信息中心網絡的研究現狀和發展趨勢

王 琛

（南京郵電大學通信與信息工程學院 江蘇 210003）

0 引言

互聯網已經從單純的學術網絡演變為復雜的商業網絡，并且成為大家日常生活、商業運營和社會發展中不可缺少的組成部分。但是，正如每項技術都有自己的生命周期和發展瓶頸，互聯網快速發展的過程中也暴露了許多問題，這些都促使各國開始了對新技術的研究?，F有的互聯網結構是以IP為細腰，這就意味著難以改變其核心體系架構，新的功能唯有以打補丁的形式才能在其他層面實施，導致了網絡節點的臃腫和可擴展性差。當今社會，互聯網正在商業領域發揮著更加廣泛和深入的作用，需要更高的安全保障性，而現有的網絡層缺乏應有的安全機制，導致互聯網容易受到各種類型的攻擊。在這樣的環境下，新型的網絡結構信息中心網絡（ICN）引起了越來越廣泛的關注。不同于傳統的以地址為中心的網絡通信模型，ICN采用的是以信息為中心的網絡通信模型，通信的模型從傳統的主機到主機演變為主機到網絡，傳輸模式由傳統的“推”改為“拉”，安全機制構建在信息上而不是主機上，轉發機制由傳統的存儲轉發演進為緩存轉發，體系結構支持主機移動，解決了海量的高效傳輸問題。本文介紹了ICN的發展起源及現狀，按命名、路由、分發、緩存技術分別介紹了ICN的分類，重點分析了ICN體系結構所依托的理論模型以及關鍵技術，說明了ICN現有的優缺點，并討論了ICN研究技術的未來發展趨勢。

1 信息中心網絡的特點

信息中心網絡（ICN）的思想是1979年由Nelson提出的，ICN摒棄了傳統的以IP為細腰的協議棧結構，采用以信息名字為核心的協議棧結構。ICN采用信息名稱作為網絡傳輸的標識。因此，IP地址失去了原有的作用，部分情況下僅能夠作為一種底層的、本地化的傳輸標識。此時全新的網絡協議棧能夠實現網絡層解析信息名稱、路由緩存信息數據、多播傳遞信息等功能，從而較好的解決計算機網絡中存在的擴展性、實時性以及動態性等問題。傳統體系結構的通信模式是主機之間的通信，通信路徑由源主機地址和目的主機地址來獲得。然而ICN采用主機到網絡的通信模式，通過信息名字獲取源主機到網絡信息的通信路徑。IP網絡體系結構的傳輸模式是“推”模式，由服務器主導傳輸過程。無論是否感興趣，服務器都可能推送信息到你的手機上。ICN則采用“拉”的模式，用戶實時向網絡發送請求信息，由于該信息上可能已經被緩存在網絡上，網絡可以把信息迅速回應給用戶。對比傳統網絡，ICN更加高效，更加安全，也更支持移動客戶端。

2 ICN的分類

ICN的本質是從信息訪問的需求出發，在網絡層將內容與終端進行了剝離。縱觀ICN的體系結構，可以將其從內容命名、路由轉發、信息傳輸和緩存內容四個方面進行分類。按內容命名方式可以將ICN分為扁平化命名、層次化命名及混合命名。根據路由轉發方式可以將ICN分為精確路由和模糊路由，模糊路由的定位能力小于精確路由方式。按信息分發方式，ICN可分為一對多分發方式和多對多分發方式兩類。按緩存方式，ICN可分為集中式緩存和分布式緩存兩類。

3 ICN的關鍵技術

現有的ICN方案中，基本都認為全新的網絡體系結構能夠直接解決現有的TCP/IP網絡中存在的關鍵問題，所以支持采用全新的網絡體系結構來替代現有的 Host-Centric網絡模型。為了驗證這種方法的正確性與可行性，從解析技術、路由轉發、數據技術和試驗技術四個方面對這些方法進行比較。

3.1 解析技術

在ICN中，如果想實現對信息的路由，信息名字必須解析到信息位置，ICN的名字解析簡化了DNS的處理流程，將解析和路由過程合并，邊路由邊解析，傳輸過程中不會有單獨的解析時間。在傳統網絡中，網絡的傳輸延時是解析時間加上路由時間，而ICN中沒有解析時間只有路由時間，因此大大減少了傳輸延時，提高了傳輸效率。層次命名與平面命名被認為是ICN最有代表性的兩種信息命名方法。層次命名允許系統規模通過層次信息名稱實現聚合，當命名對象的數量級達到1013至1016時，相對于傳統的DNS系統，層次命名網絡系統具有更高的執行效率。其次，ICN體系結構中所有信息名稱都保存在路由器緩存中，層次文件命名使的所有路由決策都具有層次性，從而允許通過聚合文件名實現縮減路由表，優化骨干網的核心路由性能。平面命名方法的優點主要是能夠避免位置身份綁定問題，使信息數據有更強的動態性。然而，按照數據到來時刻的不同，采用平面命名方法的系統需要不斷更新數據結構，導致路由表大小難以控制。

3.2 路由轉發

路由轉發技術是ICN的一項重要技術，具有兩大特色：（1）基于信息名字路由。當前網絡用戶請求的大部分內容都是信息，信息名字即為ICN的路由標識。這樣對于用戶而言，無需關注網絡拓撲，只要按需求向網絡請求數據就可以得到信息。緩存技術是ICN的另一個突破，ICN中增加了路徑內緩存，用于緩存該節點的部分或所有信息數據。在路由過程中，不需要路由到原始數據源獲取數據，緩存可以作為信息源直接回應數據。緩存的加入使得ICN縮短了傳輸路徑，同樣提高了傳輸效率。

3.3 數據技

ICN中數據技術主要包含信息安全和數據信息緩存兩個方面。在所有的ICN方案中，更強調信息的機密性與完整性。ICN在中間節點采用了信息緩存技術，利用存儲開銷換取傳輸效率。信息緩存技術能夠減少網絡傳輸延時從而提高網絡傳輸效率。信息數量隨著時間的推移會無限增長，為了緩解有限的存儲空間與無限信息容量之間的矛盾，可采用集中式存儲和分布式存儲兩種不同的緩存方式。集中式存儲即用單一路由器存儲完整的信息，所有未被存儲的經過路由器的信息都將被完整備份。路徑中的路由器之間并沒有協作關系，導致大量存儲空間浪費，緩存效率不高。分布式緩存方式則是由多個中間路由器相互合作，共同協商儲存完整信息，使信息實現分塊緩存。根據優選存儲位置不同，分布式緩存又分為邊緣分布式緩存和核心分布式緩存。

3.4 試驗技術

ICN試驗必須構建在基于信息名字路由的環境中進行?，F有的網絡的路由方式是基于IP地址進行，若在此基礎上構建ICN網絡，則會得到一種新的Overlay網絡，由于底層仍采用IP網絡，這種情形下測試的ICN性能是不準確的。因此ICN試驗需要脫離現有IP網絡，使信息名字成為網絡細腰。為了盡可能的避免重建網絡基礎設施，相應的模擬辦法可分為兩種：㈠通過ICN Overlay進行試驗：盡管ICN Overlay在一定程度上能夠保證實驗的順利進行，然而并不能保證實驗結果的準確性，在某些情況下甚至可能得到相反的結果。②進行ICN模擬試驗：常見的模擬實驗途徑有三種：通過模擬工具進行試驗，如OPNET、NS2、NS3、Boson Netsim等，根據每個模擬工具自身特點構建新的 ICN協議；通過架構試驗床進行試驗，具備CCN原型系統的CCNX為全球研究ICN的工作人員都提供了有力保障；直接編寫代碼進行模擬，這種方法工作量非常大，且不能很好的保證試驗效果。

4 展望

作為一種革命性的網絡體系結構，ICN提出的基于內容的路由通信方式帶來了由“Where”到“What”的根本性轉變，推翻了現有的以主機為中心的網絡體系結構，采用了基于信息名字的體系結構，使得互聯網可以不考慮內容所在物理位置而支持直接提供面向內容的功能。ICN有更好的數據安全性、支持多路徑路由，能夠天然抵抗DDoS攻擊。ICN的發展才剛剛開始，仍然存在諸多問題，目前仍然只能通過定性的方式尋求ICN的解決方案，正因如此，還需要更進一步的研究用于約束這個新型網絡體系結構的規范，挖掘ICN關鍵的性能優勢。未來應更加注重ICN與IP網絡的融合，使ICN的發展更加實用。

[1]夏春梅，徐明偉.信息中心網絡研究綜述[J].計算機科學與探索.2013.

[2]Esteve C，Verdi F L，Magalhaes M F.Towards a new generation of information-oriented internetworking architectures[C]//Proceedings of the 2008 ACM CoNEXT Conference（CoNEXT ’08），Madrid，Spain，Dec 9-12，2008.New York，NY，USA：ACM，2008：65.

[3]李軍，陳震，石希.ICN 體系結構與技術研究[J].信息網絡安全.2014.

[4]謝高崗，張玉軍，李振宇等.未來互聯網體系結構研究綜述[J].計算機學報.2012.

[5]Hari B，Karthik L，Sylvia R，et al.A layered naming architecture for the internet[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review.2004.