历史记录都保存在分布式数字账本中，该账本由加密的、签名的交易块组成[2]。通过向每个参与者提供文档副本，区块链概念避免了对集中权力的需求。与传统交易不同，数据控制掌握在一个中央机构，这个中央机构也负责验证客户的证书。传统源管理和管理数据，并确保数据不能被更改或擦除。相反，区块链概念采用分散控制消除了传统模式中存在的危险。
图1 区块链技术市场
区块链技术在各个行业都有多种用途，包括加密货币、物联网、医疗保健和分布式云存储。区块链网络中的每笔交易都会根据当前和先前的交易生成一个哈希值。即使事务中的微小变化也会生成一个全新的散列。节点的P2P网络在此之后接收到交易的广播。网络节点检查哈希以确认交易没有被更改。该网络使用众所周知的技术来验证事务。确认后，该交易与其他交易合并，创建新的分类账数据块。与互联网的演变类似，区块链范式的快速扩张已经变得至关重要。虽然去中心化的方法通过允许每个节点计算评级并独立地与其他节点共享来消除单点故障问题，但这需要单个节点的可信度来执行计算并提供担保，但在当今的网络架构(TCP/IP)中无法找到[2]。
命名数据网络(NDN)架构的开发是为了应对跟踪和交付在线生成和交付的不断增加的内容的挑战。与当前关注数据位置的TCP/IP架构不同，NDN关注的是内容本身。这允许更有效和可扩展的内容交付，并改进安全性和隐私性。在NDN中，使用分层命名方案对数据进行命名，使其易于查找和检索。数据可以存储在本地，也可以存储在附近节点的缓存中。在NDN中，通信不需要主机节点的物理地址，因为数据本身的名称足以识别所需的内容。这消除了对DNS的需求，而DNS是当前Internet架构中的主要瓶颈。NDN架构被设计为向后兼容现有的互联网，使其成为一个直接和可扩展的升级路径[3]。
将区块链技术与NDN相结合最近在研究界受到了广泛关注。学者们强调了这种集成的潜在好处，比如提高安全性、隐私性和可扩展性。NDN还可以通过提供一种安全有效的存储和传输数据的方式来满足区块链应用的需求。本研究的重点是整合NDN和区块链技术，并讨论了这种整合的潜在好处[5,6]。
Web3.0是互联网发展的一个概念阶段，它强调去中心化、用户主权和更加开放的网络环境。与传统的Web 2.0相比，Web3.0致力于减少中心化平台的控制，赋予用户更多对自己数据的控制权，并促进开放标准的使用。
Web3.0代表着互联网的下一代演进，它以去中心化为核心价值观，致力于构建一个用户主权、隐私受保护、开放标准驱动的网络环境。在这个版本中，区块链技术发挥着至关重要的作用，提供了一个不可篡改、全透明的数据基础设施，使得智能合约和去中心化应用（DApps）得以实现，从而确保用户对自己的数据拥有完全的控制权。同时，命名数据网络（NDN）作为内容分发的创新模式，以其基于内容名称的路由机制，增强了网络的效率和安全性，与区块链技术相辅相成，共同支撑起Web3.0的愿景。通过这种技术融合，Web3.0旨在打破传统中心化平台的局限，推动网络服务向更开放、更公平的方向发展，为用户、开发者以及整个互联网生态系统带来深远的积极影响。智能生态网络（IEN）是一种知识驱动的未来价值互联网基础设施
（https://baike.baidu.com/item/%E6%99%BA%E8%83%BD%E7%94%9F%E6%80%81%E7%BD%91%E7%BB%9C/24475054?fr=ge_ala）。IEN Web3.0是实现Web3.0的一种方式，旨在实现数据和内容为中心的多方共识细粒度身份验证和授权，从而为Web3.0提供更好的价值和信任保障。IEN Web3.0 不是狭义的网络体系结构，所以它不是简单的狭义的“未来网络”(重点是网络通信、传输，不直接关心上层应用)，更多是一个“未来网络”之上的多层融合。它是一个包括“传输网络”的覆盖网络，需要关心对上层Web3.0模式应用支撑。
本文将研究区块链在NDN上的使用。文档布局如下:我们将在第2节分别介绍两种技术的背景。第3节将介绍基于NDN的区块链的最新研究。关于区块链在NDN上的价值的讨论将在第4节中讨论。第5节将提出存在的挑战，第6节是总结。
2.技术背景
2.1NDN转发平面
NDN架构设计提出了两种包类型:兴趣包和数据包。NDN用户可以通过订阅一个兴趣包来访问数据，该兴趣包请求一个内容对象并将其作为数据包返回;两个包都包含内容对象的名称。转发信息表(Forwarding Information Base, FIB)、待定兴趣表(Pending Interest Table, PIT)和内容库(Content Store)是NDN路由器必须维护的三个重要数据结构[3]。
NDN路由器的FIB通常类似于IP路由器的FIB，不同的是它保存名称前缀而不是IP地址前缀。通过这样做，可以将名称前缀发送到各种接口。每个PIT部分保存兴趣名称、到达接口和转发接口的记录(类似于历史表)，当路由器收到兴趣包时，首先检查内容库(CS)以查看是否有匹配的数据。CS为传入的数据包提供短期的网络存储(缓存)。兴趣所在的接口立即接收到数据[7]。
另一方面，如果名称匹配，则兴趣将继续查找PIT条目。假设该名称已经出现在PIT中。在这种情况下，它可能是必须丢弃的重复兴趣，或者是通过不同的传出接口发送的来自同一客户的重新传输的兴趣。这将导致PIT检查感兴趣的nonce，并使用传入接口的数量更新现有的PIT记录。这有效地为同时请求相同数据的用户创建了一颗多播树。如果该兴趣名称在PIT中不存在，则将其加入PIT并发送给FIB，由转发平面模块处理。
当数据包到达此阶段时，使用数据包的名称检查PIT。路由器将数据包发送到兴趣到达的接口，如果在PIT入口中有匹配的，则删除该PIT入口。然后，数据包经常沿着兴趣的反向路由运行。如果未检测到匹配项，则丢弃或缓存到CS中。每个兴趣都有一个由消费者决定的相关生命周期;如果利益在期限届满前未得到满足，则PIT项将被删除。然而，由于签名的唯一性和缓存策略的可靠性，NDN路由器可能会将数据包保存在CS中。即便如此，未来的兴趣也可以通过CS中存储的数据包来满足[8]。
2.2区块链框架
大多数现代区块链系统使用一个共同的框架，该框架最初是在比特币和以太坊中建立的，一般可以分为四个层次[9]:
应用层:通过利用智能合约，区块链技术的分散应用，如供应链管理、身份管理和公证服务，已经发展到包括用于加密货币转移的应用层。
数据层:区块链框架的数据层包含共识、数据传输和账本维护的结构。块通过哈希引用连接，然而块架构可能会有所不同。
共识层:共享分类帐是通过区块链节点中的共识层遵循的过程创建的，每个节点上都有副本。一致性要求就如何按顺序执行事务达成一致。为了更快地处理，事务被组织成块，并选择块序列。许多区块链系统使用的PoW共识因其交易时间长和由于分类账分叉而缺乏交易终局性而臭名昭著。研究人员正在寻找新的共识方法来克服这些限制，并支持一系列区块链技术用例。
传输层:区块链网络的传输层定义了交易如何记录到分类账以及区块链数据如何传播。像比特币和以太坊这样的公共区块链使用P2P覆盖将数据项从单一来源传输到所有节点。区块链网络的传输层控制交易的记录和传播方式。
3.命名数据网络上的区块链
大多数关于命名数据网络和区块链技术的研究都是独立完成的。TCP/IP是区块链创建的主要平台。当一个节点通过TCP/IP向多个节点发送数据时，它必须首先将该数据打包成数据包并分别发送到每个节点，这将导致额外的数据传输。NDN使用网络内缓存，这有助于增强区块链应用程序的整个广播。
NDN以数据为中心的方法可以有效地同步区块链上的块并分发记录。NDN中的数据是从整个网络而不是从单个节点或位置收集的。由于没有通过NDN使用区块链技术的轻节点或全节点的概念，因此所有节点都被平等对待。这解决了现有分布式账本系统中一个关键的安全漏洞，即轻节点依赖于整个节点来接收和传递数据，使其容易受到全节点恶意行为的攻击[10]。
[10-12]中的研究调查了不同的区块链(包括公共、私有和财团区块链)如何在NDN上分发数据。任何有互联网连接的人都可以成为公共区块链上的认证节点，公共区块链是开放的，不受限制的，并欢迎新的节点。绿色全局路由系统(GGNRP)采用一种新的节点中继压力度量来进行路由决策，以减少功耗和转发时间[11]。还建议使用基于区块链的密钥管理系统进行安全的密钥分发和验证。虽然有几个组织运行财团区块链，但私有区块链仅供特定企业或组织使用。
由于具有扩展NDN应用生态系统的潜力，[12]中提出的一种新的区块链平台使用命名数据网络(NDN)而不是传统的互联网协议(IP)来构建区块链平台。建议的框架[13]使用NDN和IPFS进行数据管理，有三层——数据层、区块链层和应用层——比现有的联邦学习框架提供更好的隐私保护、可扩展性和效率。区块链用于存储聚合数据并确保其完整性。与传统的联邦学习框架相比，该框架有几个优点。首先，它为原始数据提供了更好的隐私保护。其次，它更具可扩展性，可以支持许多边缘设备。第三，它更高效，因为它不需要将大量数据传输到云服务器。
一种新的证书分类系统，叫做CLedger。账本是一种使用命名数据网络(NDN)来存储和管理证书的分布式系统[14]。由于NDN是命名数据而不是节点，这使得以分布式方式存储和管理证书成为可能，而不必担心存储证书的节点的身份[14]。
此外，研究人员在[15]中提出了一种XRP- ndn Overlay，作为提高基于共识验证的区块链(如XRP Ledger)通信效率的解决方案。它通过使用命名数据网络(NDN)覆盖网络来实现这一点。
这允许更有效的路由，因为数据可以直接路由到目的地，而不必经过中央服务器。文献[9]建议在命名数据网络(NDN)中使用区块链技术和分层身份加密(HIBC)来构建匿名身份并独立验证数据的有效性。
作者[16]在工业物联网(IIoT)中，为命名数据网络(NDN)提供了一种简单的传输行为审计方案。基于区块链的系统使得安全有效地审计NDN网络中的数据传输行为成为可能。它由三个基本部分组成:一个用于收集和提交记录到区块链的轻量级审计员，一个用于管理记录的基于区块链的审计系统，以及一个用于携带审计记录的数据包。研究结果表明，NDN网络可以有效地检测恶意活动，具有高吞吐量和低延迟的特点。
IN[17]提出的基于命名的访问控制和分散授权(NACDA)系统通过使用基于身份的加密和通配符密钥派生(WKD-IBE)和区块链在命名数据网络(NDN)上实现安全灵活的数据共享，解决了动态车辆网络中数据验证的挑战。[18]中提出了一种新的机制，提供一种基于区块链技术的去中心化数据认证机制，既高效又直接。
[19]中提出的一个新框架使用VSNs在车辆之间建立信任，使用NDN有效地路由数据，使用区块链安全地记录交易。该框架被设计为P2P，这意味着车辆可以直接相互交易能源，而不需要中央权威。而在[20]中，作者提出了另一种称为BIoVN的系统，该系统结合了区块链技术和汽车互联网(IoV)的命名数据网络(NDN)。该系统的目的是为了提高NDN车载通信的安全性。
作者在[21]中介绍了基于命名数据网络(NDN)和Erasure Coding (EC)的A-C数据分发协议。该协议采用基于ndn的两层发布订阅机制，最大限度地提高带宽效率和数据传播速度。它侧重于区块链系统中区块和交易的快速分配，这对共识、有效性和安全性至关重要。A-C协议提高了区块链系统的数据传输效率和安全性，减少了数据冗余，解决了基于洪水的八卦协议的缺点。
[6]提出在一种区块链的网络层部署命名数据网络(NDN)，以提供差异化的QoS保证。讨论了使用窗口滑动和转发策略来加快数据包处理速度，满足延迟敏感数据包的延迟要求。此外，一个名为AFFIRM的区块链框架用于在Web3应用程序中生成、验证、存储和检索移动数据。这个框架使附近的设备能够自组织成一个雾网络并协同训练本地机器学习算法，通过共识利用信息中心网络作为底层架构，安全地生成、验证、存储和检索移动数据[22]。
[24]提出了一种基于角色加密(RBE)的新型命名数据网络(NDN)基于加密的数据访问控制方案。该方案确保了对分层内容的有效数据访问控制，使其适合于像Netflix这样以内容为中心的大型应用程序。该研究[25]提出了一种基于信任证明的区块链数据认证系统。该技术从一组节点收集投票，以在缓存中分发和存储条目。建议的系统为即将到来的互联网环境提供了一个新的数据身份验证选项，同时试图解决受污染的缓存内存的问题。在[26]中，智能合约用于分发AttributeNFT和AccessNFT，这是一种基于不可替代令牌(Non-Fungible Token, NFT)的访问控制系统，它使NDN路由器仅向授权用户转发密文数据包，确保数据安全和安全分发。为了提高文档内容分发、安全性和网络速度，[27]中的研究建议将区块链技术与命名数据网络(NDN)融合。
[28]对基于ccn的V2G网络安全内容分发方案提出了三个关键贡献:用于快速内容分发的网内缓存;基于契约理论的激励方案，以吸引车辆参与，以及用于安全内容交付和网络信任的权威共识证明算法。作者在[29]中使用了基于对称密钥的身份验证加密技术和用于源身份验证的单向散列链，本文提出了基于联盟区块链和引导过程的NDN安全架构。在[30]中提出的CPA检测和预防机制包括基于阈值的内容缓存系统，隐私区块链系统，以及将NDN扩展到基于推送的内容传播。
而IEN Web3.0在NDN（命名数据网络）环境中的潜在应用展现了一个充满可能性的未来网络架构，它将去中心化、用户主权和开放标准的理念与高效、安全的内容分发机制相结合。在这种架构下，去中心化应用（DApps）能够直接与用户交互，智能合约集成可以自动化地执行服务，内容分发网络（CDN）将变得快速而可靠，数据共享和协作平台将促进机构间的安全合作，身份管理和认证将更加安全和简化，隐私保护服务将为用户提供匿名性和保密性，去中心化存储解决方案将提供持久的数据存储服务，物联网（IoT）设备间的通信和数据处理将更加高效，供应链管理将变得更加透明和可追溯，数字版权管理（DRM）将使内容创作者能够直接控制作品的分发。这些应用不仅推动了网络服务的创新，还为用户、开发者以及整个互联网生态系统带来了深远的积极影响，共同构建了一个更加开放、公平和用户友好的网络环境。
4.讨论
为了在网络层取代TCP/IP，在NDN上采用区块链技术提供了特殊的好处和应用，这将使区块链社区和已建立的在线服务受益[5]。通过专注于网络级连接，采用“数据驱动的真实性”来确保数据源的安全性，区块链over NDN将数据优先于位置，确保真正的去中心化。
研究人员对具体技术是如何出现的很感兴趣。使用NDN进行高效的数据检索，并通过区块链确保数据安全。一些学者认为，在当前的知识产权中使用区块链技术是不明智的。相反，在NDN上使用区块链技术可能会带来更有效的性能[6,11]。NDN是一种假设的未来互联网架构，可以支持区块链技术，提供一种可靠的方式来维护数据库，而无需中央权威。通过NDN的区块链解决了IP网络问题，并提供了一个分散的系统，使连接节点和同步数据更简单。信任模型可以是集中式的，也可以是去中心化的;先前的方法涉及一个中央信用机构来收集和传播声誉值，但这种方法仍然需要沟通成本[15]。
去中心化方法通过允许每个节点计算评级并独立地与其他节点共享评级来消除单点故障问题，但这需要单个节点的可信度来执行计算并提供声誉值。而加密被纳入NDN以提供数据安全和身份验证，信任管理使良好的对等体能够建立积极的声誉，同时识别和排除交易中的不良对等体[13,25]。
与在线声誉模型相比，P2P网络的分散性需要一个分散的策略。基于NDN的区块链可以提供一个更高效、更容易实现的分散系统。通过在NDN上使用区块链技术，可以降低传输成本，消除冗余网络流量，消除拥塞，提高网络效率。
区块链命名数据网络(NDN)提供了几个优势，并解决了特定的数据网络需求。以下是区块链被视为与数据网络结合有用的一些原因:增强安全性:区块链提供了一个分散的、防篡改的框架来保护数据交易和数据分发。将区块链集成到NDN中可以增强数据完整性和身份验证，降低未经授权访问和操纵的风险。
数据所有权和控制:区块链的智能合约允许细粒度的数据所有权和控制。在NDN中，数据是根据名称访问的，区块链可以帮助保护和透明地管理数据所有权，使内容创作者能够控制他们的知识产权。
信任和透明度:区块链的分布式账本提供了不可更改的数据交换和交易记录。通过允许可验证、可审计和透明的数据交付和共享，集成到NDN中增加了信任和透明度。这在供应链管理和去中心化应用中尤其重要，因为参与者的信任是必不可少的。
弹性和数据可用性:NDN的网络内缓存能力，结合区块链的分散性，可以提高数据的可用性和弹性。基于NDN的区块链可以利用分布式存储和缓存功能，确保即使在网络中断或故障期间内容仍然可用。
更好的共识和治理:区块链引入了共识机制，允许分散决策和治理。当区块链与NDN集成时，可以使用区块链实现共识协议，以促进在NDN生态系统中就内容分发策略，网络资源分配和参与规则达成一致。
5.研究挑战
本文强调了在命名数据网络(NDN)背景下使用区块链技术可能存在的优点和缺点，强调需要对安全和内容缓存问题以及未解决的隐私相关问题进行进一步研究[5,25,28]。还强调了网络矿工之间实时公平的必要性，强调当离生产者最近的矿工比其他矿工更早收到新创建的区块时所产生的不公平，以及培养网络矿工动态的必要性[5,6]。
性能优化:未来的研究应集中于创建有效的共识机制和算法，将区块链与NDN集成，通过研究共享链下交易等解决方案来减少开销并维护安全保障，并优化共识协议以提高可扩展性和交易吞吐量。
隐私保护技术:突出显示的文本表明，通过NDN研究区块链中的隐私保护方法可以帮助创建保护数据隐私的机制，同时利用区块链的透明度。这些方法包括零知识证明、安全多方计算和差分隐私。
互操作性和标准化:随着区块链与NDN集成的推进，未来的研究可以集中在创建互操作性框架和标准上，以实现与当前网络基础设施和协议的无缝集成。这需要确定基于区块链的NDN的标准化数据格式，并研究连接各种区块链系统的方法。
安全与信任模型设计:通过建立新的加密方法和共识机制，需要更多的研究来产生安全可靠的模型，将区块链与NDN集成，解决安全内容命名、身份管理、打击Sybil攻击等问题。
现实世界的用例和应用:未来的研究应集中在识别和检查现实世界的用例和应用，如物联网、内容分发网络、供应链管理、去中心化金融和医疗保健，其中通过NDN的区块链可以为评估可行性、性能和影响提供显着的好处。
6.结论
区块链技术是NDN中的一个新概念，正在迅速站稳脚跟。基于IP的区块链技术仍然存在几个重大问题，例如缺乏分层访问效率。这些问题已经通过在NDN上采用区块链技术解决了，它提供了一个分散的系统并简化了设计。本文概述了区块链技术在NDN中的应用研究。在NDN上，我们讨论了区块链技术的一些困难。调查显示，随着每年文章数量的增加，NDN中的区块链技术受到越来越多的关注。调查报告表明，在NDN上寻找区块链技术仍处于起步阶段，这鼓励了NDN研究界对这一问题的认真关注。IEN Web3.0 （智能生态网络IEN，Intelligent Eco Networking）代表着未来网络发展的一个重要方向，它通过融合区块链技术和命名数据网络（NDN）的创新，展现出重塑互联网的巨大潜力。Web3.0的核心在于去中心化，它将用户置于网络的中心，赋予他们对自己数据的主权，并强调隐私保护和开放标准。结合NDN的内容中心化特性和区块链的安全性与透明性。IEN Web3.0能够提供更加安全、高效、可靠的网络服务，同时促进去中心化应用（DApps）、智能合约、数据共享、身份管理等应用场景的实现。这种技术结合不仅为现有问题提供了创新解决方案，还为未来的网络架构铺平了道路，预示着一个开放、互联、用户友好的数字世界的到来。
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