浅析未来互联网NDN和其对TD-LTE的影响

张长青 中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司高级工程师

浅析未来互联网NDN和其对TD-LTE的影响

张长青 中国移动通信集团湖南有限公司岳阳分公司高级工程师

20世纪最伟大发明之一的互联网，因其TCP/IP技术引起的传输瓶颈，随着应用需求的变化而日益突出。未来互联网NDN体系以内容为中心，以内容命名定位内容，有效地解决了TCP/IP技术上的困境。本文在简单阐述未来互联网发展中的某些想法后，分析了NDN的总体架构、工作原理和对TD-LTE系统产生的影响。

未来互联网 NDN TD-LTE

1 引言

互联网的基本模型是基于全局地址的主机到主机通信，通信链路因路由器转发数据包而被统计复用，这不仅极大地提高了网络链路的使用率，也极大地简化了网络链路布局的复杂性和技术难度，降低了网络链路在建设、维护与管理方面的运营成本。互联网的基本原理是包括确定数据传输目的地址和保证数据迅速可靠传输措施在内的分组数据包交换，接入、传输和交换等技术的兼容、简单、易用，为其日后的快速发展与广泛普及，奠定了坚实的技术基础。互联网的应用是20世纪最伟大的发明之一。

几十年来，互联网在各个方面都已发生了翻天覆地的变化。网络管理从当初的集中式变成现在的分散式，计算技术从最初的单机模式演变成当今的云计算，通信技术从最初的局域网通信转变成当今的光通信、移动通信、卫星通信、城域网通信和个域网通信等多项高新技术并用，用户接入模式从最初的拨号接入过渡到现今的固定接入和移动接入的永远在线，业务应用模式也从最初单一的纯计算扩展为现今的以多媒体全业务和互联业务应用模式为主、以纯计算为辅的综合模式。互联网的发展已远远超越了它当时的设想。

互联网最初的应用是以人作为使用者来建立的，主机是固定的，主机的名称和位置也是统一的。由于互联网的通信是主机对主机的端端通信，互联网网络可以假想为一个黑匣子，可以不用考虑主机间通信的QoS，甚至可以不用考虑主机间数据交流的安全问题。近年来，互联网已经成为集信息采集、传输、存储、处理于一体的信息化社会的重要基础承载平台，成为多媒体内容和社会网络分享的新型公共资源。角色的定位转换，流量的海量增长，导致了以IP地址为核心、以传输为目的、按照端到端原理设计的TCP/IP体系结构在路由扩展、动态、安全、可管理、可靠、QoS以及能耗等方面的问题日益突出。

虽然在互联网的发展过程中，内部和外部的许多技术和应用发生了我们不曾想象的深刻变化，但作为互联网最重要的技术基础，TCP/IP体系结构几十年来却基本保持不变。若考虑未来互联网中的主机是智能化的使用者，就需要建立一个可信、移动、泛在应用的互联网，目标直指服务、数据、环境、协议和经济感知等，而其中的服务感知是指对服务、资源、网络管理、移动性、可靠性和安全性的感知。要实现这样的目标，首先就要实现互联网的可扩展性和移动性。而传统互联网的IP地址将主机的标识和位置紧密捆绑，确定了主机就等于确定了位置，使主机的扩展性和移动性受到了严格的限制。突破IP地址同时兼有标识和位置的双重属性，是未来互联网革命性发展的重点之一。

TD-LTE是当前最先进的移动通信技术之一，是一个全IP分组域集语音和多媒体于一身的移动通信系统，也是一个将蜂窝移动通信网与互联网有机结合的网络系统，是移动互联网的主要组成部分。未来互联网的革命性改变，毫无疑问要影响到蜂窝移动通信网络，且是从基础技术方面的影响，甚至是革命性的影响。本文首先阐述了对未来互联网发展的相关思考，而后分析了未来网研究中比较典型的、进入试验阶段并已取得一定成效的NDN（Named Data Networking）的架构、原理和技术，分析了未来网NDN对TD-LTE系统产生的影响。

2 未来互联网的相关思考

互联网一方面在内容热度上呈现无尺度分布特征，另一方面在同一事件的所有分组数据包中，封装了内容完全相同的协议、目标地址等重复数据，以至于有大量相同内容在网络中被低效重复传输，成为互联网流量剧增的根本原因。减少重复数据交流、提高有效流动数据率，是未来互联网降低流量的有效方法。互联网传输数据时只认IP包的目的地址，不管IP包的出去，这样虽然可以减少数据传输内容，简化传输数据结构，加快数据传输速率，但却存在很多先天性安全隐患，如互联网无法找到网络攻击的真正源头。增加传输数据中信源地址等关键信息，是未来互联网提高数据传输安全性值得考虑的重要举措。

互联网采用无连接分组交换和向下兼容性技术，使所有与互联网无关的诸如光传输、有线传输、无线传输等众多异构网络可简单接入，这是任何其他网络都不曾拥有的超级能力。互联网的关键设备路由器除了IP包，其他任何信息都不要，极大地减轻了网络系统的负担，这种中间瘦的技术架构，为系统用最简单的技术建立最大规模的网络创造了条件。目前，依靠互联网生存的许多新旧行业，都只是基于TCP/IP技术做各式各样的开发，或以互联网为平台从事开发，互联网本身只需提供一些基本准则即可。这些能使互联网几十年长久不败发展的重要原因，同样应该是未来互联网考虑的重要条件。

未来互联网的移动性，并非是通过3G、4G或更高更新移动通信系统接入后形成的。虽然TD-LTE是目前移动互联网的主要承载平台，可为用户提供任何时间、地点，快速高效、稳定优质，利用多种终端简单方便地获取互联网的业务和服务，但它却是一个蜂窝移动通信系统，而蜂窝系统的设备和人力成本，决定了用户利用它上网的资费在一定时期内较高。未来互联网的移动性应该是指互联网本身的移动，是主机标识和主机位置分离的新型体系结构，并可以将移动管理和路由设计统一考虑，使节点在移动过程中具有唯一、稳定的标识，理论上应该可以做到使未来互联网的移动性在动态管理中得以实现。

未来互联网的可扩展性是指网络的扩展不受任何条件限制，如当前互联网规模的可扩展性就受制于所使用IPv4地址的数量限制，如因网络流量激增而引起骨干路由器崩溃的有限流量限制，如骨干路由器中路由表数量的快速增长，将极大地降低路由器的查找性能、增加路由器的性能开销等有限性能限制等。目前，采用的IPv6虽已解决了主机规模的可扩展性，但仅仅是地址长度扩展到128位，是一种过渡方案。骨干网络流量和路由表的激增，是过渡与兼容方案无法解决的可扩展性问题，因为TCP/IP体系结构的端端模式最后都要将所有流量汇聚到骨干网上。只有底层技术革命，才有可能突破束缚在互联网上的枷锁。

未来互联网的节能性同样重要。互联网与主机不同，主机具有节能智能系统，可根据CPU和内存的使用量合理支付电能。网络设备不行，路由器、交换机不管你用与不用，都要消耗同样多的电能。未来互联网设备，不仅应具有智能节能系统，还应在计算技术和芯片工艺等方面，开发和制造出性能更高、功耗更低的产品，采用多核心、多线程和虚拟化技术，从而成就未来互联网的绿色节能机制。可以预见，未来互联网的智能化将是网络设备智能化和网络组织智能化的相互结合，前者可以通过流量的变化来控制网络设备端口的节能，后者可以通过全网优化来合理组织全网流程，自动开关长期轻载或空载的网络或网路。

总之，未来互联网在选址、安全方面应有不同的数据传送方法，数据内容可以分散，所有数据内容都有签名和认证。系统支持预订网络和能效网络，可使用低功效设备，可修改模式，可通过组播、过滤、高速缓存、定向等方法减少无效流量。可使用自组织、自优化、自治愈等自治方式。路由技术中的路径选择也不是简单的最短路径优先原则，还应考虑业务流量等特征。在分布式无线网中，可将移动性和数据管理性尽可能地从核心网分散到边缘网或终端上。未来互联网的变化也应该是一个演进式的变化过程。

3 NDN网络基本架构

互联网起源之初人们的主要应用需求是计算资源的共享，几十年来，该需求已发生了巨大变化，并已演变成对内容的获取和分发。虽然如此，互联网的体系结构仍然是主机对主机的端端模式，该模式要求系统每次存取的内容都要间接映射到内容所在的设备上，而主机IP地址承担的标识和位置的双重属性，又直接影响到网络路由方面的可扩展性和移动性。NDN根据DONA（Data Oriented Network Architecture）体系架构中用网络命名系统和名字解析机制替代DNS（Domain Name System）的思想，采用名字路由和路由器缓存内容，克服了主机对主机模式的相关缺陷，分离了主机的标识和位置，使数据传输更快，提高了内容的检索效率。

NDN是美国FIA（Future Internet Architecture）的4个项目之一，是一个基于内容的命名（以传输数据的内容来实现路由）的网络体系架构，由核心网络、边缘网络、标识与位置映射系统3个部分组成（见图1）。在边缘网络中，主机和边缘路由器通过数据报文包含的标识信息通信。在核心网络中，核心路由器根据数据报文包含的位置信息进行路由、转发。边缘路由器作为边缘网络和核心网络之间的功能实体，实现标识到位置的解析和数据报文封装/解封操作。

图1 NDN内容感知网络总体架构

标识与位置映射系统包括标识与位置路由系统和分布在边缘网络中的映射服务器（一般情况下，映射服务器包含在边缘路由器中）。映射服务器存储所在边缘网络内各主机/内容标识与位置的映射信息。标识与位置路由系统由标识路由器构成，标识路由器根据标识中包含的逻辑可汇聚路由前缀进行消息路由，从而将映射请求发送至目的映射服务器。在标识与位置路由系统中，实现标识与位置分离，并将标识进一步分离为主机标识和内容标识，使得网络具备内容感知能力。

显然，NDN除了支持标识与位置分离外，还支持存储网络化，使所有路由设备具备大容量存储能力，这种能力不仅可以使路由设备支持传统路由转发功能，还可以实现内容缓存和高效分发，使其支持内容感知。由于边缘路由器和核心路由器都可以具备大容量存储能力，所以具有支持内容感知的转发机制。

NDN以内容为中心，实现了从地址识别定位内容到以内容名称定位内容的转变，即以传输数据的内容命名来定位传输数据。图2中的左边是传统互联网OSI 7层模型的协议分布，图右边是NDN 4层模型的协议分布，它统一将对话层、表示层和应用层归为应用层，将链路层和物理层归为媒体通信层，且服务标识与网络层对应，服务资源层与传输层对应。在传统互联网各层之间传输的是不断封装或解封的包含有目的地址和标识的数据包，在未来互联网NDN各层之间传输的虽然也是数据报文，但本质上是有区别的，因为上层的服务资源层与下层的媒体通信层是通过动态映射完成的，这种映射是通过数据命名进行的。

图2 NDN实现原理示意图

4 NDN网络工作原理

NDN改变了当前互联网主机对主机的通信模式，由面向主机改为面向内容，变命名主机为命名数据，废除了原有IP地址，以内容名定位内容，使用数据名字而不是IP地址进行数据传递，让数据本身成为互联网架构中的核心要素。NDN仍然为沙漏模型，采用7层结构（见图3），但下层协议是为适配底层物理链路和通信设计的，上层协议是为对应相关应用设计的，中间细腰为命名数据的内容块。在这两种模型中，第一层物理层和第七层应用层是一样的，因为都需要物理接入，也都是为了应用，其他的如策略层取代了网络层，安全层取代了对话层，数据流取代了表示层，虽各自不同，但最大区别还是传输层的内容块取代了IP包。

图3 IP与NDN协议栈沙漏模型

NDN中传输的每段数据（数据报文或内容块）有一个名字，即数据名或内容名。NDN内容命名机制采用了层次化结构，类似于互联网中表示网页地址的统一资源定位符URL（Uniform Resource Locator）的命名方案，如“/panc.com/videors/z0.mpg”为一个具体内容的名字（Name），“/panc.com”和“/panc.com/videors”则可作为内容的前缀（Prefix）用于路由查找及转发。互联网中传输数据包的IP地址是路由查找和转发的唯一标识，包含在数据包中。NDN中传输内容块的路由和转发标识是数据名，它是数据本身部分，不多占内容块空间，提高了数据包的有效数据承载量。

NDN的数据封装机制采用请求包或兴趣包（Interest Packet）和数据包（Data Packet）两种数据报文（见图4）。请求包用于查找，当路由节点请求内容时则发送请求包。数据包是数据实体，若中间路由节点缓存了该内容或内容服务收到请求包后则返回数据包。显然，在NDN通信中，请求包和数据包都不带任何主机或接口地址，且一个请求包对应一个数据包，请求包与数据包都可同时缓存。从包封内容，包的数量及包的封装方法来看，NDN数据封装与互联网数据机制中包含IP地址在内的IP包是完全不同的。

与互联网由发送者驱动数据传输机制相反（互联网中发送数据端以广播方式向网络发送IP包，路由器根据IP包中目的地址路由转发），NDN采用的是接收者驱动数据传输机制。首先，由数据接收端发送请求包发起数据请求，收到请求的路由器记录请求来自的接口，查找FIB（Forwarding Information Base，转发信息基础）表并转发请求包。请求包到达有请求资源的节点后，数据包沿着请求包的反向路径传送给请求者。请求包是基于包中名字路由到数据提供者，数据包是根据请求包在每一跳建立的状态信息传递回来的。

在NDN转发模型中，主要有3类数据结构，即FIB、CS（Content Store，内容存储库）和PIT（Pending Interest Table，待定兴趣表或待定请求表）。其中，FIB保存路由节点到达内容服务器的下一跳接口（NDN中用Face，一个Face代表路由器收发报文的一个接口）。CS保存路由节点的缓存内容，相当于IP路由器的缓冲存储器。PIT则用来记录未得到响应的请求包的名字及到达的Face，以便数据包沿途返回。3张数据表的最大特点是，为同一事件的所有内容块建立了一条固有传输链路，减少了系统重复访问，提高了数据传输速率。

图4 NDN请求包和数据包结构

NDN的数据传输与转发过程可以简述为：路由节点收到请求包后首先查找CS，若有匹配记录则返回数据包并结束，否则查找PIT，若有匹配记录则结束，若不存在匹配记录则将请求包信息加入PIT中，并按FIB查找结果转发请求包。而用户检索时会产生请求包，路由器记录请求来源接口，查找本地存储的FIB，没有则转发，直至找到数据为止。路径上的各个路由器会在一段时间内保存请求包和数据包到PIT和CS中，只有第一次请求会直接访问数据源，其他相同内容的请求会查找PIT，如果找到相同内容的登记记录，则从相应的CS中获取数据，这时路由器才移除具有相同PIT入口的记录。

5 NDN网络对TD-LTE的影响

TD-LTE是全域IP化第四代移动通信的演进系统之一，取消了电路域，只提供分组域。终端访问业务或互联网的系统模块示意框图如图5所示。TD-LTE系统采用了扁平化设计，系统仅分为接入网和核心网，终端UE通过空中接口访问TD-LTE接入网，再经过TD-LTE核心网访问移动业务网或互联网。TD-LTE的接入网由基站组成，核心网的主要组成模块有MME、SGW、PGW、HSS和PCRF等，这些模块的基本意义是：

图5 TD-LTE数据端口支持的协议

●MME为移动性管理实体，是核心网唯一控制平面的网元，承载接入网与核心网网间控制平面消息的传递。主要负责用户移动性管理、接入、附着、寻呼、切换及漫游控制等。

●SGW为连接接入网分组数据接口的终点。当终端在相同制式基站间移动时，可用作本地移动性锚点，协助完成基站重新排序。当终端在不同制式基站间移动时，可进行路由。

●PGW为面向移动业务网终结与SGi接口的网关，是核心网的上连终点和移动业务网的接入起点。PGW还负责分配UE的IP地址、基于每个用户的包过滤、承载层面的IP锚点、连接到外部分组网等。

●HSS为归属签约用户服务器，是用于存储用户标识、编号，及路由、安全、位置与相关业务和概要等用户签约信息的数据库，具有配置用户文件，执行用户身份验证、授权、签约等功能。

●PCRF为策略和计费功能网元，是服务数据流和IP承载资源的策略与计费控制的决策点，可配置基于流量、时间、流量和时间综合方式的计费等规则。

TD-LTE核心网中主要端口均为标准接口，图5所示的IP协议、TCP和UDP协议等均为熟悉的互联网协议，SCTP协议是一个面向连接、兼有TCP及UDP特点、基于消息流、复杂的传输层协议；Diameter协议是TCP或SCTP协议之上应用在认证、授权和计费等业务上的新一代AAA协议。

UE在漫游中访问业务网或互联网的基本流程为：

UE开机发送附着消息给MME、HSS，由HSS对UE进行身份验证、授权、签约和网络注册后，MME发送创建默认承载消息给SGW、PGW、PCRF，申请策略和计费，并将UE锚定在PGW上，建立UE到PGW间的永远在线，使UE附着在TD-LTE网上。当UE开始访问互联网时，系统会将锚点从PGW延长到互联网，并开始流量计费。当UE在本系统漫游时，系统根据UE上报测量结果，本接入网源基站通过X2端口发送切换请求，目标基站反馈指示给UE重新配置RRC连接，UE数据从源基站转发到目标基站。目标基站收到UE的RRC配置成功消息后，通过S1-MME端口向MME发送路径切换请求，MME通过S11端口发更新请求给SGW，把下行承载路径切换到目标基站，完成切换。

不难看出，在TD-LTE核心网中，除了寻呼、切换、漫游等移动管理模块MME，验证、授权、签约等用户管理模块HSS外，就是汇聚和接入网关模块SGW和PGW。各模块间端口支持的协议除了Diameter是专业协议外，其余都是互联网的典型协议。TD-LTE系统与互联网在技术上没有区别。未来互联网NDN是传统互联网的革命性变革，对TD-LTE系统的影响也将是从基础技术开始的革命性颠覆。

可以肯定地说，基于IP技术的TD-LTE及其演进系统，将无法兼容未来互联网NDN。未来互联网对未来移动通信系统的影响也将是破坏性的。如果未来互联网可以实现终端任意漫游，保证终端电信级QoS语音质量，移动通信网络就有可能被未来互联网所代替。未来互联网拥有蜂窝移动通信系统功能和性能之时，就是移动通信系统完成自身史命、自动退出历史舞台之日。

6 结束语

在NDN系统中，用户只关心任意网络节点迅速获取数据，不关心内容位置。研究的内容是信息对象本身、数据自身属性和以请求方的数据请求为驱动方式的数据传输架构。NDN从协议架构设计上彻底解决了TCP/IP设计上的不适应性，保留了细腰沙漏模型，不同点主要是在基于数据本身的安全机制和多样路由策略选择上。NDN直接对数据包加密保护，加密是端到端的，对网络层基本透明，由应用程序或库处理，对应的路由安全得到了显著提高。NDN将会加速移动通信网、固定通信网、视频网和互联网的有机融合，使之形成一张真正的全业务网。

1 林涛,唐晖,侯自强.内容感知网架构.中兴通讯技术.2011,4

2 谢高岗,张玉军,李振宇,孙毅.未来互联网体系结构研究综述.计算机学报.2012,6

3 张长青.TD-LTE演进型分组核心网技术分析.移动通信. 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.

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2014-12-16）