命名数据移动自组织网络节能转发策略

张 栋，薛 锦

(福州大学数学与计算机科学学院，福建 福州 350116)

命名数据移动自组织网络节能转发策略

张 栋，薛 锦

(福州大学数学与计算机科学学院，福建 福州 350116)

设计了命名数据移动自组织网络的全新转发策略(LAFS). LAFS控制低能量节点对请求数据包的响应，实现了在不增加网络负载的前提下延长整网生命周期、降低网络时延的效果. 通过将LAFS与命名数据网络中已有的两个转发策略在生命周期、跳数和时延三个方面进行分析与比较，证实了LAFS转发策略更高效节能.

命名数据网络； 移动自组织网络； 转发策略； 节能； 生命周期感知转发策略

0 引言

随着信息系统和互联网技术的不断提升，无线移动通信网络的数据流量正以每年接近100%的速度增长，迫切需要新一代更加高效、智能的互联网架构来支撑日益膨胀的用户需求. 命名数据网络(named-data network, NDN)[1]是一种全新的网络架构，致力于将目前以主机为核心的网络体系结构演变成以内容为中心网络体系结构，从而满足用户对下一代互联网高性能、高可靠性等需求[2].

将命名数据网络技术与无线自组织网络 (mobile ad hoc networking, MANET)相结合已经成为学术界与工业界关注的热门课题. 无线自组织网络适用于一些紧急场合的通信需要[3]，能够快速、便捷、高效地部署，但是传统的以IP为核心的架构不能很好地适应无线自组织网络动态多变的特点. 通过命名数据网络基于命名的数据查找与传输方式，可以不再需要使用IP进行主机定位，能够很好解决无线自组织网络中由于节点密集、请求频繁以及拓扑多变等情况而引起的网络质量不佳等问题. 本研究就命名数据网络技术在无线自组织网络中的应用进行了探索，提出基于无线自组织网络的命名数据节能发策略(lifetime-aware forwarding strategy, LAFS)，为提高无线自组织网络服务质量提供了全新的思路. 实验表明，与命名数据网络中已有的转发策略相比较，LAFS综合表现更佳，尤其在延长全网生命周期上取得了良好效果.

1 相关工作

作为一种以内容为中心的全新的网络架构，在命名数据网络中，内容存储位置不再是关注的重点，内容本身才是网络架构的核心所在. 命名数据网络将传统TCP/IP网络架构中以IP为窄腰的沙漏模型变成以内容为窄腰的新沙漏模型，网络中的报文不再以IP作为标识，而是以内容名字作为标识. 命名数据网络将数据报文分为两类，一种是请求报文(interest packet)，另一种是数据报文(data packet). 每个报文都含有一个内容名字来标识消费者节点想要的内容或者该数据报文所负载的数据. 路由节点通过发送包含内容名字的请求报文来请求具体内容，若中间路由节点包含该内容则发送包含内容名字的Data包.

命名数据网络由于其自身架构的特点，可以很好地支持无线自组织网络[4]. 原因如下：

1) 以数据为中心的信息交互方式. 以数据为中心的信息交互方式，建立在与拓扑结构无关的数据命名机制的基础之上. 每个数据包都拥有可以唯一识别的命名，从而不再需要维持主机连接状态信息，信息请求直接由消费者节点通过发送带有数据命名的Interest包来完成.

2) 命名数据网络架构中维持了记录Interest包来源接口的待定请求表(pending interest table，PIT)，通过PIT表，Data包就可以沿着Interest包来时相反的路径顺利传输到消费者节点，从而使消费者节点的物理位置等具体信息对生产者节点和路由策略来说都是透明的. 因此，消费者节点发生了拓扑位置的移动并不影响Data包的顺利传送.

目前已有一些研究工作致力于将命名数据网络技术引入无线自组织网络. 有的文献提出通过中间媒介的映射(intermediate mapping)来寻找无线自组织网络中移动的生产者节点，从而获取到Data数据包. 例如在文[5]和文[6]中，每个节点都维持一个具体的定位器，并且在主代理中更新节点与位置的映射信息. 通过将该信息加入到Data数据包的头部[6]或者把该信息作为单独的字段插入到Interest包[5]中可以实现Interest包到移动节点的定位功能. 但是这样操作的结果是，当Producer移动时，就必须进行一系列信息更新操作以确保映射仍然是有效的. 文[7]对此做出了改进，提出了一种命名为Kite的针对命名数据网络与无线自组织网络结合的解决方案. Kite对原有的命名数据网络框架进行了改动，在Interest和PIT中分别添加了新的字段，从而充分利用命名数据网络节点中所记录的转发信息来跟踪移动节点，不需要特别设立起到中间映射作用的媒介节点. 然而Kite也只适用于基础设施相对稳定的网络环境，对于网络状态多变并且对能量要求苛刻的无线自组织网络等并不适用.

考虑到无线自组织网络中节能的问题，文[8]提出了命名为CHANET(content centric fashion mANET)的命名数据无线自组织网络体系架构. CHANET在原有的命名数据网络架构上添加了pending request table(PRT)和content provider table(CPT)，致力于解决网络状况动态多变的IEEE 802.11 无线自组织网络中内容的获取、缓存和传输问题，从而实现节能的效果. 文[9]中的ECHANET在CHANET的基础做了进一步改进，对IEEE 802.11无线网络的消息广播、拓扑变化、请求频率控制以及节能等方面都做出了改进. 同样是对CHANET架构进行改进，文[10]提出了COCONET(content-centric communication in multi-hop NETworks)架构. COCONET建立在位于IEEE 802.11数据链路层之上的面向无连接的内容中心层，它利用广播包的形式，让每个内容接收节点根据路径距离等因素来决定转发端口，从而实现了节能目标. COCONET主要考虑通过选择信息传播的最短路径来减少能量的损耗，但是并没有考虑到延长整网生命周期的节能方案.

以上工作都对基于命名数据的无线自组织网络架构做了一定的探索，取得了阶段性成果，但是并没有给出能够延长无线自组织网络全网生命周期的节能方案. 本研究针对无线自组织网络请求频繁以及拓扑多变等特点，提出了一种延长整网生命周期的转发策略LAFS.

2 LAFS策略

2.1 基于命名数据的无线自组织网络

设计一种命名数据无线自组织网络转发策略(lifetime-aware forwarding strategy, LAFS). 在LAFS的设计方案中，对命名数据网络体系框架做了改动. 图1为命名数据网络原有框架中PIT表的结构.

从图1中可以看出，PIT表中记录了请求报文所需要的内容名字以及请求报文的来源接口. 所设计的命名数据无线自组织网络中，为PIT表结构增加了字段recCount(received count). 图2为改动后的PIT表结构示意图. recCount代表该请求接收到的次数. 当请求报文第一次到达节点并且需要记录在PIT中时，recCount初始化为1，此后每接收到一次该请求，就使recCount加1.

图1 NDN原有框架中PIT表结构Fig.1 PIT table structure in original NDN framework

图2 改动后的PIT表结构Fig.2 PIT table structure after modified

命名数据无线自组织网络同时还保留了命名数据网络中的其他关键组成部分，如转发信息库(forwarding interest base, FIB)，内容存储库(content store, CS)等. LAFS致力于使命名数据网络更高效地适用于无线自组织网络.

2.2 LAFS策略设计思想及其实现

LAFS的核心思想是控制网络中的节点根据自身能量的剩余值对所收到的请求数据包做出不同响应，降低低能量节点对请求数据包的响应频率，从而避免了关键节点由于频繁使用而过早消亡.

每个节点设定两个能量阈值： max，min. 通过两个能量阈值，可以将一个节点的剩余能量状态划分为三个阶段： 高于max的能量充足状态，介于max与min之间的能量临界状态，低于min的能量匮乏状态. 当节点收到Interest包时将根据剩余能量状态进行决策判断，做出不同的响应.

下面对节点处于不同剩余能量阶段时的响应操作进行详细说明.

1) 剩余能量高于max. 当节点的剩余能量状态高于max，说明节点的能量充足，此时LAFS所做出的判断与其他已有的转发策略相同，进行正常响应.

2) 剩余能量介于max与min之间. 此时，当节点收到Interest包时，首先在PIT表中进行查找. 若PIT表中无该Interest的记录，则说明节点是第一次收到该Interest包，则直接将Interest包进行转发. 若PIT表中有该Interest的记录，说明是多次收到该Interest，此时就先查看节点的CS. 如果节点CS中不含有满足该Interest包请求内容的Data包，则将该Interest包进行转发. 如果节点CS中含有满足该Interest包请求内容的Data包，则按照概率P决定是否将Data包直接通过请求接口返回给请求节点. 概率P的定义如下所示.

其中: RemainingEnergy代表节点的剩余能量. 随着剩余能量减少，P的值也将下降，从而降低了低能量节点发送Data包的概率，实现了节能.

3) 剩余能量低于min. 当节点的剩余能量值低于min时，为了防止该节点过早消亡，需要采取一定的措施. 此时，如果节点收到Interest请求包，先去PIT表中进行查询. 如果PIT表中已经有对应的记录，则抛弃该Interest包，不做任何响应. 如果PIT表中没有该Interest包记录，则将Interest包进行转发. 表1给出了LAFS的算法描述.

表1 LAFS算法

endif endifelseif(RemainingEnergy

2.3 评价指标

通过以下三个指标对LAFS转发策略进行评价：

1) 生命周期. 传统的转发策略有可能会造成无线自组织网络中部分关键节点由于频繁使用而过早消亡，从而使整网过早分割，关键信息无法传递甚至造成网络瘫痪. 因此, 全网生命周期的长短对命名数据无线自组织网络有着重要意义，也是对转发策略进行评价的重要指标.

2) 平均时延. 网络时延是评价网络性能的重要指标，一个请求的时延定义为该请求节点收到正确响应数据包的时间与其第一次发出该请求的时间差. 网络平均时延的计算如下式所示.

其中：N代表不同节点中不同请求数的总和； Delay_Interesti代表第i个请求的时延.

3) 平均跳数. 跳数是指网络中兴趣包以及数据包在网络中所经过的跳数之和. 平均跳数(AveHop)的计算如下式所示.

其中: HopIi代表第i个请求(Interest)所经过的跳数； HopDj代表第j个数据包(Data)所经过的跳数；n代表兴趣包的总数；k代表数据包的总数.

3 仿真与实现

采用命名数据网络仿真软件ndnSIM[11]进行仿真实验. ndnSIM仿真软件采用模块化的设计方案，使用独立的C++类来模拟命名数据网络层中各个实体及操作. 此外，仿真软件提供了可拓展的接口和帮助类来细致地追踪命名数据网络流中每一个组成部分.

3.1 实验场景设定

在仿真实验中，为了增加网络链路通信压力，以体现转发策略的优劣，设定全网30个节点，其中15个消费者节点，9个生产者节点，6个中间节点. 所有节点分布在1 600 m2(40 m×40 m)的区域之中. 其中消费者节点每秒的请求数为100次. 节点随机移动，以确保最大程度的模拟无线自组织网络的真实场景. 节点间采用无线通信方式，无实际物理链路. 节点单次传输报文能量消耗为1.75 W，接收报文能量消耗为0.940 6 W，节点待机状态下能量消耗为0.569 9 W. 实验中, 将LAFS策略与命名数据网络中已有的转发策略BestRoute和Flooding进行了比较和分析.

3.2 实验结果

1) 生命周期. 该实验统计了不同转发策略下网络节点生命周期的差异，分别记录了20%、40%、60%、80%和100%节点数消亡的时间, 实验结果如图3所示. 可以看出采用Flooding策略的情况下，全网节点将消亡的最快，因为对Interest包进行了洪泛转发，浪费了一定的能量. 采用LAFS策略后明显延长了全网节点的消亡时间，起到了节能的作用.

2) 平均时延. 该实验统计了不同转发策略下网络平均时延的差异，图4给出了比较结果. 当节点能量充足时，LAFS和BestRoute两条曲线基本重合，而Flooding的时延较低是因为将请求进行了洪泛转发，能迅速得到正确的响应. 随着实验的进行，LAFS控制了部分低能量节点的响应，使时延变得相对较高. 实验进行到后期，采用BestRoute策略或Flooding策略的网络中由于没有采取节能方案而导致部分节点死亡，从而造成部分信息传递受阻，时延变长. 从曲线变化的趋势可以看出，在运行时间足够长的情况下，LAFS策略可以有效降低网络时延.

图3 节点生命周期Fig.3 Nodes’ life-time

图4 平均时延Fig.4 Average delay

图5 平均跳数Fig.5 Average hops

3) 平均跳数. 该实验统计了不同转发策略下网络平均跳数的差异，图5是实验所得到的平均跳数曲线图. 对Flooding策略而言，将Interest包进行了洪泛转发必定造成了跳数的增加，而随着实验的进行，部分中间节点的CS中缓存了Data包，使得Interest包所经过的跳数有效减少.

对于LAFS与BestRoute策略而言，从图中可以看出采用LAFS策略后，由于控制了部分低能量节点的请求响应，所以跳数会相对较高. 但是随着实验的运行，LAFS和BestRoute两条曲线基本重合，说明LAFS在保证延长低能量节点生命周期的同时并没有增加网络负担.

4 结语

基于命名数据的无线自组织网络优势在于不需要用IP来对终端进行定位，改为以内容名字进行数据的请求和转发，从而很好解决了无线自组织网络节点拓扑和链路动态多变的问题，但如何将二者高效结合是目前研究的热点. 本研究通过对命名数据网络体系架构的改动，提出无线自组织网络与命名数据网络融合的解决方案，并设计了命名数据无线自组织网络中延长整网生命周期的节能转发策略LAFS. 实验证明，LAFS通过控制节点收到请求报文时的响应操作有效延长了节点的生命周期，避免了全网因为关键节点过早消亡而引起的网络效率不佳、用户体验差等问题.

在下一步工作中，将继续对命名数据网络技术在无线自组织网络环境下的应用进行研究，设计更加节能高效的转发策略，探讨LAFS策略在延长整网生命周期的同时保证网络通信效率的最佳平衡点，尝试将LAFS策略运用于更加复杂多变的无线自组织网络场景中.

[1] ZHANG L, AFANASYEV A, BURKE J,etal. Named data networking[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2014, 44(3): 66-73.

[2] 薛锦, 张栋, 唐滨. 命名数据网络中主动探测的转发策略研究[J]. 计算机工程与应用, 2014, 50(18): 89-93.

[3] 张栋, 高龙. 基于跨层协同的 MANET 网络拥塞控制算法仿真研究[J]. 云南大学学报(自然科学版), 2013 (1): 26-30.

[4] RAVINDRAN R, LO S, ZHANG X,etal. Supporting seamless mobility in named data networking[C]// IEEE International Conference on Communications (ICC). Ottawa: IEEE, 2012: 5 854-5 869.

[5] HERMANS F, NGAI E, GUNNINGBERG P. Global source mobility in the content-centric networking architecture[C]//Proceedings of the 1st ACM Workshop on Emerging Name-Oriented Mobile Networking Design-Architecture, Algorithms, and Applications. New York: ACM, 2012: 13-18.

[6] LEE J, CHO S, KIM D. Device mobility management in content-centric networking[J]. Communications Magazine, 2012, 50(12): 28-34.

[7] ZHANG Y, ZHANG H, ZHANG L. Kite: a mobility support scheme for ndn[C]//Proceedings of the 1st International Conference on Information-Centric Networking. New York: ACM, 2014: 179-180.

[8] AMADEO M, MOLINARO A. CHANET: a content-centric architecture for IEEE 802.11 MANETs[C]// International Conference on the Network of the Future (NOF). Paris: IEEE, 2011: 122-127.

[9] AMADEO M, MOLINARO A, RUGGERI G. E-CHANET: routing, forwarding and transport in information-centric multihop wireless networks[J]. Computer Communications, 2013, 36(7): 792-803.

[10] AMADEO M, MOLINARO A, RUGGERI G. An energy-efficient content-centric approach in mesh networking[C]// International Conference on Communications (ICC). Ottawa: IEEE, 2012: 5 736-5 740.

[11] AFANASYEV A, MOISEENKO I, ZHANG L. ndnSIM: NDN simulator for NS-3[R]. Los Angeles: University of California, 2012.

(责任编辑： 沈芸)

Energy-efficient named-data networking forwarding strategy in mobile ad hoc networking

ZHANG Dong, XUE Jin

(College of Mathematics and Computer Science，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China)

A novel forwarding strategy for named data mobile ad hoc, which is called LAFS, is proposed in this paper. Through the way of controlling low-energy nodes’ reaction to requests, LAFS can prolong the whole network lifetime and lower the network delay without increasing the network loading. Compared with two existent forwarding strategy in life-time, hop counts and delay, LAFS is proved to be more energy-efficient.

named-data network(NDN); mobile ad hoc network(MANET); forwarding strategy; energy efficient; lifetime-aware forwarding strategy

10.7631/issn.1000-2243.2017.01.0063

1000-2243(2017)01-0063-06

2015-07-10

张栋(1981-)，副教授，主要从事下一代互联网、网络虚拟化等研究，zhangdong@fzu.edu.cn

福建省自然科学基金资助项目(2013J01231)

TP393

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