信息中心网络的研究现状和发展趋势

王 琛

（南京邮电大学通信与信息工程学院 江苏 210003）

0 引言

互联网已经从单纯的学术网络演变为复杂的商业网络，并且成为大家日常生活、商业运营和社会发展中不可缺少的组成部分。但是，正如每项技术都有自己的生命周期和发展瓶颈，互联网快速发展的过程中也暴露了许多问题，这些都促使各国开始了对新技术的研究。现有的互联网结构是以IP为细腰，这就意味着难以改变其核心体系架构，新的功能唯有以打补丁的形式才能在其他层面实施，导致了网络节点的臃肿和可扩展性差。当今社会，互联网正在商业领域发挥着更加广泛和深入的作用，需要更高的安全保障性，而现有的网络层缺乏应有的安全机制，导致互联网容易受到各种类型的攻击。在这样的环境下，新型的网络结构信息中心网络（ICN）引起了越来越广泛的关注。不同于传统的以地址为中心的网络通信模型，ICN采用的是以信息为中心的网络通信模型，通信的模型从传统的主机到主机演变为主机到网络，传输模式由传统的“推”改为“拉”，安全机制构建在信息上而不是主机上，转发机制由传统的存储转发演进为缓存转发，体系结构支持主机移动，解决了海量的高效传输问题。本文介绍了ICN的发展起源及现状，按命名、路由、分发、缓存技术分别介绍了ICN的分类，重点分析了ICN体系结构所依托的理论模型以及关键技术，说明了ICN现有的优缺点，并讨论了ICN研究技术的未来发展趋势。

1 信息中心网络的特点

信息中心网络（ICN）的思想是1979年由Nelson提出的，ICN摒弃了传统的以IP为细腰的协议栈结构，采用以信息名字为核心的协议栈结构。ICN采用信息名称作为网络传输的标识。因此，IP地址失去了原有的作用，部分情况下仅能够作为一种底层的、本地化的传输标识。此时全新的网络协议栈能够实现网络层解析信息名称、路由缓存信息数据、多播传递信息等功能，从而较好的解决计算机网络中存在的扩展性、实时性以及动态性等问题。传统体系结构的通信模式是主机之间的通信，通信路径由源主机地址和目的主机地址来获得。然而ICN采用主机到网络的通信模式，通过信息名字获取源主机到网络信息的通信路径。IP网络体系结构的传输模式是“推”模式，由服务器主导传输过程。无论是否感兴趣，服务器都可能推送信息到你的手机上。ICN则采用“拉”的模式，用户实时向网络发送请求信息，由于该信息上可能已经被缓存在网络上，网络可以把信息迅速回应给用户。对比传统网络，ICN更加高效，更加安全，也更支持移动客户端。

2 ICN的分类

ICN的本质是从信息访问的需求出发，在网络层将内容与终端进行了剥离。纵观ICN的体系结构，可以将其从内容命名、路由转发、信息传输和缓存内容四个方面进行分类。按内容命名方式可以将ICN分为扁平化命名、层次化命名及混合命名。根据路由转发方式可以将ICN分为精确路由和模糊路由，模糊路由的定位能力小于精确路由方式。按信息分发方式，ICN可分为一对多分发方式和多对多分发方式两类。按缓存方式，ICN可分为集中式缓存和分布式缓存两类。

3 ICN的关键技术

现有的ICN方案中，基本都认为全新的网络体系结构能够直接解决现有的TCP/IP网络中存在的关键问题，所以支持采用全新的网络体系结构来替代现有的 Host-Centric网络模型。为了验证这种方法的正确性与可行性，从解析技术、路由转发、数据技术和试验技术四个方面对这些方法进行比较。

3.1 解析技术

在ICN中，如果想实现对信息的路由，信息名字必须解析到信息位置，ICN的名字解析简化了DNS的处理流程，将解析和路由过程合并，边路由边解析，传输过程中不会有单独的解析时间。在传统网络中，网络的传输延时是解析时间加上路由时间，而ICN中没有解析时间只有路由时间，因此大大减少了传输延时，提高了传输效率。层次命名与平面命名被认为是ICN最有代表性的两种信息命名方法。层次命名允许系统规模通过层次信息名称实现聚合，当命名对象的数量级达到1013至1016时，相对于传统的DNS系统，层次命名网络系统具有更高的执行效率。其次，ICN体系结构中所有信息名称都保存在路由器缓存中，层次文件命名使的所有路由决策都具有层次性，从而允许通过聚合文件名实现缩减路由表，优化骨干网的核心路由性能。平面命名方法的优点主要是能够避免位置身份绑定问题，使信息数据有更强的动态性。然而，按照数据到来时刻的不同，采用平面命名方法的系统需要不断更新数据结构，导致路由表大小难以控制。

3.2 路由转发

路由转发技术是ICN的一项重要技术，具有两大特色：（1）基于信息名字路由。当前网络用户请求的大部分内容都是信息，信息名字即为ICN的路由标识。这样对于用户而言，无需关注网络拓扑，只要按需求向网络请求数据就可以得到信息。缓存技术是ICN的另一个突破，ICN中增加了路径内缓存，用于缓存该节点的部分或所有信息数据。在路由过程中，不需要路由到原始数据源获取数据，缓存可以作为信息源直接回应数据。缓存的加入使得ICN缩短了传输路径，同样提高了传输效率。

3.3 数据技

ICN中数据技术主要包含信息安全和数据信息缓存两个方面。在所有的ICN方案中，更强调信息的机密性与完整性。ICN在中间节点采用了信息缓存技术，利用存储开销换取传输效率。信息缓存技术能够减少网络传输延时从而提高网络传输效率。信息数量随着时间的推移会无限增长，为了缓解有限的存储空间与无限信息容量之间的矛盾，可采用集中式存储和分布式存储两种不同的缓存方式。集中式存储即用单一路由器存储完整的信息，所有未被存储的经过路由器的信息都将被完整备份。路径中的路由器之间并没有协作关系，导致大量存储空间浪费，缓存效率不高。分布式缓存方式则是由多个中间路由器相互合作，共同协商储存完整信息，使信息实现分块缓存。根据优选存储位置不同，分布式缓存又分为边缘分布式缓存和核心分布式缓存。

3.4 试验技术

ICN试验必须构建在基于信息名字路由的环境中进行。现有的网络的路由方式是基于IP地址进行，若在此基础上构建ICN网络，则会得到一种新的Overlay网络，由于底层仍采用IP网络，这种情形下测试的ICN性能是不准确的。因此ICN试验需要脱离现有IP网络，使信息名字成为网络细腰。为了尽可能的避免重建网络基础设施，相应的模拟办法可分为两种：㈠通过ICN Overlay进行试验：尽管ICN Overlay在一定程度上能够保证实验的顺利进行，然而并不能保证实验结果的准确性，在某些情况下甚至可能得到相反的结果。②进行ICN模拟试验：常见的模拟实验途径有三种：通过模拟工具进行试验，如OPNET、NS2、NS3、Boson Netsim等，根据每个模拟工具自身特点构建新的 ICN协议；通过架构试验床进行试验，具备CCN原型系统的CCNX为全球研究ICN的工作人员都提供了有力保障；直接编写代码进行模拟，这种方法工作量非常大，且不能很好的保证试验效果。

4 展望

作为一种革命性的网络体系结构，ICN提出的基于内容的路由通信方式带来了由“Where”到“What”的根本性转变，推翻了现有的以主机为中心的网络体系结构，采用了基于信息名字的体系结构，使得互联网可以不考虑内容所在物理位置而支持直接提供面向内容的功能。ICN有更好的数据安全性、支持多路径路由，能够天然抵抗DDoS攻击。ICN的发展才刚刚开始，仍然存在诸多问题，目前仍然只能通过定性的方式寻求ICN的解决方案，正因如此，还需要更进一步的研究用于约束这个新型网络体系结构的规范，挖掘ICN关键的性能优势。未来应更加注重ICN与IP网络的融合，使ICN的发展更加实用。

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