王宏宇，朱昊宁

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)



无线网络环境下命名数据网络移动性解决方案

王宏宇1，朱昊宁2

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；2.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071)

通过数据消费者驱动的命名数据网络(NDN)可以实现数据的高效可靠传递，然而NDN中兴趣包的广播机制使得其不适用于带宽受限的无线网络环境；此外，针对数据提供者发生移动所带来的问题，NDN也没有很好的解决方案。通过分析无线网络环境下NDN通信流程中存在的问题，提出了一种无线网络分层隔离方案，通过给内容分配路由标识，实现了数据提供者移动时兴趣包的正确路由，避免了兴趣包广播及重传对无线网络带宽资源的浪费。

无线网络；命名数据网络；移动性；分层路由

0　引言

NDN是互联网架构的一次革命，数据的传输不再关注存储数据的主机IP地址，而是关注数据本身[1]。NDN将数据进行命名，并以数据的名字取代传统互联网的主机IP地址进行路由转发，实现网络向以数据为中心转变[2]。

物联网的不断应用提升了数据在网络中的地位[3]，移动互联网和5G技术的发展使得网络逐渐向移动性驱动方向转变[4]。目前，在NDN的研究领域中，针对NDN的移动性问题是一个研究热点[5]，NDN网络中的移动性问题主要归结为数据消费者的移动和数据提供者的移动2个方面[6]。传统NDN的解决方案是当数据消费者或数据提供者发生移动后通过重新广播兴趣包来获取数据[7]，这会对无线网络的带宽带来很大的负担。文献[8-10]提出的移动性解决方案中，核心思想都是通过代理服务器来实现节点移动后信息的传输，由于代理服务器参与双方的通信过程，容易形成三角路由问题，文献[11]中提出了一种类似DNS的转发预测移动性解决方案，通过将内容名字中添加一个字段用于预测内容提供者的去向，该方案虽然能够解决内容提供者的移动性问题，但是内容在移动过程中需要改变名字中的相应字段，对于和名字绑定比较密切的应用来说十分不方便。

上述方案都没有从根本上解决NDN的移动性问题，并且都没有考虑无线网络环境。本文根据无线网络特点，采用分层隔离方案，在汇聚节点部署映射服务器，并将接入路由器编号作为内容的路由标识。当数据提供者发生移动后，通过查询更新后的映射服务器，获取提供者的新路由标识，实现兴趣包的正确路由。

1　NDN

NDN是美国国家科学基金会提出的未来互联网体系架构计划的一部分，通过命名数据而不是主机IP地址，NDN将数据变为网络的核心实体[12]。与传统的互联网通信不同，NDN通信是由数据消费者驱动的。NDN的数据传输过程可以大致分为2个阶段，第1阶段是兴趣包的寻路，数据消费者通过广播携带内容名字的兴趣包，形成一条直达数据提供者的链路；第2阶段是数据包的回传，目标内容根据兴趣包的到达轨迹沿反方向到达数据消费者。在数据包回传的过程中，可以在途经的路由节点进行数据的缓存，以备后续数据消费者的访问。

1.1数据包类型

NDN有2种报文类型：兴趣包和数据包，如图1所示。兴趣包和数据包中包含内容的名字，当数据消费者对内容有需求时，会广播携带内容名字的兴趣包，若某个节点接收到该兴趣包并且含有该内容，则通过数据包响应该请求。由此可以看出，和基于主机IP地址形式不同，兴趣包和数据包的交互是通过内容名字关联的，多个请求者可以共享该内容而不需要重新向数据提供者发送请求。

图1　NDN兴趣包和数据包格式

1.2NDN节点模型和数据处理流程

NDN的节点模型如图2所示，包括内容存储表CS(Content Store)、未决兴趣表PIT(Pending Interest Table)、转发表FIB以及索引表，其中CS代表本节点缓存的内容以及内容名字，PIT代表所有待返回数据的兴趣包以及该兴趣包到达的接口，FIB用于兴趣包的路由转发，可以根据具体的策略选择向不同的接口转发，索引表则表示兴趣包查询的顺序。

NDN对兴趣包和数据包的处理过程如图3所示。当兴趣包到达NDN节点时，按照索引表的顺序对内容名字进行最长匹配查询。首先查询CS，如果CS中含有匹配内容，表明节点处含有该内容，则直接向兴趣包的到达接口回传数据包，如果不存在匹配表项说明该节点没有请求的内容，继续查询PIT；如果PIT中含有匹配内容，则将兴趣包的到达接口添加到该表项中，如果PIT没有匹配内容，则在PIT中添加一个表项用于表示兴趣包和到达接口的对应关系，之后继续查询FIB进行后续转发；FIB中存储的是内容名字和转发接口之间的对应关系，如果在FIB中查到匹配项则向接口列表中所有接口转发，否则丢弃兴趣包。

图2　NDN节点模型

相对于兴趣包的处理流程，数据包的处理相对简单，只需要根据兴趣包所经过的链路回传即可。但是在回传过程中也需要进行最长匹配查询，首先查询CS，若在CS中找到匹配项，则表明数据包是一个副本，直接将其删除，若在CS中没有找到匹配项，则继续查询PIT；如果没有找到匹配项，说明该数据包是一个恶意数据包，直接将其删除，如果找到匹配项，则按照该匹配项的接口进行数据回传，将PIT中的对应表项删除，并对数据包进行本地缓存后在CS中添加相应表项。

2　无线网络NDN应用问题分析

NDN改变了传统互联网主机IP地址的通信模式，通过命名内容实现了灵活的数据传递，被称为最有前景的互联网架构之一。但是对于带宽资源受限并且终端频繁发生移动的无线网络环境还需要进一步进行方案优化。通过分析上节中NDN的信息处理流程，可以发现NDN直接应用于无线网络会出现一系列问题。

首先，NDN节点中的FIB存储的是内容名字的路由表，随着内容的逐渐增加，该路由表的表项会逐渐增多，随着网络拓扑的变化以及终端的移动，路由表的大量更新也会对整个网络带宽带来巨大压力。

对于目前尚未开通的航线，建议深圳港以适当密度开通与钦州、北海、清远、贵港、南宁地区的水上“巴士”航线；与东莞水上“巴士”航线的经济性较差，短期内开通水上“巴士”的必要不大.

其次，从NDN的通信流程可以看出，NDN的兴趣包是通过广播方式向节点的多个接口进行转发，该方式能够保障兴趣包到数据提供者的可达性，但是对于无线网络，兴趣包的广播机制会造成网络拥塞，降低网络带宽的使用效率。

此外，NDN中内容的路由转发是通过内容名字进行，名字中并不包含内容的位置信息，当数据消费者或提供者发生移动时，因为不存在路由信息，兴趣包很难转发到内容的新位置，只能通过重新广播兴趣包来解决，进一步对网络带宽带来负荷。

所以，针对无线网络，急需寻找一种兴趣包的路由机制，解决路由表更新以及兴趣包广播对网络造成的压力，解决数据消费者和提供者移动带来的问题。

3　分层隔离路由方案

3.1分层隔离路由方案设计

在无线网络中，由于终端的移动导致网络拓扑变化相对频繁，使得NDN节点中的FIB路由频繁更新，不适合带宽受限的无线网络[13]。为了保障路由的稳定性，采用骨干与接入分层隔离的路由策略，将整个网络分为拓扑相对稳定的骨干路由域和拓扑变化较频繁的接入路由域，骨干路由域和接入路由域通过汇聚路由器进行路由的交互。

此外，在数据提供者发生移动后，传统NDN网络兴趣包之所以不能正确路由，是因为内容名字中不包含位置标识，为解决该问题，需要为内容分配一个路由标识，这里考虑将内容的接入路由器编号作为其路由标识，兴趣包通过其对应的路由标识进行寻址。

路由分层结构如图4所示，骨干网由骨干路由器(BR)和汇聚路由器(CR)构成，接入网由接入路由器(AR)和汇聚路由器(CR)构成，AR只维护接入网路由表，BR只维护骨干网路由表，CR需要分别维护接入和骨干2张路由表。路由表中只包含路由标识信息，即只包含目的路由器地址和下一跳地址，并不包含具体的内容名字，大大降低了路由表中存储的表项，提高了路由转发效率。

图4　分层路由结构

此外，在CR处部署映射服务器，用于存储内容名字与当前路由标识和对应的汇聚路由器之间的映射关系，当数据提供者发生移动时，向映射服务器发起更新消息，更新消息中包含数据提供者当前所连接的接入路由器编号，所有映射服务器之间同步更新。

3.2路由过程

根据上节设计的路由方案，下面结合具体实例给出兴趣包和数据包的路由过程，假设终端A想要获取终端B内容名为Why/Voice/Part1的数据。携带内容名字的兴趣包寻址过程如下：

① 终端A向汇聚路由器CR2处的映射服务器发送名址映射请求包，查询内容名Why/Voice/Part1所对应的接入路由器编号；

② 映射服务器将查询结果AR2通过应答包返回终端A；

③ 终端A将兴趣包外添加AR2报头后发往汇聚路由器CR2；

④ 通过查询映射服务器，CR2获得AR2对应的汇聚路由器编号CR1，并对接收到的兴趣包外添加CR1包头后进行骨干网路由；

⑤ 兴趣包到达汇聚路由器CR1后，汇聚路由器CR1去掉兴趣包外的CR1包头后发往AR2；

⑥ AR2接收到兴趣包，查询本地内容表含有该内容，数据包沿着兴趣包到达的轨迹返回到终端A。

兴趣包和数据包路由寻址过程如图5所示。

图5　兴趣包和数据包路由寻址过程

在该方案中，路由节点对兴趣包的处理流程和传统的NDN节点略有不同，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,查询顺序不变。因此，数据包可以按照PIT表中兴趣包的轨迹返回数据消费者，并且可以在途径的路由节点进行数据的缓存，以备后续具有相同内容需求的数据消费者就近访问。

通过给内容分配路由标识可以使兴趣包的寻址不再依靠广播的方式，解决了传统NDN网络兴趣包广播对无线网络造成的负荷，这对于无线网络而言十分重要；此外，通过骨干网与接入网分层隔离并设置名址映射服务器，使得接入网的路由变化不影响骨干网路由，并大大减少了路由器的表项，对无线网络路由的稳定性至关重要。

4　移动性支持

NDN的移动性可以分为数据消费者移动和数据提供者移动，数据消费者移动可以通过重新发起兴趣包来解决，目前许多NDN移动性解决方案都采用这种方式，该比较合理。因为一般情况下，数据消费者短期内不会发生大范围的移动，而NDN的数据缓存机制使得之前发起的兴趣包会暂存在经过的NDN节点，所以数据消费者移动后重新发送兴趣包可以就近获得数据，不会产生太大时延。相比之下，数据提供者的移动是NDN的难点，兴趣包在广播的过程中如数据提供者发生移动，会导致兴趣包不能及时到达数据提供者的新位置，而且数据消费者需要等到兴趣包超时才能继续广播兴趣包，从而产生较大时延并造成网络带宽的浪费。

下面针对数据提供者的移动给出本方案的解决办法。假设终端A向终端B请求内容名为Why/Voice/Part1的数据，在此过程中终端B发生移动，此时终端B向汇聚路由器CR1发起“切换通知”，“切换通知”中包含发生移动的内容名字，CR1记录发生移动的内容名字，此时，CR1会缓存所有请求该内容的兴趣包，当终端B移动到接入路由器AR1，向CR1发起“切换完成通知”，该通知中包含切换的内容以及新的接入标识，CR1向映射服务器发起“更新消息”，对发生移动的内容以及其对应的路由标识进行更新，并在全网的汇聚路由器进行更新。

当兴趣包通过上节的路由过程到达汇聚节点CR1后，汇聚路由器提取内容名字，如发现该内容已经发生移动，则临时缓存该兴趣包，并查询映射服务器获取新接入标识，用新接入标识替换旧接入标识后继续路由到内容的新位置。

通过终端发生移动后与映射服务器的交互机制以及兴趣包的缓存机制，兴趣包能够避免发生错误路由，并且不需要重传兴趣包，降低了网络负荷和兴趣包的传输时延，十分适用于带宽受限的无线网络环境。

5　结束语

命名数据网络作为未来互联网体系架构方案中的一种，其发展及应用必将促进通信网络向信息网络的转变[14]。本文通过分析无线网络这种特定环境下NDN的应用性问题，旨在解决NDN在无线网络中的适应性。新提出的分层隔离路由方案可以提高无线网络路由的稳定性，能够很好地支持NDN网络中兴趣包和数据包的路由，使得兴趣包能够在数据提供者发生移动后仍能正确的寻路到数据提供者，解决了无线网络环境下数据请求者和数据提供者移动带来的问题。后续可以继续进行仿真环境的搭建，对所提出的方案进行模拟仿真，验证其对无线网络环境的适用性。

[1]于晔,李联峰,郭红纲.新一代互联网NDN面临的挑战及脆弱性分析[J].信息安全与通信保密,2014(3):123-127.

[2]张宏宇,牛翠翠,吴震.NDN中路由机制研究综述[J].现代电信科技,2014(11):31-35.

[3]曹鹤婷.物联网与下一代智慧城市[J].移动通信,2015,39(21):29-31.

[4]肖清华.蓄势待发、万物互连的5G技术[J].移动通信,2015,39(1):33-36.

[5]RAVINDRAN R，LO S，ZHANG Xin-wen,et al.Supporting Seamless Mobility in Named Data Networking[C]∥IEEE International Conference on Communications，2012:5 854-

5 869.

[6]JIANG Xiao-ke，BI Jun，WANG You，et al.A Content Provider Mobility Solution of Named Data Networking[C]∥IEEE International Conference on Network Protocols，2012，13(1)：1-2.

[7]JIANG Xiao-ke，BI Jun，WANG You.What Benefits Does NDN Have in Supporting Mobility[C]∥IEEE Symposium on Computers and Communications，2014:1-6.

[8]LEE J，KIM D，JANG M W，et al.Proxy-based Mobility Management Scheme in Mobile Content Centric Networking(CCN)Environments[C]∥IEEE International Conference on Consumer Electronics，2011，10(11):595-596.

[9]HERMANS F，NGAI E.Mobile Sources in an Information-Centric Network with Hierarchical Names: An Indirection Approach[C]∥SNCNW，2011.

[10]KIM D H，KIM J H，KIM Y S.Mobility Support in Content Centric Networks[C]∥ ACM ICN Workshop，2012:13-18.

[11]ZHU Zhen-kai，AFANASYEV A，ZHANG Li-xia.A New Perspective on Mobility Support[C]∥NDN，Technical Report NDN-0013，2013.

[12]吴建平,李星,刘莹.下一代互联网体系结构研究现状和发展趋势[J].中兴通讯技术,2011,17(2):10-14.

[13]贾诗炜,闫实,彭木根.分层异构无线网络理论性能研究和优化设计[J].移动通信,2014,38(9):17-22.

[14]黄维,万频,王永华,等.认知无线网络中小型移动主用户的感知与定位研究[J].移动通信,2014,38(10):79-84.

王宏宇男，(1987—)，硕士，工程师。主要研究方向：通信网络总体设计、移动性管理。

朱昊宁男，(1995—)，本科。主要研究方向：无线网络路由协议、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

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA015701)；通信网信息传输与分发技术重点实验室开放基金资助项目。

TN92

A

1003-3106(2016)10-0012-04

引用格式：王宏宇，朱昊宁.无线网络环境下命名数据网络移动性解决方案[J].无线电工程,2016,46(10):12-15，42.