基于網絡終端支持的NDN移動性管理機制

收稿日期：2022-01-21；修回日期：2022-03-28" 基金項目：河北省省級科技計劃資助項目（20314301D）；天津市科技計劃資助項目（20JCQNJC01490）；鵬城實驗室項目（PCL2021A02）

作者簡介：李卓（1984-），男，副教授，碩導，主要研究方向為未來互聯網架構、高性能路由器架構、網絡流量工程、命名數據網；毛亞春（1996-），男（通信作者），河南安陽人，碩士研究生，主要研究方向為命名數據網用戶移動性轉發管理（ymao@tju.edu.cn）；羅蓬（1984-），男，高級工程師，主要研究方向為電力系統自動化、電力物聯網技術；馬天祥（1986-），男，高級工程師，主要研究方向為配電網運行分析與配電自動化技術；趙建利（1980-），女，高級工程師，主要研究方向為智能變電站通信系統、智能信息處理．

摘 要：命名數據網（named data networking，NDN）作為一種新型的互聯網架構，旨在應對日益增長的數據流量。基于其消費者驅動的內容檢索模型，NDN自然地支持消費者移動性。然而生產者移動性仍然是一個具有挑戰性的問題，需要額外的機制來提高生產者移動期間的數據可用性。針對該問題，提出一種可擴展的移動管理機制來支持生產者移動性。該機制利用網絡終端在基于名稱的NDN轉發平面上建立了臨時轉發路徑，并設計了緩存與重傳機制支持時延容忍和時延敏感的應用數據流。最后在ndnSIM中建立了一個全面的仿真環境，對所提方案與現有解決方案進行了評估和比較。仿真結果表明，該機制能夠充分支持生產者移動性。當速度為30 m/s時，丟包率僅為3.0%，平均傳輸延時為352.1 ms。此外，支持生產者移動性所需的額外消耗對于方案相比降低了49.18%。

關鍵詞：命名數據網；移動性；轉發策略；丟包率；傳輸延時

中圖分類號：TP393.0"" 文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695（2022）09-035-2785-06

doi：10.19734/j.issn.1001-3695.2022.01.0048

Mobility management mechanism based on network terminal supporting in named data networking

Li Zhuo1，2，3，Mao Yachun1，3，Luo Peng4，Ma Tianxiang4，Zhao Jianli4

（1.School of Microelectronics，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.The Peng Cheng Laboratory，Shenzhen Guangdong 518000，China；3.The Tianjin Microelectronics Technology Key Laboratory of Imaging amp; Perception，Tianjin 300072，China；4.Electric Power Research Institute，Hebei Electric Power Corporation，Shijiazhuang 050021，China）

Abstract：NDN is a band new Internet architecture，which aims to cope with the increasing growth of data traffic.NDN brings native support for consumer mobility due to its receiver-driven content retrieval model.However，producer mobility is still a challenging issue，which needs additional mechanisms to improve the data availability during the producer’s movement.Therefore，this paper proposed a scalable mobility-management mechanism，which further extended the stateful forwarding plane of NDN to support producer mobility.The mechanism built a temporary forwarding path on the name-based NDN forwarding plane through network terminals and designed a buffering and retransmission mechanism to support both delay-tolerant and delay-sensitive data traffic.Finally，this paper set up a comprehensive simulation environment in ndnSIM for the proposed evaluation and comparison against the existing classes of solutions.The simulation results show that the proposed can fully support producer mobility in the wireless environment.When the speed is 30 m/s，the packet loss rate is only 3.0%，and the average transmission delay is 352.1 ms.Additionally，the additional consumption required to support producer mobility is reduced by 49.18% compared to the comparison scheme.

Key words：named data networking（NDN）；mobility；forwarding strategy；packet loss ratio；transmission delay

0 引言

隨著移動設備數量的快速增長，連接到互聯網的移動應用流量也迅速增加。諸如多媒體流量、語音和視頻數據等移動數據對于互聯網的需求日益增長［1］。移動性已經成為所有通信網絡的基本要求。

命名數據網［2］（NDN）是一種以內容為中心的新型網絡。在NDN中，用戶更關注內容本身而非內容的位置，同時NDN的無狀態連接和身份—位置分離特性潛在地促進了用戶的移動性。在NDN中，用戶的移動性可以分為消費者移動性和生產者移動性。前者因NDN的消費者驅動的模型可以快速滿足需求。而由于路由定位器和內容標志符之間沒有分離［3］，如何提升生產者移動性是一項重大挑戰。

生產者需要在移動過程中動態更新路由來保持路由一致性，從而接收消費者請求。但是更新全局路由信息會消耗巨大的網絡資源，也會導致消費者請求因無法到達生產者新位置而超時丟失，從而造成了長時間的通信中斷［4］。此外，在分層命名機制上，許多生產者會使用特定的前綴，生產者的頻繁移動會破壞轉發信息表（forwarding information base，FIB）使用分層名稱結構進行前綴聚合的優勢，導致路由表的低聚合度和路由表表項暴增問題。因此需要設計合理的整體解決方案以應對上述問題和挑戰。

為了支持命名數據網中消費者與移動生產者的正常通信，移動性管理機制需要解決動態追蹤生產者的位置并保持會話的連續性［1］兩個關鍵問題。當前已經提出了許多技術來解決生產者移動性問題［5］，這些技術可以分為以下五類：a）基于路由的方法［6］，其依賴路由更新來轉發NDN中的消費者請求，潛在挑戰是路由表的可擴展性和收斂時間；b）基于映射的方法［7］。其采用位置—身份分割的思想來實現一個單獨的映射，但不適合生產者的頻繁移動，同時也不適合延遲敏感的數據流；c）基于間接點的方法［8］，其通過本地代理來轉發興趣包，缺點是容易造成單點故障和三角路由問題，同時因分組封裝降低了內容倉庫（content store，CS）的利用率；d）基于主動緩存的方案設計算法使生產者將內容推送到邊緣路由器，從而可以降低生產者移動對網絡的影響，但對于實時性內容而言，該方法可能引起較高的延遲；e）基于Trace的方法［9］，其擴展了NDN的有狀態轉發平面，在移動生產者和固定服務器（rendezvous server，RV）之間建立了反向跟蹤來維持通信。該方案需要假設生產者數據在一個穩定的RV前綴下發布，同時RV的位置對方案性能的影響至關重要。此外，該方案通過大量的動態信息交換來維護臨時轉發路徑，需要在保持正常通信的同時盡量減小信令消耗。

上述方案雖然可以在一定程度上支持生產者移動性，但是也會帶來一些額外的問題。如有些機制的復雜度較高可能會影響網絡的可擴展性［10～12］或者違反了NDN范例中的位置獨立原則［13～15］。此外，有些方案不能很好地支持時延容忍和時延敏感兩種數據流量［16，17］。一些方案對消費者請求被丟棄或快速重傳的問題關注較少［18，19］。最后，生產者移動狀態的不確定性要求生產者與錨點的通信過程盡可能簡化，減小通信復雜度［20，21］。因此，設計移動性管理機制的目標就是在各種系統約束下支持生產者移動性的同時使得成本最小化，減小網絡延遲和信令消耗，提高網絡通信質量。

針對上述問題，提出了一種基于網絡終端支持的移動性管理機制NTMP。該機制利用網絡終端在基于內容名稱的NDN轉發平面上建立了有效轉發路徑，并設計了CRM-NT機制支持時延容忍和時延敏感的應用數據流。首先，NTMP設計了實時切換通知機制，利用網絡終端（network terminal，NT）對生產者進行動態跟蹤，減小了移動生產者的切換延時和消耗，最小化錨點對方案性能的影響。該通知機制擴展了有狀態轉發平面，在NDN路由器中創建/更新臨時轉發表（temporary FIB，TeFIB），建立了生產者新舊位置與網絡終端的有效轉發路徑。最后，NTMP通過緩存與重傳機制CRM-NT實現了消費者請求的緩存與快速重傳，使得消費者請求更快地從丟失中恢復。仿真結果表明，在用戶性能（例如丟包率、切換延遲、檢索時間）和網絡成本（例如切換開銷、路徑延伸）等指標上，NTMP均滿足其預先設定的目標，達到或優于現有對比方案，可以充分支持生產者的移動性。

1 NTMP移動性支持方案

為了提高移動環境下命名數據網的通信質量，設計了一種基于網絡終端支持的移動性管理機制NTMP。NTMP利用網絡終端在基于內容名稱的NDN轉發平面上創建有效轉發路徑來維持消費者與移動生產者的通信，并設計CRM-NT機制支持時延容忍和時延敏感的應用數據流。

1.1 NTMP模型和基本原理

圖1為NTMP機制分析模型，為了實現消費者與移動生產者的正常通信，NTMP機制的整體思路是：生產者在斷開網絡前和重新接入網絡后分別向NT發送包含其內容名稱的移動信息，NT則回復相應的數據包。網絡路由器根據生產者與NT的信息交互更新自身轉發狀態，重新轉發消費者請求。生產者移動期間，NTMP機制的轉發流程如下：

a）producer在移動前通過R1接入網絡中，之后向R2方向移動。producer與R1斷開前會發送移動興趣包（mobility in-terest，MI）給NT。MI中包含了一個特殊標記M，該標記代表了producer的斷開狀態。

b）R1收到MI后會根據MI的名稱前綴查詢FIB表，并按照FIB條目中匹配的信息將其轉發給NT。

c）NT收到MI后會開啟緩存功能并回復移動數據包（mobility data，MD）。MD包含了標記M，同時數據段中包含NT的專有名稱前綴。

d）R1識別MD中的標記M后會建立臨時轉發表TeFIB，并將MD轉發到下游節點。NDN路由器最終將其轉發給producer。

e）在producer斷開期間，consumer的興趣包（interest）沿著原始路徑轉發到R1后會根據其TeFIB轉發到NT。NT會記錄并緩存該interest。

f）producer通過R2重新接入網絡后會立即發送一個包含特殊標記H的移動興趣包（handover interest，HI）給NT，標記H表示producer的連接狀態。HI還用于請求在producer斷開期間NT收到的consumer的interest信息。

g）R2收到HI后會根據HI的名稱前綴查詢FIB表并轉發給NT。

h）NT識別HI中的標記H后會釋放緩存的interest并回復移動數據包（handover data，HD）。HD中包含了標記H。

i）R1識別HD中的標記H后會創建/更新TeFIB，并將HD轉發給producer。此外，R1收到consumer的interest后會查詢TeFIB/FIB并轉發。

j）producer收到HD說明臨時轉發路徑已經建立成功。producer收到consumer的interest后會立即發送數據包（data）。

k）R2收到data后會查詢PIT表的條目記錄，然后根據匹配的接口信息將其轉發到下游節點并最終返回到consumer。

l）在producer與R2連接期間，consumer的interest會通過新建的轉發路徑轉發到producer的新網絡位置，producer則原路返回data。

1.2 NTMP轉發算法設計

NTMP以最小化生產者的移動性影響為目標，通過動態更新路由器的轉發狀態來解決生產者移動性問題。NTMP設計了完整的通知機制，即移動生產者主動向NT匯報自身的移動狀態。NDN路由器利用該機制創建/更新了關于生產者內容的TeFIB表項。此外，設計了緩存與重傳機制來實現完整的生產者移動性支持機制。

1.2.1 通知消息格式

生產者的通知機制使用了特殊的移動興趣/數據包，分別是移動興趣包MI、HI和所對應的移動數據包MD、HD。如圖2所示，內容名稱字段為消費者所請求數據的名稱，該字段包含了/NT prefix和/routing prefix。/NT prefix是NT向路由平面公告的自身名稱前綴。生產者的移動興趣包通過/NT prefix被轉發給NT。/routing prefix是移動生產者的內容前綴，NDN路由器建立了該內容前綴的臨時轉發條目。tab是所添加的額外字段，用來表示生產者不同的移動狀態，該字段的作用將在下一段詳細介紹。此外，該特殊興趣包中設計了signature information名稱組件，這個組件包含了驗證生產者簽名所必要的信息（例如生產者的ID、公鑰的地址等），使得NT可以驗證數據的出處，確保/routing prefix的可靠性。

生產者的通知消息格式中添加了一個額外字段tab。根據生產者的移動狀態，該字段填充了M和H兩種標記。該字段不改變內容名稱，也不會對原本路由產生作用，只會觸發NT和NDN路由器的特殊操作：

NT在收到攜帶標記M的interest后會記錄生產者的斷開連接狀態以及該interest的序號，同時觸發緩存機制以緩存請求生產者數據的interest；NT在收到攜帶H標記的interest后會記錄生產者的接入網絡狀態以及該interest的序號，并觸發重傳機制立即釋放所緩存的對應名稱的interest。

NDN路由器會識別特殊標記并創建/更新TeFIB表項，根據不同標記，路由器在TeFIB條目中填充不同的接口。在收到攜帶標記M的data后，路由器會提取data的傳入接口信息和data中的/routing prefix創建TeFIB條目；收到攜帶標記H的data后，路由器會提取相應interest的傳入接口信息和data中的/routing prefix創建TeFIB條目。具體內容將在1.2.2節中詳細描述。

1.2.2 創建/更新臨時轉發表TeFIB

通過對NT回復的數據包MD/HD進行判斷和操作，NDN路由器創建了臨時轉發表TeFIB。如圖3所示，路由器在收到數據包后，首先將其作為一個常規數據包處理，將其與PIT條目進行匹配。如果找到匹配項，則將其轉發到下游。接下來路由器會在data中搜索tab字段。如果找到標記，則路由器會提取生產者的內容前綴/routing prefix，然后創建/更新TeFIB表項。根據不同的標簽，路由器創建不同的TeFIB條目，即TeFIB條目中添加了不同的接口信息。如果tab字段中是M標記，則路由器使用提取的/routing prefix和MD的傳入接口來建立TeFIB條目。如果是H標記，則使用HI的傳入接口建立TeFIB條目，HI的傳入接口信息記錄在PIT表項中。

NDN路由器創建/更新的FIB表稱為臨時轉發表（TeFIB），該TeFIB與路由平面創建的正常FIB表項共存，但是其優先級要比FIB高，同時TeFIB可以隨時刷新。TeFIB中設置了計時器，當TeFIB轉發條目中的計時器到期后該條目就會被刪除，或者通過更新來刷新該計時器。該舉措防止了TeFIB中的轉發表項急劇增加。

臨時轉發表的創建/更新過程依賴的是移動生產者和NT之間的經過身份驗證的興趣/數據包交換，即生產者的通知信息MI、HI和身份驗證成功后的數據包MD、HD。NT會使用簽名密鑰來驗證這類興趣包的簽名來確定生產者的身份，從而保證數據的真實性和可靠性。算法1描述了NTMP機制中TeFIB表的創建/更新過程。設pc表示生產者的內容前綴，pd表示數據包的名稱前綴。

算法1 Creating temporary forwarding paths

輸入：a data D with the prefix pd from interface M。

輸出：the data D be sent from interface N。

a） if tabD then //檢索數據包中的tab字段

b）" extract/content prefix pc from pd //提取生產者的內容名稱

c）" if tab==M then //查詢tab字段中的標記類型

d）"" extract interface M //提取接口M

e）""" if pc∈TeFIB then //查找TeFIB

f）""""" update TeFIB interface and timer

g）"" else

h）""""" create TeFIB entry

i）"" else if tab==H then

g）"""" extract interface N //提取接口N

k）""" if pc∈TeFIB then

l）""" """update TeFIB interface and timer

m）""" else

n）"""""" create TeFIB entry

1.2.3 緩存與重傳機制

NTMP設計網絡終端來動態跟蹤移動生產者［22］。NT由處于網絡邊緣的固定節點組成，該節點是隨機的用戶節點，通過提供公共接口來支持生產者移動性。此外，NTMP設計的CRM-NT機制不會影響用戶節點的正常使用，用戶節點可以隨時接入或斷開網絡，不影響主機的自主性。用戶節點在斷開網絡前可將當前的服務轉移到其他用戶節點中。

1）記錄與緩存機制

CRM-NT設計了NT的記錄與緩存功能。通過移動生產者的動態通知協議，NT會記錄生產者的切換狀態并回復相應的數據包。NT還提供了數據緩存功能，該功能由生產者的通知協議觸發是NT可以在生產者接入網絡之前緩存消費者的興趣包，避免其因超時而被丟棄。具體來說，當NT收到攜帶標記M的通知包MI后會觸發以下操作：首先，記錄生產者的斷開狀態；然后，提取生產者的內容名稱/routing prefix進行前綴公告；其次，開啟緩存功能；最后，回復數據包MD。MD中包含了NT的專有名稱前綴，用于區分不同的NT。當NT收到攜帶標記H的通知包HI后，會觸發以下操作：首先，記錄生產者的接入網絡狀態；然后，回復數據包HD；最后，NT提取HI中生產者的內容名稱，并根據該名稱查詢是否緩存請求該內容的興趣包。如果存在，則會釋放請求該內容的興趣包。

2）標記與重傳機制

CRM-NT機制設計了一種新的特殊標記C來實現興趣包的快速重傳，該標記由NT添加到其所緩存的消費者興趣包中。該標記遵循1.2.1節中的設計原則，標記C添加到緩存興趣包的tab字段中，表明該興趣包是由NT緩存釋放。當NT收到移動生產者的HI，它會查詢自身是否緩存了HI中內容前綴的興趣包。如果存在，則在觸發釋放機制時會在興趣包中添加標記C。NDN路由器在處理帶有標記C的興趣包時，會在PIT表項中記錄興趣包的傳入接口并直接轉發。具體檢索過程如圖4所示。

標記C使得消費者的興趣包在路由器中的檢索過程與正常的檢索過程不同。如圖4所示，NDN路由器在收到一個興趣包后，首先會根據其內容名稱查詢CS中是否存在匹配的數據。如果在CS中未找到則轉發到下游，路由器繼續查找PIT表。如果在PIT中發現了匹配項，路由器會把興趣包的傳入接口信息添加到PIT表項的接口列表中。然后，路由器會查詢興趣包中是否包含C標記。如果存在該標記，則按照名稱匹配在TeFIB/FIB中進行查找并轉發。

通過標記C，路由器可以實現緩存興趣包的強制轉發，解決了NT緩存的興趣包在路由器中因存在PIT表項而丟棄的問題。算法2詳細描述了NTMP機制中消費者請求的轉發策略。設pI表示消費者興趣包的名稱前綴，用于請求生產者的數據。

算法2 forwarding strategy for consumer interests（I with prefix pI）

輸入：an interest I with the prefix pI from a neighbor c。

輸出：A data D be sent back to c。

a） if pI∈PIT then //查詢PTI中的PI前綴條目

b）" add PIT interface M //添加接口M

c）" if （tab≠）∩（tab==C） then //檢索興趣包的tab字段

d）"" TeFIB/FIB longest prefix match //查找TeFIB/FIB

e）" else

f）"" drop I

g）"" forwarding（I，outface：N） //從接口N轉發興趣包

h）"" forwarding（D，outface：M） //從接口M返回數據包

i）" else

g）"" add PIT（entry：pI，interface：M） //添加PIT條目

k）"" TeFIB/FIB longest prefix match

l）"" forwarding（I，outface：N）

m）"" Forwarding（D，outface：M）

1.3 NTMP機制合理性分析

本節研究NTMP機制可以保證轉發策略的有效性和正確性。首先證明了NTMP機制創建了一條到移動生產者的有效轉發路徑，然后證明1.2.3節中消費者請求最終會到達移動生產者。

假設NDN網絡是包含V個節點和E個鏈接的圖G=（V，E）。其中，有一個節點nNT作為NT，一個節點nMP作為移動生產者，任意一個節點nC作為消費者，其余節點n∈V作為路由節點。設pNT是路由平面中nNT公告的路由前綴，pMP是移動生產者nMP的內容前綴。設節點n中的FIB表項的一組信息E=［p，n→h］，p表示FIB表項中的名稱前綴，與之對應的下一跳信息h。對于兩個節點m、n以及一組名稱前綴p，設f（p，m→n）表示m、n關于p的一條轉發路徑。

定義1 一條長度為l（l＞0）的有效轉發路徑f（p，m→n）由一系列的FIB轉發條目［e1，e2，…，el］組成，其中ei=［pi，ni→hi］，（i=1，2，…，l）。

假設n∈V：f（pNT，n→nNT），且n∈V：f（pMP，n→nMP）=［e1，e2，…，ep］。生產者斷開連接前發送移動信息MI，NT會回復數據包MD。生產者重新接入網絡后發送移動信息HI，NT會回復數據包HD。

推論1 當生產者收到數據包MD，f（pMP，nMP→nNT）。

證明 已知生產者nMP發送的MI可以沿一條長度l1的轉發路徑f（pNT，nMP→nNT）到達nNT。中間路由器n根據nNT返回的數據包MD創建了臨時轉發表TeFIB，即ei=［pi，ni→hi］∈f（pNT，nMP→nNT），（i=1，2，…，l1），都有t1（l-i+1）=［pMP，ni→hi］。因此可得f（pMP，nMP → nNT）=［t1，t2，…，tl1］。

推論2 當生產者收到數據包HD，f（pMP，nNT→nMP）。

證明 已知生產者nMP發送的HI可以沿一條長度l2的轉發路徑 f（pNT，nMP→nNT）到達nNT。中間路由器n根據nNT返回的數據包HD創建了臨時轉發表TeFIB，即ei=［pi，ni→hi］∈f（pNT，nMP→nNT），（i=1，2，…，l2），都有t2（l-i+1）=［pMP，hi→ni］。因此可得f（pMP，nNT→nMP）=［t1，t2，…，tl2］。

命題1 當生產者重新接入網絡，n∈V：f（pMP，n→nMP）。

證明 根據假設：n∈V，f（pMP，n→nMP）=［e1，e2，…，ep］、推論1f（pMP，nMP → nNT）=［t1，t2，…，tl1］和推論2f（pMP，nNT → nMP） =［t1，t2，…，tl2］。

a）由緩存與重傳機制釋放的消費者請求，即首先ep=［pMP，np→nold］，tp=［pMP，np→nnew］（ep和tp分別屬于統一節點np中的FIB和TeFIB表項），則f（pMP，nC→nMP）=［e1，e2，…，e（p-1），t1，t2，…，tl1］，然后當生產者重新接入網絡，f（pMP，nNT→nMP）=［t1，t2，…，tl2］。

b）生產者重新接入網絡后消費者發送請求，即ep=［pMP，np→nold］，tp=［pMP，np→nnew］（ep和tl分別屬于統一節點np中的FIB和TeFIB表項），則f（pMP，nC→nMP）=［e1，e2，…，e（p-1），t1，t2，…，tm，tn，t2，…，tl2］（m≤l1，n≥1且n=m+1）。

2 仿真與性能分析

為了評估NTMP移動性支持機制，通過ndnSIM模擬器［23］實現了完整機制，并對其進行了模擬和仿真。本章首先描述了仿真設置，最后對仿真結果進行了全面分析。

2.1 仿真設置

如圖5所示，用于仿真的基礎網絡拓撲由6×6的網格節點組成，并且使用點對點鏈路（P2P）相互連接。相鄰節點之間的距離為100 m。其中，每個路由節點同時作為接入點和路由器，即路由節點既可以通過有線鏈路實現用戶通信，也可以通過無線鏈路接收用戶的數據包。在有線鏈路中，設置其傳輸速率和時延分別為100 Mbps和10 ms。在無線鏈路中，其在5 GHz頻率上使用了IEEE 802.11n WiFi，無線信道采用Minstrel速率自適應［24］和對數距離傳播模型加瑞利衰落模型。無線節點（point of access，AP）的傳輸范圍設置為50 m。生產者通過AP節點連接到網絡中并在不同的接入點間切換。網絡各節點之間使用NDN協議進行通信。最后，內容消費者連接節點6，生產者的初始位置位于節點1，RV或映射服務器與節點16連接，NT連接到節點1。具體仿真參數值如表1所示。

為了評估NTMP機制的性能，設計了一個模擬生產者移動的動態場景。生產者移動規律遵循隨機游走移動模式［25］，即生產者會以恒定的速度移動固定的距離后隨機改變方向。當進入某一路由節點的通信范圍時，生產者會通過該路由節點接入網絡。在模擬仿真中，生產者在移動200 m后隨機改變方向。此外，設置生產者的移動速度為3～30 m/s，并針對不同系列速度的移動生產者執行200次仿真測試，分別記錄每次運行的數據。最后設置模擬仿真時間為100 s。在仿真過程中，消費者每秒發送一個興趣包來檢索移動生產者的數據。最后，將NTMP機制與RP［12］和KITE［8］方案進行了對比，其中RP是基于間接點的方案，KITE是基于Trace的經典方案。

2.2 性能分析

2.2.1 丟包率分析

圖6描述了各方案在用戶發包率為1 pps（packets per se-cond）時不同移速下的平均丟包率實驗結果。從圖中可以看出，在3～30 m/s的速度范圍內，NTMP的平均丟包率逐漸減小，最后穩定在3 %左右。KITE的丟包率穩定在20%左右，RP方案的丟包率則隨著速度的增加不斷上升。從原理上分析，在NTMP中，生產者斷開連接后NT會開啟緩存服務，用來緩存消費者的興趣包。此外，當生產者的移動速度較低時，其切換時間較長導致緩存興趣包的生存時間到期而被丟棄。而其速度較高時，在興趣包的有效生存時間內，移動生產者已經切換完畢，被NT緩存的興趣包可以正常轉發給生產者，從而降低了丟包率。因此，隨著移動生產者速度增加，NTMP的丟包率逐漸降低。對于KITE和RP，因其沒有設置緩存功能，且生產者在切換期間不能及時更新其位置信息，使得消費者的興趣包被轉發到生產者的舊網絡位置。因此，對比KITE和RP的丟包率比NTMP高。綜上，NTMP實現了更低的丟包率，相比于KITE和RP分別減小了14.24%和25.81%。

2.2.2 傳輸延遲分析

圖7展示了各方案在不同移速下的平均傳輸延時結果。在3～30 m/s速度范圍內，隨著移動速度增加，方案NTMP的平均傳輸延時逐漸減小，最后穩定在352.1 ms左右，方案KITE的平均傳輸延時在650 ms，RP的傳輸延時隨著生產者移速的增加而增加。NTMP的平均傳輸延時相比于KITE和RP分別減小了46.19%和56.11%。從原理上分析，NTMP設計了CRM-NT機制：首先，通過緩存功能直接減少了消費者請求的重傳次數；其次，重新設計了被緩存的興趣包的轉發規則，通過強制轉發機制進一步降低了興趣包的傳輸延時。在KITE中，消費者請求會被轉發到生產者的舊位置而丟棄，消費者需要重傳興趣包來請求生產者數據。在RP中，生產者在高速狀態下會進行頻繁的切換，因此需要在每次切換向映射服務器更新自身位置信息。此外，消費者在其興趣包過期后需要重新向映射服務器請求生產者的位置信息。該機制使得消費者獲得的生產者移動信息與生產者的移動狀態不同步。生產者的移動速度越快，消費者獲得的信息滯后性越大。因此，RP不適合生產者切換頻率高的移動環境。綜上，NTMP機制可以在生產者高速移動時維護其與消費者的正常通信。

為進一步探討NTMP機制對于生產者移動切換的支持效果，圖8和9分別展示了速度為15 m/s和30 m/s時，各個方案的消費者請求響應率的實驗結果。從圖8和9可以看出，在100 s的仿真時間內，NTMP機制中消費者收到的data的數量均高于對比方案KITE和RP。此外，從圖8和9的局部放大圖中可以看出，在移動生產者的單次切換過程中，NTMP機制恢復移動生產者與消費者的正常通信所需時間即消費者發送一個興趣包到收到對應的數據包所消耗的時間最短，其次是KITE，時間最長的則是RP。綜上，相比于方案KITE和RP，NTMP機制更能支持生產者的移動性。

2.2.3 切換消耗分析

圖10展示了各方案在不同移速下平均切換消耗的結果。從圖中可以看出，在3～30 m/s的速度范圍內，NTMP的切換消耗隨著移動速度的增加而逐漸增長，KITE的切換消耗基本穩定在100左右，RP的切換消耗也隨著速度的增加而增加，但是增長的幅度要大于NTMP。NTMP的切換消耗相比于KITE和RP分別減少了65.7%和49.18%。從原理上分析，在NTMP中，生產者在每次切換前后會發送兩次移動信息來創建/更新路由器的TeFIB。該動態機制保證了轉發路徑的有效性，并且不需要在連接期間發送移動信息維護TeFIB，減少了額外的流量消耗。此外，更新TeFIB的移動信息中設置了一組序列號來防止陳舊的更新，可以保證TeFIB表項的新鮮度。在KITE中，生產者的內容由一個RV進行前綴公告，生產者與RV之間的“跟蹤”需要定期維護，生產者需要定期發送移動信息保持轉發路徑的有效性。在RP中，除了生產者需要在每次切換時發送位置信息，消費者也需要在請求生產者內容前發送興趣包到映射服務器，該興趣包用來獲取生產者的位置信息。因此，RP的流量消耗始終要高于NTMP。同時隨著生產者切換頻率增加，消費者的請求頻率也變高。綜上，相比于方案KITE和RP，NTMP機制具有更好的切換性能。

2.2.4 路徑延伸分析

如圖11展示了在6×6基礎網絡拓撲下，消費者的興趣包在轉發過程所需要的平均跳數的實驗結果。從圖中可以看出，雖然不同速度下的平均跳數略有差異，但整體上NTMP的平均跳數比KITE方案低近15.6%。其中，方案RP的平均跳數最低，原因在于RP中的消費者可直接獲得生產者最新位置信息，并將請求沿著最短路徑轉發。NTMP的平均跳數為7.68～8.51，KITE的平均跳數為9.29～10.62。從原理上分析，NTMP引入和設計了網絡終端節點，利用終端節點的特性設計了移動生產者的切換通知機制。當生產者在網絡終端附近移動時，其路徑延伸的效果要低于利用RV作為錨點的機制，說明錨點的選擇對路徑延伸的影響至關重要。此外，NTMP和KITE的特性在于在一定情形下可以使用路徑捷徑以避免路徑延伸的最壞情況。最后，NTMP方案還利用了NT處于網絡邊緣的優勢，在小規模拓撲網絡中最小化路徑延伸對通信造成的影響。而在大規模網絡中，移動生產者也可以選擇處于不同網絡拓撲位置的最佳NT來減小路徑延伸比。

從上述的仿真結果可以看出，隨著速度的增加，方案NTMP的性能依然保持穩定，適合頻繁的生產者移動切換操作。相比KITE和RP，NTMP機制顯著降低了生產者移動引起的丟包、傳輸延時、切換消耗等性能指標，并優化了路徑延伸效果。

3 結束語

NDN是未來互聯網中很有前景的網絡架構，研究NDN中的生產者移動性對于完善NDN架構具有極其重要的意義。首先，分析了NDN中生產者移動性存在的問題和挑戰以及現存方案的局限性。隨后，提出了基于網絡終端支持的移動性管理機制NTMP，描述了NTMP機制的原理、架構和轉發算法。NTMP機制引入網絡終端節點代替傳統的服務器節點，并設計切換通知機制來實時追蹤生產者，提高了移動生產者的切換通知效率，有效降低網絡中臨時轉發表TeFIB的更新次數，降低了移動切換造成的網絡消耗。通過創建臨時轉發路徑，減少了全局路由更新次數，提高了網絡中移動內容的可用性。此外，CRM-NT機制改進了緩存興趣包在路由器中的檢索過程，降低了消費者興趣包的平均傳輸延時。最后，仿真結果表明，NTMP能夠充分支持無線網絡環境下的生產者移動性，降低了移動生產者引起的丟包率、檢索延遲，同時用于支持生產者移動性所需的額外消耗更少，并且有效降低了路徑延伸指標。在性能指標方面均達到或優于對比方案。

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