NDN 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動問題研究＊

周 蓉，周京偉

（1.泰山學(xué)院附屬中學(xué)，山東 泰安 271000；2.泰山學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，山東 泰安 271000）

隨著移動互聯(lián)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的移動智能設(shè)備接入到互聯(lián)網(wǎng)中，尤其是5G 網(wǎng)絡(luò)和自媒體、短視頻的發(fā)展，使得互聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)規(guī)模呈爆炸式增長，音視頻在互聯(lián)網(wǎng)中的比例越來越高。同時，由于接入設(shè)備更多是手機、平板等移動設(shè)備，設(shè)備的移動性越來越高，基于傳輸兩端位置的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在移動管理方面存在的缺陷愈加明顯。為了解決移動問題，Mobile IP 等各種附加協(xié)議不斷涌現(xiàn)，然而體系結(jié)構(gòu)設(shè)計上的缺陷使得協(xié)議越來越臃腫，通信效率越來越低。

在傳統(tǒng)的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)體系中，網(wǎng)絡(luò)中兩個主機的通信首先需要知道對方的位置即IP，在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)絡(luò)中最重要的是通信的對象是誰。在當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)中，我們更大的需求是從網(wǎng)絡(luò)中獲取想要的信息，重點是信息本身，而不是信息的所有者是誰。因此，人們對網(wǎng)絡(luò)的需求已經(jīng)與互聯(lián)網(wǎng)建立之初有了天翻地覆的差別，要適應(yīng)這種需求，只能建立一種新的網(wǎng)絡(luò)模型[1]。命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)正是在這種背景下產(chǎn)生的，它將內(nèi)容本身看作網(wǎng)絡(luò)中的主導(dǎo)實體，最為符合當(dāng)前及未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，成為國內(nèi)外研究的熱點。

1 NDN 網(wǎng)絡(luò)概述

傳統(tǒng)的TCP/IP 采用分層模型，層與層之間相對獨立，下層為上層提供服務(wù)，各層的協(xié)議和標準數(shù)量差別很大，最底層的物理層和最高層的應(yīng)用層協(xié)議多，而中間的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議少，形成沙漏結(jié)構(gòu)。其中最重要的是沙漏“細腰”部分的網(wǎng)絡(luò)層，不同通信媒介實現(xiàn)的針對不同業(yè)務(wù)的通信最終都要靠網(wǎng)絡(luò)層來實現(xiàn)。

NDN 架構(gòu)保留了傳統(tǒng)的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)的沙漏模型及分層思想，但是對最重要的“細腰”部分進行了顛覆性的改進，不再使用基于位置IP 協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)，而是采用基于內(nèi)容的方式，把數(shù)據(jù)內(nèi)容作為通信的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)都有一個唯一的名稱，根據(jù)數(shù)據(jù)的名稱完成路由轉(zhuǎn)發(fā)，從而建立一個新型架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。在這樣的通信模式下，通信雙方不再關(guān)心內(nèi)容數(shù)據(jù)的存儲位置，只關(guān)心內(nèi)容本身。沙漏模型如圖1所示。

圖1 沙漏模型

NDN 中網(wǎng)絡(luò)中的參與者可以分為生產(chǎn)者、消費者兩類角色，傳輸過程中用到的數(shù)據(jù)包只有興趣包和數(shù)據(jù)包2 種。

數(shù)據(jù)的內(nèi)容以名字作為標識，數(shù)據(jù)包緩存在網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點即路由器上，當(dāng)消費者需要獲取某內(nèi)容的數(shù)據(jù)時，首先生成帶有數(shù)據(jù)名字的興趣包，發(fā)給離自己最近的節(jié)點，節(jié)點根據(jù)路由表在網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)，直到在某個節(jié)點路由器發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)的緩存，此時，節(jié)點將數(shù)據(jù)包沿著興趣包的反向路徑返回給最初的內(nèi)容請求者，即消費者[2]。數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 興趣包和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)不同，NDN 網(wǎng)絡(luò)的中間節(jié)點即路由器有3 個功能：一是緩存，通過內(nèi)容緩存（Content Store，CS）模塊實現(xiàn)；二是興趣包來源記錄，使用待定興趣包表（Pending Interest Table，PIT）模塊實現(xiàn)；三是路由轉(zhuǎn)發(fā)，通過轉(zhuǎn)發(fā)信息表（Forwarding Information Base，F(xiàn)IB）來實現(xiàn)[3]。

基本工作過程如下：路由器收到興趣包后，首先檢查自己的緩存是否有符合要求的數(shù)據(jù)包，如果有就直接返回，如果沒有響應(yīng)數(shù)據(jù)包則查看待定興趣表PIT。如果PIT 中已有該請求，則在PIT 上增加轉(zhuǎn)來興趣包的接口；如果PIT 中沒有該請求，則根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)信息表的轉(zhuǎn)發(fā)策略增加一條轉(zhuǎn)發(fā)條目。當(dāng)路由器收到數(shù)據(jù)包后，首先檢查PIT 中的轉(zhuǎn)發(fā)條目，找到響應(yīng)的請求后，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)條目中記錄的端口號回應(yīng)請求興趣包，刪掉PIT 中對應(yīng)的請求條目，同時根據(jù)緩存策略決定是否刪除緩存的數(shù)據(jù)包或者保留數(shù)據(jù)包[4]。

在信息中心網(wǎng)絡(luò)的研究課題中，主要聚焦以下幾個方面：①路由問題。解決如何實現(xiàn)在查詢相關(guān)內(nèi)容的文件時路由器有高效的路由的問題。②緩存問題。解決如何在節(jié)點路由器中緩存數(shù)據(jù)和替換緩存數(shù)據(jù)的問題，使消費者更快地找到數(shù)據(jù)。③移動性問題。解決在信息中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中生產(chǎn)者或者消費者發(fā)生位置移動時路由和緩存如何能高效發(fā)生動態(tài)變化達到變化的問題，按照變化之前的算法重新計算變化之后的路由和緩存。當(dāng)然，對于信息中心網(wǎng)絡(luò)的研究還有命名機制、安全性、綠色節(jié)能策略等，本文主要介紹NDN網(wǎng)絡(luò)的移動性問題。

2 NDN 網(wǎng)絡(luò)的移動性問題

2.1 問題描述

在NDN 網(wǎng)絡(luò)中，一次通信的發(fā)起是由消費者提出請求開始的，當(dāng)消費者提出請求后又發(fā)生了位置移動，那么數(shù)據(jù)包返回的時候會出現(xiàn)超時，此時只要消費者再次提出請求，那么數(shù)據(jù)就可以成功轉(zhuǎn)發(fā)到消費者。一般情況下根據(jù)節(jié)點緩存機制，附近的路由器往往會保存數(shù)據(jù)包的緩存，這樣，消費者再次發(fā)起請求的時候，請求很可能在附近的路由器處獲得回應(yīng)，而不必要到原始數(shù)據(jù)包所在路由器[5]。因此，NDN 網(wǎng)絡(luò)天生對消費者移動具有良好的適應(yīng)性。

而如果發(fā)生移動的是生產(chǎn)者，則情況大有不同，對于消費者來說，并不能提前獲得生產(chǎn)者已經(jīng)發(fā)生了位置移動的信息，所以在發(fā)出內(nèi)容請求時，請求仍會按照原路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)，直到消費者收到請求超時的消息。生產(chǎn)者位置發(fā)生變化后，會接入到新的節(jié)點，此時整個網(wǎng)絡(luò)的路由將會發(fā)生改變。在改變過程中，消費者無法從生產(chǎn)者處獲取內(nèi)容，如何解決快速路由問題成為生產(chǎn)者移動問題的關(guān)鍵。

2.2 內(nèi)容生產(chǎn)者移動問題研究現(xiàn)狀

針對內(nèi)容生產(chǎn)者移動的問題，目前的研究主要有基于隧道的方法、類DNS 方法和自適應(yīng)的方法。

基于隧道的方法：該方法的原理是當(dāng)生產(chǎn)者發(fā)生移動時，在原節(jié)點路由器和新節(jié)點路由器之間建立一條隧道，轉(zhuǎn)發(fā)到源路由器的請求經(jīng)過包裝后轉(zhuǎn)發(fā)到新路由器，從而完成路由[6]。

基于隧道的方法如圖3 所示，生產(chǎn)者移動前，消費者發(fā)出的請求興趣包通過R5 轉(zhuǎn)發(fā)到R4，最后到R1獲取到需要的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)返回的方向與興趣包轉(zhuǎn)發(fā)的方向正好相反。生產(chǎn)者從R1 移動到R2 后，R1 和R2之間通過某種算法建立隧道，興趣包轉(zhuǎn)發(fā)到R1 后會根據(jù)隧道協(xié)議自動轉(zhuǎn)發(fā)到R2，在R2 處得到數(shù)據(jù)包后，數(shù)據(jù)包從R2 返回到R1，然后轉(zhuǎn)發(fā)到R4，最后到R5。這種方式中，隧道的建立需要生產(chǎn)者移動結(jié)束后完成，整個路由信息的重新建立也需要在隧道建立后完成。

圖3 基于隧道的方法

類DNS 方法：類DNS 轉(zhuǎn)發(fā)方法類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中增加一個類似于DNS 服務(wù)器的服務(wù)單元，該服務(wù)單元需要記錄數(shù)據(jù)包內(nèi)容和節(jié)點位置的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)節(jié)點位置發(fā)生變化時，會根據(jù)節(jié)點中記錄的DNS服務(wù)器的地址向DNS 匯報，DNS 作為位置內(nèi)容關(guān)系對應(yīng)的權(quán)威向請求內(nèi)容的節(jié)點提供數(shù)據(jù)所在節(jié)點的位置信息。采用這種方法，一旦DNS 服務(wù)器發(fā)生故障，則整個網(wǎng)絡(luò)將陷入癱瘓[7]。

自適應(yīng)的方法：這種方法利用仿生學(xué)、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等自適應(yīng)算法，讓網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點服務(wù)器自動判斷網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化，從而確定數(shù)據(jù)的位置。這種算法往往需要消耗較大的算力和較長的時間，對整體網(wǎng)絡(luò)的效率會有較大的影響。

3 改進的隧道方法

3.1 改進思路

上文隧道算法中，生產(chǎn)者移動后，新的路由需要在生產(chǎn)者到達新的節(jié)點一段時間后才能完成，生產(chǎn)者移動的過程可能跨越2 個節(jié)點，也可能連續(xù)跨越多個節(jié)點。如需要連續(xù)跨越多個節(jié)點，那么可能會存在消費者到達新位置后，路由剛剛建立或尚未建立，生產(chǎn)者又發(fā)生了新的移動，造成消費者始終無法獲得正確的路由，只有在跨越多個節(jié)點停止移動路由穩(wěn)定后才能正常進行數(shù)據(jù)傳輸。

為解決生產(chǎn)者快速連續(xù)移動問題，假設(shè)消費者請求到達節(jié)點前生產(chǎn)者剛剛發(fā)生移動，則生產(chǎn)者所在原節(jié)點可立即向相鄰的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)請求，由于生產(chǎn)者剛剛產(chǎn)生移動，則原節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的請求大概率會被其鄰居節(jié)點響應(yīng)，如不能響應(yīng)可以繼續(xù)向鄰居節(jié)點的下一級節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)請求，直到發(fā)現(xiàn)移動中的生產(chǎn)者或者生產(chǎn)者移動完成后形成穩(wěn)定的路由。

3.2 改進算法過程概述

改進的基于隧道的方法如圖4 所示。

圖4 改進的基于隧道的方法

改進前，生產(chǎn)者原位置注冊在R1，現(xiàn)在由R1 移動到了R2，按照上文中提到的算法，生產(chǎn)者移動到R2 后，R2 會通過廣播方式尋找生產(chǎn)者之前的位置節(jié)點路由器R1，找到R1 后在R1 和R2 之間建立隧道，然后數(shù)據(jù)包從R1 轉(zhuǎn)發(fā)到R2。

改進后的算法為：數(shù)據(jù)包離開R1 位置后，興趣包到達R1 發(fā)生超時，此時知道R1 已經(jīng)發(fā)生了位置移動，此時R1 將請求信息轉(zhuǎn)發(fā)到它的鄰居節(jié)點R2 和R6，若恰好此時節(jié)點剛剛抵達R2，則R2 對興趣包進行回應(yīng)，可節(jié)省R2 和R1 之間建立隧道的時間。最優(yōu)的情況發(fā)生在生產(chǎn)者到達R2 后，繼續(xù)移動到R1 的另一個鄰居節(jié)點R6。此時，如按照原文中的算法，R2 在與R1 建立隧道的過程中，節(jié)點已經(jīng)到達了R6，興趣包到達R1 后被轉(zhuǎn)往R2，發(fā)現(xiàn)R2 處仍超時，則等待R6 的回應(yīng)，后繼續(xù)建立隧道。而按照改進的方法，R1 把興趣包直接轉(zhuǎn)發(fā)到了鄰居節(jié)點R6，對于消費者來說，并不需要知道R2 的存在。

3.3 改進算法效率測算

假設(shè)R1 向其鄰居節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包需要的時間為t，此算法最低效率的情況為生產(chǎn)者已在新位置處R2注冊，R1 和R2 正在建立隧道期間，則此時節(jié)約的時間為R2 和R1 建立隧道需要的最后一個數(shù)據(jù)包的時間t。此算法效率最高的情況為生產(chǎn)者連續(xù)移動多個位置，最后到達R1 的鄰居節(jié)點R6，此時興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)時間為t，而最后一段隧道尚未建立，則節(jié)省最后一段隧道的建立時間，根據(jù)參考文獻[7]的計算方法，隧道建立時間最少約為4t。另外，通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)時需要將興趣包轉(zhuǎn)發(fā)到每一個隧道中的節(jié)點，而改進的方法則只需要將興趣包直接轉(zhuǎn)發(fā)到鄰居路由器，所以最優(yōu)的情況可能節(jié)約的時間更高。以此推算，該算法提高的時間80%的概率下應(yīng)該在1t～4t之間，小概率下也可能會小于1t或大于4t，需要進一步通過模擬器計算。

4 結(jié)束語

本文簡述了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)，NDN 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展背景、基本原理，并對NDN 網(wǎng)絡(luò)的移動性問題尤其是生產(chǎn)者移動問題進行了較為深入的分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有算法存在一些需要解決的問題。基于隧道的方法需要在整個移動過程結(jié)束之后才能重建路由，實現(xiàn)正常傳輸，類DNS方法則容易受到單點故障的影響?；诜律鷮W(xué)、BP 神經(jīng)算法等自適應(yīng)的方法則存在算法復(fù)雜、效率低的問題。在此基礎(chǔ)上，本文對基于隧道的方法進行了一些改進，在此基礎(chǔ)上預(yù)期可以提高整體傳輸效率。