基于網(wǎng)絡(luò)終端支持的NDN移動(dòng)性管理機(jī)制

收稿日期：2022-01-21；修回日期：2022-03-28" 基金項(xiàng)目：河北省省級科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（20314301D）；天津市科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（20JCQNJC01490）；鵬城實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（PCL2021A02）

作者簡介：李卓（1984-），男，副教授，碩導(dǎo)，主要研究方向?yàn)槲磥砘ヂ?lián)網(wǎng)架構(gòu)、高性能路由器架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)流量工程、命名數(shù)據(jù)網(wǎng)；毛亞春（1996-），男（通信作者），河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槊麛?shù)據(jù)網(wǎng)用戶移動(dòng)性轉(zhuǎn)發(fā)管理（ymao@tju.edu.cn）；羅蓬（1984-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；馬天祥（1986-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)運(yùn)行分析與配電自動(dòng)化技術(shù)；趙建利（1980-），女，高級工程師，主要研究方向?yàn)橹悄茏冸娬就ㄐ畔到y(tǒng)、智能信息處理．

摘 要：命名數(shù)據(jù)網(wǎng)（named data networking，NDN）作為一種新型的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，旨在應(yīng)對日益增長的數(shù)據(jù)流量。基于其消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的內(nèi)容檢索模型，NDN自然地支持消費(fèi)者移動(dòng)性。然而生產(chǎn)者移動(dòng)性仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題，需要額外的機(jī)制來提高生產(chǎn)者移動(dòng)期間的數(shù)據(jù)可用性。針對該問題，提出一種可擴(kuò)展的移動(dòng)管理機(jī)制來支持生產(chǎn)者移動(dòng)性。該機(jī)制利用網(wǎng)絡(luò)終端在基于名稱的NDN轉(zhuǎn)發(fā)平面上建立了臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并設(shè)計(jì)了緩存與重傳機(jī)制支持時(shí)延容忍和時(shí)延敏感的應(yīng)用數(shù)據(jù)流。最后在ndnSIM中建立了一個(gè)全面的仿真環(huán)境，對所提方案與現(xiàn)有解決方案進(jìn)行了評估和比較。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制能夠充分支持生產(chǎn)者移動(dòng)性。當(dāng)速度為30 m/s時(shí)，丟包率僅為3.0%，平均傳輸延時(shí)為352.1 ms。此外，支持生產(chǎn)者移動(dòng)性所需的額外消耗對于方案相比降低了49.18%。

關(guān)鍵詞：命名數(shù)據(jù)網(wǎng)；移動(dòng)性；轉(zhuǎn)發(fā)策略；丟包率；傳輸延時(shí)

中圖分類號：TP393.0"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-3695（2022）09-035-2785-06

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2022.01.0048

Mobility management mechanism based on network terminal supporting in named data networking

Li Zhuo1，2，3，Mao Yachun1，3，Luo Peng4，Ma Tianxiang4，Zhao Jianli4

（1.School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.The Peng Cheng Laboratory，Shenzhen Guangdong 518000，China；3.The Tianjin Microelectronics Technology Key Laboratory of Imaging amp; Perception，Tianjin 300072，China；4.Electric Power Research Institute，Hebei Electric Power Corporation，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：NDN is a band new Internet architecture，which aims to cope with the increasing growth of data traffic.NDN brings native support for consumer mobility due to its receiver-driven content retrieval model.However，producer mobility is still a challenging issue，which needs additional mechanisms to improve the data availability during the producer’s movement.Therefore，this paper proposed a scalable mobility-management mechanism，which further extended the stateful forwarding plane of NDN to support producer mobility.The mechanism built a temporary forwarding path on the name-based NDN forwarding plane through network terminals and designed a buffering and retransmission mechanism to support both delay-tolerant and delay-sensitive data traffic.Finally，this paper set up a comprehensive simulation environment in ndnSIM for the proposed evaluation and comparison against the existing classes of solutions.The simulation results show that the proposed can fully support producer mobility in the wireless environment.When the speed is 30 m/s，the packet loss rate is only 3.0%，and the average transmission delay is 352.1 ms.Additionally，the additional consumption required to support producer mobility is reduced by 49.18% compared to the comparison scheme.

Key words：named data networking（NDN）；mobility；forwarding strategy；packet loss ratio；transmission delay

0 引言

隨著移動(dòng)設(shè)備數(shù)量的快速增長，連接到互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)應(yīng)用流量也迅速增加。諸如多媒體流量、語音和視頻數(shù)據(jù)等移動(dòng)數(shù)據(jù)對于互聯(lián)網(wǎng)的需求日益增長［1］。移動(dòng)性已經(jīng)成為所有通信網(wǎng)絡(luò)的基本要求。

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)［2］（NDN）是一種以內(nèi)容為中心的新型網(wǎng)絡(luò)。在NDN中，用戶更關(guān)注內(nèi)容本身而非內(nèi)容的位置，同時(shí)NDN的無狀態(tài)連接和身份—位置分離特性潛在地促進(jìn)了用戶的移動(dòng)性。在NDN中，用戶的移動(dòng)性可以分為消費(fèi)者移動(dòng)性和生產(chǎn)者移動(dòng)性。前者因NDN的消費(fèi)者驅(qū)動(dòng)的模型可以快速滿足需求。而由于路由定位器和內(nèi)容標(biāo)志符之間沒有分離［3］，如何提升生產(chǎn)者移動(dòng)性是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

生產(chǎn)者需要在移動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)更新路由來保持路由一致性，從而接收消費(fèi)者請求。但是更新全局路由信息會(huì)消耗巨大的網(wǎng)絡(luò)資源，也會(huì)導(dǎo)致消費(fèi)者請求因無法到達(dá)生產(chǎn)者新位置而超時(shí)丟失，從而造成了長時(shí)間的通信中斷［4］。此外，在分層命名機(jī)制上，許多生產(chǎn)者會(huì)使用特定的前綴，生產(chǎn)者的頻繁移動(dòng)會(huì)破壞轉(zhuǎn)發(fā)信息表（forwarding information base，F(xiàn)IB）使用分層名稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行前綴聚合的優(yōu)勢，導(dǎo)致路由表的低聚合度和路由表表項(xiàng)暴增問題。因此需要設(shè)計(jì)合理的整體解決方案以應(yīng)對上述問題和挑戰(zhàn)。

為了支持命名數(shù)據(jù)網(wǎng)中消費(fèi)者與移動(dòng)生產(chǎn)者的正常通信，移動(dòng)性管理機(jī)制需要解決動(dòng)態(tài)追蹤生產(chǎn)者的位置并保持會(huì)話的連續(xù)性［1］兩個(gè)關(guān)鍵問題。當(dāng)前已經(jīng)提出了許多技術(shù)來解決生產(chǎn)者移動(dòng)性問題［5］，這些技術(shù)可以分為以下五類：a）基于路由的方法［6］，其依賴路由更新來轉(zhuǎn)發(fā)NDN中的消費(fèi)者請求，潛在挑戰(zhàn)是路由表的可擴(kuò)展性和收斂時(shí)間；b）基于映射的方法［7］。其采用位置—身份分割的思想來實(shí)現(xiàn)一個(gè)單獨(dú)的映射，但不適合生產(chǎn)者的頻繁移動(dòng)，同時(shí)也不適合延遲敏感的數(shù)據(jù)流；c）基于間接點(diǎn)的方法［8］，其通過本地代理來轉(zhuǎn)發(fā)興趣包，缺點(diǎn)是容易造成單點(diǎn)故障和三角路由問題，同時(shí)因分組封裝降低了內(nèi)容倉庫（content store，CS）的利用率；d）基于主動(dòng)緩存的方案設(shè)計(jì)算法使生產(chǎn)者將內(nèi)容推送到邊緣路由器，從而可以降低生產(chǎn)者移動(dòng)對網(wǎng)絡(luò)的影響，但對于實(shí)時(shí)性內(nèi)容而言，該方法可能引起較高的延遲；e）基于Trace的方法［9］，其擴(kuò)展了NDN的有狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)平面，在移動(dòng)生產(chǎn)者和固定服務(wù)器（rendezvous server，RV）之間建立了反向跟蹤來維持通信。該方案需要假設(shè)生產(chǎn)者數(shù)據(jù)在一個(gè)穩(wěn)定的RV前綴下發(fā)布，同時(shí)RV的位置對方案性能的影響至關(guān)重要。此外，該方案通過大量的動(dòng)態(tài)信息交換來維護(hù)臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，需要在保持正常通信的同時(shí)盡量減小信令消耗。

上述方案雖然可以在一定程度上支持生產(chǎn)者移動(dòng)性，但是也會(huì)帶來一些額外的問題。如有些機(jī)制的復(fù)雜度較高可能會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性［10～12］或者違反了NDN范例中的位置獨(dú)立原則［13～15］。此外，有些方案不能很好地支持時(shí)延容忍和時(shí)延敏感兩種數(shù)據(jù)流量［16，17］。一些方案對消費(fèi)者請求被丟棄或快速重傳的問題關(guān)注較少［18，19］。最后，生產(chǎn)者移動(dòng)狀態(tài)的不確定性要求生產(chǎn)者與錨點(diǎn)的通信過程盡可能簡化，減小通信復(fù)雜度［20，21］。因此，設(shè)計(jì)移動(dòng)性管理機(jī)制的目標(biāo)就是在各種系統(tǒng)約束下支持生產(chǎn)者移動(dòng)性的同時(shí)使得成本最小化，減小網(wǎng)絡(luò)延遲和信令消耗，提高網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

針對上述問題，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)終端支持的移動(dòng)性管理機(jī)制NTMP。該機(jī)制利用網(wǎng)絡(luò)終端在基于內(nèi)容名稱的NDN轉(zhuǎn)發(fā)平面上建立了有效轉(zhuǎn)發(fā)路徑，并設(shè)計(jì)了CRM-NT機(jī)制支持時(shí)延容忍和時(shí)延敏感的應(yīng)用數(shù)據(jù)流。首先，NTMP設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)切換通知機(jī)制，利用網(wǎng)絡(luò)終端（network terminal，NT）對生產(chǎn)者進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，減小了移動(dòng)生產(chǎn)者的切換延時(shí)和消耗，最小化錨點(diǎn)對方案性能的影響。該通知機(jī)制擴(kuò)展了有狀態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)平面，在NDN路由器中創(chuàng)建/更新臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表（temporary FIB，TeFIB），建立了生產(chǎn)者新舊位置與網(wǎng)絡(luò)終端的有效轉(zhuǎn)發(fā)路徑。最后，NTMP通過緩存與重傳機(jī)制CRM-NT實(shí)現(xiàn)了消費(fèi)者請求的緩存與快速重傳，使得消費(fèi)者請求更快地從丟失中恢復(fù)。仿真結(jié)果表明，在用戶性能（例如丟包率、切換延遲、檢索時(shí)間）和網(wǎng)絡(luò)成本（例如切換開銷、路徑延伸）等指標(biāo)上，NTMP均滿足其預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)，達(dá)到或優(yōu)于現(xiàn)有對比方案，可以充分支持生產(chǎn)者的移動(dòng)性。

1 NTMP移動(dòng)性支持方案

為了提高移動(dòng)環(huán)境下命名數(shù)據(jù)網(wǎng)的通信質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)終端支持的移動(dòng)性管理機(jī)制NTMP。NTMP利用網(wǎng)絡(luò)終端在基于內(nèi)容名稱的NDN轉(zhuǎn)發(fā)平面上創(chuàng)建有效轉(zhuǎn)發(fā)路徑來維持消費(fèi)者與移動(dòng)生產(chǎn)者的通信，并設(shè)計(jì)CRM-NT機(jī)制支持時(shí)延容忍和時(shí)延敏感的應(yīng)用數(shù)據(jù)流。

1.1 NTMP模型和基本原理

圖1為NTMP機(jī)制分析模型，為了實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者與移動(dòng)生產(chǎn)者的正常通信，NTMP機(jī)制的整體思路是：生產(chǎn)者在斷開網(wǎng)絡(luò)前和重新接入網(wǎng)絡(luò)后分別向NT發(fā)送包含其內(nèi)容名稱的移動(dòng)信息，NT則回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。網(wǎng)絡(luò)路由器根據(jù)生產(chǎn)者與NT的信息交互更新自身轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，重新轉(zhuǎn)發(fā)消費(fèi)者請求。生產(chǎn)者移動(dòng)期間，NTMP機(jī)制的轉(zhuǎn)發(fā)流程如下：

a）producer在移動(dòng)前通過R1接入網(wǎng)絡(luò)中，之后向R2方向移動(dòng)。producer與R1斷開前會(huì)發(fā)送移動(dòng)興趣包（mobility in-terest，MI）給NT。MI中包含了一個(gè)特殊標(biāo)記M，該標(biāo)記代表了producer的斷開狀態(tài)。

b）R1收到MI后會(huì)根據(jù)MI的名稱前綴查詢FIB表，并按照FIB條目中匹配的信息將其轉(zhuǎn)發(fā)給NT。

c）NT收到MI后會(huì)開啟緩存功能并回復(fù)移動(dòng)數(shù)據(jù)包（mobility data，MD）。MD包含了標(biāo)記M，同時(shí)數(shù)據(jù)段中包含NT的專有名稱前綴。

d）R1識別MD中的標(biāo)記M后會(huì)建立臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表TeFIB，并將MD轉(zhuǎn)發(fā)到下游節(jié)點(diǎn)。NDN路由器最終將其轉(zhuǎn)發(fā)給producer。

e）在producer斷開期間，consumer的興趣包（interest）沿著原始路徑轉(zhuǎn)發(fā)到R1后會(huì)根據(jù)其TeFIB轉(zhuǎn)發(fā)到NT。NT會(huì)記錄并緩存該interest。

f）producer通過R2重新接入網(wǎng)絡(luò)后會(huì)立即發(fā)送一個(gè)包含特殊標(biāo)記H的移動(dòng)興趣包（handover interest，HI）給NT，標(biāo)記H表示producer的連接狀態(tài)。HI還用于請求在producer斷開期間NT收到的consumer的interest信息。

g）R2收到HI后會(huì)根據(jù)HI的名稱前綴查詢FIB表并轉(zhuǎn)發(fā)給NT。

h）NT識別HI中的標(biāo)記H后會(huì)釋放緩存的interest并回復(fù)移動(dòng)數(shù)據(jù)包（handover data，HD）。HD中包含了標(biāo)記H。

i）R1識別HD中的標(biāo)記H后會(huì)創(chuàng)建/更新TeFIB，并將HD轉(zhuǎn)發(fā)給producer。此外，R1收到consumer的interest后會(huì)查詢TeFIB/FIB并轉(zhuǎn)發(fā)。

j）producer收到HD說明臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)路徑已經(jīng)建立成功。producer收到consumer的interest后會(huì)立即發(fā)送數(shù)據(jù)包（data）。

k）R2收到data后會(huì)查詢PIT表的條目記錄，然后根據(jù)匹配的接口信息將其轉(zhuǎn)發(fā)到下游節(jié)點(diǎn)并最終返回到consumer。

l）在producer與R2連接期間，consumer的interest會(huì)通過新建的轉(zhuǎn)發(fā)路徑轉(zhuǎn)發(fā)到producer的新網(wǎng)絡(luò)位置，producer則原路返回data。

1.2 NTMP轉(zhuǎn)發(fā)算法設(shè)計(jì)

NTMP以最小化生產(chǎn)者的移動(dòng)性影響為目標(biāo)，通過動(dòng)態(tài)更新路由器的轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)來解決生產(chǎn)者移動(dòng)性問題。NTMP設(shè)計(jì)了完整的通知機(jī)制，即移動(dòng)生產(chǎn)者主動(dòng)向NT匯報(bào)自身的移動(dòng)狀態(tài)。NDN路由器利用該機(jī)制創(chuàng)建/更新了關(guān)于生產(chǎn)者內(nèi)容的TeFIB表項(xiàng)。此外，設(shè)計(jì)了緩存與重傳機(jī)制來實(shí)現(xiàn)完整的生產(chǎn)者移動(dòng)性支持機(jī)制。

1.2.1 通知消息格式

生產(chǎn)者的通知機(jī)制使用了特殊的移動(dòng)興趣/數(shù)據(jù)包，分別是移動(dòng)興趣包MI、HI和所對應(yīng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)包MD、HD。如圖2所示，內(nèi)容名稱字段為消費(fèi)者所請求數(shù)據(jù)的名稱，該字段包含了/NT prefix和/routing prefix。/NT prefix是NT向路由平面公告的自身名稱前綴。生產(chǎn)者的移動(dòng)興趣包通過/NT prefix被轉(zhuǎn)發(fā)給NT。/routing prefix是移動(dòng)生產(chǎn)者的內(nèi)容前綴，NDN路由器建立了該內(nèi)容前綴的臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)條目。tab是所添加的額外字段，用來表示生產(chǎn)者不同的移動(dòng)狀態(tài)，該字段的作用將在下一段詳細(xì)介紹。此外，該特殊興趣包中設(shè)計(jì)了signature information名稱組件，這個(gè)組件包含了驗(yàn)證生產(chǎn)者簽名所必要的信息（例如生產(chǎn)者的ID、公鑰的地址等），使得NT可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的出處，確保/routing prefix的可靠性。

生產(chǎn)者的通知消息格式中添加了一個(gè)額外字段tab。根據(jù)生產(chǎn)者的移動(dòng)狀態(tài)，該字段填充了M和H兩種標(biāo)記。該字段不改變內(nèi)容名稱，也不會(huì)對原本路由產(chǎn)生作用，只會(huì)觸發(fā)NT和NDN路由器的特殊操作：

NT在收到攜帶標(biāo)記M的interest后會(huì)記錄生產(chǎn)者的斷開連接狀態(tài)以及該interest的序號，同時(shí)觸發(fā)緩存機(jī)制以緩存請求生產(chǎn)者數(shù)據(jù)的interest；NT在收到攜帶H標(biāo)記的interest后會(huì)記錄生產(chǎn)者的接入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)以及該interest的序號，并觸發(fā)重傳機(jī)制立即釋放所緩存的對應(yīng)名稱的interest。

NDN路由器會(huì)識別特殊標(biāo)記并創(chuàng)建/更新TeFIB表項(xiàng)，根據(jù)不同標(biāo)記，路由器在TeFIB條目中填充不同的接口。在收到攜帶標(biāo)記M的data后，路由器會(huì)提取data的傳入接口信息和data中的/routing prefix創(chuàng)建TeFIB條目；收到攜帶標(biāo)記H的data后，路由器會(huì)提取相應(yīng)interest的傳入接口信息和data中的/routing prefix創(chuàng)建TeFIB條目。具體內(nèi)容將在1.2.2節(jié)中詳細(xì)描述。

1.2.2 創(chuàng)建/更新臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表TeFIB

通過對NT回復(fù)的數(shù)據(jù)包MD/HD進(jìn)行判斷和操作，NDN路由器創(chuàng)建了臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表TeFIB。如圖3所示，路由器在收到數(shù)據(jù)包后，首先將其作為一個(gè)常規(guī)數(shù)據(jù)包處理，將其與PIT條目進(jìn)行匹配。如果找到匹配項(xiàng)，則將其轉(zhuǎn)發(fā)到下游。接下來路由器會(huì)在data中搜索tab字段。如果找到標(biāo)記，則路由器會(huì)提取生產(chǎn)者的內(nèi)容前綴/routing prefix，然后創(chuàng)建/更新TeFIB表項(xiàng)。根據(jù)不同的標(biāo)簽，路由器創(chuàng)建不同的TeFIB條目，即TeFIB條目中添加了不同的接口信息。如果tab字段中是M標(biāo)記，則路由器使用提取的/routing prefix和MD的傳入接口來建立TeFIB條目。如果是H標(biāo)記，則使用HI的傳入接口建立TeFIB條目，HI的傳入接口信息記錄在PIT表項(xiàng)中。

NDN路由器創(chuàng)建/更新的FIB表稱為臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表（TeFIB），該TeFIB與路由平面創(chuàng)建的正常FIB表項(xiàng)共存，但是其優(yōu)先級要比FIB高，同時(shí)TeFIB可以隨時(shí)刷新。TeFIB中設(shè)置了計(jì)時(shí)器，當(dāng)TeFIB轉(zhuǎn)發(fā)條目中的計(jì)時(shí)器到期后該條目就會(huì)被刪除，或者通過更新來刷新該計(jì)時(shí)器。該舉措防止了TeFIB中的轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)急劇增加。

臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表的創(chuàng)建/更新過程依賴的是移動(dòng)生產(chǎn)者和NT之間的經(jīng)過身份驗(yàn)證的興趣/數(shù)據(jù)包交換，即生產(chǎn)者的通知信息MI、HI和身份驗(yàn)證成功后的數(shù)據(jù)包MD、HD。NT會(huì)使用簽名密鑰來驗(yàn)證這類興趣包的簽名來確定生產(chǎn)者的身份，從而保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。算法1描述了NTMP機(jī)制中TeFIB表的創(chuàng)建/更新過程。設(shè)pc表示生產(chǎn)者的內(nèi)容前綴，pd表示數(shù)據(jù)包的名稱前綴。

算法1 Creating temporary forwarding paths

輸入：a data D with the prefix pd from interface M。

輸出：the data D be sent from interface N。

a） if tabD then //檢索數(shù)據(jù)包中的tab字段

b）" extract/content prefix pc from pd //提取生產(chǎn)者的內(nèi)容名稱

c）" if tab==M then //查詢tab字段中的標(biāo)記類型

d）"" extract interface M //提取接口M

e）""" if pc∈TeFIB then //查找TeFIB

f）""""" update TeFIB interface and timer

g）"" else

h）""""" create TeFIB entry

i）"" else if tab==H then

g）"""" extract interface N //提取接口N

k）""" if pc∈TeFIB then

l）""" """update TeFIB interface and timer

m）""" else

n）"""""" create TeFIB entry

1.2.3 緩存與重傳機(jī)制

NTMP設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)終端來動(dòng)態(tài)跟蹤移動(dòng)生產(chǎn)者［22］。NT由處于網(wǎng)絡(luò)邊緣的固定節(jié)點(diǎn)組成，該節(jié)點(diǎn)是隨機(jī)的用戶節(jié)點(diǎn)，通過提供公共接口來支持生產(chǎn)者移動(dòng)性。此外，NTMP設(shè)計(jì)的CRM-NT機(jī)制不會(huì)影響用戶節(jié)點(diǎn)的正常使用，用戶節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)接入或斷開網(wǎng)絡(luò)，不影響主機(jī)的自主性。用戶節(jié)點(diǎn)在斷開網(wǎng)絡(luò)前可將當(dāng)前的服務(wù)轉(zhuǎn)移到其他用戶節(jié)點(diǎn)中。

1）記錄與緩存機(jī)制

CRM-NT設(shè)計(jì)了NT的記錄與緩存功能。通過移動(dòng)生產(chǎn)者的動(dòng)態(tài)通知協(xié)議，NT會(huì)記錄生產(chǎn)者的切換狀態(tài)并回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。NT還提供了數(shù)據(jù)緩存功能，該功能由生產(chǎn)者的通知協(xié)議觸發(fā)是NT可以在生產(chǎn)者接入網(wǎng)絡(luò)之前緩存消費(fèi)者的興趣包，避免其因超時(shí)而被丟棄。具體來說，當(dāng)NT收到攜帶標(biāo)記M的通知包MI后會(huì)觸發(fā)以下操作：首先，記錄生產(chǎn)者的斷開狀態(tài)；然后，提取生產(chǎn)者的內(nèi)容名稱/routing prefix進(jìn)行前綴公告；其次，開啟緩存功能；最后，回復(fù)數(shù)據(jù)包MD。MD中包含了NT的專有名稱前綴，用于區(qū)分不同的NT。當(dāng)NT收到攜帶標(biāo)記H的通知包HI后，會(huì)觸發(fā)以下操作：首先，記錄生產(chǎn)者的接入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；然后，回復(fù)數(shù)據(jù)包HD；最后，NT提取HI中生產(chǎn)者的內(nèi)容名稱，并根據(jù)該名稱查詢是否緩存請求該內(nèi)容的興趣包。如果存在，則會(huì)釋放請求該內(nèi)容的興趣包。

2）標(biāo)記與重傳機(jī)制

CRM-NT機(jī)制設(shè)計(jì)了一種新的特殊標(biāo)記C來實(shí)現(xiàn)興趣包的快速重傳，該標(biāo)記由NT添加到其所緩存的消費(fèi)者興趣包中。該標(biāo)記遵循1.2.1節(jié)中的設(shè)計(jì)原則，標(biāo)記C添加到緩存興趣包的tab字段中，表明該興趣包是由NT緩存釋放。當(dāng)NT收到移動(dòng)生產(chǎn)者的HI，它會(huì)查詢自身是否緩存了HI中內(nèi)容前綴的興趣包。如果存在，則在觸發(fā)釋放機(jī)制時(shí)會(huì)在興趣包中添加標(biāo)記C。NDN路由器在處理帶有標(biāo)記C的興趣包時(shí)，會(huì)在PIT表項(xiàng)中記錄興趣包的傳入接口并直接轉(zhuǎn)發(fā)。具體檢索過程如圖4所示。

標(biāo)記C使得消費(fèi)者的興趣包在路由器中的檢索過程與正常的檢索過程不同。如圖4所示，NDN路由器在收到一個(gè)興趣包后，首先會(huì)根據(jù)其內(nèi)容名稱查詢CS中是否存在匹配的數(shù)據(jù)。如果在CS中未找到則轉(zhuǎn)發(fā)到下游，路由器繼續(xù)查找PIT表。如果在PIT中發(fā)現(xiàn)了匹配項(xiàng)，路由器會(huì)把興趣包的傳入接口信息添加到PIT表項(xiàng)的接口列表中。然后，路由器會(huì)查詢興趣包中是否包含C標(biāo)記。如果存在該標(biāo)記，則按照名稱匹配在TeFIB/FIB中進(jìn)行查找并轉(zhuǎn)發(fā)。

通過標(biāo)記C，路由器可以實(shí)現(xiàn)緩存興趣包的強(qiáng)制轉(zhuǎn)發(fā)，解決了NT緩存的興趣包在路由器中因存在PIT表項(xiàng)而丟棄的問題。算法2詳細(xì)描述了NTMP機(jī)制中消費(fèi)者請求的轉(zhuǎn)發(fā)策略。設(shè)pI表示消費(fèi)者興趣包的名稱前綴，用于請求生產(chǎn)者的數(shù)據(jù)。

算法2 forwarding strategy for consumer interests（I with prefix pI）

輸入：an interest I with the prefix pI from a neighbor c。

輸出：A data D be sent back to c。

a） if pI∈PIT then //查詢PTI中的PI前綴條目

b）" add PIT interface M //添加接口M

c）" if （tab≠）∩（tab==C） then //檢索興趣包的tab字段

d）"" TeFIB/FIB longest prefix match //查找TeFIB/FIB

e）" else

f）"" drop I

g）"" forwarding（I，outface：N） //從接口N轉(zhuǎn)發(fā)興趣包

h）"" forwarding（D，outface：M） //從接口M返回?cái)?shù)據(jù)包

i）" else

g）"" add PIT（entry：pI，interface：M） //添加PIT條目

k）"" TeFIB/FIB longest prefix match

l）"" forwarding（I，outface：N）

m）"" Forwarding（D，outface：M）

1.3 NTMP機(jī)制合理性分析

本節(jié)研究NTMP機(jī)制可以保證轉(zhuǎn)發(fā)策略的有效性和正確性。首先證明了NTMP機(jī)制創(chuàng)建了一條到移動(dòng)生產(chǎn)者的有效轉(zhuǎn)發(fā)路徑，然后證明1.2.3節(jié)中消費(fèi)者請求最終會(huì)到達(dá)移動(dòng)生產(chǎn)者。

假設(shè)NDN網(wǎng)絡(luò)是包含V個(gè)節(jié)點(diǎn)和E個(gè)鏈接的圖G=（V，E）。其中，有一個(gè)節(jié)點(diǎn)nNT作為NT，一個(gè)節(jié)點(diǎn)nMP作為移動(dòng)生產(chǎn)者，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)nC作為消費(fèi)者，其余節(jié)點(diǎn)n∈V作為路由節(jié)點(diǎn)。設(shè)pNT是路由平面中nNT公告的路由前綴，pMP是移動(dòng)生產(chǎn)者nMP的內(nèi)容前綴。設(shè)節(jié)點(diǎn)n中的FIB表項(xiàng)的一組信息E=［p，n→h］，p表示FIB表項(xiàng)中的名稱前綴，與之對應(yīng)的下一跳信息h。對于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)m、n以及一組名稱前綴p，設(shè)f（p，m→n）表示m、n關(guān)于p的一條轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

定義1 一條長度為l（l＞0）的有效轉(zhuǎn)發(fā)路徑f（p，m→n）由一系列的FIB轉(zhuǎn)發(fā)條目［e1，e2，…，el］組成，其中ei=［pi，ni→hi］，（i=1，2，…，l）。

假設(shè)n∈V：f（pNT，n→nNT），且n∈V：f（pMP，n→nMP）=［e1，e2，…，ep］。生產(chǎn)者斷開連接前發(fā)送移動(dòng)信息MI，NT會(huì)回復(fù)數(shù)據(jù)包MD。生產(chǎn)者重新接入網(wǎng)絡(luò)后發(fā)送移動(dòng)信息HI，NT會(huì)回復(fù)數(shù)據(jù)包HD。

推論1 當(dāng)生產(chǎn)者收到數(shù)據(jù)包MD，f（pMP，nMP→nNT）。

證明 已知生產(chǎn)者nMP發(fā)送的MI可以沿一條長度l1的轉(zhuǎn)發(fā)路徑f（pNT，nMP→nNT）到達(dá)nNT。中間路由器n根據(jù)nNT返回的數(shù)據(jù)包MD創(chuàng)建了臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表TeFIB，即ei=［pi，ni→hi］∈f（pNT，nMP→nNT），（i=1，2，…，l1），都有t1（l-i+1）=［pMP，ni→hi］。因此可得f（pMP，nMP → nNT）=［t1，t2，…，tl1］。

推論2 當(dāng)生產(chǎn)者收到數(shù)據(jù)包HD，f（pMP，nNT→nMP）。

證明 已知生產(chǎn)者nMP發(fā)送的HI可以沿一條長度l2的轉(zhuǎn)發(fā)路徑 f（pNT，nMP→nNT）到達(dá)nNT。中間路由器n根據(jù)nNT返回的數(shù)據(jù)包HD創(chuàng)建了臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表TeFIB，即ei=［pi，ni→hi］∈f（pNT，nMP→nNT），（i=1，2，…，l2），都有t2（l-i+1）=［pMP，hi→ni］。因此可得f（pMP，nNT→nMP）=［t1，t2，…，tl2］。

命題1 當(dāng)生產(chǎn)者重新接入網(wǎng)絡(luò)，n∈V：f（pMP，n→nMP）。

證明 根據(jù)假設(shè)：n∈V，f（pMP，n→nMP）=［e1，e2，…，ep］、推論1f（pMP，nMP → nNT）=［t1，t2，…，tl1］和推論2f（pMP，nNT → nMP） =［t1，t2，…，tl2］。

a）由緩存與重傳機(jī)制釋放的消費(fèi)者請求，即首先ep=［pMP，np→nold］，tp=［pMP，np→nnew］（ep和tp分別屬于統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)np中的FIB和TeFIB表項(xiàng)），則f（pMP，nC→nMP）=［e1，e2，…，e（p-1），t1，t2，…，tl1］，然后當(dāng)生產(chǎn)者重新接入網(wǎng)絡(luò)，f（pMP，nNT→nMP）=［t1，t2，…，tl2］。

b）生產(chǎn)者重新接入網(wǎng)絡(luò)后消費(fèi)者發(fā)送請求，即ep=［pMP，np→nold］，tp=［pMP，np→nnew］（ep和tl分別屬于統(tǒng)一節(jié)點(diǎn)np中的FIB和TeFIB表項(xiàng)），則f（pMP，nC→nMP）=［e1，e2，…，e（p-1），t1，t2，…，tm，tn，t2，…，tl2］（m≤l1，n≥1且n=m+1）。

2 仿真與性能分析

為了評估NTMP移動(dòng)性支持機(jī)制，通過ndnSIM模擬器［23］實(shí)現(xiàn)了完整機(jī)制，并對其進(jìn)行了模擬和仿真。本章首先描述了仿真設(shè)置，最后對仿真結(jié)果進(jìn)行了全面分析。

2.1 仿真設(shè)置

如圖5所示，用于仿真的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆?×6的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)組成，并且使用點(diǎn)對點(diǎn)鏈路（P2P）相互連接。相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離為100 m。其中，每個(gè)路由節(jié)點(diǎn)同時(shí)作為接入點(diǎn)和路由器，即路由節(jié)點(diǎn)既可以通過有線鏈路實(shí)現(xiàn)用戶通信，也可以通過無線鏈路接收用戶的數(shù)據(jù)包。在有線鏈路中，設(shè)置其傳輸速率和時(shí)延分別為100 Mbps和10 ms。在無線鏈路中，其在5 GHz頻率上使用了IEEE 802.11n WiFi，無線信道采用Minstrel速率自適應(yīng)［24］和對數(shù)距離傳播模型加瑞利衰落模型。無線節(jié)點(diǎn)（point of access，AP）的傳輸范圍設(shè)置為50 m。生產(chǎn)者通過AP節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)中并在不同的接入點(diǎn)間切換。網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間使用NDN協(xié)議進(jìn)行通信。最后，內(nèi)容消費(fèi)者連接節(jié)點(diǎn)6，生產(chǎn)者的初始位置位于節(jié)點(diǎn)1，RV或映射服務(wù)器與節(jié)點(diǎn)16連接，NT連接到節(jié)點(diǎn)1。具體仿真參數(shù)值如表1所示。

為了評估NTMP機(jī)制的性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬生產(chǎn)者移動(dòng)的動(dòng)態(tài)場景。生產(chǎn)者移動(dòng)規(guī)律遵循隨機(jī)游走移動(dòng)模式［25］，即生產(chǎn)者會(huì)以恒定的速度移動(dòng)固定的距離后隨機(jī)改變方向。當(dāng)進(jìn)入某一路由節(jié)點(diǎn)的通信范圍時(shí)，生產(chǎn)者會(huì)通過該路由節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。在模擬仿真中，生產(chǎn)者在移動(dòng)200 m后隨機(jī)改變方向。此外，設(shè)置生產(chǎn)者的移動(dòng)速度為3～30 m/s，并針對不同系列速度的移動(dòng)生產(chǎn)者執(zhí)行200次仿真測試，分別記錄每次運(yùn)行的數(shù)據(jù)。最后設(shè)置模擬仿真時(shí)間為100 s。在仿真過程中，消費(fèi)者每秒發(fā)送一個(gè)興趣包來檢索移動(dòng)生產(chǎn)者的數(shù)據(jù)。最后，將NTMP機(jī)制與RP［12］和KITE［8］方案進(jìn)行了對比，其中RP是基于間接點(diǎn)的方案，KITE是基于Trace的經(jīng)典方案。

2.2 性能分析

2.2.1 丟包率分析

圖6描述了各方案在用戶發(fā)包率為1 pps（packets per se-cond）時(shí)不同移速下的平均丟包率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，在3～30 m/s的速度范圍內(nèi)，NTMP的平均丟包率逐漸減小，最后穩(wěn)定在3 %左右。KITE的丟包率穩(wěn)定在20%左右，RP方案的丟包率則隨著速度的增加不斷上升。從原理上分析，在NTMP中，生產(chǎn)者斷開連接后NT會(huì)開啟緩存服務(wù)，用來緩存消費(fèi)者的興趣包。此外，當(dāng)生產(chǎn)者的移動(dòng)速度較低時(shí)，其切換時(shí)間較長導(dǎo)致緩存興趣包的生存時(shí)間到期而被丟棄。而其速度較高時(shí)，在興趣包的有效生存時(shí)間內(nèi)，移動(dòng)生產(chǎn)者已經(jīng)切換完畢，被NT緩存的興趣包可以正常轉(zhuǎn)發(fā)給生產(chǎn)者，從而降低了丟包率。因此，隨著移動(dòng)生產(chǎn)者速度增加，NTMP的丟包率逐漸降低。對于KITE和RP，因其沒有設(shè)置緩存功能，且生產(chǎn)者在切換期間不能及時(shí)更新其位置信息，使得消費(fèi)者的興趣包被轉(zhuǎn)發(fā)到生產(chǎn)者的舊網(wǎng)絡(luò)位置。因此，對比KITE和RP的丟包率比NTMP高。綜上，NTMP實(shí)現(xiàn)了更低的丟包率，相比于KITE和RP分別減小了14.24%和25.81%。

2.2.2 傳輸延遲分析

圖7展示了各方案在不同移速下的平均傳輸延時(shí)結(jié)果。在3～30 m/s速度范圍內(nèi)，隨著移動(dòng)速度增加，方案NTMP的平均傳輸延時(shí)逐漸減小，最后穩(wěn)定在352.1 ms左右，方案KITE的平均傳輸延時(shí)在650 ms，RP的傳輸延時(shí)隨著生產(chǎn)者移速的增加而增加。NTMP的平均傳輸延時(shí)相比于KITE和RP分別減小了46.19%和56.11%。從原理上分析，NTMP設(shè)計(jì)了CRM-NT機(jī)制：首先，通過緩存功能直接減少了消費(fèi)者請求的重傳次數(shù)；其次，重新設(shè)計(jì)了被緩存的興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，通過強(qiáng)制轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制進(jìn)一步降低了興趣包的傳輸延時(shí)。在KITE中，消費(fèi)者請求會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到生產(chǎn)者的舊位置而丟棄，消費(fèi)者需要重傳興趣包來請求生產(chǎn)者數(shù)據(jù)。在RP中，生產(chǎn)者在高速狀態(tài)下會(huì)進(jìn)行頻繁的切換，因此需要在每次切換向映射服務(wù)器更新自身位置信息。此外，消費(fèi)者在其興趣包過期后需要重新向映射服務(wù)器請求生產(chǎn)者的位置信息。該機(jī)制使得消費(fèi)者獲得的生產(chǎn)者移動(dòng)信息與生產(chǎn)者的移動(dòng)狀態(tài)不同步。生產(chǎn)者的移動(dòng)速度越快，消費(fèi)者獲得的信息滯后性越大。因此，RP不適合生產(chǎn)者切換頻率高的移動(dòng)環(huán)境。綜上，NTMP機(jī)制可以在生產(chǎn)者高速移動(dòng)時(shí)維護(hù)其與消費(fèi)者的正常通信。

為進(jìn)一步探討NTMP機(jī)制對于生產(chǎn)者移動(dòng)切換的支持效果，圖8和9分別展示了速度為15 m/s和30 m/s時(shí)，各個(gè)方案的消費(fèi)者請求響應(yīng)率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖8和9可以看出，在100 s的仿真時(shí)間內(nèi)，NTMP機(jī)制中消費(fèi)者收到的data的數(shù)量均高于對比方案KITE和RP。此外，從圖8和9的局部放大圖中可以看出，在移動(dòng)生產(chǎn)者的單次切換過程中，NTMP機(jī)制恢復(fù)移動(dòng)生產(chǎn)者與消費(fèi)者的正常通信所需時(shí)間即消費(fèi)者發(fā)送一個(gè)興趣包到收到對應(yīng)的數(shù)據(jù)包所消耗的時(shí)間最短，其次是KITE，時(shí)間最長的則是RP。綜上，相比于方案KITE和RP，NTMP機(jī)制更能支持生產(chǎn)者的移動(dòng)性。

2.2.3 切換消耗分析

圖10展示了各方案在不同移速下平均切換消耗的結(jié)果。從圖中可以看出，在3～30 m/s的速度范圍內(nèi)，NTMP的切換消耗隨著移動(dòng)速度的增加而逐漸增長，KITE的切換消耗基本穩(wěn)定在100左右，RP的切換消耗也隨著速度的增加而增加，但是增長的幅度要大于NTMP。NTMP的切換消耗相比于KITE和RP分別減少了65.7%和49.18%。從原理上分析，在NTMP中，生產(chǎn)者在每次切換前后會(huì)發(fā)送兩次移動(dòng)信息來創(chuàng)建/更新路由器的TeFIB。該動(dòng)態(tài)機(jī)制保證了轉(zhuǎn)發(fā)路徑的有效性，并且不需要在連接期間發(fā)送移動(dòng)信息維護(hù)TeFIB，減少了額外的流量消耗。此外，更新TeFIB的移動(dòng)信息中設(shè)置了一組序列號來防止陳舊的更新，可以保證TeFIB表項(xiàng)的新鮮度。在KITE中，生產(chǎn)者的內(nèi)容由一個(gè)RV進(jìn)行前綴公告，生產(chǎn)者與RV之間的“跟蹤”需要定期維護(hù)，生產(chǎn)者需要定期發(fā)送移動(dòng)信息保持轉(zhuǎn)發(fā)路徑的有效性。在RP中，除了生產(chǎn)者需要在每次切換時(shí)發(fā)送位置信息，消費(fèi)者也需要在請求生產(chǎn)者內(nèi)容前發(fā)送興趣包到映射服務(wù)器，該興趣包用來獲取生產(chǎn)者的位置信息。因此，RP的流量消耗始終要高于NTMP。同時(shí)隨著生產(chǎn)者切換頻率增加，消費(fèi)者的請求頻率也變高。綜上，相比于方案KITE和RP，NTMP機(jī)制具有更好的切換性能。

2.2.4 路徑延伸分析

如圖11展示了在6×6基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎拢M(fèi)者的興趣包在轉(zhuǎn)發(fā)過程所需要的平均跳數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，雖然不同速度下的平均跳數(shù)略有差異，但整體上NTMP的平均跳數(shù)比KITE方案低近15.6%。其中，方案RP的平均跳數(shù)最低，原因在于RP中的消費(fèi)者可直接獲得生產(chǎn)者最新位置信息，并將請求沿著最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)。NTMP的平均跳數(shù)為7.68～8.51，KITE的平均跳數(shù)為9.29～10.62。從原理上分析，NTMP引入和設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，利用終端節(jié)點(diǎn)的特性設(shè)計(jì)了移動(dòng)生產(chǎn)者的切換通知機(jī)制。當(dāng)生產(chǎn)者在網(wǎng)絡(luò)終端附近移動(dòng)時(shí)，其路徑延伸的效果要低于利用RV作為錨點(diǎn)的機(jī)制，說明錨點(diǎn)的選擇對路徑延伸的影響至關(guān)重要。此外，NTMP和KITE的特性在于在一定情形下可以使用路徑捷徑以避免路徑延伸的最壞情況。最后，NTMP方案還利用了NT處于網(wǎng)絡(luò)邊緣的優(yōu)勢，在小規(guī)模拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中最小化路徑延伸對通信造成的影響。而在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)生產(chǎn)者也可以選擇處于不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮恢玫淖罴袾T來減小路徑延伸比。

從上述的仿真結(jié)果可以看出，隨著速度的增加，方案NTMP的性能依然保持穩(wěn)定，適合頻繁的生產(chǎn)者移動(dòng)切換操作。相比KITE和RP，NTMP機(jī)制顯著降低了生產(chǎn)者移動(dòng)引起的丟包、傳輸延時(shí)、切換消耗等性能指標(biāo)，并優(yōu)化了路徑延伸效果。

3 結(jié)束語

NDN是未來互聯(lián)網(wǎng)中很有前景的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，研究NDN中的生產(chǎn)者移動(dòng)性對于完善NDN架構(gòu)具有極其重要的意義。首先，分析了NDN中生產(chǎn)者移動(dòng)性存在的問題和挑戰(zhàn)以及現(xiàn)存方案的局限性。隨后，提出了基于網(wǎng)絡(luò)終端支持的移動(dòng)性管理機(jī)制NTMP，描述了NTMP機(jī)制的原理、架構(gòu)和轉(zhuǎn)發(fā)算法。NTMP機(jī)制引入網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)，并設(shè)計(jì)切換通知機(jī)制來實(shí)時(shí)追蹤生產(chǎn)者，提高了移動(dòng)生產(chǎn)者的切換通知效率，有效降低網(wǎng)絡(luò)中臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)表TeFIB的更新次數(shù)，降低了移動(dòng)切換造成的網(wǎng)絡(luò)消耗。通過創(chuàng)建臨時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，減少了全局路由更新次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)內(nèi)容的可用性。此外，CRM-NT機(jī)制改進(jìn)了緩存興趣包在路由器中的檢索過程，降低了消費(fèi)者興趣包的平均傳輸延時(shí)。最后，仿真結(jié)果表明，NTMP能夠充分支持無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的生產(chǎn)者移動(dòng)性，降低了移動(dòng)生產(chǎn)者引起的丟包率、檢索延遲，同時(shí)用于支持生產(chǎn)者移動(dòng)性所需的額外消耗更少，并且有效降低了路徑延伸指標(biāo)。在性能指標(biāo)方面均達(dá)到或優(yōu)于對比方案。

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