無線網絡環境下命名數據網絡移動性解決方案

王宏宇，朱昊寧

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071)

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無線網絡環境下命名數據網絡移動性解決方案

王宏宇1，朱昊寧2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071)

通過數據消費者驅動的命名數據網絡(NDN)可以實現數據的高效可靠傳遞，然而NDN中興趣包的廣播機制使得其不適用于帶寬受限的無線網絡環境；此外，針對數據提供者發生移動所帶來的問題，NDN也沒有很好的解決方案。通過分析無線網絡環境下NDN通信流程中存在的問題，提出了一種無線網絡分層隔離方案，通過給內容分配路由標識，實現了數據提供者移動時興趣包的正確路由，避免了興趣包廣播及重傳對無線網絡帶寬資源的浪費。

無線網絡；命名數據網絡；移動性；分層路由

0　引言

NDN是互聯網架構的一次革命，數據的傳輸不再關注存儲數據的主機IP地址，而是關注數據本身[1]。NDN將數據進行命名，并以數據的名字取代傳統互聯網的主機IP地址進行路由轉發，實現網絡向以數據為中心轉變[2]。

物聯網的不斷應用提升了數據在網絡中的地位[3]，移動互聯網和5G技術的發展使得網絡逐漸向移動性驅動方向轉變[4]。目前，在NDN的研究領域中，針對NDN的移動性問題是一個研究熱點[5]，NDN網絡中的移動性問題主要歸結為數據消費者的移動和數據提供者的移動2個方面[6]。傳統NDN的解決方案是當數據消費者或數據提供者發生移動后通過重新廣播興趣包來獲取數據[7]，這會對無線網絡的帶寬帶來很大的負擔。文獻[8-10]提出的移動性解決方案中，核心思想都是通過代理服務器來實現節點移動后信息的傳輸，由于代理服務器參與雙方的通信過程，容易形成三角路由問題，文獻[11]中提出了一種類似DNS的轉發預測移動性解決方案，通過將內容名字中添加一個字段用于預測內容提供者的去向，該方案雖然能夠解決內容提供者的移動性問題，但是內容在移動過程中需要改變名字中的相應字段，對于和名字綁定比較密切的應用來說十分不方便。

上述方案都沒有從根本上解決NDN的移動性問題，并且都沒有考慮無線網絡環境。本文根據無線網絡特點，采用分層隔離方案，在匯聚節點部署映射服務器，并將接入路由器編號作為內容的路由標識。當數據提供者發生移動后，通過查詢更新后的映射服務器，獲取提供者的新路由標識，實現興趣包的正確路由。

1　NDN

NDN是美國國家科學基金會提出的未來互聯網體系架構計劃的一部分，通過命名數據而不是主機IP地址，NDN將數據變為網絡的核心實體[12]。與傳統的互聯網通信不同，NDN通信是由數據消費者驅動的。NDN的數據傳輸過程可以大致分為2個階段，第1階段是興趣包的尋路，數據消費者通過廣播攜帶內容名字的興趣包，形成一條直達數據提供者的鏈路；第2階段是數據包的回傳，目標內容根據興趣包的到達軌跡沿反方向到達數據消費者。在數據包回傳的過程中，可以在途經的路由節點進行數據的緩存，以備后續數據消費者的訪問。

1.1數據包類型

NDN有2種報文類型：興趣包和數據包，如圖1所示。興趣包和數據包中包含內容的名字，當數據消費者對內容有需求時，會廣播攜帶內容名字的興趣包，若某個節點接收到該興趣包并且含有該內容，則通過數據包響應該請求。由此可以看出，和基于主機IP地址形式不同，興趣包和數據包的交互是通過內容名字關聯的，多個請求者可以共享該內容而不需要重新向數據提供者發送請求。

圖1　NDN興趣包和數據包格式

1.2NDN節點模型和數據處理流程

NDN的節點模型如圖2所示，包括內容存儲表CS(Content Store)、未決興趣表PIT(Pending Interest Table)、轉發表FIB以及索引表，其中CS代表本節點緩存的內容以及內容名字，PIT代表所有待返回數據的興趣包以及該興趣包到達的接口，FIB用于興趣包的路由轉發，可以根據具體的策略選擇向不同的接口轉發，索引表則表示興趣包查詢的順序。

NDN對興趣包和數據包的處理過程如圖3所示。當興趣包到達NDN節點時，按照索引表的順序對內容名字進行最長匹配查詢。首先查詢CS，如果CS中含有匹配內容，表明節點處含有該內容，則直接向興趣包的到達接口回傳數據包，如果不存在匹配表項說明該節點沒有請求的內容，繼續查詢PIT；如果PIT中含有匹配內容，則將興趣包的到達接口添加到該表項中，如果PIT沒有匹配內容，則在PIT中添加一個表項用于表示興趣包和到達接口的對應關系，之后繼續查詢FIB進行后續轉發；FIB中存儲的是內容名字和轉發接口之間的對應關系，如果在FIB中查到匹配項則向接口列表中所有接口轉發，否則丟棄興趣包。

圖2　NDN節點模型

相對于興趣包的處理流程，數據包的處理相對簡單，只需要根據興趣包所經過的鏈路回傳即可。但是在回傳過程中也需要進行最長匹配查詢，首先查詢CS，若在CS中找到匹配項，則表明數據包是一個副本，直接將其刪除，若在CS中沒有找到匹配項，則繼續查詢PIT；如果沒有找到匹配項，說明該數據包是一個惡意數據包，直接將其刪除，如果找到匹配項，則按照該匹配項的接口進行數據回傳，將PIT中的對應表項刪除，并對數據包進行本地緩存后在CS中添加相應表項。

2　無線網絡NDN應用問題分析

NDN改變了傳統互聯網主機IP地址的通信模式，通過命名內容實現了靈活的數據傳遞，被稱為最有前景的互聯網架構之一。但是對于帶寬資源受限并且終端頻繁發生移動的無線網絡環境還需要進一步進行方案優化。通過分析上節中NDN的信息處理流程，可以發現NDN直接應用于無線網絡會出現一系列問題。

首先，NDN節點中的FIB存儲的是內容名字的路由表，隨著內容的逐漸增加，該路由表的表項會逐漸增多，隨著網絡拓撲的變化以及終端的移動，路由表的大量更新也會對整個網絡帶寬帶來巨大壓力。

對于目前尚未開通的航線，建議深圳港以適當密度開通與欽州、北海、清遠、貴港、南寧地區的水上“巴士”航線；與東莞水上“巴士”航線的經濟性較差，短期內開通水上“巴士”的必要不大.

其次，從NDN的通信流程可以看出，NDN的興趣包是通過廣播方式向節點的多個接口進行轉發，該方式能夠保障興趣包到數據提供者的可達性，但是對于無線網絡，興趣包的廣播機制會造成網絡擁塞，降低網絡帶寬的使用效率。

此外，NDN中內容的路由轉發是通過內容名字進行，名字中并不包含內容的位置信息，當數據消費者或提供者發生移動時，因為不存在路由信息，興趣包很難轉發到內容的新位置，只能通過重新廣播興趣包來解決，進一步對網絡帶寬帶來負荷。

所以，針對無線網絡，急需尋找一種興趣包的路由機制，解決路由表更新以及興趣包廣播對網絡造成的壓力，解決數據消費者和提供者移動帶來的問題。

3　分層隔離路由方案

3.1分層隔離路由方案設計

在無線網絡中，由于終端的移動導致網絡拓撲變化相對頻繁，使得NDN節點中的FIB路由頻繁更新，不適合帶寬受限的無線網絡[13]。為了保障路由的穩定性，采用骨干與接入分層隔離的路由策略，將整個網絡分為拓撲相對穩定的骨干路由域和拓撲變化較頻繁的接入路由域，骨干路由域和接入路由域通過匯聚路由器進行路由的交互。

此外，在數據提供者發生移動后，傳統NDN網絡興趣包之所以不能正確路由，是因為內容名字中不包含位置標識，為解決該問題，需要為內容分配一個路由標識，這里考慮將內容的接入路由器編號作為其路由標識，興趣包通過其對應的路由標識進行尋址。

路由分層結構如圖4所示，骨干網由骨干路由器(BR)和匯聚路由器(CR)構成，接入網由接入路由器(AR)和匯聚路由器(CR)構成，AR只維護接入網路由表，BR只維護骨干網路由表，CR需要分別維護接入和骨干2張路由表。路由表中只包含路由標識信息，即只包含目的路由器地址和下一跳地址，并不包含具體的內容名字，大大降低了路由表中存儲的表項，提高了路由轉發效率。

圖4　分層路由結構

此外，在CR處部署映射服務器，用于存儲內容名字與當前路由標識和對應的匯聚路由器之間的映射關系，當數據提供者發生移動時，向映射服務器發起更新消息，更新消息中包含數據提供者當前所連接的接入路由器編號，所有映射服務器之間同步更新。

3.2路由過程

根據上節設計的路由方案，下面結合具體實例給出興趣包和數據包的路由過程，假設終端A想要獲取終端B內容名為Why/Voice/Part1的數據。攜帶內容名字的興趣包尋址過程如下：

① 終端A向匯聚路由器CR2處的映射服務器發送名址映射請求包，查詢內容名Why/Voice/Part1所對應的接入路由器編號；

② 映射服務器將查詢結果AR2通過應答包返回終端A；

③ 終端A將興趣包外添加AR2報頭后發往匯聚路由器CR2；

④ 通過查詢映射服務器，CR2獲得AR2對應的匯聚路由器編號CR1，并對接收到的興趣包外添加CR1包頭后進行骨干網路由；

⑤ 興趣包到達匯聚路由器CR1后，匯聚路由器CR1去掉興趣包外的CR1包頭后發往AR2；

⑥ AR2接收到興趣包，查詢本地內容表含有該內容，數據包沿著興趣包到達的軌跡返回到終端A。

興趣包和數據包路由尋址過程如圖5所示。

圖5　興趣包和數據包路由尋址過程

在該方案中，路由節點對興趣包的處理流程和傳統的NDN節點略有不同，保留NDN中的CS表以及PIT表，用骨干路由表和接入路由表代替FIB,查詢順序不變。因此，數據包可以按照PIT表中興趣包的軌跡返回數據消費者，并且可以在途徑的路由節點進行數據的緩存，以備后續具有相同內容需求的數據消費者就近訪問。

通過給內容分配路由標識可以使興趣包的尋址不再依靠廣播的方式，解決了傳統NDN網絡興趣包廣播對無線網絡造成的負荷，這對于無線網絡而言十分重要；此外，通過骨干網與接入網分層隔離并設置名址映射服務器，使得接入網的路由變化不影響骨干網路由，并大大減少了路由器的表項，對無線網絡路由的穩定性至關重要。

4　移動性支持

NDN的移動性可以分為數據消費者移動和數據提供者移動，數據消費者移動可以通過重新發起興趣包來解決，目前許多NDN移動性解決方案都采用這種方式，該比較合理。因為一般情況下，數據消費者短期內不會發生大范圍的移動，而NDN的數據緩存機制使得之前發起的興趣包會暫存在經過的NDN節點，所以數據消費者移動后重新發送興趣包可以就近獲得數據，不會產生太大時延。相比之下，數據提供者的移動是NDN的難點，興趣包在廣播的過程中如數據提供者發生移動，會導致興趣包不能及時到達數據提供者的新位置，而且數據消費者需要等到興趣包超時才能繼續廣播興趣包，從而產生較大時延并造成網絡帶寬的浪費。

下面針對數據提供者的移動給出本方案的解決辦法。假設終端A向終端B請求內容名為Why/Voice/Part1的數據，在此過程中終端B發生移動，此時終端B向匯聚路由器CR1發起“切換通知”，“切換通知”中包含發生移動的內容名字，CR1記錄發生移動的內容名字，此時，CR1會緩存所有請求該內容的興趣包，當終端B移動到接入路由器AR1，向CR1發起“切換完成通知”，該通知中包含切換的內容以及新的接入標識，CR1向映射服務器發起“更新消息”，對發生移動的內容以及其對應的路由標識進行更新，并在全網的匯聚路由器進行更新。

當興趣包通過上節的路由過程到達匯聚節點CR1后，匯聚路由器提取內容名字，如發現該內容已經發生移動，則臨時緩存該興趣包，并查詢映射服務器獲取新接入標識，用新接入標識替換舊接入標識后繼續路由到內容的新位置。

通過終端發生移動后與映射服務器的交互機制以及興趣包的緩存機制，興趣包能夠避免發生錯誤路由，并且不需要重傳興趣包，降低了網絡負荷和興趣包的傳輸時延，十分適用于帶寬受限的無線網絡環境。

5　結束語

命名數據網絡作為未來互聯網體系架構方案中的一種，其發展及應用必將促進通信網絡向信息網絡的轉變[14]。本文通過分析無線網絡這種特定環境下NDN的應用性問題，旨在解決NDN在無線網絡中的適應性。新提出的分層隔離路由方案可以提高無線網絡路由的穩定性，能夠很好地支持NDN網絡中興趣包和數據包的路由，使得興趣包能夠在數據提供者發生移動后仍能正確的尋路到數據提供者，解決了無線網絡環境下數據請求者和數據提供者移動帶來的問題。后續可以繼續進行仿真環境的搭建，對所提出的方案進行模擬仿真，驗證其對無線網絡環境的適用性。

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王宏宇男，(1987—)，碩士，工程師。主要研究方向：通信網絡總體設計、移動性管理。

朱昊寧男，(1995—)，本科。主要研究方向：無線網絡路由協議、名址分析方向。

A Mobility Solution of Named Data Networking in Wireless Network

WANG Hong-yu1，ZHU Hao-ning2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China;2.SchoolofElectronicEngineering,XidianUniversity，Xi’anShaanxi710071，China)

The Named Data Networking (NDN)drived by data consumer can support data transmission efficiently and reliably.However，the broadcast mechanism of Interest packet in NDN is not suitable to bandwidth-limited wireless network.Besides，NDN can’t solve the mobility of data provider effectively.By analyzing NDN communication mechanism in wireless network，this paper proposes a layered routing scheme.By assigning content a routing label，the exact routing of interest packet is implemented when data provider moves.This scheme avoids wireless network bandwidth resource wasting resulting from interest packet broadcast and retransmission.

wireless network；named data networking；mobility；layered routing

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.10.03

2016-06-27

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA015701)；通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室開放基金資助項目。

TN92

A

1003-3106(2016)10-0012-04

引用格式：王宏宇，朱昊寧.無線網絡環境下命名數據網絡移動性解決方案[J].無線電工程,2016,46(10):12-15，42.