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：

　　（１）在Ｗｈａｔ模型中，应用程序的中间组件可以令程序模型能够与互联网中传递的信息数据直接匹配，移除其他所有中间组件及其相关配置，大大提高了数据通信效率．

　　（２）Ｗｈａｔ模型减少了单个会话持续时间，数据内容不再需要被嵌入到端到端的数据包．这样能够对数据来源安全性可以直接进行判断，相对ＩＰ网络中所采用的Ｏｎｅ－ｓｉｚｅ－ｆｉｔｓ－ａｌｌ策略而言能够更好的保护信息安全性．

　　（３）Ｗｈａｔ模型中由于每一个数据块都是唯一命名标识的，通过在沿路路由器中增加缓存模块，能够彻底解决路由回路问题．同时，Ｏｎ－ｄｅｍａｎｄ驱动策略能够利用所有相连的节点进行数据转发，移除了异步转发，这样能够极大地减少网络中数据生产者与消费者之间的不协调通信．

　　３．２内容文件命名

　　Ｗｈａｔ模型所具有的特点能够令网络中消息内容分发具有更强的灵活性．与Ｗｈｅｒｅ模型不同，Ｗｈａｔ模型中数据报文不再需要指定源地址与目标地址，取而代之的是直接采用内容对消息进行命名．因此，Ｗｈａｔ模型修改了对内容文件命名的方法．尽管Ｗｈａｔ模型提供了多种多样的文件命名方法，在ＩＣＮ网络中则主要采用了其中３种：层次命名（ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌｎａｍｉｎｇ）、平面命名（ｆｌａｔｎａｍｉｎｇ）以及属性命名（ａｔｔｒｉｂｕｔｅ－ｂａｓｅｄｎａｍｉｎｇ）．

　　３．２．１层次命名

　　ＴＲＩＡＤ与ＣＣＮ共同提出了一种具有层次性的文件内容命名方法．层次命名法规定每个内容文件通常拥有一个类似ｗｅｂＵＲＬ的标识名，而这个标识名通常可以由类似／ｌａｂ／ｔｈｕ／ｉｃｎ．ｊｐｇ的字符串构成．在标识名字符串中，符号／表示各个子域之间的分隔定界符．同时，层次结构文件名可以与ｗｅｂ中基于ＵＲＬ的应用或者服务相兼容．进一步而言，这些应用或服务能够直接使用互联网中基于Ｗｈａｔ模型转发的内容文件而不需要进行数据报编码解码，因此，网络中数据的易读性得到了进一步提升．层次命名法的优势还体现在信息名称具有可聚合性．可聚合性指信息名称可实现聚合，这样就能够增强路由表的可拓展性，进而对路由条目进行聚合归类．例如，对于任何以／ｔｈｕ／作为起始路径名的内容文件都可以被存储在同一条路由表记录中．例如查找数据／ｔｈｕ／ｃｓ／ｉｃｎ．ｊｐｇ只需要找到起始路径为／ｔｈｕ／ｃｓ／的路由表记录，就可以找到这条路由表记录下聚集的所有数据．在大数据时代环境中，若信息名称不能够聚合，路由表大小将急剧膨胀，制约网络路由的可扩展性．

　　３．２．２平面命名

　　尽管层次命名增强了网络的可扩展性，使信息名称可聚合，减小了路由表大小．然而，层次名称却具有语义性，这在一定程度上限制了文件名称的生命周期．例如，当文件名称为／ｌａｂ／ｔｈｕ／ｉｃｎ．ｊｐｇ对应的文件失效时，采用层次命名的路由将无法找到数据源文件．另一方面，相同文件名称所对应的文件可能被多级网络缓存保存，此时文件名称无法聚合，路由表需要若干条记录分别保存文件位置信息，反而降低了路由表记录的聚合度．为了避免上述问题，ＤＯＮＡ与ＰＳＩＲＰ提出采用平面与自我认证（ＦｌａｔａｎｄＳｅｌｆｃｅｒｔｉｆｙｉｎｇ）的方法对内容文件进行命名．通过计算文件位置与文件内容的Ｈａｓｈ值，直接将获得的结果作为文件名．因此，平面名称通常由一系列不规则的数值或字符组成．平面文件名称直接由位置与内容决定，不再具有语义性并且文件名称具有全局唯一标识．尽管如此，由于平面名称不具有语义性，无法实现信息名称的可聚合．因此，平面命名方法并不能够较好地支持网络路由的可扩展性．

　　３．２．３属性命名

　　ＣＢＣＢ则认为根据内容文件的一系列属性值对（Ａｔｔｒｉｂｕｔｅ－ＶａｌｕｅＰａｉｒｓ，ＡＶＰｓ）能够对文件内容、文件位置进行判定识别．这种方法通常需要进一步抽象用户的兴趣内容，将信息内容本身压缩为若干对属性值对ＡＶＰｓ．用户通过对感兴趣的ＡＶＰｓ匹配进而找到信息文件．属性命名在文件名称的语义性与自我认证能力之间找到了一个平衡点，兼顾了网络路由的可扩展性与信息冗余．然而，属性命名方法却依旧带来了新的问题．首先，单个ＡＶＰ可能拥有不同的语义，需要用户提供大量的ＡＶＰｓ保证信息匹配的精准性．其次，ＡＶＰｓ的语义性将影响搜索用户判断结果．一个错误的ＡＶＰ可能导致整个匹配结果出现极大的误差．最后，路由缓存需要保存内容文件本身以及大量内容文件对应的ＡＶＰｓ，对路由缓存能力提出了苛刻的要求．

　　３．３信息数据路由

　　ＩＣＮ直接以通过信息名称路由的特点令信息路数据路由也发生了巨大的变化．根据先驱研究，ＩＣＮ中路由种类可以依据是否具有维护ＩＣＮ路由表的系统分为无层次路由与层次化路由．

　　３．３．１无层次路由

　　在ＣＣＮ，ＴＲＩＡＤ以及ＮＤＮ等采用层次命名方法的ＩＣＮ体系结构中，由于文件内容名称具有可聚合能力以及ＩＰ兼容性，它们对路由性能要求较低，因而通常采用无层次路由．无层次路由与ＩＰ路由类似，不具有维护路由表的系统．同时，这类路由通告往往采用基于洪泛的方式．另一方面，由于ＩＣＮ体系结构具有向前兼容能力．无层次路由能够继承ＩＰ路由部分功能，在某些方面能够与ＩＰ网络兼容．因此，采用无层次路由ＩＣＮ网络体系结构能够在现有ＴＣＰ／ＩＰ网络基础设施基础上通过路由策略实现增量部署．并且，层次名称在替代ＩＰ数据报文网络前缀的过程中原本的路由协议并没有发生明显的变化．

　　综上所述，在ＩＣＮ中采用层次文件名能够实现ＩＰ网络中网络前缀聚合的功能，因此并不需要具有层次性的路由．采用无层次路由的ＩＣＮ体系结构能够在现有的网络基础设施上增量部署．尽管如此，随着内容文件被替代或转移失效，依靠内容文件名称实现聚合程度会逐渐减小．除此之外，当内容文件发生更新时，洪泛转发带来的交通控制开销在一些情况下可能会是巨大的．

　　３．３．２层次化路由

　　ＩＣＮ中层次化路由结构大致可以分为基于树形或分布式Ｈａｓｈ表（ＤＨＴｓ）的层次结构．ＤＯＮＡ采用了经典的树形层次化路由，通过路由器组成具有层次的逻辑树，每一个路由器维护各自下降子树发布的消息．无论何时，一旦有新消息发布、覆盖或移除，路由通告都能够沿着树形结构逐级传播，直到所有路由表都被更新．ＣＢＣＢ则通过建立基于源码的多播树来传递发布者与订阅者之间的内容．然而，这种树形结构路由增加了路由器的开销负担，制约了网络路由的可扩展性．同时，路由表大小将随着路由等级上升而变大，每个路由器需要缓存的信息内容将越来越多，根路由器甚至需要保存整个网络的信息．另外，网络路由可扩展性问题还表现在层次化路由采用平面命名方法，文件名本身并不具有数据聚合能力．为了避免树形层次化路由存在的问题，ＰＳＩＲＰ提倡利用ＤＨＴｓ的平面性权衡路由器可拓展性与开销负担．在ＰＳＩＲＰ中，对于数量为ｃ的内容文件，每个路由器保存相同数量ｌｏｇ（ｃ）条路由条目．然而，由于ＤＨＴｓ由随机和统一放置的路由共同构造，ＤＨＴｓ路由结构探索数据的拓扑路径通常会是树形路由结构长度的几倍．

　　值得一提的是，尽管路由本身具有层次性，却依旧能够在兼容现有ＴＣＰ／ＩＰ基础设施．类似的，内容文件被替代或转移失效时依靠内容文件名称实现的路由依然需要费时费力地更新数据信息．

　　３．４数据转发策略

　　ＩＣＮ中对路由器数据结构做出了修改，ＩＣＮ的每个路由器都需要维护三个数据结构：待定请求表（ＰｅｎｄｉｎｇＩｎｔｅｒｅｓｔＴａｂｌｅ，ＰＩＴ）、前向转发表（ＦｏｒｗａｒｄｉｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＢａｓｅ，ＦＩＢ）以及内容存储器（ＣｏｎｔｅｎｔＳｔｏｒｅ，ＣＳ）．ＰＩＴ用于记录经过的请求信息，依此实现所请求的内容顺利地传回请求节点．内容数据包按照ＰＩＴ的提示，逐级向内容请求者转发．ＰＩＴ记录中包含了每条兴趣包被转发到对应ＦＩＢ的接口（ｓ），当等待的内容传回后，该条目将从ＰＩＴ中删除．ＦＩＢ将请求数据包发往目的端．与ＩＰ路由器的ＦＩＢ相比，ＩＣＮ路由器的ＦＩＢ除了包含信息名称前缀而不是ＩＰ地址前缀的特点外，还可以显示多个接口对于一个给定的名称前缀，同时向多个方向转发请求．ＣＳ类似于ＩＰ路由器的缓存，但是在每次通信结束后不会清空ＣＳ的内容，可以将该内容用于下次通信．ＣＳ是ＩＣＮ中非常关键的理念，它可以帮助减少内容下载时延和网络带宽占用．此外，每个ＩＣＮ路由器都有一个策略模块，通过它决定每个兴趣包转发方向．

　　与ＩＰ网络中严格按照ＩＰ地址分配进行数据转发的方式不同，ＩＣＮ中数据转发过程主要分为３个步骤：

　　（１）接收到请求数据包后，首先匹配内容缓存，如果有相关内容，直接发送．否则在ＰＩＴ中查询．（２）如果ＰＩＴ中有相应的条目，添加请求端口到列表中．在这一过程中，将请求数据包截留是为了防止同样数据的重复请求．当有内容数据包回应时，将此内容发送给所有请求数据的端口．（３）若ＰＩＴ中没有相关内容条目，则查询ＦＩＢ．按照ＦＩＢ的指示将该数据包转发到下一ＩＣＮ节点．

　　３．５信息数据缓存

　　尽管数据路由可以分为层次性与无层次性，然而路由器都是通过以存储开销为代价的方式保证数据传输效率．随着硬件技术的不断发展，以ＣＤＮ为代表的新型网络结构证明了这种以空间资源换取运行效率的均衡策略在经济方面与应用方面都能够得到认可与支持．在这个基础上，ＩＣＮ的路由缓存策略根据信息数据缓存位置可以分为路径存储（Ｏｎｐａｔｈ）与非路径存储（Ｏｆｆ－ｐａｔｈ）．

　　３．５．１路径存储

　　Ｏｎ－ｐａｔｈ存储方式将数据信息沿途存储在通过名称解析系统获得的请求路径中．由于后续数据请求的信息已经存储在这条路径的中间节点缓存中，数据请求将不需要再到服务器端获取数据信息，取而代之的是采用就近原则，从最近的中间节点处获取信息．当有全新数据信息在经过路由器的同时将被完整备份．Ｏｎ－ｐａｔｈ存储方式具有实现部署简单、获取信息快速等优点．尽管Ｏｎ－ｐａｔｈ将数据沿着数据请求路径缓存能够达到减少网络传输延时，提高网络传输效率的目的．然而，由于路径中所有路由器在信息存储方面不具有协作能力，因此每一个中间路由器都需要对所有经过的信息进行存储备份．这就导致了在整个路径中多台路由器存储了冗余信息．在大部分情况下，由于只有拓扑最近的缓存源信息才会被访问，因此浪费了大量的存储空间并且存储的数据信息较少，缓存利用率低下．随着时间的推移需要缓存的数据信息将无限制增长，有限的存储空间无法满足无限的信息容量存储需求．另一方面，当名称解析路径与数据传输路径不同时，方式具有较低的传输效率．

　　３．５．２非路径存储

　　Ｏｆｆ－ｐａｔｈ存储方式将数据信息存储在这条路径以外的缓存中，并且多个中间路由器间能够共同协商存储完整的数据信息，数据信息因此能够被分块存储，以此来解决缓存空间受限的问题．Ｏｆｆ－ｐａｔｈ存储方式中名称解析路径与数据传输路径可以异步或者同步．当名称解析路径与数据传输路径异步时，各个路由器缓存都被当作消息发布者．而当名称解析与数据传输同步时，数据请求通过路由系统转发到各个缓存中．另一方面，根据缓存位置选择不同，Ｏｆｆｐａｔｈ存储方式又可以具体分为核心缓存与边缘缓存．核心缓存指数据信息缓存位置以核心路由为主，边缘路由尽可能减少缓存信息．然而，核心分布式存储增加了核心路由的存储负担，容易造成核心路由的整体性能下降．边缘缓存将信息存储在用户接入的边缘路由器中．当下一次其他用户请求数据信息时，若边缘路由器缓存中已经保存对应的数据信息，用户就可以直接从边缘路由器获得数据，从而保证整个过程具有较高的传输效率．Ａｍｂｌｅ等人证明了在缓存信息过程中下一级路由器缓存时间往往是上一级路由器缓存时间的两倍，信息数据将逐渐缓存到网络边缘处，同时也证明了边缘缓存方式的性能高于核心缓存方式．由于核心路由往往承担整个网络的数据路由转发任务，核心分布式存储方式容易导致整个网络性能的下降．因此，在现有ＩＣＮ体系结构中边缘缓存具有更大的优势，得到广泛的应用与支持．

　　４、ＩＣＮ关键技术

　　大部分的ＩＣＮ方案可以分为欧、美两个分支，现有ＩＣＮ方案中具有里程碑式向导性工作成果包括加州大学伯克利分校提出的图３ＩＣＮ体系结构研究里程碑尽管ＩＣＮ的相关研究已经经过了十年时间，全球各个国家在过去五年中加大投入了ＩＣＮ研究所需的财力物力，并取得了丰富的研究成果．通过对这些具有重大影响的里程碑成果进行比较，本节试图从现有方案中梳理并划分出ＩＣＮ的关键技术，讨论可能存在的不足，从而明确未来ＩＣＮ关键技术的研究要点．由于现有的ＩＣＮ方案大都支持采用全新的网络体系结构来替代现有的Ｈｏｓｔ－Ｃｅｎｔｒｉｃ网络模型的思想，并认为全新的体系结构能够直接解决现有ＴＣＰ／ＩＰ网络中存在的关键问题．为了验证这些方法的可行性与经济适用性，本节依据前一节中ＩＣＮ模型归类标准，从解析技术、路由技术、数据技术以及试验技术四个方面对这些方法做出梳理比较．ＮＤＮ层次名称可聚合同步数据路由基于同步数据路由的Ｏｎ－ｐａｔｈ存储方式ＣＯＮＶＥＲＧＥＮＣＥ层次名称、平面名称部分名称可聚合异步数据路由基于异步数据路由的Ｏｆｆ－ｐａｔｈ存储方式ＭｏｂｉｌｉｔｙＦｉｒｓｔ平面名称不可聚合同步数据路由基于同步数据路由的Ｏｆｆ－ｐａｔｈ存储方式。