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(shù)據(jù)移動自組織網(wǎng)絡(luò)（named data mobile ad hoc network，NDMANET），它是以信息中心網(wǎng)絡(luò)（information centric networking，ICN）中最具代表性的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（named data networking，NDN）技術(shù)與傳統(tǒng)移動自組織網(wǎng)絡(luò)（mobile ad hoc network，MANET）為基礎(chǔ)，融合形成一種全新的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。NDMANET可有效緩解基于TCP/IP協(xié)議簇的無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)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(xù)時間短和頻繁中斷等。原因主要有以下幾方面：1）傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)依靠IP地址來標識和定位網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（包括主機和路由器），構(gòu)建節(jié)點到節(jié)點的連接路由，實現(xiàn)面向連接（connection-oriented）和盡力（best-effort）交付的數(shù)據(jù)傳輸服務。然而，MANET網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有移動性，其位置可能持續(xù)動態(tài)變化，無法依靠IP地址對其準確定位。因而，在低動態(tài)場景應用廣泛的TCP/IP協(xié)議并不適合中高動態(tài)MANET應用場景;2）ICN是未來網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，作為其典型實現(xiàn)，NDN技術(shù)采用\"接收者驅(qū)動\"模式，實現(xiàn)異步通信，無須建立和維護節(jié)點之間連接。此外，NDN引人了網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)，顯著提高每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(shù)量，同時縮短接收請求內(nèi)容的等待時間。低時延、高穩(wěn)定的通信鏈路能顯著提升系統(tǒng)的任務執(zhí)行效率，同時增強系統(tǒng)的整體可靠性和魯棒性[2]。對于中高動態(tài)MANET場景，例如應急救災場景與無人機蜂群場景，NDN協(xié)議比IP協(xié)議更能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽眯枨?。目前，許多研究人員正在探索使用NDN技術(shù)來構(gòu)建各種移動自組織網(wǎng)絡(luò)，例如普通的移動自組織網(wǎng)絡(luò)、軍事領(lǐng)域的MANET和汽車自組織網(wǎng)絡(luò)[4]（vehicularadhocnetworks，VANET）。

隨著NDMANET技術(shù)的發(fā)展，該研究方向受到越來越多研究者關(guān)注，有效的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略能大幅提高網(wǎng)絡(luò)性能和服務質(zhì)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(zhuǎn)發(fā)策略，其對網(wǎng)絡(luò)性能和可靠性起著至關(guān)重要作用。這些轉(zhuǎn)發(fā)策略是基于先前在有線網(wǎng)絡(luò)中的ICN/NDN實踐而來，尚未充分優(yōu)化以適應高度動態(tài)的無線網(wǎng)絡(luò)鏈路和拓撲特點，還有性能改進的潛力。為提高NDMANET網(wǎng)絡(luò)的性能，參考容斷/容延網(wǎng)絡(luò)（delay/disruption tolerant network，DTN）中的“節(jié)點活躍度（node activeness）\"理念，將其融入NDMANET的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，應對頻繁鏈路中斷和網(wǎng)絡(luò)拓撲變化等挑戰(zhàn)。該策略依照定期監(jiān)測各節(jié)點的活躍度，將其分高低2檔，僅使用活躍度高的節(jié)點存儲、轉(zhuǎn)發(fā)信息包，提高包轉(zhuǎn)發(fā)效率，減少傳輸無效信息帶來的網(wǎng)絡(luò)帶寬浪費。總的來說，貢獻可總結(jié)為以下3個方面：

1）筆者創(chuàng)造性給出了一種基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點活躍度的信息包轉(zhuǎn)發(fā)策略。這一技術(shù)具有良好的兼容性，只需要把節(jié)點活躍度信息增添進原生信息包中，不需要對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)做出調(diào)整；

2）通過開發(fā)基于NS-3/ndnSIM的轉(zhuǎn)發(fā)策略仿真測試程序，可有效評估NDMANET網(wǎng)絡(luò)中不同類型包轉(zhuǎn)發(fā)策略的性能，更好地實現(xiàn)高效傳輸；

3）研究對經(jīng)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(jié)果得到，MANET環(huán)境的動態(tài)水平偏中上時，提出的策略通過適度提升節(jié)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(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗。

1背景

概述基于NDN協(xié)議的MANET，另外介紹NDMANET的2種常用轉(zhuǎn)發(fā)策略，最后探討信息包傳輸技術(shù)面臨的困難和挑戰(zhàn)。

1.1基于NDN協(xié)議的MANET

MANET是典型的對等無線通信網(wǎng)絡(luò)，很容易遭受無線環(huán)境中頻道衰減和陰影等環(huán)境因素的干擾。目前，“數(shù)據(jù)鏈路層（OSI模型的L2層）\"提供了介質(zhì)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(fā)生沖突，提高系統(tǒng)的可靠性。MANET的“網(wǎng)絡(luò)層（OSI模型的L3層）\"通常使用IP協(xié)議為主，盡管它在固定網(wǎng)絡(luò)中取得巨大成功，但在適應高動態(tài)性MANET應用場景時存在局限性。首先，基于IP協(xié)議的MANET是一種主機中心網(wǎng)絡(luò)（host-centric network，HCN），其中IP地址是節(jié)點的身份標識符，用來定位節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)拓撲中的位置。然而，當MANET節(jié)點脫離自組織網(wǎng)絡(luò)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(jié)點間的關(guān)聯(lián)性并實時更新位置，移動節(jié)點需要生成大量的控制信令，這種機制會大幅消耗網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，增加網(wǎng)絡(luò)負載，導致網(wǎng)絡(luò)性能下降。同時，MANET基于IP協(xié)議的“發(fā)送方觸發(fā)”傳輸方式，可能無法充分利用發(fā)送方及路徑中繼節(jié)點的信道資源，難以構(gòu)建反映網(wǎng)絡(luò)全局狀態(tài)的最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，限制了IP協(xié)議在MANET中的高效應用。

1.2NDMANET常用轉(zhuǎn)發(fā)策略介紹

當前NDMANET中廣泛采用的包轉(zhuǎn)發(fā)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(shù)據(jù)傳輸方法，核心是通過廣播方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳播。當某個節(jié)點需要特定數(shù)據(jù)時，它會生成一個興趣包（interest packet），在興趣包中包含所需要數(shù)據(jù)的名稱，通過無線網(wǎng)絡(luò)廣播給鄰近節(jié)點。收到興趣包的鄰居節(jié)點會解析包中的信息，判斷是否需要轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)。若需要，則繼續(xù)廣播興趣包;若不需要，則直接丟棄。這一過程會在網(wǎng)絡(luò)中不斷重復，直到興趣包到達包含目標數(shù)據(jù)的節(jié)點。目標節(jié)點在接收到興趣包后，會生成相應的數(shù)據(jù)包，將其返回給最初發(fā)出興趣包的節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)拓撲較為穩(wěn)定的情況下，洪泛策略能夠快速、高效定位所需要數(shù)據(jù)。然而，當網(wǎng)絡(luò)具有較高動態(tài)性時，為適應拓撲變化，興趣包的傳播次數(shù)可能顯著增加，導致網(wǎng)絡(luò)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(jié)點需要發(fā)送數(shù)據(jù)包到目標節(jié)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(jié)點的距離值（consumer distance，cd）。生產(chǎn)者節(jié)點接收興趣包后，在生成的數(shù)據(jù)包中插人距離值，而中繼節(jié)點在接收數(shù)據(jù)包后，提取出自身到生產(chǎn)者節(jié)點的距離值（producer distance，pd）和生產(chǎn)者到用戶節(jié)點的最短距離（minimumdistance，md）。然后，中繼節(jié)點根據(jù)不等式 cd+pd?md 判斷是否繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)包，以選擇最佳路徑。這種策略有助于提高網(wǎng)絡(luò)效率，減少冗余傳輸，有效管理數(shù)據(jù)在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。在大多數(shù)NDMANET網(wǎng)絡(luò)中，包轉(zhuǎn)發(fā)策略通常未充分考慮到MANET網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，為提高網(wǎng)絡(luò)性能，引人一種創(chuàng)新性概念，即“節(jié)點活躍度”。

2 研究現(xiàn)狀

對于MANET網(wǎng)絡(luò)中具有移動特點的節(jié)點，其網(wǎng)絡(luò)拓撲會實時變化，網(wǎng)絡(luò)鏈路會頻繁中斷，導致網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)高丟包率、高誤碼率和高延遲，嚴重影響網(wǎng)絡(luò)性能。近年來，也有學者提出了分簇式協(xié)議，但是分簇式協(xié)議對簇首節(jié)點的依賴大、耗能高，無法完全解決基于IP協(xié)議的MANET網(wǎng)絡(luò)問題。NDMANET是一種將NDN技術(shù)與MANET網(wǎng)絡(luò)融合的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，繼承了基于NDN固網(wǎng)場景的包轉(zhuǎn)發(fā)策略。目前，主要的興趣包和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)策略可以分為2類：一種是盲目轉(zhuǎn)發(fā)策略，它們不考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲狀態(tài);另一種是感知轉(zhuǎn)發(fā)策略，它們依賴于采集相鄰節(jié)點信息或通信路徑信息，下面對其進行詳細介紹。

盲目轉(zhuǎn)發(fā)策略是一種與網(wǎng)絡(luò)拓撲無關(guān)、無須維護路由信息的策略。當前主要的盲目轉(zhuǎn)發(fā)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(shù)據(jù)包傳遞給所有能到達的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以達到最高限度的數(shù)據(jù)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(fā)整個網(wǎng)絡(luò)的廣播風暴，占用和浪費大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。智能洪泛策略通過設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)接口狀態(tài)以改進包轉(zhuǎn)發(fā)策略性能，但這種策略依然會帶來較重網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗。定時器等待策略在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點內(nèi)為各發(fā)送端口設(shè)置隨機等待時延，降低其產(chǎn)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(zhuǎn)發(fā)策略實現(xiàn)MANET中興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)，用戶節(jié)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(chǎn)者節(jié)點或中繼節(jié)點上發(fā)現(xiàn)所請求的數(shù)據(jù)包，而生產(chǎn)者節(jié)點或中繼節(jié)點則可以依據(jù)其PIT表所記錄的興趣包接收端口信息，將此數(shù)據(jù)包反饋給用戶節(jié)點。此策略復雜度低、實現(xiàn)簡單，但由于興趣包和數(shù)據(jù)包傳輸冗余路徑多，易造成相鄰節(jié)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(zhuǎn)發(fā)策略需要進一步改進，提高其在MANET網(wǎng)絡(luò)中的興趣包轉(zhuǎn)發(fā)效率。

感知轉(zhuǎn)發(fā)策略是以內(nèi)容源和鄰居等信息為基礎(chǔ)實現(xiàn)包轉(zhuǎn)發(fā)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(jié)點與其他節(jié)點之間的距離信息，做出相應的轉(zhuǎn)發(fā)決策。在LFBL策略框架下，用戶節(jié)點通過廣播興趣包與中繼節(jié)點交互。中繼節(jié)點接收到興趣包后，會解析其內(nèi)容，計算用戶節(jié)點與自身之間的跳數(shù)，并對距離表進行更新，針對由生產(chǎn)者發(fā)出的數(shù)據(jù)包，以及由中繼節(jié)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(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，執(zhí)行興趣包的轉(zhuǎn)發(fā)任務。LFBL轉(zhuǎn)發(fā)策略是一種與網(wǎng)絡(luò)拓撲完全無關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)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(zhuǎn)發(fā)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸。Kuai及其團隊[15通過統(tǒng)計車聯(lián)網(wǎng)整體節(jié)點密度選擇最佳的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。Anastasiades 等[u-17提出一種代理輔助內(nèi)容獲取方法，通過選擇可能與發(fā)送節(jié)點相遇的節(jié)點作為代理，優(yōu)先進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和存儲，利用節(jié)點移動特性實現(xiàn)高效傳輸。Al-Omaisi等[8引人了一個多層次框架，設(shè)計高效的VANET-NDN數(shù)據(jù)傳輸解決方案。Li等開發(fā)了一種基于SDN命名的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)路由機制，通過分布式控制器優(yōu)化全局路由選擇。董謙等[20]創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種集中控制的流量調(diào)度策略，通過選擇資源充足的節(jié)點作為控制節(jié)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(zhuǎn)發(fā)策略依賴網(wǎng)絡(luò)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(jié)點移動速度較慢或拓撲相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在中高度動態(tài)的NDMANET網(wǎng)絡(luò)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(jīng)開始在DTN網(wǎng)絡(luò)傳輸策略中采用基于節(jié)點活躍度的轉(zhuǎn)發(fā)決策方法。崔波[黃宏程等[2]提出一種適用于高動態(tài)命名數(shù)據(jù)容遲網(wǎng)絡(luò)的方法，該方法通過維護鄰居表來評估節(jié)點的活躍度，并通過定期廣播hello包獲取鄰居節(jié)點的數(shù)量。基于所獲得的數(shù)據(jù)，中繼節(jié)點被細化成了2類：一類是臨時節(jié)點（僅進行轉(zhuǎn)發(fā)而不存儲）;另一類是永久轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點（多次轉(zhuǎn)發(fā)）。盡管該協(xié)議能夠穩(wěn)定確保信息在節(jié)點機會性通信環(huán)境下實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，但在某些情況下可能會引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞問題。李建鐸等[22提出一種DTN路由算法，通過分析節(jié)點的關(guān)鍵特性來選擇最優(yōu)的消息中繼節(jié)點，并結(jié)合節(jié)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(wǎng)絡(luò)進行區(qū)域劃分，針對中繼節(jié)點、擺渡節(jié)點和普通節(jié)點等不同類型的中間傳輸節(jié)點，分別設(shè)計相應的活躍度統(tǒng)計算法。經(jīng)過試驗測試，盡管該算法在一定程度上改善網(wǎng)絡(luò)傳播的性能，減少傳播時間，但同時顯著增加了網(wǎng)絡(luò)流量開銷。NDMANET與DTN非常相似，都具有鏈路頻繁中斷和網(wǎng)絡(luò)拓撲時變的特點。因此，為了提高NDMANET的包轉(zhuǎn)發(fā)性能并解決這些負面影響，在NDMANET的包轉(zhuǎn)發(fā)策略中引入“節(jié)點活躍度\"概念，提高網(wǎng)絡(luò)服務質(zhì)量。

3基于節(jié)點活躍度的包轉(zhuǎn)發(fā)策略

在中高動態(tài)的NDMANET中，為應對其拓撲的動態(tài)變化特性，基于“節(jié)點活躍度\"理念，筆者提出一種新的NDMANET包轉(zhuǎn)發(fā)策略。研究內(nèi)容將分為以下幾個部分：首先，闡述節(jié)點活躍度相關(guān)概念及其在DTN網(wǎng)絡(luò)包轉(zhuǎn)發(fā)策略中的應用;隨后，提出一種面向NDMANET網(wǎng)絡(luò)的基于節(jié)點活躍度的包轉(zhuǎn)發(fā)策略，深入解析其設(shè)計原理及具體實現(xiàn)流程；最后，對該轉(zhuǎn)發(fā)策略的優(yōu)劣勢進行定性分析。

3.1 節(jié)點活躍度定義

節(jié)點活躍度指的是無線網(wǎng)絡(luò)中的可移動節(jié)點在單位時間內(nèi)遇到鄰居節(jié)點的平均數(shù)量。節(jié)點的活躍度越高，與其他節(jié)點相遇、建立連接進行通信的可能性越大;反之，節(jié)點活躍度越低，與其他節(jié)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(wǎng)絡(luò)的特點是拓撲分割、節(jié)點機會性相遇、內(nèi)容提供者未知，為減少冗余數(shù)據(jù)包傳輸和網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費，之前的研究是通過節(jié)點活躍度決定DTN網(wǎng)絡(luò)中的包路由轉(zhuǎn)發(fā)。DTN網(wǎng)絡(luò)所采用的是以節(jié)點活躍度為基礎(chǔ)，選擇活躍度較高的節(jié)點來保存及轉(zhuǎn)發(fā)包的路由轉(zhuǎn)發(fā)策略，降低因傳輸額外包所造成的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源浪費，也能提高成功傳輸數(shù)據(jù)的概率。為了準確計算節(jié)點的活躍度，節(jié)點需要統(tǒng)計它在某一時間段內(nèi)遇到過的鄰居節(jié)點數(shù)目，基于此信息推算出節(jié)點的活躍度水平。此外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(shè)計原理

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

原生NDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(shù)以及指示器。用戶生成興趣包并將其發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)，中繼節(jié)點接收到興趣包后，根據(jù)其名稱繼續(xù)向數(shù)據(jù)生產(chǎn)者轉(zhuǎn)發(fā)，若興趣包到達的某個節(jié)點（這個節(jié)點可以是中繼節(jié)點或者生產(chǎn)者節(jié)點）含有它所請求的數(shù)據(jù)，那么這個節(jié)點將會返回一個包含4個字段的數(shù)據(jù)包，這4個字段分別是：名字、元數(shù)據(jù)、內(nèi)容和簽名。如圖1（a）展示了上面描述的興趣包和數(shù)據(jù)包的格式。因為在NDMANET網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)以節(jié)點活躍程度為基礎(chǔ)的包轉(zhuǎn)發(fā)策略，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的活躍程度值都需要被精確統(tǒng)計，因此，需要對NDN網(wǎng)絡(luò)的原生興趣包和數(shù)據(jù)包進行字段擴展，以便接收節(jié)點能依據(jù)新增信息做出轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限的判斷，興趣包和數(shù)據(jù)包在擴展后分別新增3個字段，如圖1（b）所示。

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

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

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

圖1興趣包和數(shù)據(jù)包擴展前后結(jié)構(gòu)示意圖

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

3.3轉(zhuǎn)發(fā)策略實現(xiàn)流程

基于原生命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（NDN）系統(tǒng)中興趣包和數(shù)據(jù)包的類型差異，筆者設(shè)計了2種不同的處理實現(xiàn)流程。具體如下：

NDMANET節(jié)點接收到興趣包時，會根據(jù)名稱字段判斷是否因廣播導致環(huán)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(jié)點會在其\"內(nèi)容存儲”中查找該興趣包請求的內(nèi)容。若在內(nèi)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(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)回去;若找不到匹配信息，則繼續(xù)通過網(wǎng)絡(luò)廣播將該興趣包向外路由轉(zhuǎn)發(fā)。

對于數(shù)據(jù)包，當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)包時，會首先查詢其PIT表。若發(fā)現(xiàn)表中存在與數(shù)據(jù)包名稱匹配的興趣包記錄，則將數(shù)據(jù)包儲存到“內(nèi)容存儲”中，并依據(jù)PIT表中指定的接口進行轉(zhuǎn)發(fā);若未找到匹配的興趣包記錄，則丟棄該數(shù)據(jù)包。圖2展示了轉(zhuǎn)發(fā)興趣包及數(shù)據(jù)包策略的實現(xiàn)流程。

圖2原生興趣包和數(shù)據(jù)包實現(xiàn)流程圖

在NDMANET網(wǎng)絡(luò)中，筆者提出基于節(jié)點活躍度的包轉(zhuǎn)發(fā)策略。網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(fā)出興趣包或數(shù)據(jù)包之前，確定存儲或轉(zhuǎn)發(fā)的權(quán)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(jié)點活躍度的包轉(zhuǎn)發(fā)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(shù)據(jù)包）接收階段

當節(jié)點收到一個信息包后，提取其節(jié)點標號（NODE_ID）并檢查鄰居標號數(shù)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(shù)組，將節(jié)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(jié)點按照原生NDN網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)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(jié)點接收到數(shù)據(jù)包且PIT表中無對應興趣包條目時，仍需要將其存入“內(nèi)容存儲”，以利用節(jié)點移動性提高數(shù)據(jù)包成功傳遞的概率。

2） 信息包轉(zhuǎn)發(fā)階段

首先讀取接收信息包的特殊節(jié)點標記（SPE_ID），若該標記的值為1或者2，節(jié)點會將該標記的值減1后，進入原生NDN網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)流程;若該標記的值為0，節(jié)點會比較信息包的節(jié)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(jié)點會對該信息包進行轉(zhuǎn)發(fā)，反之則會停止對該信息包進行轉(zhuǎn)發(fā)。在這種情況下，活躍度較低的節(jié)點雖然接收到數(shù)據(jù)包，并將其緩存到“內(nèi)容存儲\"（content storage，CS）中，但不會向鄰居節(jié)點廣播。隨著節(jié)點移動、網(wǎng)絡(luò)拓撲不斷變化，節(jié)點活躍度可能會提高，在接收到所對應的興趣包后參與數(shù)據(jù)包路由，提升數(shù)據(jù)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(jié)點活躍度的包轉(zhuǎn)發(fā)策略、NDMANET網(wǎng)絡(luò)的默認洪泛轉(zhuǎn)發(fā)策略和先偵聽后廣播的包轉(zhuǎn)發(fā)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(wǎng)絡(luò)帶寬使用量（bandwidth usage，BU）以及節(jié)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(nèi)，用戶節(jié)點在目標NDMANET網(wǎng)絡(luò)中成功接收與其發(fā)送的興趣包數(shù)量的比值，其中，發(fā)送的興趣包數(shù)量不包含重傳興趣包，即

式中： NUM_{received-Data} 表示接收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量; ΔNUM_sent-Int 表示發(fā)送興趣包的數(shù)量。

2）平均請求時延。平均請求時延指在特定仿真時間內(nèi)，目標NDMANET網(wǎng)絡(luò)中從用戶節(jié)點發(fā)送一個興趣包開始到該節(jié)點接收到請求數(shù)據(jù)包的時間間隔均值，即

式中： T_{i，received-Data} 表示第 i 個數(shù)據(jù)包到達時間; T_{i，sent-Int} 表示第 i 個興趣包發(fā)送時間; NUM_{reccived-Data} 表示接該時段內(nèi)收到數(shù)據(jù)包的數(shù)量。

3）網(wǎng)絡(luò)帶寬使用量。網(wǎng)絡(luò)帶寬使用量指在特定仿真時間內(nèi)，目標NDMANET網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點發(fā)送的信息包總量。

4）節(jié)點存儲消耗量。節(jié)點存儲消耗量指在特定仿真時間內(nèi)，目標NDMANET網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點緩存的數(shù)據(jù)包總量。

4.1仿真程序研發(fā)

基于學術(shù)界廣泛使用的開源仿真軟件NS-3及NDN網(wǎng)絡(luò)擴展工具ndnSIM，開發(fā)了一套專門針對NDMANET網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的仿真測試程序。表1中詳細列出了仿真環(huán)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(shè)定

表2列出了作為仿真目標命名數(shù)據(jù)移動自組織網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)。仿真實驗通過隨機設(shè)置節(jié)點的不同移動速率，比較2種經(jīng)典包轉(zhuǎn)發(fā)策略與研究策略在多項性能指標上的表現(xiàn)。這些指標包括：請求響應率、平均請求延遲、網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和節(jié)點存儲消耗量。在仿真場景中，由于不同節(jié)點以不同速率隨機移動，其活躍度會隨之動態(tài)變化。具體來說，節(jié)點移動速率較高時，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化更劇烈，鄰居數(shù)量在節(jié)點通信范圍內(nèi)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(wěn)定。為此，仿真實驗參照節(jié)點移動速率設(shè)置了不同的活躍度更新周期，更新后所有節(jié)點的活躍度統(tǒng)一置零，并按照規(guī)則每個節(jié)點發(fā)送一次興趣包，重新統(tǒng)計活躍度數(shù)據(jù)。

表2仿真場景參數(shù)設(shè)置

Table2Parameter settingof simulation platform

4.3 結(jié)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(wǎng)絡(luò)帶寬使用量和節(jié)點存儲消耗量4個性能指標的測試結(jié)果。Default指代默認洪泛轉(zhuǎn)發(fā)策略，LFBL指代先偵聽后廣播包轉(zhuǎn)發(fā)策略，NAPF指代所提出的基于節(jié)點活躍度的包轉(zhuǎn)發(fā)策略。

圖4請求響應率實驗結(jié)果 Fig.4Experimental results of response rate

對于請求響應率指標，針對低動態(tài)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(wěn)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(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)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(wǎng)絡(luò)動態(tài)性的增加，一方面，Default轉(zhuǎn)發(fā)策略由于轉(zhuǎn)發(fā)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(zhuǎn)發(fā)，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(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化對請求響應率造成的不利影響。對于NAPF包轉(zhuǎn)發(fā)策略，由于節(jié)點位置快速變化，生產(chǎn)者和用戶節(jié)點具有更大的和活躍度較高節(jié)點進行通信的概率，使請求響應率逐漸增高。圖4顯示，在節(jié)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(jié)點運動速率的提高，網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)性逐漸提升，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間連接的穩(wěn)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(fā)最嚴重的信道沖突問題;相比之下，NAPF策略保持了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的多樣性，但也導致高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲場景下的請求時延比LFBL策略的請求時延更長，實驗結(jié)果見圖5所示。

圖5平均請求時延實驗結(jié)果 Fig.5Experimental results of average delay

對于網(wǎng)絡(luò)帶寬使用量指標，Default策略在所有情況（節(jié)點速率不同的場景）下充許所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接收、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)其收到的信息包，所以網(wǎng)絡(luò)帶寬使用量指標明顯高于NAPF和LFBL轉(zhuǎn)發(fā)策略。LFBL策略因限定了轉(zhuǎn)發(fā)路徑，在所有的測試參數(shù)下，其網(wǎng)絡(luò)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(jié)點被限制轉(zhuǎn)發(fā)后，隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點隨機運動速率的增加，特殊節(jié)點在距離高活躍度節(jié)點跳數(shù)更近的位置進行興趣包和數(shù)據(jù)包接發(fā)的概率提高。同時，相較于低動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲場景而言，其請求重傳次數(shù)降低，使網(wǎng)絡(luò)帶寬消耗逐漸減少。實驗結(jié)果如圖6所示，當網(wǎng)絡(luò)節(jié)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(wǎng)絡(luò)帶寬使用量。

圖6網(wǎng)絡(luò)帶寬使用量實驗結(jié)果

Fig.6Experimental results of bandwidth usage

對于節(jié)點存儲消耗量指標，在動態(tài)性較低的網(wǎng)絡(luò)拓撲場景下，Default包轉(zhuǎn)發(fā)策略具有多路徑傳輸?shù)奶匦裕W(wǎng)絡(luò)節(jié)點因而會消耗較多的存儲空間。筆者所提的NAPF包轉(zhuǎn)發(fā)策略為較好應對中高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓撲所帶來的鏈路中斷挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要緩存所接收的數(shù)據(jù)包在未來實現(xiàn)隨遇回傳，故其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要消耗一定的存儲空間。特別是當目標網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)性增大時，NAPF包轉(zhuǎn)發(fā)策略使網(wǎng)絡(luò)中大量未接收興趣包的節(jié)點存儲興趣包所對應的數(shù)據(jù)包，導致節(jié)點存儲消耗量較Default和LFBL策略會隨節(jié)點速率的提升而線性增加，實驗結(jié)果見圖7所示。

通過分析這4個性能指標，提出的基于節(jié)點活躍度的包轉(zhuǎn)發(fā)策略在中高動態(tài)的NDMANET網(wǎng)絡(luò)場景中主要有2方面優(yōu)勢：1）與默認的洪泛轉(zhuǎn)發(fā)策略相比，所提出的策略明顯減少網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的消耗;2）與最短路徑路由轉(zhuǎn)發(fā)策略（如LFBL策略）相比，所提的策略進一步提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的成功率。

圖7節(jié)點存儲消耗量實驗結(jié)果

Fig.7Experimental resultsof node storage consumption

研究提出的NAPF策略利用活躍度較高的節(jié)點和特殊節(jié)點進行信息包轉(zhuǎn)發(fā)，同時調(diào)用活躍度較低的節(jié)點存儲數(shù)據(jù)，作為未來用戶請求的新數(shù)據(jù)源。但若特殊節(jié)點所在區(qū)域的節(jié)點密度較低，可能導致特殊節(jié)點處于“被屏蔽”狀態(tài)，無法有效執(zhí)行正常的路由流程。再者，若活躍度較高的節(jié)點相距較遠，且沒有位于節(jié)點較密集的區(qū)域，有可能無法建立轉(zhuǎn)發(fā)路徑。除此之外，若NDMANET網(wǎng)絡(luò)場景中節(jié)點以較低速度運動，節(jié)點移動性會限制額外數(shù)據(jù)源機制，導致該機制難以有效實施?？偟膩碚f，在大規(guī)模、高動態(tài)NDMANET場景下，提出的基于節(jié)點活躍度的NDMANET網(wǎng)絡(luò)包路由策略的性能優(yōu)異，如果NDMANET網(wǎng)絡(luò)場景的規(guī)模和動態(tài)性較低，所提策略有不足之處。但節(jié)點是否轉(zhuǎn)發(fā)興趣包/數(shù)據(jù)包主要由基于節(jié)點活躍度的轉(zhuǎn)發(fā)機制決定，若能將節(jié)點移動性與轉(zhuǎn)發(fā)機制有機結(jié)合，通過監(jiān)測節(jié)點的實時運動速度自動改變轉(zhuǎn)發(fā)判定條件，如當前節(jié)點移動性較低時，只要節(jié)點活躍度不低于上一中繼節(jié)點活躍度值減2，則可繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)興趣/數(shù)據(jù)包。通過設(shè)計并實現(xiàn)類似可以自適應的轉(zhuǎn)發(fā)機制，能有效提升本策略在低動態(tài)、小規(guī)模NDMANET場景下的運行性能。

5結(jié)論

研究關(guān)注NDMANET網(wǎng)絡(luò)中的信息包轉(zhuǎn)發(fā)策略，針對MANET網(wǎng)絡(luò)鏈路通斷頻繁和拓撲動態(tài)隨時間變化等固有特征，把節(jié)點活躍度概念引入NDMANET網(wǎng)絡(luò)的包轉(zhuǎn)發(fā)策略，創(chuàng)新性提出一種基于節(jié)點活躍度的NDMANET網(wǎng)絡(luò)包路由轉(zhuǎn)發(fā)策略。利用在NS-3/ndnSIM開源框架上開發(fā)的仿真程序，對提出的NAPF策略進行性能評估，實驗結(jié)果顯示，在具有中高動態(tài)的MANET網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)更高的請求響應率，降低網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗，其代價是合理增加節(jié)點的存儲消耗。

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