特約通訊員 許廷濤

MobilityFirst（“移動(dòng)優(yōu)先”）項(xiàng)目啟動(dòng)于2010年9月，屬于美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)FIA（未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)）計(jì)劃的一部分，旨在直接應(yīng)對(duì)大規(guī)模無(wú)線接入和移動(dòng)設(shè)備使用的挑戰(zhàn)，同時(shí)為新興的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供新的組播、選播、多路徑方案，以及新型的情境感知服務(wù)。

MobilityFirst項(xiàng)目成立的前提是，移動(dòng)平臺(tái)和應(yīng)用程序在逐漸取代自互聯(lián)網(wǎng)誕生以來(lái)便占主導(dǎo)地位的固定主機(jī)或服務(wù)器。互聯(lián)網(wǎng)正在接近一個(gè)歷史性的拐點(diǎn)，而互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)變?cè)杏隽艘粋€(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)——在移動(dòng)設(shè)備、應(yīng)用程序中設(shè)計(jì)出下一代互聯(lián)網(wǎng)。隨之而來(lái)的服務(wù)、誠(chéng)信和管理的變革便是新架構(gòu)的主要驅(qū)動(dòng)力。

網(wǎng)絡(luò)體系概況

新架構(gòu)在設(shè)計(jì)上的主要目標(biāo)是：在符合動(dòng)態(tài)主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范的基礎(chǔ)上提高移動(dòng)性；在考慮無(wú)線媒體的內(nèi)在特性的基礎(chǔ)上保證穩(wěn)健性；通過(guò)加強(qiáng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和有線基礎(chǔ)設(shè)施的隱私安全性來(lái)保證可靠性；具有如支持靈活的上下文感知的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、可發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等易用性特征；具有可管理性和經(jīng)濟(jì)可行性。此外，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)也要考慮如無(wú)線頻譜資源的稀缺性等技術(shù)性因素，利用摩爾定律來(lái)繼續(xù)改進(jìn)移動(dòng)和傳感設(shè)備在計(jì)算和能源約束上存在的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要使用以下協(xié)議組件：

(1)徹底分離的標(biāo)識(shí)符與網(wǎng)絡(luò)位置

MobilityFirst徹底地分離了三樣?xùn)|西：可讀的名稱、全局唯一的標(biāo)識(shí)符以及網(wǎng)絡(luò)位置信息。名稱認(rèn)證服務(wù)（NCS）安全地把一個(gè)可讀的名稱綁定到一個(gè)全局唯一的標(biāo)識(shí)符（GUID）。全球名稱解析服務(wù)（GNRS）安全地把全局唯一標(biāo)識(shí)符映射到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（NA）。通過(guò)使全局唯一標(biāo)識(shí)符成為一個(gè)加密的可驗(yàn)證的標(biāo)識(shí)符（例如一個(gè)公鑰），MobilityFirst提高了可信度；而通過(guò)徹底地分離網(wǎng)絡(luò)地址信息和全局唯一標(biāo)識(shí)符，MobilityFirst則能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的無(wú)縫移動(dòng)性。

(2)分散的名稱認(rèn)證服務(wù)（NCS）

MobilityFirst在名稱認(rèn)證方面分散信任，也就是說(shuō)，不同的獨(dú)立的名稱認(rèn)證服務(wù)組織可以驗(yàn)證一個(gè)可讀的名稱和關(guān)聯(lián)的全局唯一標(biāo)識(shí)符之間的綁定。可以想象的是，不同的組織可能會(huì)不同意一個(gè)名稱相應(yīng)的全局唯一標(biāo)識(shí)符。終端用戶可以選擇信任某一個(gè)（或某些）名稱驗(yàn)證服務(wù)，并且通過(guò)基于仲裁集的技術(shù)解決各個(gè)名稱認(rèn)證服務(wù)之間的不一致。

(3)大規(guī)?？蓴U(kuò)展的全球名稱解析服務(wù)（GNRS）

GNRS是MobilityFirst最核心的組件之一，主要負(fù)責(zé)支持大規(guī)模的無(wú)縫移動(dòng)性。預(yù)想的規(guī)模是一天有100億個(gè)移動(dòng)設(shè)備通過(guò)大約100個(gè)網(wǎng)絡(luò)，這相當(dāng)于每秒1000萬(wàn)個(gè)更新。相比之下，域名服務(wù)器很大程度上依賴于緩存，并且承擔(dān)大約幾天內(nèi)更新一條記錄的開(kāi)銷。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)大規(guī)?？蓴U(kuò)展的分布式全球名稱解析服務(wù)是MobilityFirst的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

(4)廣義存儲(chǔ)感知路由

MobilityFirst在路由器中利用網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)解決在現(xiàn)實(shí)世界的移動(dòng)場(chǎng)景中不可避免會(huì)出現(xiàn)的無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)帶寬變化和偶爾斷線的問(wèn)題。在CNF（Cache-And-Forward Network Architecture，緩存轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)）的早期研究工作表明了存儲(chǔ)的好處并且概述了存儲(chǔ)感知路由算法。該算法用于當(dāng)作出轉(zhuǎn)發(fā)決定的時(shí)候，計(jì)算長(zhǎng)期和短期的路徑質(zhì)量指標(biāo)。GSTAR（Generalized Storage-Aware Routing，廣泛的存儲(chǔ)感知路由）協(xié)議進(jìn)一步集成延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）。該網(wǎng)絡(luò)具備類似CNF的存儲(chǔ)路由功能，能為大范圍的無(wú)線接入方案提供一種無(wú)縫的解決方法。

(5)內(nèi)容和情境感知服務(wù)

MobilityFirst架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)層被設(shè)計(jì)成內(nèi)容感知層，也就是說(shuō)其積極地協(xié)助內(nèi)容檢索，而不是如當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)單地提供一個(gè)原始數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定的目的地。MobilityFirst通過(guò)分配全局唯一標(biāo)識(shí)符給內(nèi)容實(shí)現(xiàn)內(nèi)容感知。這些全局唯一標(biāo)識(shí)符是加密可驗(yàn)證的。比如說(shuō)，內(nèi)容的自驗(yàn)證哈希，允許一個(gè)接收器輕松地檢查內(nèi)容的完整性。MobilityFirst也把基本的服務(wù)和內(nèi)容全局唯一標(biāo)識(shí)符擴(kuò)展應(yīng)用到更靈活的設(shè)備組或用戶組，例如公園的全部移動(dòng)設(shè)備，或廣場(chǎng)的全部出租車。

圖1 MobilityFirst架構(gòu)中的名稱與地址分離

(6)計(jì)算與存儲(chǔ)層

現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性是必不可少的。為此，MobilityFirst的路由器明確支持一個(gè)計(jì)算與存儲(chǔ)層，能夠快速地引進(jìn)新的可能的特定方法和服務(wù)，同時(shí)將對(duì)現(xiàn)有用戶性能的影響降到最低。

總的來(lái)說(shuō)，MobilityFirst互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要由八大關(guān)鍵要素組成：第一，命名和尋址的分離，通過(guò)一個(gè)快速的全球動(dòng)態(tài)名稱解析服務(wù)得到實(shí)現(xiàn)；第二，高度的安全性，該架構(gòu)的認(rèn)證公鑰網(wǎng)絡(luò)地址支持高效的身份驗(yàn)證；第三，數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程中包含網(wǎng)內(nèi)存儲(chǔ)的廣義延時(shí)容忍；第四，含公共密鑰地址的固定標(biāo)簽網(wǎng)絡(luò)路由；第五，基于分段路徑而不是端到端路徑的跳轉(zhuǎn)傳輸協(xié)議；第六，一個(gè)具有可見(jiàn)性的分離網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)；第七，為用戶和地址數(shù)據(jù)而設(shè)的可選擇的隱私保護(hù)功能；第八，文本和文本感知的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；第九，一個(gè)集成算法和路由存儲(chǔ)層，支持可編程性和增強(qiáng)性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)展。整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，雖然具有一定的復(fù)雜性，但是也保證了可實(shí)施性，此外也具有一定的可擴(kuò)展性。

體系設(shè)計(jì)三大特征

通過(guò)上述的介紹，我們已經(jīng)對(duì)MobilityFirst的架構(gòu)有了初步的了解。MobilityFirst協(xié)議體系架構(gòu)是在徹底分離網(wǎng)絡(luò)地址和名稱（或網(wǎng)絡(luò)連接對(duì)象）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的（如圖1）。這是MobilityFirst架構(gòu)的第一大特征。

圖1中所示，通過(guò)特定的名稱認(rèn)證服務(wù)把可讀的名稱諸如“sensor@xyz”或者“John’slaptop”轉(zhuǎn)換成一組對(duì)應(yīng)于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)對(duì)象連接點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。該服務(wù)把可讀的名稱轉(zhuǎn)換成一個(gè)全局唯一標(biāo)識(shí)符，該標(biāo)識(shí)符通常是設(shè)備、內(nèi)容、傳感器等網(wǎng)絡(luò)附著對(duì)象的權(quán)威標(biāo)識(shí)符。全局唯一標(biāo)識(shí)符也是一個(gè)公鑰，因此能為所有網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備和對(duì)象提供一個(gè)驗(yàn)證和信任管理的機(jī)制。

MobilityFirst框架也支持基于情境描述符的概念，把一個(gè)特殊的全局唯一標(biāo)識(shí)符賦予給這個(gè)情境描述，然后進(jìn)行命名，通過(guò)一個(gè)動(dòng)態(tài)的組播組，為當(dāng)前在該區(qū)域的所有移動(dòng)設(shè)備服務(wù)。一旦一個(gè)全局唯一標(biāo)識(shí)符被指定到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)象，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)從全局唯一標(biāo)識(shí)符到網(wǎng)絡(luò)地址的映射。具體方法是分配路由網(wǎng)絡(luò)地址到網(wǎng)絡(luò)端口，并且通過(guò)使用全新的分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)——全球名稱解析服務(wù)，來(lái)把全局唯一標(biāo)識(shí)符綁定到網(wǎng)絡(luò)端口上。全球名稱解析服務(wù)通過(guò)提供移動(dòng)設(shè)備的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)移動(dòng)性，而不需要像手機(jī)IP一樣通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)連接。網(wǎng)絡(luò)地址有望慢慢逐步改變，并且可以使用第二個(gè)分布網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（類似于互聯(lián)網(wǎng)上的邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）傳播路由更新。

進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包都有關(guān)于協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）的目的地和數(shù)據(jù)源的全局唯一標(biāo)識(shí)符。還有，在數(shù)據(jù)包報(bào)頭里設(shè)有一個(gè)服務(wù)標(biāo)識(shí)符（SID），顯示哪種服務(wù)類型（諸如單播，多播，選播，情境傳送，內(nèi)容查詢等）是協(xié)議數(shù)據(jù)單元所需要的。在第一次接入路由器時(shí)，目的地GUID通過(guò)訪問(wèn)GNRS來(lái)分解，分解后的網(wǎng)絡(luò)地址會(huì)被隨意地附加在數(shù)據(jù)包報(bào)頭的后面，從而使得隨后的路由器有可能沿著路徑單獨(dú)地轉(zhuǎn)發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)地址的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。這被稱為快速路徑轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)查詢GNRS，任何沿著路徑的路由器都可以選擇是否再次分解GUID。這就是所謂的慢速路徑。它允許傳輸數(shù)據(jù)暫時(shí)斷線后，重新綁定到一組新的網(wǎng)絡(luò)地址上。GUID路由選項(xiàng)使得它可以實(shí)現(xiàn)“后期綁定”算法決定路由通過(guò)哪些網(wǎng)絡(luò)端口可以被推遲，直到協(xié)議數(shù)據(jù)單元接近目的地。

另外，在MobilityFirst架構(gòu)中，協(xié)議數(shù)據(jù)單元還可能是大單元（100MB～1GB），相當(dāng)于一個(gè)音頻文件或者視頻文件的大小，并且這些都是從一個(gè)路由器到下一個(gè)作為連續(xù)的單元傳輸。

MobilityFirst架構(gòu)的第二個(gè)特征是，在路由器中存在著網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)。這使得在應(yīng)對(duì)較差的鏈路通信質(zhì)量或斷線時(shí)能夠使用存儲(chǔ)感知協(xié)議，該協(xié)議選擇把協(xié)議數(shù)據(jù)單元暫時(shí)存儲(chǔ)在路由器中，而不是通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)至目的地的方式。對(duì)比在TCP/IP協(xié)議中端到端的方法，一個(gè)可靠的逐跳傳輸協(xié)議是在路由器之間傳遞數(shù)據(jù)包的。

MobilityFirst架構(gòu)的第三個(gè)特征是，服務(wù)具有靈活性，特別強(qiáng)調(diào)多播、選播、多路徑、多鏈路作為路由協(xié)議的集成功能。這些已經(jīng)提供的服務(wù)特性主要負(fù)責(zé)滿足移動(dòng)應(yīng)用所更關(guān)心的情境（例如設(shè)備位置或功能），而不是其網(wǎng)絡(luò)地址的需要。

MobilityFirst原型測(cè)試

MobilityFirs項(xiàng)目的研究是通過(guò)構(gòu)建一系列的數(shù)據(jù)模型來(lái)測(cè)試的，包括關(guān)鍵協(xié)議組件的獨(dú)立認(rèn)證，例如命名服務(wù)、GDTN（全面延遲容忍網(wǎng)絡(luò)）路由選擇和固定標(biāo)簽域間路由選擇；控制實(shí)驗(yàn)的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室架構(gòu)模型；跨網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)和概念驗(yàn)證演示的多站點(diǎn)、中等規(guī)模的系統(tǒng)原型（使用全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境[GENI]的基礎(chǔ)設(shè)施）。

MobilityFirst架構(gòu)早期的概念原型是基于改進(jìn)的具有全球名稱解析服務(wù)和存儲(chǔ)路由功能的Click模塊化路由器組（Click是一種新的軟件體系結(jié)構(gòu)，它被用于建立靈活的和可配置的路由器）。

MobilityFirst協(xié)議棧中包含了一個(gè)由自麻省理工大學(xué)提出的基于“跳”協(xié)議的逐跳可靠鏈路協(xié)議。在Linux系統(tǒng)和安卓手機(jī)客戶端上，GUID服務(wù)層也實(shí)現(xiàn)了與塊傳輸（包含單播和多播）、選播和由新協(xié)議提供的內(nèi)容查詢服務(wù)相關(guān)聯(lián)的服務(wù)接口。一個(gè)雙路徑的數(shù)據(jù)抽象可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：快速路徑（如點(diǎn)擊轉(zhuǎn)發(fā)模塊）和慢路徑（用戶層面服務(wù)如控制和管理）。

原型的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與展示是在美國(guó)的堪薩斯州開(kāi)展的，構(gòu)建了包含7組可編程路由器的兩大邊緣網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了整個(gè)美國(guó)地區(qū)，設(shè)有許多的WIMAX基站和WiFi接入點(diǎn)供移動(dòng)終端進(jìn)行訪問(wèn)。該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GENI概念驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)配置

圖3 GENI實(shí)驗(yàn)中的內(nèi)容傳送應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)中GENI節(jié)點(diǎn)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用不同組合的OpenFlow交換機(jī)和各地的ProtoGENI節(jié)點(diǎn)，配置包含了一個(gè)在路由器節(jié)點(diǎn)之間的RTT（Round-trip Time，往返時(shí)間）延遲，輔之以各種鏈路速度和接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。在考慮的方案中，有兩個(gè)分別歸屬于BBN和Rutgers網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)設(shè)備，一個(gè)作為內(nèi)容服務(wù)器，另一個(gè)作為客戶端。GSTAR協(xié)議提供這樣一個(gè)功能：利用內(nèi)網(wǎng)存儲(chǔ)和多宿主（利用了有效的WiMAX和WiFi接口），以逐級(jí)跳轉(zhuǎn)的方式，有效地把內(nèi)容從服務(wù)器傳送到客戶端中。

圖3展示了GENI實(shí)驗(yàn)中帶唯一GUID標(biāo)簽的內(nèi)容傳送方案，從客戶端傳送一個(gè)“get(GUID)”查詢請(qǐng)求。內(nèi)容傳送操作包括了GNRS解決方案，接著是在逐級(jí)跳轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上的整個(gè)協(xié)議數(shù)據(jù)單元（媒體文件）的GSTAR選擇。實(shí)驗(yàn)還表明這樣一個(gè)事實(shí)，GSTAR協(xié)議能夠處理邊緣網(wǎng)絡(luò)帶寬的變化和通常發(fā)生在WiMAX和WiFi網(wǎng)絡(luò)邊緣的偶然斷線。特別是，路由器節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)傳送的那段信息，直到信道條件充分改善，再沿著路徑重新推送信息。該協(xié)議還能夠自動(dòng)選擇一個(gè)或兩個(gè)多宿主路徑，以滿足所需的服務(wù)和政策目標(biāo)。

目前，MobilityFirst協(xié)議棧的概念驗(yàn)證模型已成功在GENI實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，這是迄今為止最令人鼓舞的成果。項(xiàng)目的進(jìn)一步工作將包括域間路由方面、設(shè)計(jì)內(nèi)容和情境感知服務(wù)、管理平臺(tái)功能和計(jì)算層服務(wù)。