摘要
为提升命名数据移动自组织网络服务质量，针对其拓扑动态时变特性，提出一种基于节点活跃度的包转发策略。策略周期性地计算网络节点的活跃度，并利用高活跃度节点进行兴趣包和数据包的转发和存储。使用NS-3/ndnSIM开源框架开发了仿真程序，将这个策略与默认的洪泛和典型的最短路径路由策略进行评估。实验结果显示，在中等和高动态性的MANET（mobile ad hoc network）环境中，基于节点活跃度的数据包传输策略能通过适度增加节点的存储消耗，保持较低的平均请求延迟，同时取得更优秀的请求响应率，消耗更少网络带宽。
关键词
命名数据移动自组织网络（named data mobile ad hoc network，NDMANET），它是以信息中心网络（information centric networking，ICN）中最具代表性的命名数据网络（named data networking，NDN）技术与传统移动自组织网络（mobile ad hoc network，MANET）为基础，融合形成一种全新的自组织网络结构。NDMANET可有效缓解基于TCP/IP协议
随着NDMANET技术的发展，该研究方向受到越来越多研究者关注，有效的路由转发策略能大幅提高网络性能和服务质量。洪泛（flooding）策
1）笔者创造性给出了一种基于网络节点活跃度的信息包转发策略。这一技术具有良好的兼容性，只需要把节点活跃度信息增添进原生信息包中，不需要对网络协议架构做出调整；
2）通过开发基于NS-3/ndnSIM的转发策略仿真测试程序，可有效评估NDMANET网络中不同类型包转发策略的性能，更好地实现高效传输；
3）研究对经典的flooding策略、shortest path routing策略及笔者提出的策略进行性能比较，从实验结果得到，MANET环境的动态水平偏中上时，提出的策略通过适度提升节点存储容量，维持较低的平均请求延迟，提高请求响应率，降低网络带宽的消耗。
概述基于NDN协议的MANET，另外介绍NDMANET的2种常用转发策略，最后探讨信息包传输技术面临的困难和挑战。
MANET是典型的对等无线通信网络，很容易遭受无线环境中频道衰减和阴影等环境因素的干扰。目前，“数据链路层（OSI模型的L2层）”提供了介质访问控制（medium access control，MAC）策略，可完成CSMA/CA和TDMA 2种方法的传输，防止在无线信道上发生冲突，提高系统的可靠性。MANET的“网络层（OSI模型的L3层）”通常使用IP协议为主，尽管它在固定网络中取得巨大成功，但在适应高动态性MANET应用场景时存在局限性。首先，基于IP协议的MANET是一种主机中心网络（host-centric network，HCN），其中IP地址是节点的身份标识符，用来定位节点在网络拓扑中的位置。然而，当MANET节点脱离自组织网络时，其位置无法被定位，原本建立的通信路径也会随之中断。此外，为了保持节点间的关联性并实时更新位置，移动节点需要生成大量的控制信令，这种机制会大幅消耗网络带宽资源，增加网络负载，导致网络性能下降。同时，MANET基于IP协议的“发送方触发”传输方式，可能无法充分利用发送方及路径中继节点的信道资源，难以构建反映网络全局状态的最优转发路径，限制了IP协议在MANET中的高效应用。
当前NDMANET中广泛采用的包转发策略主要包括洪泛策略和最短路径路由策略。
洪泛策略是一种在NDMANET中常见的数据传输方法，核心是通过广播方式实现数据在网络中的传播。当某个节点需要特定数据时，它会生成一个兴趣包（interest packet），在兴趣包中包含所需要数据的名称，通过无线网络广播给邻近节点。收到兴趣包的邻居节点会解析包中的信息，判断是否需要转发该数据。若需要，则继续广播兴趣包；若不需要，则直接丢弃。这一过程会在网络中不断重复，直到兴趣包到达包含目标数据的节点。目标节点在接收到兴趣包后，会生成相应的数据包，将其返回给最初发出兴趣包的节点。在网络拓扑较为稳定的情况下，洪泛策略能够快速、高效定位所需要数据。然而，当网络具有较高动态性时，为适应拓扑变化，兴趣包的传播次数可能显著增加，导致网络拥塞和带宽资源浪费。
在NDMANET中，最短路径路由策略类似于洪泛策略，但引入了距离值的考量。当一个用户节点需要发送数据包到目标节点时，它首先广播一个兴趣包，包含了额外信息用于计算与中继节点的距离值（consumer distance， cd）。生产者节点接收兴趣包后，在生成的数据包中插入距离值，而中继节点在接收数据包后，提取出自身到生产者节点的距离值（producer distance， pd）和生产者到用户节点的最短距离（minimum distance， md）。然后，中继节点根据不等式cd+pd≤md判断是否继续传输数据包，以选择最佳路径。这种策略有助于提高网络效率，减少冗余传输，有效管理数据在无线自组织网络中的传输。在大多数NDMANET网络中，包转发策略通常未充分考虑到MANET网络的性质，为提高网络性能，引入一种创新性概念，即“节点活跃度”。
对于MANET网络中具有移动特点的节点，其网络拓扑会实时变化，网络链路会频繁中断，导致网络出现高丢包率、高误码率和高延迟，严重影响网络性能。近年来，也有学者提出了分簇式协
盲目转发策略是一种与网络拓扑无关、无须维护路由信息的策略。当前主要的盲目转发策略包括：默认洪泛、智能洪
感知转发策略是以内容源和邻居等信息为基础实现包转发的一种策略。先侦听后广播（listen first broadcast later，LFBL）策
近年来，已经开始在DTN网络传输策略中采用基于节点活跃度的转发决策方法。崔
在中高动态的NDMANET中，为应对其拓扑的动态变化特性，基于“节点活跃度”理念，笔者提出一种新的NDMANET包转发策略。研究内容将分为以下几个部分：首先，阐述节点活跃度相关概念及其在DTN网络包转发策略中的应用；随后，提出一种面向NDMANET网络的基于节点活跃度的包转发策略，深入解析其设计原理及具体实现流程；最后，对该转发策略的优劣势进行定性分析。
节点活跃度指的是无线网络中的可移动节点在单位时间内遇到邻居节点的平均数量。节点的活跃度越高，与其他节点相遇、建立连接进行通信的可能性越大；反之，节点活跃度越低，与其他节点相遇及建立连接的可能性也越低，通信的机会相应减少。DTN网络的特点是拓扑分割、节点机会性相遇、内容提供者未知，为减少冗余数据包传输和网络带宽的浪费，之前的研究是通过节点活跃度决定DTN网络中的包路由转发。DTN网络所采用的是以节点活跃度为基础，选择活跃度较高的节点来保存及转发包的路由转发策略，降低因传输额外包所造成的网络带宽资源浪费，也能提高成功传输数据的概率。为了准确计算节点的活跃度，节点需要统计它在某一时间段内遇到过的邻居节点数目，基于此信息推算出节点的活跃度水平。此外，网络节点间需要通过消息传递机制来共享它们的活跃度信息。
在中高动态MANET应用场景中，节点位置的移动会导致网络拓扑发生变化，引起节点周围邻居节点的动态变化，导致节点活跃度发生改变。为减轻传输节点间大量交互信息带来的网络拥堵，确保节点活跃度的计算准确性，网络节点需要根据网络拓扑动态变化的剧烈程度，定期刷新活跃度，提供更可靠准确的包转发决策支持。对于NDMANET网络场景，提出依赖网络节点活跃度的包路由转发策略，主要的路由转发过程为：首先，修改（更新）兴趣包和数据包内发送者信息，再向本节点通信范围内所有邻居节点进行广播；其次，对发送者信息读取以及节点活跃度进行比较，判定该节点是否能存储及转发该兴趣包或数据包。
原生NDN网络架构定义的兴趣包格式包括4个字段：名字、选择器、一次性随机数以及指示器。用户生成兴趣包并将其发送至网络，中继节点接收到兴趣包后，根据其名称继续向数据生产者转发，若兴趣包到达的某个节点（这个节点可以是中继节点或者生产者节点）含有它所请求的数据，那么这个节点将会返回一个包含4个字段的数据包，这4个字段分别是：名字、元数据、内容和签名。如
图1 兴趣包和数据包扩展前后结构示意图
Fig. 1 Diagram of interest packet and data packet structures before and after extension
1）节点标号（NODE_ID）。该字段用于记录发送信息包节点的网络接口MAC地址（作为节点标识符），为接收节点计算自身活跃度提供支持；
2）节点活跃度（NODE_ACT）。该字段记录发送信息包节点的无线通信范围内邻居节点的数量，为发送节点与接收节点间的活跃度比较提供依据。通过比较，接收节点可以判定自身是否具备信息包转发的必要条件；
3）特殊节点标记（SPE_ID）。此字段用于标识兴趣包和数据包的发送者是用户、生产者还是其邻居节点。若是用户或是生产者，则把该特殊节点标记设置为2；若是用户的邻居节点或是生产者的邻居节点，则把该特殊节点标记设置为1；否则把该特殊节点标记设置为0。在某些特定场景中，尽管接收节点的活跃度较低，但若直接能与特殊节点建立通信连接，该特殊节点标记仍可用于判定其转发权限，以便兴趣包和数据包及时到达消费者或生产者节点。
基于原生命名数据网络（NDN）系统中兴趣包和数据包的类型差异，笔者设计了2种不同的处理实现流程。具体如下：
NDMANET节点接收到兴趣包时，会根据名称字段判断是否因广播导致环路重复，若重复则丢弃，否则检索PIT表。若PIT表中不存在与该兴趣包名称相同的条目，则将其作为新条目添加到PIT表中。同时，节点会在其“内容存储”中查找该兴趣包请求的内容。若在内容存储中找到匹配信息，则通过接收该兴趣包的接口将对应数据包转发回去；若找不到匹配信息，则继续通过网络广播将该兴趣包向外路由转发。
对于数据包，当网络节点接收到一个数据包时，会首先查询其PIT表。若发现表中存在与数据包名称匹配的兴趣包记录，则将数据包储存到“内容存储”中，并依据PIT表中指定的接口进行转发；若未找到匹配的兴趣包记录，则丢弃该数据包。
图2 原生兴趣包和数据包实现流程图
Fig. 2 Flowchart of the implementation process for native interest packages and data packages
在NDMANET网络中，笔者提出基于节点活跃度的包转发策略。网络节点会在接收到包之后检查和分析所有的新增字段，确保在发出兴趣包或数据包之前，确定存储或转发的权限。图3的伪代码详细展示了处理过程。
| 算法：基于节点活跃度的包转发策略 | |
|---|---|
| 1. | if NODE_ID!∈NODE_NEIGHBOR[]then |
| 2. | node.act++ |
| 3. | if Interest packet then |
| 4. | insert into PIT and lookup CS |
| 5. | else insert into CS |
| 6. | if SPE_ID==2&1 then |
| 7. | NODE_ID=NODE_ID-1 |
| 8. | forward Interest (Data) packet |
| 9. | else if node.act>=NODE_ACT then |
| 10. | forward Interest (Data) packet |
| 11. | else drop Interest (Data) packet |
1） 信息包（包括兴趣包和数据包）接收阶段
当节点收到一个信息包后，提取其节点标号（NODE_ID）并检查邻居标号数组（NODE_NEIGHBOR[ ]）中是否存在该标号。若不包含，则将其按顺序插入到邻居标号数组，将节点活跃度值（node.act）加1；若包含，就会忽略这个处理步骤。接下来，节点按照原生NDN网络的相关处理流程对接收的信息包进行处理。需要特别注意的是，当节点接收到数据包且PIT表中无对应兴趣包条目时，仍需要将其存入“内容存储”，以利用节点移动性提高数据包成功传递的概率。
2） 信息包转发阶段
首先读取接收信息包的特殊节点标记（SPE_ID），若该标记的值为1或者2，节点会将该标记的值减1后，进入原生NDN网络的转发流程；若该标记的值为0，节点会比较信息包的节点活跃度值（NODE_ACT）与自身的活跃度值（node.act）大小，当node.act值大于或等于NODE_ACT值时，节点会对该信息包进行转发，反之则会停止对该信息包进行转发。在这种情况下，活跃度较低的节点虽然接收到数据包，并将其缓存到“内容存储”（content storage，CS）中，但不会向邻居节点广播。随着节点移动、网络拓扑不断变化，节点活跃度可能会提高，在接收到所对应的兴趣包后参与数据包路由，提升数据请求成功概率。
研究采用计算机仿真（simulation）的方式，对提出的基于节点活跃度的包转发策略、NDMANET网络的默认洪泛转发策略和先侦听后广播的包转发策略进行性能对比评估。评估中选取了4个主要对比指标，包括：请求响应率（response rate，RR）、平均请求时延（average delay，AD）、网络带宽使用量（bandwidth usage，BU）以及节点存储消耗（node storage consumption，NSC）。以下将对这些指标的具体定义进行详细说明：
1）请求响应率。请求响应率是指在特定仿真时间内，用户节点在目标NDMANET网络中成功接收与其发送的兴趣包数量的比值，其中，发送的兴趣包数量不包含重传兴趣包，即
| ， | （1） |
式中：received-Data表示接收到数据包的数量；sent-Int表示发送兴趣包的数量。
2）平均请求时延。平均请求时延指在特定仿真时间内，目标NDMANET网络中从用户节点发送一个兴趣包开始到该节点接收到请求数据包的时间间隔均值，即
| ， | （2） |
式中：i，received-Data表示第i个数据包到达时间；i，sent-Int表示第i个兴趣包发送时间；received-Data表示接该时段内收到数据包的数量。
3）网络带宽使用量。网络带宽使用量指在特定仿真时间内，目标NDMANET网络中所有节点发送的信息包总量。
4）节点存储消耗量。节点存储消耗量指在特定仿真时间内，目标NDMANET网络中所有节点缓存的数据包总量。
基于学术界广泛使用的开源仿真软件NS-3及NDN网络扩展工具ndnSIM，开发了一套专门针对NDMANET网络设计的仿真测试程序。
| 参数 | 平台参数值 |
|---|---|
| 内存 | 64 GB DDR4 |
| CPU | i7-4790K |
| 操作系统 | ubuntu 16.04 |
| NS-3 | version 3.25 |
| ndnSIM | version 2.6 |
| 参数 | 仿真参数值 |
|---|---|
| 无线协议 | 802.11 a |
| 传输速率/Mbps | 24 |
| 通信范围/m | 120 |
| 场景大小/m×m | 600×600 |
| 节点数量 | 60 |
| 请求频率/interest/s | 10 |
| 仿真时间/s | 200 |
|
节点运动速度/（m· | 5~30（间隔5） |
| consumer数量 | 5 |
| producer数量 | 1 |
| 仿真时间/s | 200 |
图
图4 请求响应率实验结果
Fig. 4 Experimental results of response rate
图5 平均请求时延实验结果
Fig. 5 Experimental results of average delay
图6 网络带宽使用量实验结果
Fig. 6 Experimental results of bandwidth usage
图7 节点存储消耗量实验结果
Fig. 7 Experimental results of node storage consumption
对于请求响应率指标，针对低动态拓扑场景，由于Default策略和LFBL策略能够在拓扑变化较缓慢时维持相对稳定的通信连接，其请求响应率较高。然而，NAPF策略倾向于限制低活跃度节点的转发权限，从而在此类场景中导致请求响应率相对较低。随着目标网络动态性的增加，一方面，Default转发策略由于转发路径的链路频繁通断和信道间冲突加重，请求响应率逐渐降低；另一方面，LFBL虽然会由于链路频繁通断造成请求响应率降低，但该策略仅在选定路由路径上进行信息包转发，相对默认洪泛策略不易引起广播信道争用冲突，有效降低了网络拓扑动态变化对请求响应率造成的不利影响。对于NAPF包转发策略，由于节点位置快速变化，生产者和用户节点具有更大的和活跃度较高节点进行通信的概率，使请求响应率逐渐增高。
对于平均请求时延指标，随着节点运动速率的提高，网络拓扑动态性逐渐提升，网络中节点之间连接的稳定性逐渐降低，同时信道冲突问题逐步加剧，导致Default、LFBL和NAPF策略的平均请求时延提高。其中，Default策略平均请求时延最高，可能会引发最严重的信道冲突问题；相比之下，NAPF策略保持了数据转发节点的多样性，但也导致高动态网络拓扑场景下的请求时延比LFBL策略的请求时延更长，实验结果见
对于网络带宽使用量指标，Default策略在所有情况（节点速率不同的场景）下允许所有网络节点接收、存储和转发其收到的信息包，所以网络带宽使用量指标明显高于NAPF和LFBL转发策略。LFBL策略因限定了转发路径，在所有的测试参数下，其网络带宽使用量显著低于Default策略。NAPF策略则与这2种策略有所不同，低活跃度节点被限制转发后，随着网络节点随机运动速率的增加，特殊节点在距离高活跃度节点跳数更近的位置进行兴趣包和数据包接发的概率提高。同时，相较于低动态网络拓扑场景而言，其请求重传次数降低，使网络带宽消耗逐渐减少。实验结果如
对于节点存储消耗量指标，在动态性较低的网络拓扑场景下，Default包转发策略具有多路径传输的特性，网络节点因而会消耗较多的存储空间。笔者所提的NAPF包转发策略为较好应对中高动态网络拓扑所带来的链路中断挑战，网络节点需要缓存所接收的数据包在未来实现随遇回传，故其网络节点需要消耗一定的存储空间。特别是当目标网络拓扑的动态性增大时，NAPF包转发策略使网络中大量未接收兴趣包的节点存储兴趣包所对应的数据包，导致节点存储消耗量较Default和LFBL策略会随节点速率的提升而线性增加，实验结果见
通过分析这4个性能指标，提出的基于节点活跃度的包转发策略在中高动态的NDMANET网络场景中主要有2方面优势：1）与默认的洪泛转发策略相比，所提出的策略明显减少网络带宽资源的消耗；2）与最短路径路由转发策略（如LFBL策略）相比，所提的策略进一步提高数据转发的成功率。
研究提出的NAPF策略利用活跃度较高的节点和特殊节点进行信息包转发，同时调用活跃度较低的节点存储数据，作为未来用户请求的新数据源。但若特殊节点所在区域的节点密度较低，可能导致特殊节点处于“被屏蔽”状态，无法有效执行正常的路由流程。再者，若活跃度较高的节点相距较远，且没有位于节点较密集的区域，有可能无法建立转发路径。除此之外，若NDMANET网络场景中节点以较低速度运动，节点移动性会限制额外数据源机制，导致该机制难以有效实施。总的来说，在大规模、高动态NDMANET场景下，提出的基于节点活跃度的NDMANET网络包路由策略的性能优异，如果NDMANET网络场景的规模和动态性较低，所提策略有不足之处。但节点是否转发兴趣包/数据包主要由基于节点活跃度的转发机制决定，若能将节点移动性与转发机制有机结合，通过监测节点的实时运动速度自动改变转发判定条件，如当前节点移动性较低时，只要节点活跃度不低于上一中继节点活跃度值减2，则可继续转发兴趣/数据包。通过设计并实现类似可以自适应的转发机制，能有效提升本策略在低动态、小规模NDMANET场景下的运行性能。
研究关注NDMANET网络中的信息包转发策略，针对MANET网络链路通断频繁和拓扑动态随时间变化等固有特征，把节点活跃度概念引入NDMANET网络的包转发策略，创新性提出一种基于节点活跃度的NDMANET网络包路由转发策略。利用在NS-3/ndnSIM开源框架上开发的仿真程序，对提出的NAPF策略进行性能评估，实验结果显示，在具有中高动态的MANET网络中，研究所提策略能维持较低的平均请求时延，相比洪泛策略和最短路径路由策略，实现更高的请求响应率，降低网络带宽的消耗，其代价是合理增加节点的存储消耗。
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