信息中心网络提出的背景、研究现状及研究内容

信息中心网络什么时候提出的？未来发展前景？有什么著名实验室在做？

1、提出背景：

互联网产生于上世纪60年代：

（1）网络设备数量呈指数性增长

截至2022年底全球范围内预计将有超过280亿台终端设备,互联网用户的数量将达到48亿,覆盖全球总人口的60%以上。同时网络场景也逐渐多样化,互联网不再局限于主机到主机、主机到服务器之间的传统端到端通信,物联网、车联网以及天地一体化信息网络等新兴网络场景蓬勃发展,网络节点呈现出高动态、高移动性的特点,整体网络架构也朝着异构性和去中心性的方向发展。其次,内容分发业务和总体数据流量增长迅猛,其中多媒体业务尤其是视频内容更是占据了网络流量的绝对主导地位。

（2）网络空间安全

另外随着信息技术的发展和通信交流方式的转变，网络安全与信息通信安全也受到了越来越多的关注,安全可靠的信息网络已经成为社会发展的重要保证之一，网络安全问题也已经被我国列入国家安全的一项基本内容。如何在日益增多的复杂网络攻击环境下保障网络信息和用户信息的安全不受侵犯,在数据传输过程中如何防止信息被泄露、窃取甚至篡改删除,以及如何在逐渐严峻的网络威胁下保障网络系统的健壮运行都已经成为当前互联网发展中亟需解决的重要问题和挑战。

（3）TCP/IP局限性

目前互联网架构本身的局限性所导致的, 其设计之初只为通过网络来实现长距离的数据通信或是在多个实体之间实现硬件设备和计算资源等能力的共享,因此只需要为少数通信节点或设备提供稳定的链路连接和可信任的数据通信。随着互联网的巨大增长和为满足新兴需求而引入的应用程序的增多,上述发展趋势已经对互联网的体系结构提出了新的要求,例如海量的终端接入、高效可伸缩的内容分发、移动性支持,以及安全性和可靠性的保障等需求。

产生很多新型网络架构研究：（两类）

（1）第一种是采用打补丁的思路来帮助互联网“进化”

通过新增功能补丁来一定程度上缓解问题,比如移动IP和互联网安全协议等。

但这些补丁大多增加了整体架构的复杂性,使整个互联网结构变得更加臃肿,并被证明只是临时解决方案而不能从根本上解决问题。

（2）第二种则是“革命式” 的思路，即设计一种全新的未来网络架构并取代现有的以IP为核心的网络架构

沿着这一思路已经形成了一个未来网络研究社区,并在学术界提出了一系列新的网络架构和范式,其中代表性的工作如斯坦福大学工作组Keith Kirkpatrick等人设计的控制转发层面相分离的软件定义网络(Software Defined Networking, SDN) 和罗格斯大学WINLAB工作组的Dipankar Raychaudhuri等人提出的移动优先网络(Mobility First, MF) ,以及Van Jacobson等人提出的以数据内容为核心的信息中心网络(Information CentricNetworking, ICN) 等。

其中信息中心网络ICN因其良好的可扩展性和对高效可靠内容分发的天然支持, 自从诞生起就受到了学术和工业界的广泛关注并已成为未来网络架构的一个有希望的候选方案。通过以命名数据为核心,ICN有利于实现网内缓存和多播机制以促进信息的高效及时传递,能够更好地适应当前互联网的特点,即互联网的核心功能越来越偏向于信息传播而非终端主机之间的成对通信。同时ICN通过引入泛在的网内缓存功能可以有效地提升内容传输效率和用户体验,大幅减少网络中的冗余流量传输。除此之外, ICN还可以有效缓解当前互联网架构中的移动性支持和内容安全认证等关键问题。

信息中心网络：

有关ICN架构的研究最早可以追溯到斯坦福大学的集成动态目录的转换中继互联网架构项目(Translating Relaying internetwork architecture Integrating ActiveDirectories, TRIAD) [8],后续自2007年起陆续诞生了一系列的代表性ICN研究项目,其中包括伯克利提出的面向数据的网络架构(Data-Oriented NetworkArchitecture, DONA) [9],欧盟资助的发布-订阅互联网技术(Publish-SubscribeInternet Technology, PURSUIT) [10]以及美国自然科学基金NSF资助的命名数据网络(Named Data Networking, NDN) [11]等。其中命名数据网络NDN继承自保罗阿尔托研究中心的内容中心网络(Content Centric Networking, CCN)项目并进行了进一步扩展,并因其相对完善的协议设计、便于分布式部署的特性和开源仿真平台的支持已成为目前最受关注的ICN 实现。

最早追溯：斯坦福大学的集成动态目录的转换中继互联网架构项目

2007年产生一系列项目：

1. 伯克利提出的面向数据的网络架构 DONA
2. 欧盟资助的发布-订阅互联网技术PURSUIT
3. 美国自然科学基金NSF资助的命名数据网络NDN

信息中心网络ICN的核心设计理念：

（1）命名的数据内容

相对于传统网络,信息中心ICN中实现了从端到端主机通信为核心到以内容为核心的传输思想的转变。ICN中采用具有全局唯一标识即内容名字的命名内容数据块取代了传统网络沙漏模型中的IP细腰,并使用命名内容作为整个网络协议栈的核心,实现了内容名称与位置的分离,在此基础上衍生出了基于内容名字的转发、路由及网内缓存功能。其中内容名字既可以是扁平化的也可以是分层的,取决于具体的ICN架构实现,例如DONA架构中采用了全局唯一不变的扁平化命名,而NDN中则默认使用分层化的命名以支持基于最长前缀匹配的自适应请求转发。

（2）基于内容名字的内容获取

ICN中内容可能位于网络中的任何位置,包括内容服务器以及具有缓存功能的异构网络设备如路由器、交换机、网关等,内容的命名、寻址、匹配检索都是与其所在位置无关的,而这也使得ICN中的内容获取从传统网络中由服务器主导的基于“推”的形式转变为了更加适应内容获取的由用户主导的基于“拉”的形式,用户不需要关注内容来自哪里而只关注内容本身,大幅度提高了内容获取的便利性以及网络中的传输效率和资源利用率,更加契合当前互联网中的海量内容分发场景。具体来说,用户通过特定内容名字发送对应的请求到网络中,服务器或具有缓存的中间节点在收到请求后根据解析得到的内容名字返回对应内容或将该请求继续转发。内容名字的解析与检索既可以是集中式的也可以是分布式的,在DONA和PURSUIT等ICN架构中采用了类似IP网络中域名系统(Domain Name System, DNS)的分层名字解析系统,其中每个网络自治系统内都包含有一个本地内容解析服务器,且不同内容解析服务器之间以对等或分层的方式相连以实现对全局内容名字的解析与检索。而在NDN架构的请求转发过程中则是由各个中间节点根据内容名字进行最长索引匹配，并从所有可行的转发端口中根据本地路由协议选择最优的下一跳,或是直接从本地存储中返回对应的内容缓存副本。

（3）网内缓存

中间节点的内容存储即网内缓存对于以低成本支持ICN中以内容为中心的点对点数据交付模型起着至关重要的作用，ICN 中的节点具有一定的缓存空间，可以将接收到的内容缓存在本地并用以就近满足后续收到的对同一内容的请求。缓存其他节点的内容可以将内容与其生产者分离开来,通过在网络中提供相同内容的多个副本，可以有效减少内容服务器的工作负载和开销，避免了单点故障带来的影响。同时网内缓存为内容的动态组播和丢包重传提供了有效的支持,大量减少了数据的冗余传输。而且通过网内缓存将内容副本部署在更靠近用户的位置,可以显著降低网络负载和数据传输时延,促进了用户内容获取体验的提升和整体内容分发效率以及网络资源利用率的改善。然而考虑到经济成本和资源利用效率的限制，ICN 中的总体缓存空间是相对有限的，如何将有限的缓存资源分配到合适的位置并通过适当的缓存策略来提升整体缓存命中率和缓存收益也是一个挑战性的问题，目前仍处于开放探究阶段。

（4）移动性支持

相对于传统IP网络中基于地址的端到端通信模型, ICN网络对主机的移动性具有天然的支持,其用户端驱动的发布/订阅式内容获取模型从时间和空间维度上对内容获取过程进行了解耦,内容本身也不再需要与特定的主机或物理位置绑定。ICN中内容的发布与获取可以是异步的,内容生产者在进行内容发布时无需知晓具体的用户数量或请求分布等具体信息,同样内容消费者可以在内容发布后的任意时刻向网络中发起内容获取请求且不需要任何关于内容生产者的身份或位置信息。当内容消费者因移动发生接入切换时只需再次通过接入节点发送对同一内容的请求或订阅即可,而且由于泛在网内缓存功能的支持,ICN网络可以将消费者的新请求转发至就近的内容缓存副本而不是远端的内容服务器。另一方面, ICN中对于内容生产者移动性的支持则相对较为复杂,往往需要路由协议的支持,一旦生产者发生移动则需要更新对应的路由表信息,根据具体ICN架构采用的不同名称解析系统分别向解析服务器或各个中间节点反馈自身移动后的位置信息。

（5）安全性

TCP/IP网络中的安全主要依赖于端到端的主机认证,但由于IP是无状态的导致现有IP网络架构中无法从根本上内置安全。而ICN网络中支持以可验证的方式将分层或平面化的信息名称与内容对象关联起来,实现内容级的安全认证。具体来说, ICN中的每个数据包都可以包含对应的加密签名,携带内容本身及内容提供者的身份信息及密钥等,而用户和网络节点都可以对其进行安全验证。

信息中心网络现状：

自ICN的基本设计思想被提出至今,学术界和工业界已经进行了长达十余年的深入研究,但整体上还处于一个相对早期的阶段,相关的网络架构和协议设计仍在进行持续地完善,许多挑战性的问题如缓存资源管理、传输控制、高效内容检索以及可伸缩的内容命名等都还没有得到完美解决。