信息中心网络的前世今生

随着信息技术的飞速发展，网络应用的主体逐步向内容获取和信息服务演进。同时相关的硬件与通信技术的发展，为网络具有更多的能力（包括计算、存储）提供基础。信息中心网络技术（Information-Centric Networking，ICN），以互联网的主要需求为导向，以信息/内容为中心构建网络体系架构，解耦信息与位置关系，增加网络存储信息能力，从网络层面提升内容获取、移动性支持和面向内容的安全机制能力。尽管ICN处于起步阶段，具有广阔的研究空间，但已经得到业界越来越广泛的关注，尤其在ICT融合的大趋势下，搭乘5G快车正在快速发展。

一、信息中心网络，一个全新的网络架构，作为未来网络的可选方案

信息中心网络以命名的信息、内容或者数据为关注点的网络架构，以期获得高效的信息共享与获取能力。它颠覆了互联网基础架构以长连接和端到端原则为基础，以主机为中心的网络范式。ICN关键技术包括信息的命名，保证信息在命名空间的唯一性；网络基于名字，而不是IP地址进行信息传送；网内缓存提供信息的缓存能力以应对重复请求或链路失效；基于信息而非传输通道的安全机制。

鉴于目前内容分发巨大的成功和经验，弥补了互联网在内容（特别是流行内容）分发效率低下的不足。因此ICN研究者还在移动性、安全性以及约束场景的应用方面进行了大量工作，以期能够提供一个具有简单、高效的网络架构，实现：①内容高效分发；②移动性的支持和③基于内容的安全能力。

已经有研究成果显示出ICN在视频流分发等内容分发，以及在移动和约束场景下，如物联网，5G网络中移动性支持、车载自组织网络、延迟与中断容忍环境等，显示出优势。

二、 信息中心网络发展历程就是一部未来网络研究的历史

ICN最早可以追溯到1999年，而这一年仅仅距离现有IP网络形态（IP+MPLS）中MPLS协议的出现才两年，业界正忙着部署MPLS。

虽然在1998年推出了作为下一代IP网络协议的IPv6协议，但其仅仅是为了解决不久将出现的IPv4地址用完的窘况。

因此当斯坦福大学的TRIAD研究者在1999年提出一个新的面向内容提供路由、缓存和传输能力的网络架构时，很显然，远远超过了所处的时代，并没有引起人们的注意。

2006年，Van. Jacobson在Google Tech Talk上介绍了“内容中心网络（CCN）”的设计思想。

2007年伯克利大学发表面向数据的网络体系架构（DONA）被认为是第一个完整的ICN设计。此时正是欧盟第7框架计划（FP7）（2007~2013）的第一年。

之后以FP7和美国NSF项目为代表的未来网络研究逐渐兴起。随之涌现出来一批以信息为中心的项目，包括4ward（提出了NetInf）以及后续的SAIL项目，发布-订阅模式互联网路由范式（PSIRP）及后续项目PURSUIT，采用内容中介结构的内容感知网络COMET项目，以及CONVERGENCE项目等 。

特别是到2010年由UCLA牵头的基于CCN概念的NDN项目NSF资助，成为FIA计划的四个提案之一，才引起业界特别是国内关注，从此ICN告别了不温不火的状况，成为了未来网络研究的主流。

三、信息中心网络处于技术发展初期

目前信息中心网络仍然是多种方案并存，未达成共识。在这些方案中既有采用革命性技术路线的NDN、 PURSUIT，也有基于现有IP网络的重叠网技术方案，如DONA。尽管都遵循ICN的基本理念，但是在命名机制、路由与转发、安全机制等关键技术存在差异，在目标及能力方面也表现不同。尽管有多篇论文对这些方案在命名机制、缓存机制、路由/解析与转发机制、移动性支持、安全机制进行了分析和比较，并没有明确的结论。

目前研究领域活跃，多个项目涉及ICN。世界计算机协会（ACM）连续4年举办ICN专题会议。NDN项目在2014获得NSF新一轮资助，开启第二阶段研究。而欧盟的Horizon 2020计划中也能够看到采用ICN技术的项目，如UMobile、POINT等。其中NDN作为面向未来网络的全新方案，从一开始就以应用出发，采用开源路线提供开源库，搭建测试床，构建生态，从众多方案中脱颖而出，成为最被看好的技术方案之一。

产业界开始行动，概念验证（PoC）开始出现。不仅在学术界，ICN在业界也得到越来越多的关注，出现了多个基于ICN的概念验证，包括：思科在去年移动大会展示了基于ICN的增强移动自适应视频流应用，华为则是发布了利用ICN实现端到端的移动性服务编排，InterDigital更是展示了基于ICN的IP（IP-over-ICN）业务，富士通实验室则发布了利用ICN实现的功能链系统等。在今年2月，思科官方博客发布了其在ICN的系列动作：收购PARC的CCN平台；在FD.io社区开启ICN开源计划-CICN，以及基于现有IP架构的混合ICN解决方案。

同时，信息中心网络标准化研究工作已逐步展开。2012年IRTF成立了ICN研究组，前期研究缓慢，直到2015年才陆续发布了基础场景、研究挑战、基于ICN的自适应视频流、评估与安全考虑等5个RFCs。目前正在研究CCNx消息与语义，以及ICN的灾备场景应用等。ITU-T 第13组（未来网络研究组）2017~2020研究周期成立新的课题组研究ICN，在2017年4月批准通过了一项由该组制定的标准：ITU-T Y.3071建议书：《数据感知网络（信息中心网络）的需求及能力》。该标准明确了ICN在5G通信业务方面的需求，能力及功能组件。

四、信息中心网络技术面临挑战，期待从局部突破

ICN典型项目NDN在2015年首次入选Gartner电信技术成熟度曲线，从侧面也印证了ICN技术仍处于初级阶段。无论哪种方案都面临着挑战。

首先是扩展性问题，相较于已经出现扩展性问题的拥有有限地址空间的互联网，ICN在面对无限的信息命名空间，其扩展性问题变得更富有挑战性。同时随着每年泽字节信息的产生速度，和越来越广泛的移动性支持，更是加剧了这一挑战。这种扩展性问题不仅仅只是在路由与转发层面，它还表现在ICN网络架构的各个层面。尽管ICN将信息与位置分离，具有原生的移动性支持能力，但在实际中情况并不如意。如采用订阅-发布模式的方案中虽然可以非常简单地实现信息订阅者移动性支持，但是对于信息发布者的移动性支持则存在难度。而无论那种方案缺乏大规模移动用户场景的验证。另外面向信息的新的安全机制，同时也带来了新的挑战，如隐私问题、信息篡改（content poisoning）、缓存污染（cache pollution）、以及实名制要求下访问控制的问题。

如果作为基础设施取代现有网络，ICN技术必须解决所面临的挑战。在这之前，ICN期待从局部突破，如在约束场景下的ICN应用，包括网络基础设施差的偏远地区，特别是游牧社区，应急通信等；利用ICN理念和技术提升5G场景下内容分发、移动性管理等方面能力。无论未来ICN发展是会取代现有互联网，还是一种补充而共存，其概念、技术已经为我们开启了新的思路，也让我们重新思考通信分层模型等基本问题。

作者简介

张杰，中国信息通信研究院技术与标准研究所互联网中心，从事未来网络相关领域研究工作。联系方式：[e-mail]。

校  审 | 陈  力、 凌  霄

编  辑 | 陆  廷

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