基于節點活躍度的命名數據自組網包轉發策略

中圖分類號：TP393.1 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）08-067-11

doi：10.11835/j.issn.1000-582X.2025.08.006

Node activeness-based packet forwarding strategy for named data mobile ad hoc network

LAI Junyula，ZHU Junhongl，ZHENG Xiaohuila，LIU Zhela，XIAO Han2 （la.School of Aeronautics and Astronautics; 1b.School of Computer Science and Engineering， University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 611731，P.R. China;2. Institute of Computational Aerodynamics， China Aerodynamics Research and Development Center， Mianyang，Sichuan 6210o，P.R.China）

Abstract： To enhance the quality of service （QoS） in named data mobile ad hoc network （NDMANET），this paper proposes a novel node activeness-based packet forwarding （NAPF） strategy designed to mitigate performance degradation caused by the network’s time-varying topology. The proposed NAPF strategy periodically calculates andupdates the activeness levels of all participating nodes，prioritizing nodes with higher activeness for forwarding and caching interest and data packets.A simulation platform is developed using the open-source NS-3/ ndnSIM framework to conduct comparative performance evaluations among default flooding，shortest path routing，and the proposed NAPF strategy. Experimental results indicate that in medium-to high-mobilityscenarios， the NAPF strategy significantly reduces average request delay，improves response ratios，and decreases bandwidth consumption， with only a modest increase in node storage usage.

Keywords： named data mobilead hoc network （NDMANET）； forwarding strategy;node activeness; network simulation; quality of service（QoS）

命名數據移動自組織網絡（named data mobile ad hoc network，NDMANET），它是以信息中心網絡（information centric networking，ICN）中最具代表性的命名數據網絡（named data networking，NDN）技術與傳統移動自組織網絡（mobile ad hoc network，MANET）為基礎，融合形成一種全新的自組織網絡結構。NDMANET可有效緩解基于TCP/IP協議簇的無線移動自組織網絡中一系列問題，主要包括：高丟包率、高誤碼率、建立通信路由持續時間短和頻繁中斷等。原因主要有以下幾方面：1）傳統IP網絡依靠IP地址來標識和定位網絡節點（包括主機和路由器），構建節點到節點的連接路由，實現面向連接（connection-oriented）和盡力（best-effort）交付的數據傳輸服務。然而，MANET網絡節點具有移動性，其位置可能持續動態變化，無法依靠IP地址對其準確定位。因而，在低動態場景應用廣泛的TCP/IP協議并不適合中高動態MANET應用場景;2）ICN是未來網絡結構的重要組成部分，作為其典型實現，NDN技術采用\"接收者驅動\"模式，實現異步通信，無須建立和維護節點之間連接。此外，NDN引人了網絡緩存技術，顯著提高每個網絡節點對無線信道的利用效率，因此，該方法可有效減少無效請求的數量，同時縮短接收請求內容的等待時間。低時延、高穩定的通信鏈路能顯著提升系統的任務執行效率，同時增強系統的整體可靠性和魯棒性[2]。對于中高動態MANET場景，例如應急救災場景與無人機蜂群場景，NDN協議比IP協議更能滿足數據傳輸的應用需求。目前，許多研究人員正在探索使用NDN技術來構建各種移動自組織網絡，例如普通的移動自組織網絡、軍事領域的MANET和汽車自組織網絡[4]（vehicularadhocnetworks，VANET）。

隨著NDMANET技術的發展，該研究方向受到越來越多研究者關注，有效的路由轉發策略能大幅提高網絡性能和服務質量。洪泛（flooding）策略[和最短路徑路由（shortest path routing）策略是NDMANET使用的信息包轉發策略，其對網絡性能和可靠性起著至關重要作用。這些轉發策略是基于先前在有線網絡中的ICN/NDN實踐而來，尚未充分優化以適應高度動態的無線網絡鏈路和拓撲特點，還有性能改進的潛力。為提高NDMANET網絡的性能，參考容斷/容延網絡（delay/disruption tolerant network，DTN）中的“節點活躍度（node activeness）\"理念，將其融入NDMANET的路由轉發策略，應對頻繁鏈路中斷和網絡拓撲變化等挑戰。該策略依照定期監測各節點的活躍度，將其分高低2檔，僅使用活躍度高的節點存儲、轉發信息包，提高包轉發效率，減少傳輸無效信息帶來的網絡帶寬浪費。總的來說，貢獻可總結為以下3個方面：

1）筆者創造性給出了一種基于網絡節點活躍度的信息包轉發策略。這一技術具有良好的兼容性，只需要把節點活躍度信息增添進原生信息包中，不需要對網絡協議架構做出調整；

2）通過開發基于NS-3/ndnSIM的轉發策略仿真測試程序，可有效評估NDMANET網絡中不同類型包轉發策略的性能，更好地實現高效傳輸；

3）研究對經典的flooding策略、shortest path routing策略及筆者提出的策略進行性能比較，從實驗結果得到，MANET環境的動態水平偏中上時，提出的策略通過適度提升節點存儲容量，維持較低的平均請求延遲，提高請求響應率，降低網絡帶寬的消耗。

1背景

概述基于NDN協議的MANET，另外介紹NDMANET的2種常用轉發策略，最后探討信息包傳輸技術面臨的困難和挑戰。

1.1基于NDN協議的MANET

MANET是典型的對等無線通信網絡，很容易遭受無線環境中頻道衰減和陰影等環境因素的干擾。目前，“數據鏈路層（OSI模型的L2層）\"提供了介質訪問控制（medium access control，MAC）策略，可完成CSMA/CA和TDMA2種方法的傳輸，防止在無線信道上發生沖突，提高系統的可靠性。MANET的“網絡層（OSI模型的L3層）\"通常使用IP協議為主，盡管它在固定網絡中取得巨大成功，但在適應高動態性MANET應用場景時存在局限性。首先，基于IP協議的MANET是一種主機中心網絡（host-centric network，HCN），其中IP地址是節點的身份標識符，用來定位節點在網絡拓撲中的位置。然而，當MANET節點脫離自組織網絡時，其位置無法被定位，原本建立的通信路徑也會隨之中斷。此外，為了保持節點間的關聯性并實時更新位置，移動節點需要生成大量的控制信令，這種機制會大幅消耗網絡帶寬資源，增加網絡負載，導致網絡性能下降。同時，MANET基于IP協議的“發送方觸發”傳輸方式，可能無法充分利用發送方及路徑中繼節點的信道資源，難以構建反映網絡全局狀態的最優轉發路徑，限制了IP協議在MANET中的高效應用。

1.2NDMANET常用轉發策略介紹

當前NDMANET中廣泛采用的包轉發策略主要包括洪泛策略和最短路徑路由策略。

1.2.1 洪泛策略

洪泛策略是一種在NDMANET中常見的數據傳輸方法，核心是通過廣播方式實現數據在網絡中的傳播。當某個節點需要特定數據時，它會生成一個興趣包（interest packet），在興趣包中包含所需要數據的名稱，通過無線網絡廣播給鄰近節點。收到興趣包的鄰居節點會解析包中的信息，判斷是否需要轉發該數據。若需要，則繼續廣播興趣包;若不需要，則直接丟棄。這一過程會在網絡中不斷重復，直到興趣包到達包含目標數據的節點。目標節點在接收到興趣包后，會生成相應的數據包，將其返回給最初發出興趣包的節點。在網絡拓撲較為穩定的情況下，洪泛策略能夠快速、高效定位所需要數據。然而，當網絡具有較高動態性時，為適應拓撲變化，興趣包的傳播次數可能顯著增加，導致網絡擁塞和帶寬資源浪費。

1.2.2最短路徑路由策略

在NDMANET中，最短路徑路由策略類似于洪泛策略，但引入了距離值的考量。當一個用戶節點需要發送數據包到目標節點時，它首先廣播一個興趣包，包含了額外信息用于計算與中繼節點的距離值（consumer distance，cd）。生產者節點接收興趣包后，在生成的數據包中插人距離值，而中繼節點在接收數據包后，提取出自身到生產者節點的距離值（producer distance，pd）和生產者到用戶節點的最短距離（minimumdistance，md）。然后，中繼節點根據不等式 cd+pd?md 判斷是否繼續傳輸數據包，以選擇最佳路徑。這種策略有助于提高網絡效率，減少冗余傳輸，有效管理數據在無線自組織網絡中的傳輸。在大多數NDMANET網絡中，包轉發策略通常未充分考慮到MANET網絡的性質，為提高網絡性能，引人一種創新性概念，即“節點活躍度”。

2 研究現狀

對于MANET網絡中具有移動特點的節點，其網絡拓撲會實時變化，網絡鏈路會頻繁中斷，導致網絡出現高丟包率、高誤碼率和高延遲，嚴重影響網絡性能。近年來，也有學者提出了分簇式協議，但是分簇式協議對簇首節點的依賴大、耗能高，無法完全解決基于IP協議的MANET網絡問題。NDMANET是一種將NDN技術與MANET網絡融合的新型網絡架構，繼承了基于NDN固網場景的包轉發策略。目前，主要的興趣包和數據包轉發策略可以分為2類：一種是盲目轉發策略，它們不考慮網絡拓撲狀態;另一種是感知轉發策略，它們依賴于采集相鄰節點信息或通信路徑信息，下面對其進行詳細介紹。

盲目轉發策略是一種與網絡拓撲無關、無須維護路由信息的策略。當前主要的盲目轉發策略包括：默認洪泛、智能洪泛和定時器等待[等。默認的洪泛策略采用了多跳中繼和廣播方法，，把原始數據包傳遞給所有能到達的網絡節點，以達到最高限度的數據傳送。盡管這種方法具備更多信息傳輸路徑，但同時也容易引發整個網絡的廣播風暴，占用和浪費大量的網絡帶寬資源。智能洪泛策略通過設置網絡節點轉發接口狀態以改進包轉發策略性能，但這種策略依然會帶來較重網絡帶寬消耗。定時器等待策略在網絡節點內為各發送端口設置隨機等待時延，降低其產生廣播風暴的幾率，但依然無法解決冗余信息的傳輸問題。Wang 等[]直接使用基本洪泛轉發策略實現MANET中興趣包的轉發，用戶節點可以在無線開放信道中直接以廣播方式，洪泛興趣包直至在生產者節點或中繼節點上發現所請求的數據包，而生產者節點或中繼節點則可以依據其PIT表所記錄的興趣包接收端口信息，將此數據包反饋給用戶節點。此策略復雜度低、實現簡單，但由于興趣包和數據包傳輸冗余路徑多，易造成相鄰節點間的信道沖突和競爭，降低帶寬的有效利用率。因此，盲目轉發策略需要進一步改進，提高其在MANET網絡中的興趣包轉發效率。

感知轉發策略是以內容源和鄰居等信息為基礎實現包轉發的一種策略。先偵聽后廣播（listen firstbroadcast later，LFBL）策略[12-3]引人了距離表，用于記錄當前節點與其他節點之間的距離信息，做出相應的轉發決策。在LFBL策略框架下，用戶節點通過廣播興趣包與中繼節點交互。中繼節點接收到興趣包后，會解析其內容，計算用戶節點與自身之間的跳數，并對距離表進行更新，針對由生產者發出的數據包，以及由中繼節點傳遞的信息包，LFBL策略均采用一種基于距離感知的方法，選定最佳的轉發節點，執行興趣包的轉發任務。LFBL轉發策略是一種與網絡拓撲完全無關的轉發協議，性能完全依賴于所選擇的距離尺度。文獻[14]所提策略通過采集地理位置信息選擇合適的轉發節點進行數據傳輸。Kuai及其團隊[15通過統計車聯網整體節點密度選擇最佳的轉發路徑。Anastasiades 等[u-17提出一種代理輔助內容獲取方法，通過選擇可能與發送節點相遇的節點作為代理，優先進行數據轉發和存儲，利用節點移動特性實現高效傳輸。Al-Omaisi等[8引人了一個多層次框架，設計高效的VANET-NDN數據傳輸解決方案。Li等開發了一種基于SDN命名的數據網絡路由機制，通過分布式控制器優化全局路由選擇。董謙等[20]創新性地構建了一種集中控制的流量調度策略，通過選擇資源充足的節點作為控制節點，負責收集全局路由信息以支持更精確的決策。總體而言，感知轉發策略依賴網絡信息的收集輔助決策，然而，感知信息具有時效性，該策略更適合節點移動速度較慢或拓撲相對穩定的網絡環境，在中高度動態的NDMANET網絡場景中不太適用，因此，其應用范圍存在一定限制。

近年來，已經開始在DTN網絡傳輸策略中采用基于節點活躍度的轉發決策方法。崔波[黃宏程等[2]提出一種適用于高動態命名數據容遲網絡的方法，該方法通過維護鄰居表來評估節點的活躍度，并通過定期廣播hello包獲取鄰居節點的數量。基于所獲得的數據，中繼節點被細化成了2類：一類是臨時節點（僅進行轉發而不存儲）;另一類是永久轉發節點（多次轉發）。盡管該協議能夠穩定確保信息在節點機會性通信環境下實現高效的數據傳輸，但在某些情況下可能會引發網絡擁塞問題。李建鐸等[22提出一種DTN路由算法，通過分析節點的關鍵特性來選擇最優的消息中繼節點，并結合節點的剩余能量、活躍度和緩存空閑率等因素進行綜合決策。潘冬等2]對復雜的DTN網絡進行區域劃分，針對中繼節點、擺渡節點和普通節點等不同類型的中間傳輸節點，分別設計相應的活躍度統計算法。經過試驗測試，盡管該算法在一定程度上改善網絡傳播的性能，減少傳播時間，但同時顯著增加了網絡流量開銷。NDMANET與DTN非常相似，都具有鏈路頻繁中斷和網絡拓撲時變的特點。因此，為了提高NDMANET的包轉發性能并解決這些負面影響，在NDMANET的包轉發策略中引入“節點活躍度\"概念，提高網絡服務質量。

3基于節點活躍度的包轉發策略

在中高動態的NDMANET中，為應對其拓撲的動態變化特性，基于“節點活躍度\"理念，筆者提出一種新的NDMANET包轉發策略。研究內容將分為以下幾個部分：首先，闡述節點活躍度相關概念及其在DTN網絡包轉發策略中的應用;隨后，提出一種面向NDMANET網絡的基于節點活躍度的包轉發策略，深入解析其設計原理及具體實現流程；最后，對該轉發策略的優劣勢進行定性分析。

3.1 節點活躍度定義

節點活躍度指的是無線網絡中的可移動節點在單位時間內遇到鄰居節點的平均數量。節點的活躍度越高，與其他節點相遇、建立連接進行通信的可能性越大;反之，節點活躍度越低，與其他節點相遇及建立連接的可能性也越低，通信的機會相應減少。DTN網絡的特點是拓撲分割、節點機會性相遇、內容提供者未知，為減少冗余數據包傳輸和網絡帶寬的浪費，之前的研究是通過節點活躍度決定DTN網絡中的包路由轉發。DTN網絡所采用的是以節點活躍度為基礎，選擇活躍度較高的節點來保存及轉發包的路由轉發策略，降低因傳輸額外包所造成的網絡帶寬資源浪費，也能提高成功傳輸數據的概率。為了準確計算節點的活躍度，節點需要統計它在某一時間段內遇到過的鄰居節點數目，基于此信息推算出節點的活躍度水平。此外，網絡節點間需要通過消息傳遞機制來共享它們的活躍度信息。

3.2策略設計原理

在中高動態MANET應用場景中，節點位置的移動會導致網絡拓撲發生變化，引起節點周圍鄰居節點的動態變化，導致節點活躍度發生改變。為減輕傳輸節點間大量交互信息帶來的網絡擁堵，確保節點活躍度的計算準確性，網絡節點需要根據網絡拓撲動態變化的劇烈程度，定期刷新活躍度，提供更可靠準確的包轉發決策支持。對于NDMANET網絡場景，提出依賴網絡節點活躍度的包路由轉發策略，主要的路由轉發過程為：首先，修改（更新）興趣包和數據包內發送者信息，再向本節點通信范圍內所有鄰居節點進行廣播;其次，對發送者信息讀取以及節點活躍度進行比較，判定該節點是否能存儲及轉發該興趣包或數據包。

原生NDN網絡架構定義的興趣包格式包括4個字段：名字、選擇器、一次性隨機數以及指示器。用戶生成興趣包并將其發送至網絡，中繼節點接收到興趣包后，根據其名稱繼續向數據生產者轉發，若興趣包到達的某個節點（這個節點可以是中繼節點或者生產者節點）含有它所請求的數據，那么這個節點將會返回一個包含4個字段的數據包，這4個字段分別是：名字、元數據、內容和簽名。如圖1（a）展示了上面描述的興趣包和數據包的格式。因為在NDMANET網絡中實現以節點活躍程度為基礎的包轉發策略，每一個網絡節點的活躍程度值都需要被精確統計，因此，需要對NDN網絡的原生興趣包和數據包進行字段擴展，以便接收節點能依據新增信息做出轉發權限的判斷，興趣包和數據包在擴展后分別新增3個字段，如圖1（b）所示。

1）節點標號（NODE_ID）。該字段用于記錄發送信息包節點的網絡接口MAC地址（作為節點標識符），為接收節點計算自身活躍度提供支持；

2）節點活躍度（NODE_ACT）。該字段記錄發送信息包節點的無線通信范圍內鄰居節點的數量，為發送節點與接收節點間的活躍度比較提供依據。通過比較，接收節點可以判定自身是否具備信息包轉發的必要條件；

3）特殊節點標記（SPE_ID）。此字段用于標識興趣包和數據包的發送者是用戶、生產者還是其鄰居節點。若是用戶或是生產者，則把該特殊節點標記設置為2;若是用戶的鄰居節點或是生產者的鄰居節點，則把該特殊節點標記設置為1;否則把該特殊節點標記設置為0。在某些特定場景中，盡管接收節點的活躍度較低，但若直接能與特殊節點建立通信連接，該特殊節點標記仍可用于判定其轉發權限，以便興趣包和數據包及時到達消費者或生產者節點。

圖1興趣包和數據包擴展前后結構示意圖

Fig.1Diagram of interest packet and data packet structures before and after extension

3.3轉發策略實現流程

基于原生命名數據網絡（NDN）系統中興趣包和數據包的類型差異，筆者設計了2種不同的處理實現流程。具體如下：

NDMANET節點接收到興趣包時，會根據名稱字段判斷是否因廣播導致環路重復，若重復則丟棄，否則檢索PIT表。若PIT表中不存在與該興趣包名稱相同的條目，則將其作為新條目添加到PIT表中。同時，節點會在其\"內容存儲”中查找該興趣包請求的內容。若在內容存儲中找到匹配信息，則通過接收該興趣包的接口將對應數據包轉發回去;若找不到匹配信息，則繼續通過網絡廣播將該興趣包向外路由轉發。

對于數據包，當網絡節點接收到一個數據包時，會首先查詢其PIT表。若發現表中存在與數據包名稱匹配的興趣包記錄，則將數據包儲存到“內容存儲”中，并依據PIT表中指定的接口進行轉發;若未找到匹配的興趣包記錄，則丟棄該數據包。圖2展示了轉發興趣包及數據包策略的實現流程。

圖2原生興趣包和數據包實現流程圖

在NDMANET網絡中，筆者提出基于節點活躍度的包轉發策略。網絡節點會在接收到包之后檢查和分析所有的新增字段，確保在發出興趣包或數據包之前，確定存儲或轉發的權限。圖3的偽代碼詳細展示了處理過程。

Fig.2Flowchart of the implementation process for native interest packages and data package！

圖3基于節點活躍度的包轉發策略偽代碼

Fig.3The pseudo code of node activeness-based packet forwarding strategy

1）信息包（包括興趣包和數據包）接收階段

當節點收到一個信息包后，提取其節點標號（NODE_ID）并檢查鄰居標號數組（NODE_NEIGHBOR[1）中是否存在該標號。若不包含，則將其按順序插入到鄰居標號數組，將節點活躍度值（node.act）加1;若包含，就會忽略這個處理步驟。接下來，節點按照原生NDN網絡的相關處理流程對接收的信息包進行處理。需要特別注意的是，當節點接收到數據包且PIT表中無對應興趣包條目時，仍需要將其存入“內容存儲”，以利用節點移動性提高數據包成功傳遞的概率。

2） 信息包轉發階段

首先讀取接收信息包的特殊節點標記（SPE_ID），若該標記的值為1或者2，節點會將該標記的值減1后，進入原生NDN網絡的轉發流程;若該標記的值為0，節點會比較信息包的節點活躍度值（NODE_ACT）與自身的活躍度值（node.act）大小，當node.act值大于或等于NODEACT值時，節點會對該信息包進行轉發，反之則會停止對該信息包進行轉發。在這種情況下，活躍度較低的節點雖然接收到數據包，并將其緩存到“內容存儲\"（content storage，CS）中，但不會向鄰居節點廣播。隨著節點移動、網絡拓撲不斷變化，節點活躍度可能會提高，在接收到所對應的興趣包后參與數據包路由，提升數據請求成功概率。

4性能測試與分析

研究采用計算機仿真（simulation）的方式，對提出的基于節點活躍度的包轉發策略、NDMANET網絡的默認洪泛轉發策略和先偵聽后廣播的包轉發策略進行性能對比評估。評估中選取了4個主要對比指標，包括：請求響應率（response rate，RR）、平均請求時延（average delay，AD）、網絡帶寬使用量（bandwidth usage，BU）以及節點存儲消耗（node storage consumption，NSC）。以下將對這些指標的具體定義進行詳細說明：

1）請求響應率。請求響應率是指在特定仿真時間內，用戶節點在目標NDMANET網絡中成功接收與其發送的興趣包數量的比值，其中，發送的興趣包數量不包含重傳興趣包，即

式中： NUM_{received-Data} 表示接收到數據包的數量; ΔNUM_sent-Int 表示發送興趣包的數量。

2）平均請求時延。平均請求時延指在特定仿真時間內，目標NDMANET網絡中從用戶節點發送一個興趣包開始到該節點接收到請求數據包的時間間隔均值，即

式中： T_{i，received-Data} 表示第 i 個數據包到達時間; T_i，sent-Int 表示第 i 個興趣包發送時間; NUM_{reccived-Data} 表示接該時段內收到數據包的數量。

3）網絡帶寬使用量。網絡帶寬使用量指在特定仿真時間內，目標NDMANET網絡中所有節點發送的信息包總量。

4）節點存儲消耗量。節點存儲消耗量指在特定仿真時間內，目標NDMANET網絡中所有節點緩存的數據包總量。

4.1仿真程序研發

基于學術界廣泛使用的開源仿真軟件NS-3及NDN網絡擴展工具ndnSIM，開發了一套專門針對NDMANET網絡設計的仿真測試程序。表1中詳細列出了仿真環境的硬件與軟件配置。

表1仿真平臺硬軟件配置

Table1 Simulationplatformconfiguration

4.2 仿真場景設定

表2列出了作為仿真目標命名數據移動自組織網絡的相關參數。仿真實驗通過隨機設置節點的不同移動速率，比較2種經典包轉發策略與研究策略在多項性能指標上的表現。這些指標包括：請求響應率、平均請求延遲、網絡帶寬利用率和節點存儲消耗量。在仿真場景中，由于不同節點以不同速率隨機移動，其活躍度會隨之動態變化。具體來說，節點移動速率較高時，網絡拓撲變化更劇烈，鄰居數量在節點通信范圍內頻繁波動；而在移動速率較低情況下，拓撲變化趨于緩慢且穩定。為此，仿真實驗參照節點移動速率設置了不同的活躍度更新周期，更新后所有節點的活躍度統一置零，并按照規則每個節點發送一次興趣包，重新統計活躍度數據。

表2仿真場景參數設置

Table2Parameter settingof simulation platform

4.3 結果分析討論

圖4～7分別展示了請求響應率、平均請求時延、網絡帶寬使用量和節點存儲消耗量4個性能指標的測試結果。Default指代默認洪泛轉發策略，LFBL指代先偵聽后廣播包轉發策略，NAPF指代所提出的基于節點活躍度的包轉發策略。

圖4請求響應率實驗結果 Fig.4Experimental results of response rate

對于請求響應率指標，針對低動態拓撲場景，由于Default策略和LFBL策略能夠在拓撲變化較緩慢時維持相對穩定的通信連接，其請求響應率較高。然而，NAPF策略傾向于限制低活躍度節點的轉發權限，從而在此類場景中導致請求響應率相對較低。隨著目標網絡動態性的增加，一方面，Default轉發策略由于轉發路徑的鏈路頻繁通斷和信道間沖突加重，請求響應率逐漸降低;另一方面，LFBL雖然會由于鏈路頻繁通斷造成請求響應率降低，但該策略僅在選定路由路徑上進行信息包轉發，相對默認洪泛策略不易引起廣播信道爭用沖突，有效降低了網絡拓撲動態變化對請求響應率造成的不利影響。對于NAPF包轉發策略，由于節點位置快速變化，生產者和用戶節點具有更大的和活躍度較高節點進行通信的概率，使請求響應率逐漸增高。圖4顯示，在節點速率為 30m/s 時，NAPF策略比LFBL策略高 9% 、比Default策略高 20% 。

對于平均請求時延指標，隨著節點運動速率的提高，網絡拓撲動態性逐漸提升，網絡中節點之間連接的穩定性逐漸降低，同時信道沖突問題逐步加劇，導致Default、LFBL和NAPF策略的平均請求時延提高。其中，Default策略平均請求時延最高，可能會引發最嚴重的信道沖突問題;相比之下，NAPF策略保持了數據轉發節點的多樣性，但也導致高動態網絡拓撲場景下的請求時延比LFBL策略的請求時延更長，實驗結果見圖5所示。

圖5平均請求時延實驗結果 Fig.5Experimental results of average delay

對于網絡帶寬使用量指標，Default策略在所有情況（節點速率不同的場景）下充許所有網絡節點接收、存儲和轉發其收到的信息包，所以網絡帶寬使用量指標明顯高于NAPF和LFBL轉發策略。LFBL策略因限定了轉發路徑，在所有的測試參數下，其網絡帶寬使用量顯著低于Default策略。NAPF策略則與這2種策略有所不同，低活躍度節點被限制轉發后，隨著網絡節點隨機運動速率的增加，特殊節點在距離高活躍度節點跳數更近的位置進行興趣包和數據包接發的概率提高。同時，相較于低動態網絡拓撲場景而言，其請求重傳次數降低，使網絡帶寬消耗逐漸減少。實驗結果如圖6所示，當網絡節點以 30m/s 的速率隨機移動時，NAPF策略比LFBL策略和Default策略分別減少了 40% 和 60% 左右的網絡帶寬使用量。

圖6網絡帶寬使用量實驗結果

Fig.6Experimental results of bandwidth usage

對于節點存儲消耗量指標，在動態性較低的網絡拓撲場景下，Default包轉發策略具有多路徑傳輸的特性，網絡節點因而會消耗較多的存儲空間。筆者所提的NAPF包轉發策略為較好應對中高動態網絡拓撲所帶來的鏈路中斷挑戰，網絡節點需要緩存所接收的數據包在未來實現隨遇回傳，故其網絡節點需要消耗一定的存儲空間。特別是當目標網絡拓撲的動態性增大時，NAPF包轉發策略使網絡中大量未接收興趣包的節點存儲興趣包所對應的數據包，導致節點存儲消耗量較Default和LFBL策略會隨節點速率的提升而線性增加，實驗結果見圖7所示。

通過分析這4個性能指標，提出的基于節點活躍度的包轉發策略在中高動態的NDMANET網絡場景中主要有2方面優勢：1）與默認的洪泛轉發策略相比，所提出的策略明顯減少網絡帶寬資源的消耗;2）與最短路徑路由轉發策略（如LFBL策略）相比，所提的策略進一步提高數據轉發的成功率。

圖7節點存儲消耗量實驗結果

Fig.7Experimental resultsof node storage consumption

研究提出的NAPF策略利用活躍度較高的節點和特殊節點進行信息包轉發，同時調用活躍度較低的節點存儲數據，作為未來用戶請求的新數據源。但若特殊節點所在區域的節點密度較低，可能導致特殊節點處于“被屏蔽”狀態，無法有效執行正常的路由流程。再者，若活躍度較高的節點相距較遠，且沒有位于節點較密集的區域，有可能無法建立轉發路徑。除此之外，若NDMANET網絡場景中節點以較低速度運動，節點移動性會限制額外數據源機制，導致該機制難以有效實施。總的來說，在大規模、高動態NDMANET場景下，提出的基于節點活躍度的NDMANET網絡包路由策略的性能優異，如果NDMANET網絡場景的規模和動態性較低，所提策略有不足之處。但節點是否轉發興趣包/數據包主要由基于節點活躍度的轉發機制決定，若能將節點移動性與轉發機制有機結合，通過監測節點的實時運動速度自動改變轉發判定條件，如當前節點移動性較低時，只要節點活躍度不低于上一中繼節點活躍度值減2，則可繼續轉發興趣/數據包。通過設計并實現類似可以自適應的轉發機制，能有效提升本策略在低動態、小規模NDMANET場景下的運行性能。

5結論

研究關注NDMANET網絡中的信息包轉發策略，針對MANET網絡鏈路通斷頻繁和拓撲動態隨時間變化等固有特征，把節點活躍度概念引入NDMANET網絡的包轉發策略，創新性提出一種基于節點活躍度的NDMANET網絡包路由轉發策略。利用在NS-3/ndnSIM開源框架上開發的仿真程序，對提出的NAPF策略進行性能評估，實驗結果顯示，在具有中高動態的MANET網絡中，研究所提策略能維持較低的平均請求時延，相比洪泛策略和最短路徑路由策略，實現更高的請求響應率，降低網絡帶寬的消耗，其代價是合理增加節點的存儲消耗。

參考文獻

[1]Irfan T，Ariefianto WT，Rachmana S N.Experiment OLSRrouting innamed data network for MANET[EB/OL].（2020-02-03） [2020-05-12]. https：//ieeexplore.ieee.org/document/8978256.

[2］李剛，周尚波，郭尚志，等.通信延遲下自適應容錯控制及其在航天器編隊中的應用[J].重慶大學學報，2024，47（4）： 104-113. LiG，Zhou SB，GuoSZ，etal.Adaptivefault-tolerantcontrolwithcommunicationdelaysanditsapplicationinspacecraft formation[J]. Journal of Chongqing University，2024，47（4）： 104-113.（in Chinese）

[3]JinY，TanXB，FengWW，etal.MANETforisasterreliefbasedonNDNC/018lstIEEInternationalConferenceonHot Information-Centric Networking（HotICN）.Shenzhen，China： IEEE，2018：147-153.

[4］李源，劉瑋.車聯網產業進展及關鍵技術分析[J].中興通訊技術，2020，26（1）：5-11. LiY，LiuW.dstralpgssdkeologiesoteetovclesJ].ologual，6.（n Chinese）

[5]雷凱.信息中心網絡與命名數據網絡[M].北京：北京大學出版社，2015：49-60.

LeiK.Informationcentric network（ICN）and named-data networking（NDN）[M].Beijing：Peking UniversityPress，2015：49-60. （in Chinese）

[6]Zang L，Estrin D，Burke J，etal.Nameddatanetworking（NDN）project[J].Transportation Research Record Journalof the Transportation Research Board，2010，（1）： 227-234.

[7］崔波.命名數據無線移動自組織網絡中數據轉發與存儲機制的研究[D].呼和浩特：內蒙古大學，2017. CuiB.Research ondata forwarding and storage mechanism in named data wireless mobile ad hoc network[D].Hohhot：Iner Mongolia University，2017. （in Chinese）

[8］蘇曉，于洪.移動自組織網中一種平均節點度分簇算法[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2010，22（2）：237-241. Su X，Yu H.Anaverage degreeclusteringalgorithm inmobile adhoc network[J].Journal of Chongqing UniversityofPosts and Telecommunications（Natural Science Edition），2010，22（2）：237-241. （in Chinese）

[9]Oh SY，LauD，Gerla M.Contentcentric networking intacticalandemergencyMANETs[EB/OL].（2010-12-03）[202-05-12]. https：//ieeexplore.ieee.org/document/5657708.

[10]AfanasevA.NS-3based named data networking（NDN）simulator[EB/OL]. （015-0-20）[2020-5-12]. htp：//dnsim.net/10/ fw.html#smartflooding.

[11]Wang L，AfanasyevA，Kuntz R，etal.Rapid trafic informationdiseminationusing named data[C]/stACM Workshopon Emerging Name-Oriented Mobile Networking Design-Architecture，Algorithms，and Aplications.Hilton Head South Carolina USA：ACM，2012： 7-12.

[12]Meisel M，Pappas V，Zhang L X.Ad hoc networking via named data[C]/5th ACM International Workshopon Mobilty in the Evolving Internet Architecture. Chicago，USA： ACM，2010： 3-8.

[13]MeiselM，PappasV，ZhangLX.Listenfirst，broadcastlater：topology-agnosticforwardingunderhighdynamics[EB/L]. （2010-08-13）[2020-05-12].htps：//ww.academia.edu/2790668/Listen_first_broadcast_later_Topology_agnosticforwarding under_high_dynamics.

[14]RussellK，SimonR.Evaluationofa geo-region basedarchitectureforinformationcentricdisruptiontolerant networks[C]/ 2019 International Conference on Computing，Networking and Communications （ICNC）.Honolulu，USA： IEEE，2019： 911-917.

[15]KuaiM，Hong XY，YuQY.Density-awaredelay-tolerant interest forwarding invehicularnameddatanetworking[EB/OL]. （2017-03-20）[2020-05-12]. https：//eeexplore.iee.org/document/7880953.

[16]AnastasiadesC，ElAlamiWEM，BraunT.Agent-basedcontentretrievalforopportunisticcontent-entricnetworks[C//Wired/ Wireless Internet Communications.Cham： Springer International Publishing，2014： 175-188.

[17]AnastasiadesC，chmidT，WeberJ，etal.Information-centriccontentretrievalfordelay-tolerantntworks[J].Coputer Networks，2016，107：194-207.

[18]Al-Omaisi H，Sundararajan EA，AbdullhNF.Towards VANET-NDN：a framework foraneficientdata disseminationdesign scheme[C]//2019 International ConferenceonElectrical Engineeringand Informatics （ICEEI）.Bandung，Indonesia：IEEE， 2019： 412-417.

[19]LiJ，XieRC，HuangT，etal.Anovel forwardingandrouting mechanismdesigninSDN-basedNDNarchitecture[J].Frontirs of Information Technologyamp;Electronic Engineering，2018，19（9）：1135-1150.

[20]董謙，李俊，馬宇翔.基于集中控制的命名數據網絡流量調度方法[J].通信學報，2018，39（7）：68-80. DongQ，LiJ，MaYX.Traficschedulingmethodbasedoncentralizedcontrol innameddatanetworking[J].Journalon Communications，2018，39（7）： 68-80.（in Chinese）

[21]黃宏程，王定國，寇蘭，等.基于節點分簇的延遲容忍網絡路由策略[J].重慶郵電大學學報（自然科學版），2015，27（2）： 260-265. Huang HC，Wang DG，Kou L，etal.Routing strategybasedonnodes clusteringfordelaytolerantnetwork[J].Jouralof Chongqing UniversityofPostsandTelecommunications（Natural Science Edition），2015，27（2）：260-265.（inChinese）

[22]李建鐸，劉建明，李龍，等.基于節點關鍵度的DTN路由算法[J].計算機仿真，2018，35（4）：126-130. Li JD，LiuJM，LiL，etal.DTNroutingalgorithmbasedonkeynodes[J].ComputerSimulation，2018，35（4）：126-130.（in Chinese）

[23］潘冬.DTN中基于區域劃分和節點活躍度的路由研究[D].合肥：安徽大學，2017. Pan D.Routing research based onregion division and node activity inDTN[D].Hefei： Anhui University，2017.（in Chinese）