基于NDN體系的廣播電視網(wǎng)絡(luò)的研究※

齊寧，趙宇，李卓

（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用的不斷發(fā)展，現(xiàn)有基于TCP／IP的互聯(lián)網(wǎng)暴露出許多問題，例如不安全、移動(dòng)性差、可靠性差、靈活性差、內(nèi)容分發(fā)的擁塞越來越嚴(yán)重，為了解決這些問題，有關(guān)人士提出了命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Named Data Networking，NDN）［1]。NDN以命名數(shù)據(jù)來替代命名主機(jī)，通過路由器緩存內(nèi)容，進(jìn)行內(nèi)容的傳遞和分發(fā)，數(shù)據(jù)傳遞效率比現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)更高。另一方面，廣播電視網(wǎng)絡(luò)正在進(jìn)行數(shù)字化雙向改造，對(duì)于內(nèi)容的分發(fā)和緩存要求較高，需要廣泛實(shí)現(xiàn)傳輸內(nèi)容的共享，但網(wǎng)絡(luò)帶寬漸漸不能滿足人們的需求，網(wǎng)絡(luò)的擁塞和延時(shí)也急待解決，而NDN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)恰恰可以彌補(bǔ)廣電網(wǎng)的缺陷問題。本論文把NDN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和廣電網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，根據(jù)廣電網(wǎng)絡(luò)的理論設(shè)計(jì)出符合實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，在基于NS－3的ndnSIM仿真器上仿真出NDN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，測試網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)證明，廣電網(wǎng)和NDN網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合是可行的。

1 背景介紹

1.1 NDN及其工作機(jī)制

NDN是由加州大學(xué)洛杉磯分校Lixia Zhang團(tuán)隊(duì)為首開展的研究項(xiàng)目，由NSF Future Internet Architecture（FIA）資助，是信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information－centric Networking，ICN）［2]理論的具體實(shí)現(xiàn)。NDN采用名字路由，以命名數(shù)據(jù)來替代命名主機(jī)，實(shí)現(xiàn)由面向主機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦騼?nèi)容的網(wǎng)絡(luò)，從而使數(shù)據(jù)傳輸效率更高，滿足資源密集應(yīng)用需求。NDN體系結(jié)構(gòu)保持沙漏模型［3]，采用7層結(jié)構(gòu)，與TCP／IP的主要區(qū)別就是用Contentchunk代替了IP。網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)建存儲(chǔ)功能，用來緩存經(jīng)過的Data包，傳輸時(shí)可以加快其他請(qǐng)求用戶訪問數(shù)據(jù)包的相應(yīng)時(shí)間，同時(shí)減少流量的產(chǎn)生［4]。

在NDN中主要的數(shù)據(jù)包有兩種類型：Interest和Data（見圖1）。

圖1 NDN包類型及格式

Interest包由三部分組成：內(nèi)容名，選擇選項(xiàng)（優(yōu)先選擇、發(fā)布者過濾、范圍等），隨機(jī)時(shí)間值。其中，內(nèi)容的標(biāo)識(shí)名就是NDN的地址，可以利用前綴機(jī)制來定位信息。隨機(jī)時(shí)間值用于檢測重復(fù)的包并將其丟棄。Data包由簽名、名字、簽名信息和數(shù)據(jù)4部分組成。NDN直接保護(hù)數(shù)據(jù)的安全，所有的內(nèi)容都經(jīng)過數(shù)字簽名認(rèn)證。名字部分與興趣包相同，簽名信息中包含內(nèi)容發(fā)布者公鑰［5]的摘要、時(shí)間標(biāo)簽和內(nèi)容類型。

NDN節(jié)點(diǎn)主要包含內(nèi)容存儲(chǔ)器（CS）、待定請(qǐng)求表（PIT）和前向轉(zhuǎn)發(fā)表（FIB）。節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)模型如圖2所示，當(dāng)一個(gè)包到達(dá)一個(gè)Face（端口），利用名字進(jìn)行最長前綴匹配查找。首先匹配CS，若有，則響應(yīng)并丟棄Interest；其次匹配PIT，若有，則在PIT響應(yīng)條目中增加Face，并丟棄Interest；最后匹配FIB，向所有匹配的Face轉(zhuǎn)發(fā)Interest，并在PIT表中記錄，如果沒有則丟棄［6]。

圖2 NDN轉(zhuǎn)發(fā)模型

緩存機(jī)制［7]可以幫助減少內(nèi)容下載時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)帶寬占用。與IP不同的是，IP路由器在完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)就會(huì)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)清空，即MRU策略，而NDN路由器能夠重復(fù)使用數(shù)據(jù)，方便請(qǐng)求相同數(shù)據(jù)的用戶，NDN采用LRU（Least Recently Used）或LFU（Least Frequently Used）替換策略來最大限度地存儲(chǔ)重要的信息，減少不必要帶寬需求和初始服務(wù)器負(fù)載。

（2）路由轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

NDN網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制［8]可以解決當(dāng)前IP網(wǎng)絡(luò)中地址空間耗盡、NAT穿越、移動(dòng)性和可擴(kuò)展的地址管理等問題。當(dāng)有多個(gè)興趣包同時(shí)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，路由器只會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)第一個(gè)，并將請(qǐng)求存儲(chǔ)在PIT中。當(dāng)數(shù)據(jù)包傳回時(shí)，路由器會(huì)在PIT中找到匹配條目，向?qū)?yīng)接口轉(zhuǎn)發(fā)［4]?，F(xiàn)有的路由策略主要有全轉(zhuǎn)發(fā)策略、隨機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)策略、自適應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)策略［9]和蟻群轉(zhuǎn)發(fā)策略［10]。其中蟻群轉(zhuǎn)發(fā)策略為最優(yōu)，通過發(fā)送嗅探報(bào)文得到一條最優(yōu)路徑。

1.2 廣電網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)溲芯?/h3>

1.2.1 有線電視雙向改造

我國的有線電視網(wǎng)主要是HFC（混合光纖同軸電纜網(wǎng)），隨著“三網(wǎng)融合”的提出和推進(jìn)，電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)、數(shù)字電視網(wǎng)通過改造，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，資源共享，信息服務(wù)將由單一的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向文字、語音、數(shù)據(jù)、圖像、視頻等多媒體綜合業(yè)務(wù)，拓展了業(yè)務(wù)提供的范圍，網(wǎng)絡(luò)性能得以提升，資源利用效率將進(jìn)一步提高。雙向改造已然成為了廣播電視網(wǎng)的必然發(fā)展趨勢。

1.2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的原則［11]

有線電視網(wǎng)絡(luò)的改造設(shè)計(jì)需要考慮許多因素，例如當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、文化發(fā)展、地理?xiàng)l件等等，網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)需要達(dá)到以下幾個(gè)要求：標(biāo)準(zhǔn)性、實(shí)用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

1.2.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

例11：學(xué)生設(shè)計(jì)的高層垂直物流輸送裝置，將模型視頻的單色背景替換成實(shí)景拍攝的高層樓房。拍攝的樓房視頻插入視頻軌，仿真模型視頻插入覆疊軌，打開屬性里的“遮罩和色度鍵”選項(xiàng)，勾選覆疊選項(xiàng)，覆疊的類型設(shè)置為“色度鍵”，吸取背景色作為色度鍵，調(diào)整色彩相似度到合適的值。將輸送裝置視頻摳圖，放在高層樓房視頻上，3D仿真動(dòng)畫和實(shí)景相融合，虛擬和現(xiàn)實(shí)相得益彰。更真實(shí)、更清晰、更有效地向評(píng)委展示了這種創(chuàng)新的輸送裝置在高層樓房實(shí)現(xiàn)垂直輸送貨物的過程。

通信網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指構(gòu)成通信網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)之間的互連方式?；镜耐?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：星形網(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)、總線型網(wǎng)、復(fù)合型網(wǎng)。

每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有各自的特點(diǎn)：星形網(wǎng)可以降低傳輸鏈路的成本，提高線路利用率，但網(wǎng)絡(luò)可靠性差，適合可靠性要求不高、低成本的場合；環(huán)形網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，有自愈環(huán)結(jié)構(gòu)可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保護(hù)，但環(huán)形結(jié)構(gòu)不容易擴(kuò)容，轉(zhuǎn)接時(shí)延不好控制，主要用于局域網(wǎng)、光纖接入網(wǎng)、城域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)狀型網(wǎng)可靠性高，但線路利用率低，網(wǎng)絡(luò)成本高，擴(kuò)容不方便，適合于節(jié)點(diǎn)數(shù)目少但可靠性要求較高的場合；總線型網(wǎng)控制方式簡單，節(jié)點(diǎn)通信容易，但穩(wěn)定性差，節(jié)點(diǎn)數(shù)目不宜過多，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較少；復(fù)合型網(wǎng)兼有網(wǎng)狀和星形網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合規(guī)模較大的局域網(wǎng)。

2 基于NDN的廣電網(wǎng)的優(yōu)化分析

廣電網(wǎng)絡(luò)全程全網(wǎng)需要保證：成本最優(yōu)化、安全性、高帶寬、高可靠性、傳輸距離遠(yuǎn)、支持各種組播協(xié)議。在實(shí)際的廣電網(wǎng)絡(luò)中，存在一些瓶頸問題，而這些問題可以利用NDN的以下優(yōu)勢來解決：

①數(shù)據(jù)包命名規(guī)則［12]。NDN采用層次化的名字命名數(shù)據(jù)，類似于目前的URL命名方案，結(jié)構(gòu)為“前綴＋內(nèi)容類型＋內(nèi)容名稱＋其他信息”，這種IP地址分級(jí)聚合，在擴(kuò)展上有一定的優(yōu)勢，名字的聚合便于實(shí)現(xiàn)信息的匯聚。NDN的名字能體現(xiàn)的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于IP地址和端口號(hào)，這個(gè)特點(diǎn)使NDN的通信效率更高。例如，在廣電網(wǎng)傳播信息的時(shí)候，可以將請(qǐng)求包中的所有信息（URL、參數(shù)、cookies、安全密鑰等）簡單包含在興趣包的名字中，只需要傳輸2個(gè)包就可以完成，而采用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)傳輸則至少需要5個(gè)包，明顯可以減少信息量，提高傳輸速率，減少承載壓力。

②緩存和路由轉(zhuǎn)發(fā)［3]?，F(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)路由器也有緩存機(jī)制，但是在完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)前會(huì)將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)清空，而NDN緩存機(jī)制，會(huì)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)中，如果有一個(gè)興趣包請(qǐng)求，那么存儲(chǔ)有同一內(nèi)容的節(jié)點(diǎn)都可以共享數(shù)據(jù)包。隨著用戶的增多和對(duì)傳輸效率的要求提高，廣電網(wǎng)絡(luò)的帶寬需要大幅度的提高，網(wǎng)絡(luò)擁塞嚴(yán)重，下載內(nèi)容的延時(shí)也需要盡量減至最小，而NDN的緩存機(jī)制可以幫助減少內(nèi)容下載時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)帶寬占用，并且存儲(chǔ)大量重要的信息。這對(duì)于廣電網(wǎng)來說很有利用價(jià)值，既能夠提高效率，又可以減少拓展帶寬和服務(wù)器維護(hù)的成本。另外，在轉(zhuǎn)發(fā)方面，NDN已經(jīng)有一些路由策略，通過算法來獲得內(nèi)容傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑，避免請(qǐng)求報(bào)文的無意義泛洪造成的冗余流量，進(jìn)一步提高通信的效率。

③安全方面。網(wǎng)絡(luò)的安全包括接入層面的安全和內(nèi)容層面的安全，廣電網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)廣播型的網(wǎng)絡(luò)，傳輸數(shù)據(jù)很容易被黑客截獲，因此傳輸數(shù)據(jù)的保密性非常重要。對(duì)于諸如電視支付這類增值業(yè)務(wù)，由于涉及用戶、商家和銀行之間的信息傳輸，如何保護(hù)用戶信息、密碼等敏感數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸很重要。NDN的安全機(jī)制是基于內(nèi)容的安全，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行保護(hù)，而不是像傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)一樣保護(hù)網(wǎng)絡(luò)和鏈路連接的安全。在NDN中，所有的內(nèi)容都是經(jīng)過數(shù)字簽名認(rèn)證的，個(gè)人內(nèi)容需要經(jīng)過加密保護(hù)，要想得到內(nèi)容，需要先得到授權(quán)使用該內(nèi)容。因此，無論誰截獲了經(jīng)過的信息都沒用，只有授權(quán)的用戶才能解密。

④流量調(diào)節(jié)。當(dāng)今IP網(wǎng)絡(luò)并沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)中的流量擁塞和控制問題，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)幾近崩潰，其流量調(diào)節(jié)要依靠端的傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)本身的設(shè)計(jì)沒有考慮。而NDN具有自然的流量調(diào)節(jié)能力，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，可以根據(jù)鏈路狀況選擇轉(zhuǎn)發(fā)策略，來對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)均衡［3]，這對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定的廣電網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。

3 仿真分析

3.1 拓?fù)洵h(huán)境和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

根據(jù)廣電網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和實(shí)際情況，利用NDN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢設(shè)計(jì)了如圖3所示的在基于NS－3平臺(tái)的ndnSIM仿真器［13]下生成的拓?fù)鋱D，一共有37個(gè)節(jié)點(diǎn)，模擬的是廣電網(wǎng)絡(luò)的骨干和一級(jí)、二級(jí)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。

圖3 NS－3平臺(tái)下搭建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

骨干網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀型，可靠性高，節(jié)點(diǎn)要求較低，一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)作為總服務(wù)器，還有4個(gè)分節(jié)點(diǎn)；下級(jí)網(wǎng)絡(luò)分別采用了網(wǎng)狀型、總線型、星形、樹形是考慮到各個(gè)城市的不同經(jīng)濟(jì)文化和地域情況，將各種類型完善地設(shè)計(jì)出來。為了保證網(wǎng)絡(luò)干線上的通信傳輸，骨干網(wǎng)上一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和下級(jí)4個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相連，分配帶寬4G，4個(gè)節(jié)點(diǎn)之間帶寬也是4G，既可以采用滿足要求的設(shè)備，同時(shí)可以最大的提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ΑＲ患?jí)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)狀型有4個(gè)節(jié)點(diǎn)，分配帶寬為1G，適合于帶寬要求高，數(shù)據(jù)處理速度要求快的場所；總線型一級(jí)節(jié)點(diǎn)有4個(gè)，分配帶寬為1G，二級(jí)節(jié)點(diǎn)7個(gè)，分配帶寬為500M，適合小范圍的網(wǎng)絡(luò)；星形網(wǎng)節(jié)點(diǎn)有5個(gè)，分配帶寬為500M，可以根據(jù)實(shí)際需要增加或減少節(jié)點(diǎn)，使用比較靈活；樹形網(wǎng)下分三級(jí)節(jié)點(diǎn)，一級(jí)節(jié)點(diǎn)分配帶寬2G，二級(jí)節(jié)點(diǎn)分配帶寬1G，三級(jí)節(jié)點(diǎn)分配帶寬500M，適合網(wǎng)絡(luò)分支比較繁瑣的地區(qū)。

3.2 仿真測試

在拓?fù)鋱D文件中，設(shè)定了Node（節(jié)點(diǎn)）、Bandwidth（帶寬）、Metric（度量）、Delay（延時(shí)）、Queue（傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包隊(duì)列大?。?。

①首先進(jìn)行兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，選擇0節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，21節(jié)點(diǎn)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，測試結(jié)果如圖4所示，實(shí)驗(yàn)證明，傳輸速度符合帶寬的設(shè)定，延時(shí)也在網(wǎng)絡(luò)可以承受的范圍之內(nèi)。

圖4 兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通信

②然后進(jìn)行全網(wǎng)通信，選擇0節(jié)點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)，其余均為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)證明，進(jìn)行全網(wǎng)通信時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，速度快。

圖5 全網(wǎng)通信

③通信測試之后，利用ndnSIM網(wǎng)站提供的tracer程序，將第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的節(jié)點(diǎn)0、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)9、節(jié)點(diǎn)13、節(jié)點(diǎn)21的傳輸數(shù)據(jù)生成tracer文件，輸出Ininterest、Indata、Outinterest、Outdata傳輸包的大小，利用R軟件進(jìn)行分析，顯示結(jié)果如圖6所示。實(shí)驗(yàn)證明：每個(gè)節(jié)點(diǎn)總輸入數(shù)據(jù)包和總輸出數(shù)據(jù)包幾乎相等時(shí)，數(shù)據(jù)包丟失率很低，說明數(shù)據(jù)傳輸很穩(wěn)定。

圖6 數(shù)據(jù)包傳輸結(jié)果

以上實(shí)驗(yàn)測試表明，廣電網(wǎng)絡(luò)是可以和NDN網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的，NDN網(wǎng)絡(luò)的緩存機(jī)制，使得數(shù)據(jù)共享和傳輸?shù)乃俾蚀蟠筇岣?。在?shí)際廣電網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，網(wǎng)絡(luò)擁塞嚴(yán)重，而采用NDN網(wǎng)絡(luò)則更有利于資源的利用，減少擁塞的產(chǎn)生，提高帶寬利用率，減少延時(shí)，滿足用戶的需求。

結(jié) 語

本論文通過基于NS－3平臺(tái)的ndnSIM模擬器仿真測試了廣電網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，證明NDN網(wǎng)絡(luò)既可以滿足帶寬的需求，也可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，與廣電網(wǎng)絡(luò)結(jié)合是可行的。根據(jù)目前的仿真結(jié)果，確定了下一步研究計(jì)劃，即改進(jìn)底層應(yīng)用通信協(xié)議，完善緩存和轉(zhuǎn)發(fā)策略，實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境下廣電網(wǎng)絡(luò)的通信測試和性能比較。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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