基于NDN體系的廣播電視網絡的研究※

齊寧，趙宇，李卓

（天津大學電子信息工程學院，天津300072）

引 言

隨著互聯網上應用的不斷發展，現有基于TCP／IP的互聯網暴露出許多問題，例如不安全、移動性差、可靠性差、靈活性差、內容分發的擁塞越來越嚴重，為了解決這些問題，有關人士提出了命名數據網絡（Named Data Networking，NDN）［1]。NDN以命名數據來替代命名主機，通過路由器緩存內容，進行內容的傳遞和分發，數據傳遞效率比現有的IP網絡更高。另一方面，廣播電視網絡正在進行數字化雙向改造，對于內容的分發和緩存要求較高，需要廣泛實現傳輸內容的共享，但網絡帶寬漸漸不能滿足人們的需求，網絡的擁塞和延時也急待解決，而NDN網絡的優點恰恰可以彌補廣電網的缺陷問題。本論文把NDN網絡的優勢和廣電網絡相結合，根據廣電網絡的理論設計出符合實際的網絡拓撲模型，在基于NS－3的ndnSIM仿真器上仿真出NDN網絡拓撲結構圖，測試網絡的通信質量，實驗證明，廣電網和NDN網絡相結合是可行的。

1 背景介紹

1.1 NDN及其工作機制

NDN是由加州大學洛杉磯分校Lixia Zhang團隊為首開展的研究項目，由NSF Future Internet Architecture（FIA）資助，是信息中心網絡（Information－centric Networking，ICN）［2]理論的具體實現。NDN采用名字路由，以命名數據來替代命名主機，實現由面向主機轉變為面向內容的網絡，從而使數據傳輸效率更高，滿足資源密集應用需求。NDN體系結構保持沙漏模型［3]，采用7層結構，與TCP／IP的主要區別就是用Contentchunk代替了IP。網絡中內建存儲功能，用來緩存經過的Data包，傳輸時可以加快其他請求用戶訪問數據包的相應時間，同時減少流量的產生［4]。

在NDN中主要的數據包有兩種類型：Interest和Data（見圖1）。

圖1 NDN包類型及格式

Interest包由三部分組成：內容名，選擇選項（優先選擇、發布者過濾、范圍等），隨機時間值。其中，內容的標識名就是NDN的地址，可以利用前綴機制來定位信息。隨機時間值用于檢測重復的包并將其丟棄。Data包由簽名、名字、簽名信息和數據4部分組成。NDN直接保護數據的安全，所有的內容都經過數字簽名認證。名字部分與興趣包相同，簽名信息中包含內容發布者公鑰［5]的摘要、時間標簽和內容類型。

NDN節點主要包含內容存儲器（CS）、待定請求表（PIT）和前向轉發表（FIB）。節點轉發模型如圖2所示，當一個包到達一個Face（端口），利用名字進行最長前綴匹配查找。首先匹配CS，若有，則響應并丟棄Interest；其次匹配PIT，若有，則在PIT響應條目中增加Face，并丟棄Interest；最后匹配FIB，向所有匹配的Face轉發Interest，并在PIT表中記錄，如果沒有則丟棄［6]。

圖2 NDN轉發模型

緩存機制［7]可以幫助減少內容下載時延和網絡帶寬占用。與IP不同的是，IP路由器在完成數據轉發就會將存儲的數據清空，即MRU策略，而NDN路由器能夠重復使用數據，方便請求相同數據的用戶，NDN采用LRU（Least Recently Used）或LFU（Least Frequently Used）替換策略來最大限度地存儲重要的信息，減少不必要帶寬需求和初始服務器負載。

（2）路由轉發機制

NDN網絡的路由轉發機制［8]可以解決當前IP網絡中地址空間耗盡、NAT穿越、移動性和可擴展的地址管理等問題。當有多個興趣包同時請求數據時，路由器只會轉發第一個，并將請求存儲在PIT中。當數據包傳回時，路由器會在PIT中找到匹配條目，向對應接口轉發［4]?，F有的路由策略主要有全轉發策略、隨機轉發策略、自適應轉發策略［9]和蟻群轉發策略［10]。其中蟻群轉發策略為最優，通過發送嗅探報文得到一條最優路徑。

1.2 廣電網絡及其拓撲研究

1.2.1 有線電視雙向改造

我國的有線電視網主要是HFC（混合光纖同軸電纜網），隨著“三網融合”的提出和推進，電信網、廣播電視網、數字電視網通過改造，實現網絡互聯互通，資源共享，信息服務將由單一的業務轉向文字、語音、數據、圖像、視頻等多媒體綜合業務，拓展了業務提供的范圍，網絡性能得以提升，資源利用效率將進一步提高。雙向改造已然成為了廣播電視網的必然發展趨勢。

1.2.2 網絡設計的原則［11]

有線電視網絡的改造設計需要考慮許多因素，例如當地經濟、文化發展、地理條件等等，網絡的設計需要達到以下幾個要求：標準性、實用性、可靠性、經濟性。

1.2.3 網絡拓撲

例11：學生設計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，勾選覆疊選項，覆疊的類型設置為“色度鍵”，吸取背景色作為色度鍵，調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仿真動畫和實景相融合，虛擬和現實相得益彰。更真實、更清晰、更有效地向評委展示了這種創新的輸送裝置在高層樓房實現垂直輸送貨物的過程。

通信網的拓撲結構是指構成通信網的節點之間的互連方式?；镜耐負浣Y構有：星形網、環形網、網狀網、總線型網、復合型網。

每種拓撲結構都有各自的特點：星形網可以降低傳輸鏈路的成本，提高線路利用率，但網絡可靠性差，適合可靠性要求不高、低成本的場合；環形網結構簡單，容易實現，有自愈環結構可以對網絡進行保護，但環形結構不容易擴容，轉接時延不好控制，主要用于局域網、光纖接入網、城域網等網絡；網狀型網可靠性高，但線路利用率低，網絡成本高，擴容不方便，適合于節點數目少但可靠性要求較高的場合；總線型網控制方式簡單，節點通信容易，但穩定性差，節點數目不宜過多，網絡覆蓋范圍較少；復合型網兼有網狀和星形網的優點，網絡結構穩定，適合規模較大的局域網。

2 基于NDN的廣電網的優化分析

廣電網絡全程全網需要保證：成本最優化、安全性、高帶寬、高可靠性、傳輸距離遠、支持各種組播協議。在實際的廣電網絡中，存在一些瓶頸問題，而這些問題可以利用NDN的以下優勢來解決：

①數據包命名規則［12]。NDN采用層次化的名字命名數據，類似于目前的URL命名方案，結構為“前綴＋內容類型＋內容名稱＋其他信息”，這種IP地址分級聚合，在擴展上有一定的優勢，名字的聚合便于實現信息的匯聚。NDN的名字能體現的信息量遠遠多于IP地址和端口號，這個特點使NDN的通信效率更高。例如，在廣電網傳播信息的時候，可以將請求包中的所有信息（URL、參數、cookies、安全密鑰等）簡單包含在興趣包的名字中，只需要傳輸2個包就可以完成，而采用現有網絡傳輸則至少需要5個包，明顯可以減少信息量，提高傳輸速率，減少承載壓力。

②緩存和路由轉發［3]?，F有的網絡路由器也有緩存機制，但是在完成數據轉發前會將存儲的數據清空，而NDN緩存機制，會存儲在節點中，如果有一個興趣包請求，那么存儲有同一內容的節點都可以共享數據包。隨著用戶的增多和對傳輸效率的要求提高，廣電網絡的帶寬需要大幅度的提高，網絡擁塞嚴重，下載內容的延時也需要盡量減至最小，而NDN的緩存機制可以幫助減少內容下載時延和網絡帶寬占用，并且存儲大量重要的信息。這對于廣電網來說很有利用價值，既能夠提高效率，又可以減少拓展帶寬和服務器維護的成本。另外，在轉發方面，NDN已經有一些路由策略，通過算法來獲得內容傳輸的最優路徑，避免請求報文的無意義泛洪造成的冗余流量，進一步提高通信的效率。

③安全方面。網絡的安全包括接入層面的安全和內容層面的安全，廣電網絡是一個廣播型的網絡，傳輸數據很容易被黑客截獲，因此傳輸數據的保密性非常重要。對于諸如電視支付這類增值業務，由于涉及用戶、商家和銀行之間的信息傳輸，如何保護用戶信息、密碼等敏感數據的安全可靠傳輸很重要。NDN的安全機制是基于內容的安全，對內容進行保護，而不是像傳統IP網絡一樣保護網絡和鏈路連接的安全。在NDN中，所有的內容都是經過數字簽名認證的，個人內容需要經過加密保護，要想得到內容，需要先得到授權使用該內容。因此，無論誰截獲了經過的信息都沒用，只有授權的用戶才能解密。

④流量調節。當今IP網絡并沒有充分考慮網絡中的流量擁塞和控制問題，導致互聯網幾近崩潰，其流量調節要依靠端的傳輸協議，網絡本身的設計沒有考慮。而NDN具有自然的流量調節能力，在數據轉發時，可以根據鏈路狀況選擇轉發策略，來對整個網絡流量進行調節均衡［3]，這對于一個穩定的廣電網絡是必不可少的。

3 仿真分析

3.1 拓撲環境和網絡設計

根據廣電網絡的特點和實際情況，利用NDN網絡的優勢設計了如圖3所示的在基于NS－3平臺的ndnSIM仿真器［13]下生成的拓撲圖，一共有37個節點，模擬的是廣電網絡的骨干和一級、二級節點網絡。

圖3 NS－3平臺下搭建的網絡拓撲

骨干網絡采用網狀型，可靠性高，節點要求較低，一個中心節點作為總服務器，還有4個分節點；下級網絡分別采用了網狀型、總線型、星形、樹形是考慮到各個城市的不同經濟文化和地域情況，將各種類型完善地設計出來。為了保證網絡干線上的通信傳輸，骨干網上一個中心節點和下級4個節點之間相連，分配帶寬4G，4個節點之間帶寬也是4G，既可以采用滿足要求的設備，同時可以最大的提高數據傳輸的能力。一級網絡中，網狀型有4個節點，分配帶寬為1G，適合于帶寬要求高，數據處理速度要求快的場所；總線型一級節點有4個，分配帶寬為1G，二級節點7個，分配帶寬為500M，適合小范圍的網絡；星形網節點有5個，分配帶寬為500M，可以根據實際需要增加或減少節點，使用比較靈活；樹形網下分三級節點，一級節點分配帶寬2G，二級節點分配帶寬1G，三級節點分配帶寬500M，適合網絡分支比較繁瑣的地區。

3.2 仿真測試

在拓撲圖文件中，設定了Node（節點）、Bandwidth（帶寬）、Metric（度量）、Delay（延時）、Queue（傳輸的最大數據包隊列大小）。

①首先進行兩個節點之間的通信，選擇0節點為源節點，21節點為目標節點，測試結果如圖4所示，實驗證明，傳輸速度符合帶寬的設定，延時也在網絡可以承受的范圍之內。

圖4 兩個節點通信

②然后進行全網通信，選擇0節點為源節點，其余均為目標節點，進行測試，結果如圖5所示，實驗證明，進行全網通信時，網絡傳輸數據穩定，速度快。

圖5 全網通信

③通信測試之后，利用ndnSIM網站提供的tracer程序，將第一個實驗的節點0、節點2、節點9、節點13、節點21的傳輸數據生成tracer文件，輸出Ininterest、Indata、Outinterest、Outdata傳輸包的大小，利用R軟件進行分析，顯示結果如圖6所示。實驗證明：每個節點總輸入數據包和總輸出數據包幾乎相等時，數據包丟失率很低，說明數據傳輸很穩定。

圖6 數據包傳輸結果

以上實驗測試表明，廣電網絡是可以和NDN網絡結合的，NDN網絡的緩存機制，使得數據共享和傳輸的速率大大提高。在實際廣電網絡中，節點數量龐大，網絡擁塞嚴重，而采用NDN網絡則更有利于資源的利用，減少擁塞的產生，提高帶寬利用率，減少延時，滿足用戶的需求。

結 語

本論文通過基于NS－3平臺的ndnSIM模擬器仿真測試了廣電網絡的通信質量，證明NDN網絡既可以滿足帶寬的需求，也可以提高網絡傳輸速率，與廣電網絡結合是可行的。根據目前的仿真結果，確定了下一步研究計劃，即改進底層應用通信協議，完善緩存和轉發策略，實現真實環境下廣電網絡的通信測試和性能比較。

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

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