信息中心网络发展研究综述

　　摘要：信息中心网络（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ＣｅｎｔｒｉｃＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，ＩＣＮ）已经成为下一代网络体系结构研究的新热点．从众多研究成果中及时地总结ＩＣＮ的优势与不足是未来相关研究的重要基石．尽管现有ＩＣＮ综述文献已经对其体系结构做出较为详细的总结，然而，它们并没有充分地讨论ＴＣＰ／ＩＰ网络体系结构中存在的问题与发展ＩＣＮ必要性之间的关系，而这影响到未来ＩＣＮ的重点研究方向．文中首先论述了应用ＩＣＮ体系结构解决当前网络体系结构中已有问题的必要性，将ＩＣＮ的关键问题、结构构成、关键技术等进行了梳理，从现有ＩＣＮ方案中整理出信息命名、路由技术、试验平台等关键技术．在这个基础上，文中进一步讨论分析了ＩＣＮ与现有的协同缓存系统等技术之间的关联与差异．论文最后分析讨论了ＩＣＮ的下一步发展方向以及有待研究的问题．

　　关键词：信息中心网络；未来互联网；网络体系结构

　　１、引言

　　经过四十多年的不断发展，计算机网络已经成为支撑现代社会发展与技术进步的重要基础．近十年来，计算机网络在规模上呈现出惊人的扩张，无论在网络接入方式还是网络角色定位方面都出现了一系列极具意义的创新与改革．然而在整个计算机网络发展的过程中，ＴＣＰ／ＩＰ体系结构的核心地位却基本保持不变．ＴＣＰ／ＩＰ体系结构的优势在于它能够十分简单地将子网络链接到当前骨干网络中，并且具有简洁的结构，能够有效地承载多样化的物理链路层与应用服务层的发展．

　　尽管ＴＣＰ／ＩＰ结构的优势加速了计算机网络的发展，然而它也给网络体系结构带来了新的问题．Ａｋｈｓｈａｂｉ等人指出网络内部协议之间的竞争关系使得计算机网络协议栈呈现两端粗、中间细的沙漏结构．通过对影响协议栈沙漏模型的因素进行分析，他们认为当前网络结构的细腰出现在ＩＰ网络层．Ｊａｃｏｂｓｏｎ等人的研究验证了Ａｋｈｓｈａｂｉ的结论并进一步指出因ＩＰ网络结构而出现的网络细腰已经成为阻碍当前网络应用层发展的重要因素．ＩＰ网络细腰的出现限制了计算机网络性能的进一步提升，随着移动接入、普适计算、分布式信息处理、海量流媒体等新的应用的发展，当前ＴＣＰ／ＩＰ结构的计算机网络性能开始趋于极限．ＴＣＰ／ＩＰ网络细腰对计算机网络的性能限制已经成为当前一个不可忽视的紧急问题．

　　人们在解决ＴＣＰ／ＩＰ网络细腰带来的问题上进行了大量的研究，并提出能够从演进式发展（Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）与革命式发展（Ｃｌｅａｎ－Ｓｌａｔｅ）两个方向研究未来网络的体系结构．一方面以ＩＰｖ６等为代表的演进式发展提倡在现有的ＴＣＰ／ＩＰ协议的基础上，对现有的协议内容不断改良，对现存的问题进行优化，通过打补丁的方式令网络能够满足人们日益增长的需求．另一方面，以命名数据网络（ＮａｍｅｄＤａｔａＮｅｔｗｏｒｋｉｎｇ，ＮＤＮ）等为代表的革命式发展提倡不再遵循现有网络的设计原则，重新设计网络体系结构并综合考虑可扩展性、动态性、实时性、可靠性、高性能以及易管理等需求．过去的研究主要将目光放在了演进式发展上，希望能够在现有基础设施中不断完善当前网络体系结构．尽管演进式发展直接解决了计算机网络中的大部分问题，并极大地提升了计算机网络的综合性能．然而，演进式发展的本质特点却带来了一种打补丁式的循环，计算机网络体系结构开始变得越来越复杂．不仅如此，演进式发展在解决当前紧急问题的同时还往往会带来新的问题．在这样的情况下，人们开始重新审视革命式发展的可行性，试图通过推翻现有网络体系结构的方法构建全新的未来互联网络．近年来，人们提出了许多革命式网络体系结构方案．在这些方案中，信息中心网络（ＩＣＮ）被认为是一个能够较好地满足用户对信息传递需求的新型网络体系结构．ＩＣＮ采用以信息为中心（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ－Ｃｅｎｔｒｉｃ）的通信方式替代现有的以端为中心（Ｈｏｓｔ－Ｃｅｎｔｒｉｃ）的通信方式．在现有的网络使用模式中，信息传递变得越来越重要，通讯方式中数据位置的重要性被逐渐淡化，相对于信息数据物理或逻辑位置而言，用户更加关心的是信息数据内容本身．网络的使用模式已经由传统的Ｈｏｓｔ－Ｃｅｎｔｒｉｃ逐渐演变为Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ－Ｃｅｎｔｒｉｃ．因此，ＩＣＮ的出现能够较好地满足人们对以信息为中心的通讯方式的需求．ＩＣＮ摒弃了传统以ＩＰ为细腰的网络协议栈，采用以信息名称为核心的全新网络协议栈．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．尽管ＩＣＮ结构中信息名称成为新的网络细腰，但是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．ＩＣＮ能够更好地满足用户在这些方面日益增加的需求，进而填充了未来互联网体系结构研究的目标蓝图．

　　尽管ＩＣＮ为网络发展带来新的契机，但是现有的大部分ＩＣＮ方案通常严格地要求所有终端主机和网络路由器支持ＩＣＮ网络协议、添加内容存储路由器以及支持内容名称路由．这就需要改变大部分已经存在的网络基础设施，造成不可忽视的成本开销．为了提高网络性能而将现有基础设施推翻重建并不具有较大的可行性．目前已经有相关工作试图在尽可能减小开销的前提下增量部署ＩＣＮ体系结构．发展兼容现有网络基础设施的ＩＣＮ变得十分有意义．

　　从众多研究成果中及时地总结ＩＣＮ的优势与不足是未来相关研究的重要基石，并能够为接下来ＩＣＮ的发展指明方向．尽管综述文献阐述了ＩＣＮ的发展现状与机遇．其中，Ｘｙｌｏｍｅｎｏｓ等人详细地总结了ＩＣＮ的关键技术以及现有欧美ＩＣＮ方案的研究进展．夏春梅等人从国内ＩＣＮ研究的角度出发，对现有ＩＣＮ关键技术与方案进行了总结．然而他们主要从ＩＣＮ具体实现方面进行归纳对比，在ＴＣＰ／ＩＰ网络体系结构存在的问题与发展ＩＣＮ的必要性方面总结的不够完善．他们没有在解析技术、路由技术、数据技术以及试验技术四个方面对ＩＣＮ相关理论进行梳理，也没有详细地对下一步ＩＣＮ发展方向进行讨论．同时，目前大部分ＩＣＮ研究需要重新建设网络基础设施，只有少量相关工作开始研究在现有网络基础设施基础上兼容实现ＩＣＮ，相关综述文章在这方面总结也不够完善．在这样的背景环境下，本文首先对现有计算机网络体系结构中存在的问题进行分类归纳，在这个基础上进一步概括并完善先驱综述文献中已经涉及的内容，并对它们留有的不足之处做出补充．本文还对ＩＣＮ体系结构的组成部分进行归类，并从解析技术、路由技术、数据技术与试验技术四个核心技术层面着重比较现有ＩＣＮ方案的异同点．最后，本文分析了当前ＩＣＮ方案与相关技术之间的关联与差异，并对ＩＣＮ未来可能存在的研究问题做出讨论．

　　２、ＩＣＮ面对的关键问题

　　新型网络体系结构诞生之初的根本任务是解决当前网络体系结构所面临的棘手问题．尽管经过数十年的飞速发展，ＴＣＰ／ＩＰ网络体系结构仍旧在路由可扩展性、数据动态性以及信息安全可控性三个方面存在难以克服的问题．本节通过这三个关键问题进行简要地总结归纳，进而明确ＩＣＮ体系结构研究需要解决在ＩＰ网络中难以克服的关键问题．

　　２．１路由可扩展性

　　ＴＣＰ／ＩＰ网络消息传递是基于Ｈｏｓｔ－Ｃｅｎｔｒｉｃ转发的消息通信模型．在ＩＰ网络中，通信链路因路由器能够转发数据包而能被复用．这样通信模型却导致网络中产生的数据流量都将最终汇聚到骨干网络与数据中心接入链路上．近年来，无论是网络流量还是网络规模都呈现爆炸式增加．另一方面，由于路由表难以实现高效率聚合而导致骨干路由表急剧膨胀、网路拥塞等问题日益严重．路由条目的快速增长大大降低了路由的查找性能，增加了路由器的实现开销．网络各方面需求增长速度已经超过摩尔定律与路由器性能提升速度，路由的可拓展性已经难以满足当前网络流量的需求．另外，骨干路由器还需要进一步维护到达任意子网络的路由．这些问题的根源在于ＴＣＰ／ＩＰ体系结构将所有通信流量汇聚到骨干网络上．

　　尽管内容分发网络（ＣｏｎｔｅｎｔＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＮｅｔｗｏｒｋ，ＣＤＮ）的出现在一定程度上缓解了问题．但是，通过在互联网上部署新的大规模基础设施来缓存数据、缓解激增的方法不仅昂贵，而且在大部分情况下服务只面向签约用户的特定应用数据．因此，ＣＤＮ并不能从根源上解决流量激增带来的路由可扩展问题．因此，从根源上改变传统基于端到端的消息通信模型是解决计算机网络路由可拓展性问题的一个关键因素．

　　２．２数据动态性

　　便携终端的普及与物联网的发展令网络终端形态发生了巨大的变化．突出表现在网络终端的动态性显著增加，而不再像早期主要为固定终端提供数据交换服务．然而，网络终端动态性的增强却导致网络数据流量传输路径频繁变化，网络中应用服务在路径不断变化的过程中不能够保持连续，甚至遭到严重的破坏，进而降低网络服务质量．由于ＴＣＰ／ＩＰ网络体系结构的本质属性，这个问题至今３期吴超等：信息中心网络发展研究综述难以从根本上得到解决．例如，ＩＰ地址的二重表达性（既表达身份又表征位置）限制了现有网络对终端移动的支持，移动ＩＰ的思想令协议栈冗余，处理效率较低．另一方面，端到端的通信模型依赖终端对服务连接维护管理．这种通信模型对性能低下的物联网终端提出了苛刻的要求．

　　数据动态性效率低下是目前网络面临的另一个关键问题．而造成这个问题的根本原因在于ＴＣＰ／ＩＰ的自身结构特性．因此，减少终端负担开销，令终端节点在移动过程中具有唯一、稳定的标识，并能够适应数据传输路径的频繁变换，是解决当前计算机网络问题的第二个关键因素．

　　２．３信息安全可控性

　　ＴＣＰ／ＩＰ网络在最初并没有将信息安全隐患考虑纳入在系统架构考虑范围内．而是简单地将网络规模限制在一个相对封闭、可控的范围内，由此屏蔽网络中可能出现的恶意行为．然而，随着网络技术和应用的发展，计算机网络最终变为当下这样一个开放、不可控的复杂系统，网络安全威胁因素给计算机网络的开放性与可扩展性带来了极大的限制．在线社会网络（ＯｎｌｉｎｅＳｏｃｉａｌＮｅｔｗｏｒｋ，ＯＳＮ）的出现对网络应用的安全和隐私保护提出了更高的要求．尽管通过扩展网络协议（如ＩＰＳｅｃ、ＳＳＬ／ＴＬＳ）或采用加密／认证技术方法能够在一定程度上加强数据通信的安全，但是这些策略却使网络协议栈臃肿不堪，降低了通信效率．另一方面，随着网络中安全设备（如防火墙、入侵检测设备等）种类与数量的增加，网络开始频繁地检测或抵御安全攻击行为，进一步造成了网络交通拥塞．被动的安全应对策略注定端到端的通信模型无法匹配当前网络对信息安全可控性的需求．

　　缺乏信息安全可控性是目前互联网面临的第三个关键问题．而这个问题的源头在于ＴＣＰ／ＩＰ网络体系结构制约了安全应对策略的主动性．因此，需要实现从源头上限制网络攻击行为的发生，确保信息安全．综上所述，当前ＴＣＰ／ＩＰ网络体系结构在路由可扩展性，数据动态性以及信息安全可控性上存在的关键问题限制了计算机网络的进一步发展．ＩＣＮ的发展过程中需要从源头上解决当前网络体系结构面临的这三个关键问题．

　　３、ＩＣＮ体系结构组成部分

　　根据ＩＣＮ需要解决ＴＣＰ／ＩＰ体系结构所存在的问题的功能需求，本节从消息会话模型、内容文件命名、信息数据路由、数据转发策略以及信息数据缓存等ＩＣＮ结构组成部分重点讨论了ＩＣＮ体系结构对于未来网络的意义与重要性．这些组成部分的关键点的变化进行了归纳．同时，可以通过分析这些关键组成部分划分ＩＣＮ理论归类标准．

　　消息会话模型基于Ｈｏｓｔ－Ｃｅｎｔｒｉｃ通信方式；Ｗｈｅｒｅ会话模型基于Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ－Ｃｅｎｔｒｉｃ通信方式；Ｗｈａｔ会话模型内容文件命名嵌入信息源地址与目标地址层次命名、平面命名、属性命名信息数据路由无层次路由无层次路由或层次化路由数据转发策略根据ＩＰ地址的二重表达性转发根据ＩＣＮ路由中新型数据结构（ＰＩＴ、ＦＩＢ、ＣＳ）转发信息数据缓存缓存在服务器采用Ｏｎ－ｐａｔｈ存储方式或Ｏｆｆ－ｐａｔｈ存储方式缓存在中间节点

　　３．１消息会话模型

　　电话（Ｔｅｌｅｐｈｏｎｙ）效率高、覆盖广的特点使得其早在２０世纪６０年代就成为全球范围信息通讯技术的标杆．而那时的计算机网络还处在萌芽阶段，核心技术发展并不完善．Ｔｅｌｅｐｈｏｎｙ以主机为中心（Ｈｏｓｔ－Ｃｅｎｔｒｉｃ）的会话方式成功引导了计算机网络中ＴＣＰ／ＩＰ技术的发展．网络的数据传递问题通过相同会话模型得到解决．从此，计算机网络由最初单纯的学术研究网络迅速变为全球通讯基础设施．无论是用户数量，接入设备数量，还是信息流量都出现了惊人的增长．２０１２～２０１７年期间，全球互联网用户将由２３亿增长至３６亿，网络接入设备在相同时间段内将由１２０亿台增长至１９０亿台，而全球ＩＰ流量将由每年产生５２３艾字（Ｅｘａｂｙｔｅｓ）增长至每年产生１．４泽字（Ｚｅｔｔａｂｙｔｅｓ）．大数据时代的到来使得对信息敏感的商务活动开始变得网络化并逐渐成熟．摩尔定律（Ｍｏｏｒｅ’ｓＬａｗ）在驱动硬件行业发展的同时，也使得一切设备连接互联网变得更加简单．互联网的接入条件由最初仅允许超级计算机或工作站接入逐渐发展成为市政设施、移动设备、汽车、电气工具、甚至照明开关都能够与之相连通信．网络已经变成了一个全新的世界门户．人们开始对信息内容（Ｗｈａｔ）越来越感兴趣，而不再关心从哪台终端或服务器（Ｗｈｅｒｅ）可以获取信息数据．互联网正在向以信息为中心（Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ－Ｃｅｎｔｒｉｃ）的会话方式演变．

　　尽管ＲＦＣ７９１规范定义了Ｗｈｅｒｅ会话模型为ＩＰ网络的本质属性．然而，这种Ｈｏｓｔ－ｃｅｎｔｒｉｃ会话方式却依旧被使用来满足当下Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ－ｃｅｎｔｒｉｃ的需求．这就要求用户不仅需对数据内容敏感，还需要对数据位置敏感．但是，用户并不具有数据位置敏感性，只能依赖路由表大范围的查找数据资源，而后才能获得数据．难以令人满意的查找效率使得ＩＰ网络中Ｗｈｅｒｅ模型已经难以满足当前用户对互联网服务质量日益增长的需求．人们开始思考如何屏蔽Ｗｈｅｒｅ模型带来的不便捷．Ｇｒｉｔｔｅｒ和Ｃｈｅｒｉｔｏｎ与Ｃａｒｚａｎｉｇａ等人在十年前抛出了采用Ｗｈａｔ模型替代现Ｗｈｅｒｅ模型建立信息中心网络的思想火种．如何采用Ｗｈａｔ模型来替换现有的Ｗｈｅｒｅ模型引导了近十多年来新型网络体系结构的研究思想浪潮．接下来的研究成果进一步在现有ＩＰ网络设施与分布式Ｈａｓｈ表（ＤＨＴｓ）的基础上实现并证明了Ｗｈａｔ模型的可行性．

　　与Ｗｈｅｒｅ模型不同的是，在Ｗｈａｔ模型中信息内容的名称具有结构化层次性，信息内容被剥离出原有Ｗｈｅｒｅ模型数据包，信息传递不再依赖位置敏感性．Ｗｈａｔ模型将这种特性直接用于对会话数据块进行命名，从而进一步实现对数据块进行定位，因此任何数据块都能够在网络上具有可寻址性．例如，采用这种方式能够对来自Ｈｕｌｕ等流媒体服务商的数据块直接命名，而不需要再将用户端地址与ｈｕｌｕ．ｃｏｍ服务器地址嵌入到会话数据报头中．因此，在Ｗｈａｔ模型中数据检索通过需求（Ｏｎｄｅｍａｎｄ）驱动．与Ｗｈｅｒｅ模型相比，Ｗｈａｔ模型令用户在选择数据方面具有更多的主动权．尽管这样的模型替换对于沙漏结构是简单、微小的变化，但是它令沙漏的细腰中数据查找策略由ＩＰ寻址变为直接查找数据块内容名，这就使得数据本身成为网络中的直接访问单元．综上所述，采用Ｗｈａｔ模型替代Ｗｈｅｒｅ模型能够突破ＩＰ结构现有的局限性，主要体现在：