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信息中心网络的前世今生
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  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或者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,在今年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的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。

  地址:北京花园北路52号中国信息通信研究院技术与标准研究所互联网中心(100191)

  电话: 13301161971  Email:zhangjie5@caict.ac.cn

  


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