1.2 信息中心网络概述

在现有的网络使用模式中，信息传递变得越来越重要，通信方式中数据位置的重要性逐渐被淡化，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面向主机连接模式逐渐演变为以信息为中心的转发模式。因此，ICN的出现能够较好地满足人们对以信息为中心的通信方式的需求。尤其，随着计算和存储成为网络的重要功能，计算、存储与网络基础设施的融合也正成为未来网络发展的重要趋势，ICN的出现也为构建网络、计算、存储一体化融合的未来网络提供了重要的技术支撑。

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传统以地址为中心的网络通信模型实现用户对信息搜索和信息获取。ICN与传统IP网络相比主要有以下不同点。

（1）通信模式：在传统体系结构中，通信模式为主机到主机，通过IP中的源地址及目的地址获得传输路径，ICN则采用主机到网络的通信模式，通过信息名字获取通信路径。

（2）安全性：在传统IP网络中，安全取决于主机是否可信，若主机不可信，则存储在主机上的信息被认为是不可信的。但是，信息是否安全与存储信息的主机是没有必然联系的。ICN从信息出发，直接对信息实施安全措施，因此安全策略粒度可粗可细。

（3）高效性：当今，流媒体占据着主导地位，而且用户关注的不再是信息从哪来，而是信息的内容本身。传统IP网络根据IP地址进行分组转发，必须解析到目的主机才能够实现通信。而ICN采用信息命名路由，不需要解析到IP地址或者解析与路由合并，减少了冗余。ICN在路由中添加了缓存功能，使转发机制从传统的存储转发向缓存转发转变，实现了更为高效的传输。

（4）移动性：ICN采用的是基于内容的请求/应答模型，由此带来的好处之一是更加适合移动性。在ICN中请求分组经过路由器时，路由器会自动记录下需求分组的轨迹，数据分组按轨迹返回给用户。当客户端发生移动时会再次产生新的轨迹，因此网络中不需要维护客户端的位置信息，从而实现了对主机移动性的支持，解决了海量信息的高效传输问题。

1.2.2 国际科研项目

自信息中心网络思想提出以后，世界各国纷纷布局，启动了一系列相关研究项目。美国学术界率先启动了面向内容的网络体系架构相关研究项目，包括DONA（Data-Oriented Network Architecture）、CCN、NDN等，随后欧盟也陆续启动了PSIRP（Publish Subscribe Internet Routing Paradigm）/PURSUIT（Publish Subscribe Internet Technology）、NetInf（Network of Information）、POINT（IP Over ICN - The BetTer IP）等相关研究项目。

（1）DONA

DONA项目于2006年启动，时间持续两年，是美国加州大学伯克利分校RAD实验室提出的一种面向数据的网络架构。该项目提出了使用自我验证的命名，加入了高级缓存的功能。项目的架构设计还考虑了命名、命名解析、安全因素、互联网寻址等问题，阐述了服务器选择、移动性和多宿主、会话初始化、组播状态建立机制等基本功能实现，以及在内容分发、延迟容忍网络、接入规则和中间设备等方面的扩展应用。项目架构的名字解析与DNS工作机制类似又不完全相同，DONA设计了一个基于URL构建的扁平化命名机制，实现了内容的注册发布和获取。而且，使用命名系统中的命名解决持续性和可靠性问题，命名的扁平结构确保不变性；新提出的自我验证使安全模式变得简单；且按名称寻找路径的命名解析方式解决了有效性问题。目前该项目已经结束，但其研究成果为后续各种信息中心网络体系架构的设计提出奠定了基础。

（2）命名数据网络

2009年，PARC研究中心的Jacobson教授提出了内容中心网络，并开展了CCNx项目。而命名数据网络借鉴了CCN思想，是美国国家科学基金于2010年8月宣布支持的未来互联网架构方面的科研项目之一。NDN力图改变当前互联网以主机为基础的点对点通信架构，实现向以命名数据为中心的新型网络体系结构转变。NDN将关注的重点从现有网络的信息“在哪里”转移到“是什么”，即用户和应用关注的是内容本身，探索以内容/服务为中心的网络体系架构。NDN将内容从保护主机中解耦出来，直接保护内容，让通信机制从根本上实现可扩展。同时，NDN架构采用名字路由，参考了当前IP网络的沙漏模型，将内容块取代IP放置在细腰部分，而原来的IP层下移，并且通过为所有命名数据签名的方式，在细腰部分构建了基本的安全模块，在实现全球互联的同时，支持网络层以外各层的繁荣发展。然而，其路由完全依赖内容名字，从而带来了路由可扩展性问题。

（3）移动优先（MobilityFirst）

MobilityFirst项目启动于2010年9月，属于美国国家科学基金FIA计划的一部分，旨在直接应对大规模无线接入和移动设备使用的挑战，同时为新兴的移动互联网应用提供新的组播、选播、多路径方案，以及新型的情境感知服务。项目致力于对无缝平滑的移动性的支持，它以支持移动节点间的通信为主，而不再是把对移动性的支持当成互联网连接中的一种特殊情况。这一体系结构使用“全面延迟容忍网络（GDTN）”来提供通信稳定性，关注于移动性和可扩展性的平衡，并且充分利用网络资源实现移动端点间的有效通信，其主要的技术包括分布式的命名服务和延迟容忍的路由和传输等。

（4）PSIRP/PURSUIT

PSIRP是欧盟FP7资助的未来网络项目，自2008年起至2010年6月结束，该项目主要针对当前互联网过于信任信息的发送者而产生的诸多问题，如分布式拒绝服务（DDoS）攻击等，提倡以信息为中心的发布-订阅网络模型作为未来互联网架构。其发布-订阅网络模型的主要思想即“发布-订阅”，如果没有兴趣订阅，则不能收到任何信息，因此具有很大的灵活性。PURSUIT是其后续项目，进一步对PSIRP的架构进行了探索，并在PSRIP架构的基础上，利用PSRIP累积的经验改善现存组件及构建新的组件，并提出了提供各种原型和开发API的目标。

（5）NetInf

NetInf是众多有代表性的ICN网络架构之一，其项目参与成员主要来自欧盟，是欧盟FP7支持的重大项目之一。第一阶段为2008年1月至2010年6月的4WARD，在此阶段，主要发布了NetInf初步架构的描述并对其进行了完善，提出了以信息为中心的网络架构模型，确定了在此架构中信息对象的重要地位，并提出简化了处理信息对象（Information Object, IO）的IO模型。第一阶段完成后，接着2010年启动了第二阶段的研究，该阶段主要设计了NefInf内容分发和业务模型，提出了一种服务放置的优化策略，并设计描述了其命名方案。NetInf提出了信息中心网络，将信息进行分类，通过不同类型定义信息名字，同时给出了两种名字的解析方式。NetInf是基于标识和定位分离模式构建而成的，旨在独立于位置处理数据，通过递归查找的方式实现信息对象和存储位置的解析。

（6）POINT

PONIT是欧盟Horizon2020新设立的项目，主要以FP7中PURSUIT项目研究的ICN核心实验平台Blackadder为基础，旨在提供一个解决方案，即在运营商或某一企业网络提供基于IP的服务，而该网络完全是基于ICN原则建立的。POINT的最终目标是相比当前IP网络，提供改善性能（定量和定性）的基于IP的服务。

以上项目虽然在侧重点、术语、协议和优势上各有不同，但是各种信息中心网络的设计本质十分相似，均采用了发布-订阅范式作为主要的传输模型，基本思想都是基于数据命名寻址与网内缓存。

1.2.3 最新研究进展

信息中心网络一经提出，就受到了学术界、产业界与标准界的高度关注。在学术界，ICN目前在研究领域很活跃，世界计算机协会（ACM）连续7年举办了ICN专题会议。Computer Communications期刊于2013年4月策划了主题为信息中心网络的专刊，IEEE Communications Magazine期刊也分别于2016年与2017年策划了以信息中心网络以及ICN安全问题为主题的专刊。第一届IEEE信息中心未来网络学术会议（IEEE HotICN2018）也于2018年8月在北京大学深圳研究生院举行。NDN项目在第一阶段完成后，于2014年又获得NSF新一轮资助，并开启第二阶段研究。2014年9月，NDN联盟成立，其成员除8个美国大学之外，还有来自日本、韩国、中国、瑞士等不同国家学术单位，以及包括思科、华为、阿朗、Panasonic与VeriSign等在内的12家公司。该联盟力图用一系列更加安全可信的新协议取代TCP/IP，满足当今互联网富媒体（Rich Media）互动内容对带宽的需求，同时大大简化分布式应用的开发难度。同时，NDN项目组也启动了NDN Testbed测试平台的建设工作，用于NDN应用、路由等方面的测试，目前，该测试平台在全球已建立起42个节点，跨越了四大洲，连接了包括加州大学、亚利桑那大学、北京邮电大学、北京大学、同济大学等在内的28所大学和机构。

在产业界，ICN也得到越来越多的关注，出现了多个基于ICN的概念验证。例如，思科在2017年移动大会上展示了基于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。2018年2月，思科官方博客发布了其在ICN方面的系列动作，主要包括：收购了PARC的CCN平台，在FD.io社区开启ICN开源计划CICN，以及发布基于现有IP架构的混合ICN解决方案。

在标准化方面，2012年，IRTF成立了ICN工作组（Information-Centric Networking Research Group, ICNRG），其目标是联合ICN正在研究的各个领域的方案，将其推进到更大规模的互联网中。从2012年7月到2018年5月，工作组每年都会召开多次讨论会，目前已形成多项标准，最新的标准主要集中在以下3方面：（1）调研不同的方案和技术（RFC 7933）;（2）深入陈述ICN问题、主要概念和研究挑战（RFC 7927, RFC 7945）;（3）定义参考基线方案，以实现不同方法之间的性能比较（RFC 7476）。