命名数据网的移动性支持方案

2019年第19期信息与电脑China Computer & Communication网络与通信技术命名数据网的移动性支持方案刘亚南（北京交通大学，北京　100044）摘　要：社交网络、移动应用程序和媒体流发展导致了互联网运行方式的转变。

随着互联网使用的扩大，全球的网络流量和互联网用户的数量呈指数增长，造成互联网所使用的IP 地址很快会被耗尽。

因此，如何应对这种困境受到人们的广泛关注。

在相关的解决方案中，命名数据网络（Named Data Network）以其只关心内容而不关心位置的特性脱颖而出，旨在实现高效的内容分发。

其中，移动性支持是重要的研究内容之一。

为解决NDN 的移动性支持问题，近几年提出了许多消费者和生产者的移动支持方案，笔者首先分析了NDN 中移动生产者和消费者提出的问题，进而根据其特点对现有方案进行分类和说明，最后讨论了这些方案的优缺点。

关键词：命名数据网；消费者移动；生产者移动；移动性方案中图分类号：TP393.02 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2019）19-160-05Named Data Network Mobility Support SolutionLiu Yanan(Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)Abstract: The development of social networks, mobile applications and media streams has led to a change in the way the Internetoperates. With the expansion of Internet use, the global network traffic and the number of Internet users are exponentially increasing, resulting in the use of IP addresses in the Internet will soon be exhausted. Therefore, how to deal with this dilemma has attracted wide attention. Among the related solutions, Named Data Network (Named Data Network) stands out because it only cares about content but not about location, aiming at achieving efficient content distribution. Among them, mobility support is one of the important research contents. In order to solve the problem of mobile support for NDN, many mobile support schemes for consumers and producers have been proposed in recent years. The author first analyses the problems raised by mobile producers and consumers in NDN, then classifies and explains the existing schemes according to their characteristics, and finally discusses the advantages and disadvantagesof these schemes.Key words: named data network; consumer mobility; producer mobility; mobility scheme0　引言早期的互联网在应用之初是为了方便两台固定的计算机之间相互分享数据。

然而在过去的几十年中，互联网快速发展，其中社交网络、移动应用和媒体流的发展更是引起了互联网运营方式的转变。

最初互联网的用户主要是学者、研究人员和组织的员工，随着互联网的普及，互联网的用户数量每年都在增加，截至目前，全球47%的人口（34亿用户）都在使用互联网，从而造成通过互联网传输的信息量每天都在增加。

思科的视觉网络指数（VNI ）表明，2016年全球IP 流量为1.2 Zettabyte 。

预测到2021年，互联网中的流量将增加3倍，达到每月132.8 Exabytes 。

可以看出，2005-2021年，互联网中的流量数量增长了100倍。

同时，连接互联网的设备数量也在剧增。

据预测，截至2021年，连接互联网的设备数量将接近全球人口的3倍。

此外，与2016年的平均每人拥有2.3台设备相比，到2021年平均每人将拥有3.5台设备。

随着改变的并不仅仅是设备数量，设备的技术也在不断发展。

在互联网的早期，互联网设备主要是服务器和主机。

后来，个人电脑、笔记本电脑和智能手机等相继被引入，允许普通用户从任何地方连接互联网，互联网设备从最初的体积大、位置固定转变为体积小、重量轻、方便移动。

目前，许多厂家都在相继引入和使用更新的互联网设备，如可穿戴设备等。

作者简介：刘亚南(1994—)，男，安徽亳州人，硕士研究生。

研究方向：命名数据网络。

2019年第19期信息与电脑China Computer & Communication网络与通信技术从上述可以看出，未来互联网的发展趋势之一是能够适应高容量数据分发的移动互联网。

传统的互联网在早期设计时是建立在主机-主机的模型上，核心模式是主机到主机的通信。

因此传统互联网的体系结构在移动性支持方面存在较多缺陷。

为了弥补这一缺陷，当前的做法是以补丁的方式，制定各种附加协议使传统互联网支持移动性，比如各种移动IP 协议。

但是这类方案都是在应用层中实现，并没有解决互联网体系结构中的核心问题，这种以“修补”的方式促使互联网支持移动性的操作，在未来移动流量和移动设备数量急增的情况下必然会遭受失败。

因此，从长远角度看，互联网需要设计一种新的通信模式以满足上述需求。

并且从用户角度考虑，未来互联网应该更关注用户所请求的数据内容，而不是数据的位置。

具体来说，未来互联网的通信模式应该是基于内容的，以数据为主。

因此，命名数据网络（NDN ）应运而生。

NDN 根据数据内容对数据进行命名，可通过用户附近的路由器缓存内容，使用户可以直接通过“名称”获取所需数据。

可以看出，NDN 中数据与位置是解耦合的关系，不需要获取IP 地址，因此是适合移动场景的。

本文对NDN 现有的移动支持方案进行全面调查，安排如下：第二节展示NDN 是如何工作的，第三节中回顾了IP 网络中的移动性支持方案，然后在第四节对NDN 的移动性支持进行问题陈述，在第五节对现有NDN 移动支持性方案做了分类并进行说明，最后进行总结说明。

1　NDN 背景在研究国家数据网的机动性支持之前，本节简要概述了其原理和相关机制。

命名数据网络（NDN ）是ICN 体系结构中的一个重要组成部分，在该领域广泛用作研究人员的基础体系结构。

该体系结构最初由P AR C 作为一个名为“以内容为中心的网络（CCN ）”的项目提出。

现在，NDN 是一个由国家科学基金资助的未来互联网架构项目。

在NDN 中有两种实体和两种类型的包。

两种实体分别是生产者和消费者；两种类型的包指兴趣包和数据包。

消费者发送包含内容名称的兴趣包，用来向NDN 中请求所需的内容，生产者向消费者提供数据内容，以匹配兴趣包。

NDN 的网络示意图如图1所示，在NDN 中，消费者发送的兴趣包通过网络中路由器内的3种数据结构来请求所需的数据内容。

3种数据结构分别是内容存储（Con ten t Store ，CS ）、待处理兴趣表（P ending In terest T able ，PIT ）和转发兴趣表（F orw arding Information Base ，FIB ）。

CS 用于存储数据，如果数据缓存在CS 中，则可以直接使用数据进行回复，而无须转发兴趣（即满足兴趣）。

FIB 是用于将兴趣包转发到下一个路由器的路由表。

它与TCP-IP 网络中的路由表非常相似，但是转发的依据是使用内容名而不是主机的IP 。

PIT 中存储的是以前转发的兴趣包和发送这些兴趣包的消费者信息，用于在找到可用数据时将其发送给消费者。

假设消费者请求名称为/china/beijing/video.mp4的视频。

首先，消费者发出兴趣包。

当接收到这样的兴趣包时，路由器将首先在CS 中查找是否有与该兴趣包匹配的数据，如果匹配成功，路由器直接将包含请求内容的数据返回给消费者。

如果在CS 中找不到所需数据，路由器会检查PIT ，如果在PIT 中匹配到该兴趣，说明存在另一个消费者已经请求了相同的数据，因此该兴趣会被丢弃，但是在PIT 中会保留该兴趣的转发接口，以便后来将请求到的数据转发给消费者；如果在PIT 中未找到该兴趣，路由器会将该兴趣的记录添加到PIT ，然后检查FIB 找到转发兴趣的下一位置，并最终发送给生产者。

当返回所请求的数据时，路由器会根据缓存规则选择是否在本地缓存数据，然后根据相应的PIT 条目转发数据，将其发送回请求数据的消费者。

值得注意的是，如果在所有数据结构中都匹配不了兴趣时，则会丢 弃该兴趣。

兴趣包数据包命名数据网络生产者路由器消费者CS/china/beijing/video.mp4PIT/china/beijing/video.mp4FIB/china/beijing/video.mp4图1　NDN 网络示意图2　TCP-IP 网络体系中的移动性支持方案在IP 网络环境中，网络设备使用的每个网络接口（或拓扑变化）都需要一个IP 地址（用于与其他设备通信）。

因此，对于移动设备来说，在每次位置发生变化时都需要获得新的IP 地址，才能保持与其他设备的正常通信通信。

为了解决这个问题，目前普遍的解决方案是设计移动协议并将些协议附加2019年第19期信息与电脑China Computer & Communication网络与通信技术到网络模型中，当前的互联网移动支持方案可以分为两类[1]，即基于路由和基于映射。

基于路由就是通过动态路由来支持移动性，动态路由不需要显式映射来查找节点的位置。

这种方案的例子是Columbia [2]和HAW AII [3]。