張長(zhǎng)青 中國移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽分公司高級(jí)工程師

淺析未來互聯(lián)網(wǎng)NDN和其對(duì)TD-LTE的影響

張長(zhǎng)青 中國移動(dòng)通信集團(tuán)湖南有限公司岳陽分公司高級(jí)工程師

20世紀(jì)最偉大發(fā)明之一的互聯(lián)網(wǎng)，因其TCP/IP技術(shù)引起的傳輸瓶頸，隨著應(yīng)用需求的變化而日益突出。未來互聯(lián)網(wǎng)NDN體系以內(nèi)容為中心，以內(nèi)容命名定位內(nèi)容，有效地解決了TCP/IP技術(shù)上的困境。本文在簡(jiǎn)單闡述未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的某些想法后，分析了NDN的總體架構(gòu)、工作原理和對(duì)TD-LTE系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

未來互聯(lián)網(wǎng) NDN TD-LTE

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)的基本模型是基于全局地址的主機(jī)到主機(jī)通信，通信鏈路因路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包而被統(tǒng)計(jì)復(fù)用，這不僅極大地提高了網(wǎng)絡(luò)鏈路的使用率，也極大地簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)鏈路布局的復(fù)雜性和技術(shù)難度，降低了網(wǎng)絡(luò)鏈路在建設(shè)、維護(hù)與管理方面的運(yùn)營成本。互聯(lián)網(wǎng)的基本原理是包括確定數(shù)據(jù)傳輸目的地址和保證數(shù)據(jù)迅速可靠傳輸措施在內(nèi)的分組數(shù)據(jù)包交換，接入、傳輸和交換等技術(shù)的兼容、簡(jiǎn)單、易用，為其日后的快速發(fā)展與廣泛普及，奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)?；ヂ?lián)網(wǎng)的應(yīng)用是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一。

幾十年來，互聯(lián)網(wǎng)在各個(gè)方面都已發(fā)生了翻天覆地的變化。網(wǎng)絡(luò)管理從當(dāng)初的集中式變成現(xiàn)在的分散式，計(jì)算技術(shù)從最初的單機(jī)模式演變成當(dāng)今的云計(jì)算，通信技術(shù)從最初的局域網(wǎng)通信轉(zhuǎn)變成當(dāng)今的光通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、城域網(wǎng)通信和個(gè)域網(wǎng)通信等多項(xiàng)高新技術(shù)并用，用戶接入模式從最初的撥號(hào)接入過渡到現(xiàn)今的固定接入和移動(dòng)接入的永遠(yuǎn)在線，業(yè)務(wù)應(yīng)用模式也從最初單一的純計(jì)算擴(kuò)展為現(xiàn)今的以多媒體全業(yè)務(wù)和互聯(lián)業(yè)務(wù)應(yīng)用模式為主、以純計(jì)算為輔的綜合模式?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了它當(dāng)時(shí)的設(shè)想。

互聯(lián)網(wǎng)最初的應(yīng)用是以人作為使用者來建立的，主機(jī)是固定的，主機(jī)的名稱和位置也是統(tǒng)一的。由于互聯(lián)網(wǎng)的通信是主機(jī)對(duì)主機(jī)的端端通信，互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以假想為一個(gè)黑匣子，可以不用考慮主機(jī)間通信的QoS，甚至可以不用考慮主機(jī)間數(shù)據(jù)交流的安全問題。近年來，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為集信息采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理于一體的信息化社會(huì)的重要基礎(chǔ)承載平臺(tái)，成為多媒體內(nèi)容和社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分享的新型公共資源。角色的定位轉(zhuǎn)換，流量的海量增長(zhǎng)，導(dǎo)致了以IP地址為核心、以傳輸為目的、按照端到端原理設(shè)計(jì)的TCP/IP體系結(jié)構(gòu)在路由擴(kuò)展、動(dòng)態(tài)、安全、可管理、可靠、QoS以及能耗等方面的問題日益突出。

雖然在互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過程中，內(nèi)部和外部的許多技術(shù)和應(yīng)用發(fā)生了我們不曾想象的深刻變化，但作為互聯(lián)網(wǎng)最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，TCP/IP體系結(jié)構(gòu)幾十年來卻基本保持不變。若考慮未來互聯(lián)網(wǎng)中的主機(jī)是智能化的使用者，就需要建立一個(gè)可信、移動(dòng)、泛在應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)，目標(biāo)直指服務(wù)、數(shù)據(jù)、環(huán)境、協(xié)議和經(jīng)濟(jì)感知等，而其中的服務(wù)感知是指對(duì)服務(wù)、資源、網(wǎng)絡(luò)管理、移動(dòng)性、可靠性和安全性的感知。要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，首先就要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的可擴(kuò)展性和移動(dòng)性。而傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的IP地址將主機(jī)的標(biāo)識(shí)和位置緊密捆綁，確定了主機(jī)就等于確定了位置，使主機(jī)的擴(kuò)展性和移動(dòng)性受到了嚴(yán)格的限制。突破IP地址同時(shí)兼有標(biāo)識(shí)和位置的雙重屬性，是未來互聯(lián)網(wǎng)革命性發(fā)展的重點(diǎn)之一。

TD-LTE是當(dāng)前最先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)之一，是一個(gè)全I(xiàn)P分組域集語音和多媒體于一身的移動(dòng)通信系統(tǒng)，也是一個(gè)將蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的主要組成部分。未來互聯(lián)網(wǎng)的革命性改變，毫無疑問要影響到蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，且是從基礎(chǔ)技術(shù)方面的影響，甚至是革命性的影響。本文首先闡述了對(duì)未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的相關(guān)思考，而后分析了未來網(wǎng)研究中比較典型的、進(jìn)入試驗(yàn)階段并已取得一定成效的NDN（Named Data Networking）的架構(gòu)、原理和技術(shù)，分析了未來網(wǎng)NDN對(duì)TD-LTE系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

2 未來互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)思考

互聯(lián)網(wǎng)一方面在內(nèi)容熱度上呈現(xiàn)無尺度分布特征，另一方面在同一事件的所有分組數(shù)據(jù)包中，封裝了內(nèi)容完全相同的協(xié)議、目標(biāo)地址等重復(fù)數(shù)據(jù)，以至于有大量相同內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)中被低效重復(fù)傳輸，成為互聯(lián)網(wǎng)流量劇增的根本原因。減少重復(fù)數(shù)據(jù)交流、提高有效流動(dòng)數(shù)據(jù)率，是未來互聯(lián)網(wǎng)降低流量的有效方法。互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)只認(rèn)IP包的目的地址，不管IP包的出去，這樣雖然可以減少數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)容，簡(jiǎn)化傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，加快數(shù)據(jù)傳輸速率，但卻存在很多先天性安全隱患，如互聯(lián)網(wǎng)無法找到網(wǎng)絡(luò)攻擊的真正源頭。增加傳輸數(shù)據(jù)中信源地址等關(guān)鍵信息，是未來互聯(lián)網(wǎng)提高數(shù)據(jù)傳輸安全性值得考慮的重要舉措。

互聯(lián)網(wǎng)采用無連接分組交換和向下兼容性技術(shù)，使所有與互聯(lián)網(wǎng)無關(guān)的諸如光傳輸、有線傳輸、無線傳輸?shù)缺姸喈悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)可簡(jiǎn)單接入，這是任何其他網(wǎng)絡(luò)都不曾擁有的超級(jí)能力?；ヂ?lián)網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備路由器除了IP包，其他任何信息都不要，極大地減輕了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，這種中間瘦的技術(shù)架構(gòu)，為系統(tǒng)用最簡(jiǎn)單的技術(shù)建立最大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件。目前，依靠互聯(lián)網(wǎng)生存的許多新舊行業(yè)，都只是基于TCP/IP技術(shù)做各式各樣的開發(fā)，或以互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)從事開發(fā)，互聯(lián)網(wǎng)本身只需提供一些基本準(zhǔn)則即可。這些能使互聯(lián)網(wǎng)幾十年長(zhǎng)久不敗發(fā)展的重要原因，同樣應(yīng)該是未來互聯(lián)網(wǎng)考慮的重要條件。

未來互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)性，并非是通過3G、4G或更高更新移動(dòng)通信系統(tǒng)接入后形成的。雖然TD-LTE是目前移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的主要承載平臺(tái)，可為用戶提供任何時(shí)間、地點(diǎn)，快速高效、穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)，利用多種終端簡(jiǎn)單方便地獲取互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)和服務(wù)，但它卻是一個(gè)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，而蜂窩系統(tǒng)的設(shè)備和人力成本，決定了用戶利用它上網(wǎng)的資費(fèi)在一定時(shí)期內(nèi)較高。未來互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)性應(yīng)該是指互聯(lián)網(wǎng)本身的移動(dòng)，是主機(jī)標(biāo)識(shí)和主機(jī)位置分離的新型體系結(jié)構(gòu)，并可以將移動(dòng)管理和路由設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮，使節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中具有唯一、穩(wěn)定的標(biāo)識(shí)，理論上應(yīng)該可以做到使未來互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)性在動(dòng)態(tài)管理中得以實(shí)現(xiàn)。

未來互聯(lián)網(wǎng)的可擴(kuò)展性是指網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展不受任何條件限制，如當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的可擴(kuò)展性就受制于所使用IPv4地址的數(shù)量限制，如因網(wǎng)絡(luò)流量激增而引起骨干路由器崩潰的有限流量限制，如骨干路由器中路由表數(shù)量的快速增長(zhǎng)，將極大地降低路由器的查找性能、增加路由器的性能開銷等有限性能限制等。目前，采用的IPv6雖已解決了主機(jī)規(guī)模的可擴(kuò)展性，但僅僅是地址長(zhǎng)度擴(kuò)展到128位，是一種過渡方案。骨干網(wǎng)絡(luò)流量和路由表的激增，是過渡與兼容方案無法解決的可擴(kuò)展性問題，因?yàn)門CP/IP體系結(jié)構(gòu)的端端模式最后都要將所有流量匯聚到骨干網(wǎng)上。只有底層技術(shù)革命，才有可能突破束縛在互聯(lián)網(wǎng)上的枷鎖。

未來互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)能性同樣重要。互聯(lián)網(wǎng)與主機(jī)不同，主機(jī)具有節(jié)能智能系統(tǒng)，可根據(jù)CPU和內(nèi)存的使用量合理支付電能。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不行，路由器、交換機(jī)不管你用與不用，都要消耗同樣多的電能。未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不僅應(yīng)具有智能節(jié)能系統(tǒng)，還應(yīng)在計(jì)算技術(shù)和芯片工藝等方面，開發(fā)和制造出性能更高、功耗更低的產(chǎn)品，采用多核心、多線程和虛擬化技術(shù)，從而成就未來互聯(lián)網(wǎng)的綠色節(jié)能機(jī)制?？梢灶A(yù)見，未來互聯(lián)網(wǎng)的智能化將是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備智能化和網(wǎng)絡(luò)組織智能化的相互結(jié)合，前者可以通過流量的變化來控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口的節(jié)能，后者可以通過全網(wǎng)優(yōu)化來合理組織全網(wǎng)流程，自動(dòng)開關(guān)長(zhǎng)期輕載或空載的網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)路。

總之，未來互聯(lián)網(wǎng)在選址、安全方面應(yīng)有不同的數(shù)據(jù)傳送方法，數(shù)據(jù)內(nèi)容可以分散，所有數(shù)據(jù)內(nèi)容都有簽名和認(rèn)證。系統(tǒng)支持預(yù)訂網(wǎng)絡(luò)和能效網(wǎng)絡(luò)，可使用低功效設(shè)備，可修改模式，可通過組播、過濾、高速緩存、定向等方法減少無效流量?？墒褂米越M織、自優(yōu)化、自治愈等自治方式。路由技術(shù)中的路徑選擇也不是簡(jiǎn)單的最短路徑優(yōu)先原則，還應(yīng)考慮業(yè)務(wù)流量等特征。在分布式無線網(wǎng)中，可將移動(dòng)性和數(shù)據(jù)管理性盡可能地從核心網(wǎng)分散到邊緣網(wǎng)或終端上。未來互聯(lián)網(wǎng)的變化也應(yīng)該是一個(gè)演進(jìn)式的變化過程。

3 NDN網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

互聯(lián)網(wǎng)起源之初人們的主要應(yīng)用需求是計(jì)算資源的共享，幾十年來，該需求已發(fā)生了巨大變化，并已演變成對(duì)內(nèi)容的獲取和分發(fā)。雖然如此，互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)仍然是主機(jī)對(duì)主機(jī)的端端模式，該模式要求系統(tǒng)每次存取的內(nèi)容都要間接映射到內(nèi)容所在的設(shè)備上，而主機(jī)IP地址承擔(dān)的標(biāo)識(shí)和位置的雙重屬性，又直接影響到網(wǎng)絡(luò)路由方面的可擴(kuò)展性和移動(dòng)性。NDN根據(jù)DONA（Data Oriented Network Architecture）體系架構(gòu)中用網(wǎng)絡(luò)命名系統(tǒng)和名字解析機(jī)制替代DNS（Domain Name System）的思想，采用名字路由和路由器緩存內(nèi)容，克服了主機(jī)對(duì)主機(jī)模式的相關(guān)缺陷，分離了主機(jī)的標(biāo)識(shí)和位置，使數(shù)據(jù)傳輸更快，提高了內(nèi)容的檢索效率。

NDN是美國FIA（Future Internet Architecture）的4個(gè)項(xiàng)目之一，是一個(gè)基于內(nèi)容的命名（以傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)路由）的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，由核心網(wǎng)絡(luò)、邊緣網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)識(shí)與位置映射系統(tǒng)3個(gè)部分組成（見圖1）。在邊緣網(wǎng)絡(luò)中，主機(jī)和邊緣路由器通過數(shù)據(jù)報(bào)文包含的標(biāo)識(shí)信息通信。在核心網(wǎng)絡(luò)中，核心路由器根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文包含的位置信息進(jìn)行路由、轉(zhuǎn)發(fā)。邊緣路由器作為邊緣網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)之間的功能實(shí)體，實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)到位置的解析和數(shù)據(jù)報(bào)文封裝/解封操作。

圖1 NDN內(nèi)容感知網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

標(biāo)識(shí)與位置映射系統(tǒng)包括標(biāo)識(shí)與位置路由系統(tǒng)和分布在邊緣網(wǎng)絡(luò)中的映射服務(wù)器（一般情況下，映射服務(wù)器包含在邊緣路由器中）。映射服務(wù)器存儲(chǔ)所在邊緣網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各主機(jī)/內(nèi)容標(biāo)識(shí)與位置的映射信息。標(biāo)識(shí)與位置路由系統(tǒng)由標(biāo)識(shí)路由器構(gòu)成，標(biāo)識(shí)路由器根據(jù)標(biāo)識(shí)中包含的邏輯可匯聚路由前綴進(jìn)行消息路由，從而將映射請(qǐng)求發(fā)送至目的映射服務(wù)器。在標(biāo)識(shí)與位置路由系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)與位置分離，并將標(biāo)識(shí)進(jìn)一步分離為主機(jī)標(biāo)識(shí)和內(nèi)容標(biāo)識(shí)，使得網(wǎng)絡(luò)具備內(nèi)容感知能力。

顯然，NDN除了支持標(biāo)識(shí)與位置分離外，還支持存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)化，使所有路由設(shè)備具備大容量存儲(chǔ)能力，這種能力不僅可以使路由設(shè)備支持傳統(tǒng)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，還可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)容緩存和高效分發(fā)，使其支持內(nèi)容感知。由于邊緣路由器和核心路由器都可以具備大容量存儲(chǔ)能力，所以具有支持內(nèi)容感知的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。

NDN以內(nèi)容為中心，實(shí)現(xiàn)了從地址識(shí)別定位內(nèi)容到以內(nèi)容名稱定位內(nèi)容的轉(zhuǎn)變，即以傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容命名來定位傳輸數(shù)據(jù)。圖2中的左邊是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)OSI 7層模型的協(xié)議分布，圖右邊是NDN 4層模型的協(xié)議分布，它統(tǒng)一將對(duì)話層、表示層和應(yīng)用層歸為應(yīng)用層，將鏈路層和物理層歸為媒體通信層，且服務(wù)標(biāo)識(shí)與網(wǎng)絡(luò)層對(duì)應(yīng)，服務(wù)資源層與傳輸層對(duì)應(yīng)。在傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)各層之間傳輸?shù)氖遣粩喾庋b或解封的包含有目的地址和標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)包，在未來互聯(lián)網(wǎng)NDN各層之間傳輸?shù)碾m然也是數(shù)據(jù)報(bào)文，但本質(zhì)上是有區(qū)別的，因?yàn)樯蠈拥姆?wù)資源層與下層的媒體通信層是通過動(dòng)態(tài)映射完成的，這種映射是通過數(shù)據(jù)命名進(jìn)行的。

圖2 NDN實(shí)現(xiàn)原理示意圖

4 NDN網(wǎng)絡(luò)工作原理

NDN改變了當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)主機(jī)對(duì)主機(jī)的通信模式，由面向主機(jī)改為面向內(nèi)容，變命名主機(jī)為命名數(shù)據(jù)，廢除了原有IP地址，以內(nèi)容名定位內(nèi)容，使用數(shù)據(jù)名字而不是IP地址進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，讓數(shù)據(jù)本身成為互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中的核心要素。NDN仍然為沙漏模型，采用7層結(jié)構(gòu)（見圖3），但下層協(xié)議是為適配底層物理鏈路和通信設(shè)計(jì)的，上層協(xié)議是為對(duì)應(yīng)相關(guān)應(yīng)用設(shè)計(jì)的，中間細(xì)腰為命名數(shù)據(jù)的內(nèi)容塊。在這兩種模型中，第一層物理層和第七層應(yīng)用層是一樣的，因?yàn)槎夹枰锢斫尤?，也都是為了?yīng)用，其他的如策略層取代了網(wǎng)絡(luò)層，安全層取代了對(duì)話層，數(shù)據(jù)流取代了表示層，雖各自不同，但最大區(qū)別還是傳輸層的內(nèi)容塊取代了IP包。

圖3 IP與NDN協(xié)議棧沙漏模型

NDN中傳輸?shù)拿慷螖?shù)據(jù)（數(shù)據(jù)報(bào)文或內(nèi)容塊）有一個(gè)名字，即數(shù)據(jù)名或內(nèi)容名。NDN內(nèi)容命名機(jī)制采用了層次化結(jié)構(gòu)，類似于互聯(lián)網(wǎng)中表示網(wǎng)頁地址的統(tǒng)一資源定位符URL（Uniform Resource Locator）的命名方案，如“/panc.com/videors/z0.mpg”為一個(gè)具體內(nèi)容的名字（Name），“/panc.com”和“/panc.com/videors”則可作為內(nèi)容的前綴（Prefix）用于路由查找及轉(zhuǎn)發(fā)。互聯(lián)網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)包的IP地址是路由查找和轉(zhuǎn)發(fā)的唯一標(biāo)識(shí)，包含在數(shù)據(jù)包中。NDN中傳輸內(nèi)容塊的路由和轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)識(shí)是數(shù)據(jù)名，它是數(shù)據(jù)本身部分，不多占內(nèi)容塊空間，提高了數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)承載量。

NDN的數(shù)據(jù)封裝機(jī)制采用請(qǐng)求包或興趣包（Interest Packet）和數(shù)據(jù)包（Data Packet）兩種數(shù)據(jù)報(bào)文（見圖4）。請(qǐng)求包用于查找，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求內(nèi)容時(shí)則發(fā)送請(qǐng)求包。數(shù)據(jù)包是數(shù)據(jù)實(shí)體，若中間路由節(jié)點(diǎn)緩存了該內(nèi)容或內(nèi)容服務(wù)收到請(qǐng)求包后則返回?cái)?shù)據(jù)包。顯然，在NDN通信中，請(qǐng)求包和數(shù)據(jù)包都不帶任何主機(jī)或接口地址，且一個(gè)請(qǐng)求包對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)包，請(qǐng)求包與數(shù)據(jù)包都可同時(shí)緩存。從包封內(nèi)容，包的數(shù)量及包的封裝方法來看，NDN數(shù)據(jù)封裝與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)機(jī)制中包含IP地址在內(nèi)的IP包是完全不同的。

與互聯(lián)網(wǎng)由發(fā)送者驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制相反（互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)送數(shù)據(jù)端以廣播方式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送IP包，路由器根據(jù)IP包中目的地址路由轉(zhuǎn)發(fā)），NDN采用的是接收者驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。首先，由數(shù)據(jù)接收端發(fā)送請(qǐng)求包發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，收到請(qǐng)求的路由器記錄請(qǐng)求來自的接口，查找FIB（Forwarding Information Base，轉(zhuǎn)發(fā)信息基礎(chǔ)）表并轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求包。請(qǐng)求包到達(dá)有請(qǐng)求資源的節(jié)點(diǎn)后，數(shù)據(jù)包沿著請(qǐng)求包的反向路徑傳送給請(qǐng)求者。請(qǐng)求包是基于包中名字路由到數(shù)據(jù)提供者，數(shù)據(jù)包是根據(jù)請(qǐng)求包在每一跳建立的狀態(tài)信息傳遞回來的。

在NDN轉(zhuǎn)發(fā)模型中，主要有3類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即FIB、CS（Content Store，內(nèi)容存儲(chǔ)庫）和PIT（Pending Interest Table，待定興趣表或待定請(qǐng)求表）。其中，F(xiàn)IB保存路由節(jié)點(diǎn)到達(dá)內(nèi)容服務(wù)器的下一跳接口（NDN中用Face，一個(gè)Face代表路由器收發(fā)報(bào)文的一個(gè)接口）。CS保存路由節(jié)點(diǎn)的緩存內(nèi)容，相當(dāng)于IP路由器的緩沖存儲(chǔ)器。PIT則用來記錄未得到響應(yīng)的請(qǐng)求包的名字及到達(dá)的Face，以便數(shù)據(jù)包沿途返回。3張數(shù)據(jù)表的最大特點(diǎn)是，為同一事件的所有內(nèi)容塊建立了一條固有傳輸鏈路，減少了系統(tǒng)重復(fù)訪問，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖4 NDN請(qǐng)求包和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

NDN的數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)過程可以簡(jiǎn)述為：路由節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求包后首先查找CS，若有匹配記錄則返回?cái)?shù)據(jù)包并結(jié)束，否則查找PIT，若有匹配記錄則結(jié)束，若不存在匹配記錄則將請(qǐng)求包信息加入PIT中，并按FIB查找結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求包。而用戶檢索時(shí)會(huì)產(chǎn)生請(qǐng)求包，路由器記錄請(qǐng)求來源接口，查找本地存儲(chǔ)的FIB，沒有則轉(zhuǎn)發(fā)，直至找到數(shù)據(jù)為止。路徑上的各個(gè)路由器會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)保存請(qǐng)求包和數(shù)據(jù)包到PIT和CS中，只有第一次請(qǐng)求會(huì)直接訪問數(shù)據(jù)源，其他相同內(nèi)容的請(qǐng)求會(huì)查找PIT，如果找到相同內(nèi)容的登記記錄，則從相應(yīng)的CS中獲取數(shù)據(jù)，這時(shí)路由器才移除具有相同PIT入口的記錄。

5 NDN網(wǎng)絡(luò)對(duì)TD-LTE的影響

TD-LTE是全域IP化第四代移動(dòng)通信的演進(jìn)系統(tǒng)之一，取消了電路域，只提供分組域。終端訪問業(yè)務(wù)或互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)模塊示意框圖如圖5所示。TD-LTE系統(tǒng)采用了扁平化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)僅分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，終端UE通過空中接口訪問TD-LTE接入網(wǎng)，再經(jīng)過TD-LTE核心網(wǎng)訪問移動(dòng)業(yè)務(wù)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)。TD-LTE的接入網(wǎng)由基站組成，核心網(wǎng)的主要組成模塊有MME、SGW、PGW、HSS和PCRF等，這些模塊的基本意義是：

圖5 TD-LTE數(shù)據(jù)端口支持的協(xié)議

●MME為移動(dòng)性管理實(shí)體，是核心網(wǎng)唯一控制平面的網(wǎng)元，承載接入網(wǎng)與核心網(wǎng)網(wǎng)間控制平面消息的傳遞。主要負(fù)責(zé)用戶移動(dòng)性管理、接入、附著、尋呼、切換及漫游控制等。

●SGW為連接接入網(wǎng)分組數(shù)據(jù)接口的終點(diǎn)。當(dāng)終端在相同制式基站間移動(dòng)時(shí)，可用作本地移動(dòng)性錨點(diǎn)，協(xié)助完成基站重新排序。當(dāng)終端在不同制式基站間移動(dòng)時(shí)，可進(jìn)行路由。

●PGW為面向移動(dòng)業(yè)務(wù)網(wǎng)終結(jié)與SGi接口的網(wǎng)關(guān)，是核心網(wǎng)的上連終點(diǎn)和移動(dòng)業(yè)務(wù)網(wǎng)的接入起點(diǎn)。PGW還負(fù)責(zé)分配UE的IP地址、基于每個(gè)用戶的包過濾、承載層面的IP錨點(diǎn)、連接到外部分組網(wǎng)等。

●HSS為歸屬簽約用戶服務(wù)器，是用于存儲(chǔ)用戶標(biāo)識(shí)、編號(hào)，及路由、安全、位置與相關(guān)業(yè)務(wù)和概要等用戶簽約信息的數(shù)據(jù)庫，具有配置用戶文件，執(zhí)行用戶身份驗(yàn)證、授權(quán)、簽約等功能。

●PCRF為策略和計(jì)費(fèi)功能網(wǎng)元，是服務(wù)數(shù)據(jù)流和IP承載資源的策略與計(jì)費(fèi)控制的決策點(diǎn)，可配置基于流量、時(shí)間、流量和時(shí)間綜合方式的計(jì)費(fèi)等規(guī)則。

TD-LTE核心網(wǎng)中主要端口均為標(biāo)準(zhǔn)接口，圖5所示的IP協(xié)議、TCP和UDP協(xié)議等均為熟悉的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，SCTP協(xié)議是一個(gè)面向連接、兼有TCP及UDP特點(diǎn)、基于消息流、復(fù)雜的傳輸層協(xié)議；Diameter協(xié)議是TCP或SCTP協(xié)議之上應(yīng)用在認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)等業(yè)務(wù)上的新一代AAA協(xié)議。

UE在漫游中訪問業(yè)務(wù)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)的基本流程為：

UE開機(jī)發(fā)送附著消息給MME、HSS，由HSS對(duì)UE進(jìn)行身份驗(yàn)證、授權(quán)、簽約和網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)后，MME發(fā)送創(chuàng)建默認(rèn)承載消息給SGW、PGW、PCRF，申請(qǐng)策略和計(jì)費(fèi)，并將UE錨定在PGW上，建立UE到PGW間的永遠(yuǎn)在線，使UE附著在TD-LTE網(wǎng)上。當(dāng)UE開始訪問互聯(lián)網(wǎng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將錨點(diǎn)從PGW延長(zhǎng)到互聯(lián)網(wǎng)，并開始流量計(jì)費(fèi)。當(dāng)UE在本系統(tǒng)漫游時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)UE上報(bào)測(cè)量結(jié)果，本接入網(wǎng)源基站通過X2端口發(fā)送切換請(qǐng)求，目標(biāo)基站反饋指示給UE重新配置RRC連接，UE數(shù)據(jù)從源基站轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)基站。目標(biāo)基站收到UE的RRC配置成功消息后，通過S1-MME端口向MME發(fā)送路徑切換請(qǐng)求，MME通過S11端口發(fā)更新請(qǐng)求給SGW，把下行承載路徑切換到目標(biāo)基站，完成切換。

不難看出，在TD-LTE核心網(wǎng)中，除了尋呼、切換、漫游等移動(dòng)管理模塊MME，驗(yàn)證、授權(quán)、簽約等用戶管理模塊HSS外，就是匯聚和接入網(wǎng)關(guān)模塊SGW和PGW。各模塊間端口支持的協(xié)議除了Diameter是專業(yè)協(xié)議外，其余都是互聯(lián)網(wǎng)的典型協(xié)議。TD-LTE系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)上沒有區(qū)別。未來互聯(lián)網(wǎng)NDN是傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的革命性變革，對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的影響也將是從基礎(chǔ)技術(shù)開始的革命性顛覆。

可以肯定地說，基于IP技術(shù)的TD-LTE及其演進(jìn)系統(tǒng)，將無法兼容未來互聯(lián)網(wǎng)NDN。未來互聯(lián)網(wǎng)對(duì)未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響也將是破壞性的。如果未來互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)終端任意漫游，保證終端電信級(jí)QoS語音質(zhì)量，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)就有可能被未來互聯(lián)網(wǎng)所代替。未來互聯(lián)網(wǎng)擁有蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)功能和性能之時(shí)，就是移動(dòng)通信系統(tǒng)完成自身史命、自動(dòng)退出歷史舞臺(tái)之日。

6 結(jié)束語

在NDN系統(tǒng)中，用戶只關(guān)心任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)迅速獲取數(shù)據(jù)，不關(guān)心內(nèi)容位置。研究的內(nèi)容是信息對(duì)象本身、數(shù)據(jù)自身屬性和以請(qǐng)求方的數(shù)據(jù)請(qǐng)求為驅(qū)動(dòng)方式的數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)。NDN從協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)上徹底解決了TCP/IP設(shè)計(jì)上的不適應(yīng)性，保留了細(xì)腰沙漏模型，不同點(diǎn)主要是在基于數(shù)據(jù)本身的安全機(jī)制和多樣路由策略選擇上。NDN直接對(duì)數(shù)據(jù)包加密保護(hù)，加密是端到端的，對(duì)網(wǎng)絡(luò)層基本透明，由應(yīng)用程序或庫處理，對(duì)應(yīng)的路由安全得到了顯著提高。NDN將會(huì)加速移動(dòng)通信網(wǎng)、固定通信網(wǎng)、視頻網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)融合，使之形成一張真正的全業(yè)務(wù)網(wǎng)。

1 林濤,唐暉,侯自強(qiáng).內(nèi)容感知網(wǎng)架構(gòu).中興通訊技術(shù).2011,4

2 謝高崗,張玉軍,李振宇,孫毅.未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究綜述.計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào).2012,6

3 張長(zhǎng)青.TD-LTE演進(jìn)型分組核心網(wǎng)技術(shù)分析.移動(dòng)通信. 2013,8

Analysis Future Internet NDN and theAffect Of TD-LTE

The Internet of one of the greatest inventions in 20th century,because it TCP/IP technique arouse of deliver bottleneck,along with applied demanding variety but outstanding day by day.The Internet NDN system in the future takes contents as center and assigns name to position a contents by contents and availably solved the predicament of TCP/ IP technique.After in brief elaborating some viewpoints in the Internet of future’s development,analyzed NDN total structure,work principle and produce to the TD-LTE system of influence.

future Internet,named data networking,TD-LTE

2014-12-16）