1.2 信息中心網絡概述

在現(xiàn)有的網絡使用模式中，信息傳遞變得越來越重要，通信方式中數據位置的重要性逐漸被淡化，相對于信息數據物理或邏輯位置而言，用戶更加關心的是信息數據內容本身。網絡的使用模式已經由傳統(tǒng)的面向主機連接模式逐漸演變?yōu)橐孕畔橹行牡霓D發(fā)模式。因此，ICN的出現(xiàn)能夠較好地滿足人們對以信息為中心的通信方式的需求。尤其，隨著計算和存儲成為網絡的重要功能，計算、存儲與網絡基礎設施的融合也正成為未來網絡發(fā)展的重要趨勢，ICN的出現(xiàn)也為構建網絡、計算、存儲一體化融合的未來網絡提供了重要的技術支撐。

1.2.1 基本思想

ICN的核心思想是采用以信息命名方式取代傳統(tǒng)以地址為中心的網絡通信模型實現(xiàn)用戶對信息搜索和信息獲取。ICN與傳統(tǒng)IP網絡相比主要有以下不同點。

（1）通信模式：在傳統(tǒng)體系結構中，通信模式為主機到主機，通過IP中的源地址及目的地址獲得傳輸路徑，ICN則采用主機到網絡的通信模式，通過信息名字獲取通信路徑。

（2）安全性：在傳統(tǒng)IP網絡中，安全取決于主機是否可信，若主機不可信，則存儲在主機上的信息被認為是不可信的。但是，信息是否安全與存儲信息的主機是沒有必然聯(lián)系的。ICN從信息出發(fā)，直接對信息實施安全措施，因此安全策略粒度可粗可細。

（3）高效性：當今，流媒體占據著主導地位，而且用戶關注的不再是信息從哪來，而是信息的內容本身。傳統(tǒng)IP網絡根據IP地址進行分組轉發(fā)，必須解析到目的主機才能夠實現(xiàn)通信。而ICN采用信息命名路由，不需要解析到IP地址或者解析與路由合并，減少了冗余。ICN在路由中添加了緩存功能，使轉發(fā)機制從傳統(tǒng)的存儲轉發(fā)向緩存轉發(fā)轉變，實現(xiàn)了更為高效的傳輸。

（4）移動性：ICN采用的是基于內容的請求/應答模型，由此帶來的好處之一是更加適合移動性。在ICN中請求分組經過路由器時，路由器會自動記錄下需求分組的軌跡，數據分組按軌跡返回給用戶。當客戶端發(fā)生移動時會再次產生新的軌跡，因此網絡中不需要維護客戶端的位置信息，從而實現(xiàn)了對主機移動性的支持，解決了海量信息的高效傳輸問題。

1.2.2 國際科研項目

自信息中心網絡思想提出以后，世界各國紛紛布局，啟動了一系列相關研究項目。美國學術界率先啟動了面向內容的網絡體系架構相關研究項目，包括DONA（Data-Oriented Network Architecture）、CCN、NDN等，隨后歐盟也陸續(xù)啟動了PSIRP（Publish Subscribe Internet Routing Paradigm）/PURSUIT（Publish Subscribe Internet Technology）、NetInf（Network of Information）、POINT（IP Over ICN - The BetTer IP）等相關研究項目。

（1）DONA

DONA項目于2006年啟動，時間持續(xù)兩年，是美國加州大學伯克利分校RAD實驗室提出的一種面向數據的網絡架構。該項目提出了使用自我驗證的命名，加入了高級緩存的功能。項目的架構設計還考慮了命名、命名解析、安全因素、互聯(lián)網尋址等問題，闡述了服務器選擇、移動性和多宿主、會話初始化、組播狀態(tài)建立機制等基本功能實現(xiàn)，以及在內容分發(fā)、延遲容忍網絡、接入規(guī)則和中間設備等方面的擴展應用。項目架構的名字解析與DNS工作機制類似又不完全相同，DONA設計了一個基于URL構建的扁平化命名機制，實現(xiàn)了內容的注冊發(fā)布和獲取。而且，使用命名系統(tǒng)中的命名解決持續(xù)性和可靠性問題，命名的扁平結構確保不變性；新提出的自我驗證使安全模式變得簡單；且按名稱尋找路徑的命名解析方式解決了有效性問題。目前該項目已經結束，但其研究成果為后續(xù)各種信息中心網絡體系架構的設計提出奠定了基礎。

（2）命名數據網絡

2009年，PARC研究中心的Jacobson教授提出了內容中心網絡，并開展了CCNx項目。而命名數據網絡借鑒了CCN思想，是美國國家科學基金于2010年8月宣布支持的未來互聯(lián)網架構方面的科研項目之一。NDN力圖改變當前互聯(lián)網以主機為基礎的點對點通信架構，實現(xiàn)向以命名數據為中心的新型網絡體系結構轉變。NDN將關注的重點從現(xiàn)有網絡的信息“在哪里”轉移到“是什么”，即用戶和應用關注的是內容本身，探索以內容/服務為中心的網絡體系架構。NDN將內容從保護主機中解耦出來，直接保護內容，讓通信機制從根本上實現(xiàn)可擴展。同時，NDN架構采用名字路由，參考了當前IP網絡的沙漏模型，將內容塊取代IP放置在細腰部分，而原來的IP層下移，并且通過為所有命名數據簽名的方式，在細腰部分構建了基本的安全模塊，在實現(xiàn)全球互聯(lián)的同時，支持網絡層以外各層的繁榮發(fā)展。然而，其路由完全依賴內容名字，從而帶來了路由可擴展性問題。

（3）移動優(yōu)先（MobilityFirst）

MobilityFirst項目啟動于2010年9月，屬于美國國家科學基金FIA計劃的一部分，旨在直接應對大規(guī)模無線接入和移動設備使用的挑戰(zhàn)，同時為新興的移動互聯(lián)網應用提供新的組播、選播、多路徑方案，以及新型的情境感知服務。項目致力于對無縫平滑的移動性的支持，它以支持移動節(jié)點間的通信為主，而不再是把對移動性的支持當成互聯(lián)網連接中的一種特殊情況。這一體系結構使用“全面延遲容忍網絡（GDTN）”來提供通信穩(wěn)定性，關注于移動性和可擴展性的平衡，并且充分利用網絡資源實現(xiàn)移動端點間的有效通信，其主要的技術包括分布式的命名服務和延遲容忍的路由和傳輸等。

（4）PSIRP/PURSUIT

PSIRP是歐盟FP7資助的未來網絡項目，自2008年起至2010年6月結束，該項目主要針對當前互聯(lián)網過于信任信息的發(fā)送者而產生的諸多問題，如分布式拒絕服務（DDoS）攻擊等，提倡以信息為中心的發(fā)布-訂閱網絡模型作為未來互聯(lián)網架構。其發(fā)布-訂閱網絡模型的主要思想即“發(fā)布-訂閱”，如果沒有興趣訂閱，則不能收到任何信息，因此具有很大的靈活性。PURSUIT是其后續(xù)項目，進一步對PSIRP的架構進行了探索，并在PSRIP架構的基礎上，利用PSRIP累積的經驗改善現(xiàn)存組件及構建新的組件，并提出了提供各種原型和開發(fā)API的目標。

（5）NetInf

NetInf是眾多有代表性的ICN網絡架構之一，其項目參與成員主要來自歐盟，是歐盟FP7支持的重大項目之一。第一階段為2008年1月至2010年6月的4WARD，在此階段，主要發(fā)布了NetInf初步架構的描述并對其進行了完善，提出了以信息為中心的網絡架構模型，確定了在此架構中信息對象的重要地位，并提出簡化了處理信息對象（Information Object, IO）的IO模型。第一階段完成后，接著2010年啟動了第二階段的研究，該階段主要設計了NefInf內容分發(fā)和業(yè)務模型，提出了一種服務放置的優(yōu)化策略，并設計描述了其命名方案。NetInf提出了信息中心網絡，將信息進行分類，通過不同類型定義信息名字，同時給出了兩種名字的解析方式。NetInf是基于標識和定位分離模式構建而成的，旨在獨立于位置處理數據，通過遞歸查找的方式實現(xiàn)信息對象和存儲位置的解析。

（6）POINT

PONIT是歐盟Horizon2020新設立的項目，主要以FP7中PURSUIT項目研究的ICN核心實驗平臺Blackadder為基礎，旨在提供一個解決方案，即在運營商或某一企業(yè)網絡提供基于IP的服務，而該網絡完全是基于ICN原則建立的。POINT的最終目標是相比當前IP網絡，提供改善性能（定量和定性）的基于IP的服務。

以上項目雖然在側重點、術語、協(xié)議和優(yōu)勢上各有不同，但是各種信息中心網絡的設計本質十分相似，均采用了發(fā)布-訂閱范式作為主要的傳輸模型，基本思想都是基于數據命名尋址與網內緩存。

1.2.3 最新研究進展

信息中心網絡一經提出，就受到了學術界、產業(yè)界與標準界的高度關注。在學術界，ICN目前在研究領域很活躍，世界計算機協(xié)會（ACM）連續(xù)7年舉辦了ICN專題會議。Computer Communications期刊于2013年4月策劃了主題為信息中心網絡的專刊，IEEE Communications Magazine期刊也分別于2016年與2017年策劃了以信息中心網絡以及ICN安全問題為主題的專刊。第一屆IEEE信息中心未來網絡學術會議（IEEE HotICN2018）也于2018年8月在北京大學深圳研究生院舉行。NDN項目在第一階段完成后，于2014年又獲得NSF新一輪資助，并開啟第二階段研究。2014年9月，NDN聯(lián)盟成立，其成員除8個美國大學之外，還有來自日本、韓國、中國、瑞士等不同國家學術單位，以及包括思科、華為、阿朗、Panasonic與VeriSign等在內的12家公司。該聯(lián)盟力圖用一系列更加安全可信的新協(xié)議取代TCP/IP，滿足當今互聯(lián)網富媒體（Rich Media）互動內容對帶寬的需求，同時大大簡化分布式應用的開發(fā)難度。同時，NDN項目組也啟動了NDN Testbed測試平臺的建設工作，用于NDN應用、路由等方面的測試，目前，該測試平臺在全球已建立起42個節(jié)點，跨越了四大洲，連接了包括加州大學、亞利桑那大學、北京郵電大學、北京大學、同濟大學等在內的28所大學和機構。

在產業(yè)界，ICN也得到越來越多的關注，出現(xiàn)了多個基于ICN的概念驗證。例如，思科在2017年移動大會上展示了基于ICN的增強移動自適應視頻流應用，華為則是發(fā)布了利用ICN實現(xiàn)端到端的移動性服務編排，InterDigital更是展示了基于ICN的IP（IP-over-ICN）業(yè)務，富士通實驗室則發(fā)布了利用ICN實現(xiàn)的功能鏈系統(tǒng)等。2018年2月，思科官方博客發(fā)布了其在ICN方面的系列動作，主要包括：收購了PARC的CCN平臺，在FD.io社區(qū)開啟ICN開源計劃CICN，以及發(fā)布基于現(xiàn)有IP架構的混合ICN解決方案。

在標準化方面，2012年，IRTF成立了ICN工作組（Information-Centric Networking Research Group, ICNRG），其目標是聯(lián)合ICN正在研究的各個領域的方案，將其推進到更大規(guī)模的互聯(lián)網中。從2012年7月到2018年5月，工作組每年都會召開多次討論會，目前已形成多項標準，最新的標準主要集中在以下3方面：（1）調研不同的方案和技術（RFC 7933）;（2）深入陳述ICN問題、主要概念和研究挑戰(zhàn)（RFC 7927, RFC 7945）;（3）定義參考基線方案，以實現(xiàn)不同方法之間的性能比較（RFC 7476）。