命名數據網絡（Named Data Networking, NDN）經常出現在5G、邊緣計算相關的文獻書籍上，那NDN究竟是何方神聖？一起來了解一下吧！

一、NDN架構概述

眾所周知，21世紀的重要特徵就是數字化、信息化和網絡化，它是一個以網絡為核心的信息時代。顯然，信息化的實現需要依靠網絡，通過網絡以非常迅速的速度傳遞信息。信息網絡對社會生活、社會經濟等方面已經產生不可估量的影響。信息網絡主要提供兩個重要的功能：連通性和共享。所謂連通性就是用戶可以通過網絡交換信息而不受距離的限制。所謂共享是指資源共享，用戶通過網絡從伺服器上獲取自己所需要的資源。

TCP/IP體系結構通過分層協作的方式有條不紊的交換數據。TCP/IP體系結構規範了網絡通信方式，主機與主機之間通過尋址的方式傳輸信息。基於「主機到主機」通信方式地TCP/IP體系結構逐漸暴露出其諸多方面的不適性：可靠性、安全性和移動性均無法滿足網絡的發展需求。現如今，隨著網絡的不斷變革，用戶的需求占據主導地位，下一代網絡的需求主要包括：內容導向性、移動性、擴展性和安全性。

為了從根本上解決上述問題，專家學者研究人員提出應開發出一個全新的網絡架構取代現在的TCP/IP網絡協議，於是2010年由美國國家科學基金會（National Science Foundation ，NSF）發起了未來網絡架構研究項目。研究人員先後提出了各種方案，其中命名數據網絡（Named Data Networking, NDN）將內容本身看作網絡中的主導實體，採取基於內容的架構顛覆了當前基於主機的網絡架構，因而成為未來未來研究中一個具有代表性的網絡架構。NDN是一個完全不同於TCP/IP的體系結構，其將當前網絡結構的優勢和局限性反映在設計上，目前NDN已經成為國內外的研究熱點。

二、NDN體系結構

如圖所示，傳統的TCP/IP網絡體系結構採用的是沙漏架構模型，採用分層結構並通過統一的接口進行數據交換使得層與層之間相互透明。其中最重要的是沙漏「細腰」部分的網絡層，基於IP數據包的網絡通信基本上覆蓋了所有的功能需求。但也正是這個「細腰」的結構無法很好的適應網絡向信息中心網絡（Information Center Network,ICN）轉變趨勢，制約了網際網路的快速發展。

通過對TCP/IP的優勢、局限性和使用經驗等方面的研究，研究人員決定在NDN的架構上保留傳統的TCP/IP網絡的沙漏模型及分層思想，並對「細腰」處的中間層進行顛覆式的改進，如上圖所示。這種改進的核心關鍵在於完全捨棄了基於IP位址的通信方式，採用基於內容本身的通信方式，根據內容本身對網絡中的所有內容數據進行命名，在轉發路由機制中通過對內容數據的名字匹配檢索獲取信息，從而建立一個分布式網絡。這樣的通信方式不再關心內容數據的存儲位置，而直接提供面向內容的服務。NDN的網絡架構有效解決了許多網絡中現存的通信兼容問題和線路分配問題。

NDN網絡架構的優勢不僅體現在根據內容本身對網絡中的所有內容數據進行命名，還體現在其基於數據本身的安全機制和多樣的路由策略選擇上。在數據安全方面，由應用進程對內容數據直接進行加密及數字簽名以實現對數據安全的控制。在路由策略選擇方面，由策略層負責管理轉發、路由選擇和存儲幾大功能，其突出的特點是可同時利用3G、藍牙、WiFI等多種連接方式，並能夠在動態環境中靈活切換至最優的連接方式。

因此，NDN網絡架構的主要改變如下：

（1）數據命名：根據內容本身內容數據直接進行層次命名，實現了對內容數據的共享；

（2）安全性：對內容數據直接進行加密及數字簽名實現對數據安全的控制；

（3）網絡節點存儲模塊：更好的支持時變、斷續連接和移動性等環境。

NDN 中有兩類角色，分別為消費者（Consumer）和生產者（Producer）；有兩類包，分別為Interest 包和Data 包；內容（Content）均由名字（Name）作為標識。消費者若要請求某內容，則產生帶有相應名字的 Interest包，通過網絡轉發，到達存有此內容的結點，此結點收到Interest包後，沿著此 Interest 包的反向路徑返回攜帶相應名字的Data包。因此，NDN 採用的是接收者驅動即拉（Pull）機制。Interest包和 Data包的結構如下圖所示。

與傳統 IP 網絡不同的是，NDN 中間結點即路由器支持緩存（Cache），每個結點都維護三個模塊，分別是內容存儲 （Content Store, CS）、待定 Interest 表 （Pending Interest Table, PIT）、轉發信息庫（Forwarding Information Base, FIB）。

收到 Interest 包後，路由器首先檢查 CS 中是否緩存了相應內容，如果有則直接回復 Data包，如果沒有則查找 PIT，如果 PIT 已有相應條目，則只記錄收到 Interest 包的接口而不轉發，如果沒有則依照 FIB 和轉發策略轉發，並增加相應的 PIT 條目，或是根據相關信息丟棄Interest 包。收到 Data 包後，路由器根據 PIT 中相應條目的信息轉發，由於此內容請求已經滿足，轉發後路由器將刪除 PIT 相應條目，並依據緩存策略和相關替換機制決定 CS 中存儲的內容。顯然，名字在NDN 轉發過程中占據著核心地位，通常有層次化和扁平化兩種命名方式，而轉發則基於最長名字前綴匹配 。

三、NDN主要特點

NDN 主要有如下特點：

（1）以內容為中心的去中心化架構。Interest包和 Data 包的結構意味著網內的所有動作均以其名字為中心，因而不再需要建立類似於傳統 IP 網絡中端到端的連接，也無需採用集中式架構。

（2）以數據為中心的安全性。每個Data 包都有簽名，從而在包這一層次確保了數據的安全性，應用通過加密和分發密鑰來控制其他結點對內容的訪問權限。

（3） 支持網內存儲和 Interest 包聚合。NDN 路由器的 CS 能夠存儲內容，一旦中間結點能滿足Interest 包的請求，則無需進一步轉發即可直接返回相應的 Data 包；Interest 包聚合機制使中間結點在相應情況下無需重複轉發相同的內容，這降低了網內流量，減輕了內容生產者的負擔，增強了網絡性能。

（4）支持新的路由協議。NDN 支持自適應轉發麵，支持多路徑轉發和快速故障恢復，路由協議的作用是傳遞初始拓撲、策略信息及其長期變化，計算路由表，因此可採用若干新的路由協議，如雙曲路由，取得較好效果的同時減少其開銷。

四、 NDN雜談

為了簡化網絡架構，Verizon和思科使用命名數據進行測試，而不是使用IP位址等位置標識符。用於視頻傳輸優化。預期NDN的好處包括動態自適應流和媒體的負載平衡。此外，在網絡中轉發和緩存內容可以增加流量本地化，並通過利用多播節省帶寬來釋放回程和核心。由於NDN是訪問層不可知的，它還支持不同訪問方法(如5G和Wi-Fi)之間實現更高效的切換——隨著5G的推出，這種共存將繼續下去。

全球著名諮詢公司Gartner預計，NDN的優勢將彌補邊緣計算的不足，至少在緩存、視頻優化、應用程式加速和帶寬節省方面是如此。

參考資料：

[1] 鄭曉琳. 基於NDN架構的5G選擇策略研究述.北京交通大學，2016.

[2]張君菲.基於層次分析法的 NDN 緩存策略.網絡天地，2019.

[3]陳昱彤，劉開華，李卓，等.基於命名數據網絡的5G架構網絡層研究.南開大學學報，2019.
[4]李彤，王楓皓.基於NDN的戰術網優勢及可行性分析.信息通信，2019.

[5]顧艷春，楊吉淵.命名數據網技術的應用.佛山科學技術學院學報，2019.