基于NDN体系的广播电视网络的研究※

齐宁，赵宇，李卓

（天津大学电子信息工程学院，天津300072）

引 言

随着互联网上应用的不断发展，现有基于TCP／IP的互联网暴露出许多问题，例如不安全、移动性差、可靠性差、灵活性差、内容分发的拥塞越来越严重，为了解决这些问题，有关人士提出了命名数据网络（Named Data Networking，NDN）［1]。NDN以命名数据来替代命名主机，通过路由器缓存内容，进行内容的传递和分发，数据传递效率比现有的IP网络更高。另一方面，广播电视网络正在进行数字化双向改造，对于内容的分发和缓存要求较高，需要广泛实现传输内容的共享，但网络带宽渐渐不能满足人们的需求，网络的拥塞和延时也急待解决，而NDN网络的优点恰恰可以弥补广电网的缺陷问题。本论文把NDN网络的优势和广电网络相结合，根据广电网络的理论设计出符合实际的网络拓扑模型，在基于NS－3的ndnSIM仿真器上仿真出NDN网络拓扑结构图，测试网络的通信质量，实验证明，广电网和NDN网络相结合是可行的。

1 背景介绍

1.1 NDN及其工作机制

NDN是由加州大学洛杉矶分校Lixia Zhang团队为首开展的研究项目，由NSF Future Internet Architecture（FIA）资助，是信息中心网络（Information－centric Networking，ICN）［2]理论的具体实现。NDN采用名字路由，以命名数据来替代命名主机，实现由面向主机转变为面向内容的网络，从而使数据传输效率更高，满足资源密集应用需求。NDN体系结构保持沙漏模型［3]，采用7层结构，与TCP／IP的主要区别就是用Contentchunk代替了IP。网络中内建存储功能，用来缓存经过的Data包，传输时可以加快其他请求用户访问数据包的相应时间，同时减少流量的产生［4]。

在NDN中主要的数据包有两种类型：Interest和Data（见图1）。

图1 NDN包类型及格式

Interest包由三部分组成：内容名，选择选项（优先选择、发布者过滤、范围等），随机时间值。其中，内容的标识名就是NDN的地址，可以利用前缀机制来定位信息。随机时间值用于检测重复的包并将其丢弃。Data包由签名、名字、签名信息和数据4部分组成。NDN直接保护数据的安全，所有的内容都经过数字签名认证。名字部分与兴趣包相同，签名信息中包含内容发布者公钥［5]的摘要、时间标签和内容类型。

NDN节点主要包含内容存储器（CS）、待定请求表（PIT）和前向转发表（FIB）。节点转发模型如图2所示，当一个包到达一个Face（端口），利用名字进行最长前缀匹配查找。首先匹配CS，若有，则响应并丢弃Interest；其次匹配PIT，若有，则在PIT响应条目中增加Face，并丢弃Interest；最后匹配FIB，向所有匹配的Face转发Interest，并在PIT表中记录，如果没有则丢弃［6]。

图2 NDN转发模型

缓存机制［7]可以帮助减少内容下载时延和网络带宽占用。与IP不同的是，IP路由器在完成数据转发就会将存储的数据清空，即MRU策略，而NDN路由器能够重复使用数据，方便请求相同数据的用户，NDN采用LRU（Least Recently Used）或LFU（Least Frequently Used）替换策略来最大限度地存储重要的信息，减少不必要带宽需求和初始服务器负载。

（2）路由转发机制

NDN网络的路由转发机制［8]可以解决当前IP网络中地址空间耗尽、NAT穿越、移动性和可扩展的地址管理等问题。当有多个兴趣包同时请求数据时，路由器只会转发第一个，并将请求存储在PIT中。当数据包传回时，路由器会在PIT中找到匹配条目，向对应接口转发［4]。现有的路由策略主要有全转发策略、随机转发策略、自适应转发策略［9]和蚁群转发策略［10]。其中蚁群转发策略为最优，通过发送嗅探报文得到一条最优路径。

1.2 广电网络及其拓扑研究

1.2.1 有线电视双向改造

我国的有线电视网主要是HFC（混合光纤同轴电缆网），随着“三网融合”的提出和推进，电信网、广播电视网、数字电视网通过改造，实现网络互联互通，资源共享，信息服务将由单一的业务转向文字、语音、数据、图像、视频等多媒体综合业务，拓展了业务提供的范围，网络性能得以提升，资源利用效率将进一步提高。双向改造已然成为了广播电视网的必然发展趋势。

1.2.2 网络设计的原则［11]

有线电视网络的改造设计需要考虑许多因素，例如当地经济、文化发展、地理条件等等，网络的设计需要达到以下几个要求：标准性、实用性、可靠性、经济性。

1.2.3 网络拓扑

例11：学生设计的高层垂直物流输送装置，将模型视频的单色背景替换成实景拍摄的高层楼房。拍摄的楼房视频插入视频轨，仿真模型视频插入覆叠轨，打开属性里的“遮罩和色度键”选项，勾选覆叠选项，覆叠的类型设置为“色度键”，吸取背景色作为色度键，调整色彩相似度到合适的值。将输送装置视频抠图，放在高层楼房视频上，3D仿真动画和实景相融合，虚拟和现实相得益彰。更真实、更清晰、更有效地向评委展示了这种创新的输送装置在高层楼房实现垂直输送货物的过程。

通信网的拓扑结构是指构成通信网的节点之间的互连方式。基本的拓扑结构有：星形网、环形网、网状网、总线型网、复合型网。

每种拓扑结构都有各自的特点：星形网可以降低传输链路的成本，提高线路利用率，但网络可靠性差，适合可靠性要求不高、低成本的场合；环形网结构简单，容易实现，有自愈环结构可以对网络进行保护，但环形结构不容易扩容，转接时延不好控制，主要用于局域网、光纤接入网、城域网等网络；网状型网可靠性高，但线路利用率低，网络成本高，扩容不方便，适合于节点数目少但可靠性要求较高的场合；总线型网控制方式简单，节点通信容易，但稳定性差，节点数目不宜过多，网络覆盖范围较少；复合型网兼有网状和星形网的优点，网络结构稳定，适合规模较大的局域网。

2 基于NDN的广电网的优化分析

广电网络全程全网需要保证：成本最优化、安全性、高带宽、高可靠性、传输距离远、支持各种组播协议。在实际的广电网络中，存在一些瓶颈问题，而这些问题可以利用NDN的以下优势来解决：

①数据包命名规则［12]。NDN采用层次化的名字命名数据，类似于目前的URL命名方案，结构为“前缀＋内容类型＋内容名称＋其他信息”，这种IP地址分级聚合，在扩展上有一定的优势，名字的聚合便于实现信息的汇聚。NDN的名字能体现的信息量远远多于IP地址和端口号，这个特点使NDN的通信效率更高。例如，在广电网传播信息的时候，可以将请求包中的所有信息（URL、参数、cookies、安全密钥等）简单包含在兴趣包的名字中，只需要传输2个包就可以完成，而采用现有网络传输则至少需要5个包，明显可以减少信息量，提高传输速率，减少承载压力。

②缓存和路由转发［3]。现有的网络路由器也有缓存机制，但是在完成数据转发前会将存储的数据清空，而NDN缓存机制，会存储在节点中，如果有一个兴趣包请求，那么存储有同一内容的节点都可以共享数据包。随着用户的增多和对传输效率的要求提高，广电网络的带宽需要大幅度的提高，网络拥塞严重，下载内容的延时也需要尽量减至最小，而NDN的缓存机制可以帮助减少内容下载时延和网络带宽占用，并且存储大量重要的信息。这对于广电网来说很有利用价值，既能够提高效率，又可以减少拓展带宽和服务器维护的成本。另外，在转发方面，NDN已经有一些路由策略，通过算法来获得内容传输的最优路径，避免请求报文的无意义泛洪造成的冗余流量，进一步提高通信的效率。

③安全方面。网络的安全包括接入层面的安全和内容层面的安全，广电网络是一个广播型的网络，传输数据很容易被黑客截获，因此传输数据的保密性非常重要。对于诸如电视支付这类增值业务，由于涉及用户、商家和银行之间的信息传输，如何保护用户信息、密码等敏感数据的安全可靠传输很重要。NDN的安全机制是基于内容的安全，对内容进行保护，而不是像传统IP网络一样保护网络和链路连接的安全。在NDN中，所有的内容都是经过数字签名认证的，个人内容需要经过加密保护，要想得到内容，需要先得到授权使用该内容。因此，无论谁截获了经过的信息都没用，只有授权的用户才能解密。

④流量调节。当今IP网络并没有充分考虑网络中的流量拥塞和控制问题，导致互联网几近崩溃，其流量调节要依靠端的传输协议，网络本身的设计没有考虑。而NDN具有自然的流量调节能力，在数据转发时，可以根据链路状况选择转发策略，来对整个网络流量进行调节均衡［3]，这对于一个稳定的广电网络是必不可少的。

3 仿真分析

3.1 拓扑环境和网络设计

根据广电网络的特点和实际情况，利用NDN网络的优势设计了如图3所示的在基于NS－3平台的ndnSIM仿真器［13]下生成的拓扑图，一共有37个节点，模拟的是广电网络的骨干和一级、二级节点网络。

图3 NS－3平台下搭建的网络拓扑

骨干网络采用网状型，可靠性高，节点要求较低，一个中心节点作为总服务器，还有4个分节点；下级网络分别采用了网状型、总线型、星形、树形是考虑到各个城市的不同经济文化和地域情况，将各种类型完善地设计出来。为了保证网络干线上的通信传输，骨干网上一个中心节点和下级4个节点之间相连，分配带宽4G，4个节点之间带宽也是4G，既可以采用满足要求的设备，同时可以最大的提高数据传输的能力。一级网络中，网状型有4个节点，分配带宽为1G，适合于带宽要求高，数据处理速度要求快的场所；总线型一级节点有4个，分配带宽为1G，二级节点7个，分配带宽为500M，适合小范围的网络；星形网节点有5个，分配带宽为500M，可以根据实际需要增加或减少节点，使用比较灵活；树形网下分三级节点，一级节点分配带宽2G，二级节点分配带宽1G，三级节点分配带宽500M，适合网络分支比较繁琐的地区。

3.2 仿真测试

在拓扑图文件中，设定了Node（节点）、Bandwidth（带宽）、Metric（度量）、Delay（延时）、Queue（传输的最大数据包队列大小）。

①首先进行两个节点之间的通信，选择0节点为源节点，21节点为目标节点，测试结果如图4所示，实验证明，传输速度符合带宽的设定，延时也在网络可以承受的范围之内。

图4 两个节点通信

②然后进行全网通信，选择0节点为源节点，其余均为目标节点，进行测试，结果如图5所示，实验证明，进行全网通信时，网络传输数据稳定，速度快。

图5 全网通信

③通信测试之后，利用ndnSIM网站提供的tracer程序，将第一个实验的节点0、节点2、节点9、节点13、节点21的传输数据生成tracer文件，输出Ininterest、Indata、Outinterest、Outdata传输包的大小，利用R软件进行分析，显示结果如图6所示。实验证明：每个节点总输入数据包和总输出数据包几乎相等时，数据包丢失率很低，说明数据传输很稳定。

图6 数据包传输结果

以上实验测试表明，广电网络是可以和NDN网络结合的，NDN网络的缓存机制，使得数据共享和传输的速率大大提高。在实际广电网络中，节点数量庞大，网络拥塞严重，而采用NDN网络则更有利于资源的利用，减少拥塞的产生，提高带宽利用率，减少延时，满足用户的需求。

结 语

本论文通过基于NS－3平台的ndnSIM模拟器仿真测试了广电网络的通信质量，证明NDN网络既可以满足带宽的需求，也可以提高网络传输速率，与广电网络结合是可行的。根据目前的仿真结果，确定了下一步研究计划，即改进底层应用通信协议，完善缓存和转发策略，实现真实环境下广电网络的通信测试和性能比较。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

［1] http：／／www.named－data.net.

［2] Kostas Pentikousis，Prosper Chemouil，Kathleen Nichols.etal.Information－Centric Networking［J] .IEEE Communications Magazines，2012，50：18－26.

［3] Lixia Zhang，Deborah Estrin，Jeffrey Burke.et al.Named Data Networking（NDN）Project［R]／／PARC Technical Report NDN－0001，2010.

［4] 杨柳，马少武，王晓湘.以内容为中心的互联网体系架构研究［J] .信息通信技术，2011，5（6）：66－70.

［5] Chaoyi Bian，Zhenkai Zhu，Alexander Afanasyev.et al.Deploying Key Management in NDN Testbed［R]／／PARC Technical Report NDN－0009，2013.

［6] V Jacobson，D K Smetters，J D Thornton，et al.Networking Named Content［J] .CoNext，2009（12）.

［7] Seong－Jin Kang，Sung－Won Lee，Young－Bae Ko.A Recent Popularity Based Dynamic Cache Management for Content CentricNetworking［C]／／Ubiquitous and Future Networks（ICUFN），2012Fourth International Conference，2012：219－224.

［8] Cheng Yi，Alexander Afanasyev，Ilya Moiseenko，etal.A Case for Stateful Forwarding Plane［R]／／PARC Technical Report NDN－0002，2012.

［9] Lan Wang，Beichuan Zhang，Lixia Zhang.Adaptive Forwarding in Named Data Networking［J] .ACM SIGCOMM Computer Communication Review，2012，42（3）：62－67.

［10] 叶润生，徐明伟.命名数据网络中的邻居缓存路由策略［J] .计算机科学与探索，2012，6（7）：593－601.

［11] 郑汉明.广东茂名广电接入网双向改造方案［D] .广州：华南理工大学，2012.

［12] Haowei Yuan，Tian Song，Patric Crowley.Scalable NDN Forwarding Concepts Issues and Principle［C]／／Computer Communications and Networks（ICN），2012 21st International Conference，2012：1－9.

［13] Alexander Afanasyev，Ilya Moiseenko，Lixia Zhang.Ndn－SIM：NDN Simulator for NS－3［R]／／PARC Technical Report NDN－0005Revision 2，2012.