吳志軍，徐新然

（中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300300）

廣域信息安全管理系統(tǒng)[1]（SWIM,system wide information management）作為新一代空中交通管理（ATM,air traffic management）信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，為各航空系統(tǒng)提供高效、靈活、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交互服務(wù)。隨著民航業(yè)快速發(fā)展，航空信息數(shù)據(jù)日益增加，不同ATM 系統(tǒng)間的信息交換愈加頻繁，對(duì)SWIM 數(shù)據(jù)的分發(fā)效率提出了更高要求。因此，研究降低SWIM 數(shù)據(jù)傳輸延遲的措施，對(duì)保證SWIM 信息實(shí)時(shí)性、服務(wù)連續(xù)性和決策正確性具有重要意義。

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)[2]（NDN,named data networking）是一種流行的信息中心網(wǎng)絡(luò)[3]（ICN,information-centric networking）架構(gòu)，采用全新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層解析信息名稱、路由緩存信息數(shù)據(jù)等功能，從而較好地解決了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中存在的擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性問(wèn)題[4]，減輕數(shù)據(jù)源服務(wù)節(jié)點(diǎn)負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)性能。目前，研究人員已經(jīng)對(duì)NDN 進(jìn)行深入研究，并將其應(yīng)用于多種網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[5]提出了將NDN 轉(zhuǎn)發(fā)模型應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)，以解決車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用信息共享的安全性和實(shí)時(shí)性問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]基于數(shù)據(jù)命名方式設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單的車輛信息分發(fā)應(yīng)用，仿真結(jié)果顯示該數(shù)據(jù)命名方式可有效促進(jìn)興趣包和數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，且可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳輸。文獻(xiàn)[7]分析了NDN 在無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)對(duì)基于NDN 的兩種轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行分析，為改善轉(zhuǎn)發(fā)策略打下基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8]研究了可在NDN 上運(yùn)行的改進(jìn)Apache Hadoop平臺(tái)，驗(yàn)證了在NDN 上運(yùn)行大型、復(fù)雜分布式軟件的可行性，展現(xiàn)了NDN 在分布式應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)重復(fù)讀取的網(wǎng)絡(luò)緩存前景。文獻(xiàn)[9]為命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)集同步協(xié)議，確保在各種網(wǎng)絡(luò)狀況下數(shù)據(jù)可用性接近100%，且開(kāi)銷可以忽略不計(jì)。由此可見(jiàn)，NDN 路由機(jī)制在降低網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載方面具有較大優(yōu)勢(shì)，可為改善SWIM 網(wǎng)絡(luò)性能提供了一種解決方案。

目前，關(guān)于SWIM 的研究主要集中于SWIM 的架構(gòu)以及SWIM 網(wǎng)絡(luò)的安全性問(wèn)題[10]，文獻(xiàn)[11]描述了SWIM 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息實(shí)時(shí)共享的重要性，提出了基于實(shí)時(shí)性的SWIM 架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)各應(yīng)用信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。然而，在SWIM 網(wǎng)絡(luò)路由方面還未提出有效措施，而網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)故障難以避免，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母邥r(shí)延成為SWIM 信息實(shí)時(shí)性的最大威脅。在對(duì)SWIM 架構(gòu)和NDN路由機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，提出基于NDN 的SWIM 網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，以降低網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載，解決因SWIM 路由節(jié)點(diǎn)故障引起的傳輸時(shí)延過(guò)高等問(wèn)題，從而提高SWIM網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求響應(yīng)速度，保證SWIM 信息的實(shí)時(shí)性。

1 SWIM 路由機(jī)制

1.1 SWIM 路由實(shí)現(xiàn)

SWIM 服務(wù)信息在數(shù)據(jù)交換的過(guò)程中主要使用兩種類型的傳輸包，即興趣包和數(shù)據(jù)包。興趣包主要包括：內(nèi)容名、選擇器和隨機(jī)數(shù)等字段；數(shù)據(jù)包主要包括：內(nèi)容名、簽名、簽名信息和數(shù)據(jù)等字段。

SWIM 中的路由節(jié)點(diǎn)主要維護(hù)3 種表結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)路由轉(zhuǎn)發(fā)，即轉(zhuǎn)發(fā)信息表（FIB,forwarding information base）、待定請(qǐng)求表（PIT,pending interest table）和內(nèi)容緩存（CS,content store），其基本格式如圖1所示。

圖1 SWIM 路由中3 種表結(jié)構(gòu)Fig.1 Three related structures of SWIM routing

FIB 負(fù)責(zé)記錄興趣包所要轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)信息命名的映射，用以確定路由方向（最長(zhǎng)匹配原則）；PIT 將跟蹤并記錄興趣包已到達(dá)但預(yù)期數(shù)據(jù)未到達(dá)的輸入端口；CS 作為節(jié)點(diǎn)的本地緩存，用于存儲(chǔ)所經(jīng)過(guò)信息的副本。FIB 中接口有3 種狀態(tài)[12]：

1）端口狀態(tài)正常（GREEN），即由該端口發(fā)送興趣包，相應(yīng)的數(shù)據(jù)包可以返回；

2）端口狀態(tài)未知（YELLOW），端口可能長(zhǎng)時(shí)間未使用時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)入該狀態(tài)；

3）端口狀態(tài)異常（RED），當(dāng)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障或鏈路失效時(shí)，相關(guān)端口會(huì)轉(zhuǎn)入該狀態(tài)。

1.1.1 SWIM 信息數(shù)據(jù)的命名

目前SWIM 提供的數(shù)據(jù)交換服務(wù)主要有4 種：飛行數(shù)據(jù)交換服務(wù)、航行情報(bào)交換服務(wù)、氣象信息交換服務(wù)及其他服務(wù)。

SWIM 信息請(qǐng)求者請(qǐng)求信息或信息提供者發(fā)布信息時(shí)，將使用SWIM 的信息交換服務(wù)對(duì)信息的特征進(jìn)行提取、描述。這些特征可作為命名的參考，例如飛機(jī)的全球唯一航班標(biāo)識(shí)符（GUFI）可結(jié)合SWIM 數(shù)據(jù)特點(diǎn)具體命名，規(guī)則如表1所示。

表1 SWIM 信息命名規(guī)則Tab.1 SWIM information naming rule

SWIM 網(wǎng)絡(luò)中的興趣包和數(shù)據(jù)包采用內(nèi)容名作為唯一標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)了命名的一致性，具有可自驗(yàn)證特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了內(nèi)容的安全性檢測(cè)。此外，這種命名方式為相關(guān)的路由轉(zhuǎn)發(fā)方式和緩存機(jī)制打下了基礎(chǔ)。這種基于內(nèi)容尋址的通信模式將興趣包與數(shù)據(jù)源地址隔離開(kāi)，實(shí)現(xiàn)相同前綴內(nèi)容名的聚合，避免了大量信息數(shù)據(jù)引起的路由表膨脹，從而提高了路由工作效率。另外，層次化的命名方式使得內(nèi)容命名具有很好的擴(kuò)展性，保證了SWIM 數(shù)據(jù)命名的可用性。

1.1.2 SWIM 網(wǎng)內(nèi)路由緩存機(jī)制

SWIM 自身雖然不會(huì)產(chǎn)生信息數(shù)據(jù)，但其作為各ATM 系統(tǒng)信息交互共享的平臺(tái)，所有的應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)都將流入SWIM。隨著航空業(yè)務(wù)和航空大數(shù)據(jù)發(fā)展，SWIM 需要處理的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，SWIM“虛擬信息池”的概念意味著其將存儲(chǔ)和傳輸大量的航空數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)SWIM 網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的性能也提出了更高要求。SWIM 網(wǎng)絡(luò)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)內(nèi)的緩存機(jī)制，即對(duì)經(jīng)過(guò)路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存，可實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)相同資源請(qǐng)求的快速響應(yīng)，減少網(wǎng)絡(luò)中的冗余流量，降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，減輕數(shù)據(jù)源服務(wù)器負(fù)載，提高數(shù)據(jù)復(fù)用率。例如，很多部門(mén)都需要?dú)庀蟛块T(mén)發(fā)布的氣象信息，當(dāng)某個(gè)部門(mén)從氣象部門(mén)的SWIM 應(yīng)用獲取數(shù)據(jù)后，相應(yīng)的路由路徑中會(huì)對(duì)氣象信息進(jìn)行緩存；當(dāng)后續(xù)部門(mén)發(fā)出同樣請(qǐng)求后，如果轉(zhuǎn)發(fā)路徑中的路由節(jié)點(diǎn)內(nèi)緩存了相應(yīng)的氣象信息，則不需要再?gòu)脑磾?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，減少了路由轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，提高了獲取內(nèi)容數(shù)據(jù)的效率。

1.1.3 信息的路由轉(zhuǎn)發(fā)

在SWIM 服務(wù)發(fā)布之后，對(duì)于消費(fèi)者而言，為了獲取該服務(wù)的信息，需要發(fā)出包含期望內(nèi)容名稱的興趣包；對(duì)于生產(chǎn)者而言，在接收到合法用戶的興趣包請(qǐng)求后，應(yīng)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。路由節(jié)點(diǎn)對(duì)興趣包和數(shù)據(jù)包的處理過(guò)程如圖2所示。

圖2 路由轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程Fig.2 Route forwarding process

在興趣包進(jìn)入路由節(jié)點(diǎn)后，首先將在CS 中查找是否有與消費(fèi)者期望內(nèi)容匹配的數(shù)據(jù)緩存，如果有，則直接將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包返回給消費(fèi)者，同時(shí)丟棄該興趣包；如果沒(méi)有，則在PIT 中查找是否有與期望內(nèi)容匹配的表項(xiàng)，如果有，說(shuō)明之前已有內(nèi)容名相同的興趣包轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)，只需將本次興趣包的來(lái)源端口添加到PIT 中，并丟棄該興趣包；如果CS 和PIT 中均沒(méi)有與之匹配的表項(xiàng)，則需要在FIB 中查找，如果FIB 中存在與興趣包內(nèi)容名匹配的表項(xiàng)，則根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略將興趣包從對(duì)應(yīng)端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并在PIT 中記錄該興趣包對(duì)應(yīng)的內(nèi)容名稱以及接收該興趣包的端口。如果FIB 中也無(wú)法匹配興趣包的內(nèi)容名稱，說(shuō)明無(wú)法經(jīng)該節(jié)點(diǎn)獲取所需的數(shù)據(jù)包，此時(shí)將丟棄該興趣包，并返回NACK 包，告訴請(qǐng)求端，請(qǐng)求端將嘗試向其他接口重新發(fā)送該請(qǐng)求包，直到接收到數(shù)據(jù)包或者請(qǐng)求超時(shí)。

當(dāng)興趣包由路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)后，數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)打包，并沿著PIT 中存儲(chǔ)的發(fā)送端口往回發(fā)送數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)發(fā)完后將刪除相應(yīng)的PIT 表項(xiàng)，同時(shí)依據(jù)緩存策略對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行緩存。

1.2 重路由機(jī)制

航空業(yè)對(duì)信息傳輸?shù)募皶r(shí)性和有效性提出了很高要求。雖然路由節(jié)點(diǎn)的緩存策略可降低數(shù)據(jù)的傳輸延遲，提高對(duì)請(qǐng)求的響應(yīng)速度，但當(dāng)出現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)故障或鏈路失效時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，路由節(jié)點(diǎn)將查詢FIB，尋找與請(qǐng)求內(nèi)容匹配的其他端口，然后通過(guò)該端口轉(zhuǎn)發(fā)該興趣包，直到接收到數(shù)據(jù)包或請(qǐng)求超時(shí)。然而，如果路由節(jié)點(diǎn)中的FIB 沒(méi)有可用的其他端口可以轉(zhuǎn)發(fā)該內(nèi)容，將導(dǎo)致請(qǐng)求者無(wú)法獲取請(qǐng)求數(shù)據(jù)。為保證出現(xiàn)路由故障后SWIM 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩岢鲆环N重路由機(jī)制。該方法可在監(jiān)測(cè)到鏈路故障或節(jié)點(diǎn)失效后，快速尋找到新的路由轉(zhuǎn)發(fā)路徑，降低傳輸延遲和丟包率，保障SWIM 網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)效性。

1.2.1 重路由機(jī)制相關(guān)定義

重路由轉(zhuǎn)發(fā)包包括：標(biāo)識(shí)位、內(nèi)容名、起始節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)、失效節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)和隨機(jī)數(shù)，可用于尋找重路由路徑。

重路由確認(rèn)包包括：標(biāo)識(shí)位、內(nèi)容名和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)，可用于確認(rèn)重路由路徑。

重路由表包括：標(biāo)識(shí)位、內(nèi)容名和請(qǐng)求包來(lái)源接口。

其中，標(biāo)識(shí)位是路由節(jié)點(diǎn)識(shí)別重路由是針對(duì)興趣包還是數(shù)據(jù)包的依據(jù)。如果是興趣包，則其值為0；是數(shù)據(jù)包，則其值為1。內(nèi)容名即為興趣包/數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容名；起始節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)用于標(biāo)記發(fā)起重路由請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)，當(dāng)重路由請(qǐng)求包找到滿足條件的下一跳節(jié)點(diǎn)后，該標(biāo)識(shí)即作為重路由確認(rèn)包的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)；失效節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)用于標(biāo)記失效節(jié)點(diǎn)，主要用于尋找路由失效前失效節(jié)點(diǎn)的下一跳節(jié)點(diǎn)；隨機(jī)數(shù)的作用與興趣包中的隨機(jī)數(shù)字段作用一致。

1.2.2 興趣包和數(shù)據(jù)包的重路由

當(dāng)興趣包或數(shù)據(jù)包到達(dá)節(jié)點(diǎn)后，根據(jù)路由轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，決定其下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)端口。當(dāng)某個(gè)端口指向的下一跳節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或鏈路失效時(shí)，該端口的狀態(tài)為RED。此時(shí)，查詢FIB 和PIT，確認(rèn)經(jīng)該端口轉(zhuǎn)發(fā)的內(nèi)容名，并生成重路由請(qǐng)求包，并將該請(qǐng)求包向除了狀態(tài)為RED 外的其他端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。路由節(jié)點(diǎn)接收到重路由請(qǐng)求包后的處理過(guò)程如圖3所示。

圖3 重路由請(qǐng)求包的處理過(guò)程Fig.3 Rerouting request packet process flow

當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)接收到重路由請(qǐng)求包后，首先判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為失效節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)，如果不是，則根據(jù)請(qǐng)求包的各個(gè)字段及來(lái)源端口，創(chuàng)建重路由表項(xiàng)；如果是失效節(jié)點(diǎn)的相鄰節(jié)點(diǎn)，且標(biāo)識(shí)位為0，說(shuō)明是針對(duì)興趣包轉(zhuǎn)發(fā)的重路由，故查詢FIB 中是否有匹配的字段，如果沒(méi)有，以同樣方式創(chuàng)建重路由表項(xiàng)；如果標(biāo)識(shí)位為1，說(shuō)明是針對(duì)數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的重路由，故查詢PIT 中是否有匹配的字段，如果沒(méi)有，以同樣方式創(chuàng)建重路由表項(xiàng)。如果FIB 或PIT 中有匹配的表項(xiàng)，說(shuō)明找到一條冗余路徑傳輸相關(guān)的興趣包和數(shù)據(jù)包，此時(shí)返回一個(gè)重路由確認(rèn)包。節(jié)點(diǎn)對(duì)重路由確認(rèn)包的處理過(guò)程如圖4所示。

圖4 重路由確認(rèn)包的處理過(guò)程Fig.4 Rerouting confirmation packet processing flow

當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)接收到重路由確認(rèn)包后，根據(jù)重路由包的各個(gè)字段，查詢重路由表中是否有匹配的表項(xiàng)，如果沒(méi)有，則丟棄該重路由確認(rèn)包；如果有，根據(jù)標(biāo)識(shí)位的值、內(nèi)容名和來(lái)源端口分別更新PIT 和FIB 的表項(xiàng)并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直到轉(zhuǎn)發(fā)到起始節(jié)點(diǎn)為止。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

采用ndnSIM[13]進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，模擬SWIM 網(wǎng)絡(luò)中氣象信息和飛行信息的訂閱發(fā)布過(guò)程，請(qǐng)求信息方為消費(fèi)者，發(fā)布信息方為生產(chǎn)者，仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用GEANT 網(wǎng)絡(luò)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共有22 個(gè)節(jié)點(diǎn)和36 條鏈路，鏈路間的帶寬為1 Mbps。設(shè)置10 個(gè)消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)，其中4 個(gè)消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)只請(qǐng)求氣象信息，4 個(gè)消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)只請(qǐng)求飛行信息，2 個(gè)消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)既請(qǐng)求氣象信息又請(qǐng)求飛行信息；設(shè)置2 個(gè)生產(chǎn)者節(jié)點(diǎn)，1 個(gè)為氣象信息生產(chǎn)者，另1 個(gè)為飛行信息生產(chǎn)者，每個(gè)消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)每秒發(fā)送100 個(gè)請(qǐng)求。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 性能指標(biāo)

1）網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是從節(jié)點(diǎn)第一次發(fā)出請(qǐng)求到收到相應(yīng)數(shù)據(jù)包的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延則是所有不同請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)延遲之和的平均值，即

式中：N 為不同節(jié)點(diǎn)中不同請(qǐng)求數(shù)的總和；Di為第i 個(gè)請(qǐng)求的時(shí)延。

2）網(wǎng)絡(luò)平均負(fù)載

所有節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的興趣包和數(shù)據(jù)包的總字節(jié)數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)目的比值，計(jì)算公式為

式中：BI，i和BD，i分別為第i 個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的興趣包和數(shù)據(jù)包；n 為節(jié)點(diǎn)總數(shù)。

3）平均跳數(shù)

跳數(shù)是興趣包或數(shù)據(jù)包在傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。平均跳數(shù)計(jì)算公式為

式中：HI，i為第i 個(gè)興趣包經(jīng)過(guò)的跳數(shù)；HD，j為第j 個(gè)數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)的跳數(shù)；l 為興趣包的總數(shù)；k 為數(shù)據(jù)包的總數(shù)。

4）平均重傳次數(shù)

重傳是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中興趣包出現(xiàn)丟失或者請(qǐng)求超時(shí)情況時(shí)，需要重新發(fā)送興趣包。平均重傳次數(shù)計(jì)算公式為

式中，Ri為第i 個(gè)請(qǐng)求重傳的次數(shù)。

2.2.2 性能分析1）實(shí)驗(yàn)1

兩個(gè)同時(shí)請(qǐng)求氣象信息和飛行信息的消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)在0 s 開(kāi)始發(fā)送請(qǐng)求獲取氣象信息，其余消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)在3 s 后開(kāi)始發(fā)送請(qǐng)求，采用最佳路由策略[13]，分別考慮使用節(jié)點(diǎn)內(nèi)緩存和不使用節(jié)點(diǎn)內(nèi)緩存的情況，每隔1 s 進(jìn)行一次采樣，平均時(shí)延和平均負(fù)載情況如圖5和表2所示。

圖5 平均時(shí)延Fig.5 Average time delay

由圖5和表2可看出，在不使用節(jié)點(diǎn)內(nèi)緩存時(shí)，每個(gè)消費(fèi)者都需要從生產(chǎn)者的源節(jié)點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生大量的冗余流量，增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延上升，影響網(wǎng)絡(luò)性能。而采用節(jié)點(diǎn)緩存策略，部分消費(fèi)者可以從離自己較近的路由節(jié)點(diǎn)獲取緩存過(guò)的內(nèi)容，這將降低路由節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延和負(fù)載。

2）實(shí)驗(yàn)2

所有消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)在0 s 開(kāi)始發(fā)送請(qǐng)求，在7.5 s 時(shí)隨機(jī)選取某兩個(gè)路由節(jié)點(diǎn)（非生產(chǎn)者和消費(fèi)者節(jié)點(diǎn)）間的鏈路，將其狀態(tài)設(shè)為“FailLink”，即模擬節(jié)點(diǎn)失效，每隔1 s 進(jìn)行一次采樣，為反映重路由、最佳路由策略以及泛洪策略[13]在節(jié)點(diǎn)失效后對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，在節(jié)點(diǎn)失效前均采用最佳路由策略，出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效后，分別采用3 種方法實(shí)現(xiàn)路由路徑重新規(guī)劃，取7～12 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。3 種方法的平均時(shí)延、平均跳數(shù)和平均重傳次數(shù)比較如圖6所示。

a）網(wǎng)絡(luò)平均時(shí)延比較

圖6（a）的仿真結(jié)果顯示，在出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效后，所有方法傳輸時(shí)延均上升，但重路由機(jī)制可較好地控制傳輸時(shí)延上升的程度。因?yàn)樵诔霈F(xiàn)鏈路失效之后，必然會(huì)有興趣包和數(shù)據(jù)包出現(xiàn)丟棄和重傳的現(xiàn)象。重路由機(jī)制是在原路徑基礎(chǔ)上尋找繞過(guò)失效節(jié)點(diǎn)的路由路徑，這在很大程度上可減少興趣包和數(shù)據(jù)包的丟棄和重傳，減輕節(jié)點(diǎn)失效帶來(lái)的影響。

圖6 性能對(duì)比Fig.6 Performance comparison

b）平均跳數(shù)比較

圖6（b）結(jié)果顯示重路由機(jī)制的平均跳數(shù)略高于最佳路由策略，因?yàn)橹芈酚陕窂竭x擇并不是依賴于FIB，而是依據(jù)重路由機(jī)制尋找跨過(guò)失效節(jié)點(diǎn)的冗余路徑，通過(guò)更新路徑中節(jié)點(diǎn)的FIB 和PIT 找到新路徑來(lái)傳輸興趣包和數(shù)據(jù)包，但這并不一定是跳數(shù)最短的路徑；最佳路由策略是根據(jù)FIB 選擇狀態(tài)最好的端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；而泛洪策略會(huì)向所有匹配內(nèi)容的端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，故其平均跳數(shù)最高。

c）平均重傳次數(shù)比較

圖6（c）的仿真結(jié)果顯示重路由機(jī)制的重傳次數(shù)最低。因?yàn)橹芈酚蓹C(jī)制是在鏈路失效前建立最短路徑并尋找繞過(guò)失效鏈路的路由路徑，在確定路徑后，原路徑中未丟棄的興趣包和數(shù)據(jù)包可直接在新路徑中繼續(xù)傳輸，減少了重傳次數(shù)；另外兩種方法原路徑中的數(shù)據(jù)包都會(huì)被丟棄，需根據(jù)FIB 確定新的路由路徑之后，由消費(fèi)者重新發(fā)送興趣包，獲取數(shù)據(jù)包。泛洪策略向所有匹配內(nèi)容的端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，故尋找到與興趣包匹配的端口的概率更大，因此其相對(duì)于最佳路由策略的重傳次數(shù)低。

綜合以上對(duì)3 個(gè)指標(biāo)的分析，從SWIM 網(wǎng)絡(luò)的角度來(lái)看，信息實(shí)時(shí)性以及服務(wù)連續(xù)性很重要，故時(shí)延是關(guān)鍵因素。綜合考慮，重路由機(jī)制優(yōu)于另外兩種轉(zhuǎn)發(fā)策略，可減小路由節(jié)點(diǎn)失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的影響。

3 結(jié)語(yǔ)

1）基于NDN 路由機(jī)制，結(jié)合SWIM 數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)置了SWIM 服務(wù)數(shù)據(jù)的命名規(guī)則，確定了傳輸包的基本結(jié)構(gòu)和傳輸規(guī)則，提出了基于民航信息有效時(shí)間的路由緩存方式，通過(guò)仿真驗(yàn)證了路由機(jī)制中網(wǎng)絡(luò)緩存可降低民航網(wǎng)絡(luò)的傳輸時(shí)延，提高傳輸效率；

2）提出了基于NDN 的SWIM 網(wǎng)絡(luò)重路由機(jī)制，設(shè)計(jì)了相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和重路由規(guī)則，實(shí)驗(yàn)仿真表明該方法可減小路由失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，可為SWIM服務(wù)的連續(xù)性提供一定的保障。