NDN助力网络5.0时代

网络从模拟交换的1.0时代发展到时隙交换的2.0时代，在从信元交换的3.0时代步入数据路由的4.0时代，每一代的网络迭代都为了通信技术发展带来了潜能。随着高带宽、低延时业务(包括自动驾驶、云VR、工业互联网等）对网络性能的新的需求，网络发展已经开始步入5.0时代。

从上世纪八十年代TCP/IP 协议正式部署以来，随着IP技术的不段演进，互联网承载的应用越来越丰富，邮件、云计算、社交网络、在线购物、电子银行、视频直播等应用正在深刻影响着人们的学习、工作与生活，基于TCP/IP 协议的互联网也取得了巨大的成功。

在万物互联的新时代，AR/VR 、远程医疗、工业互联网、车联网、智慧家庭等新应用已经悄然而至，全息通信、边缘云、泛IOT、意识通信、空天一体化通信等新应用在不久的的将来也将解开神秘的面纱，我们正在快速步入一个万物感知、万物互联的智能世界。

繁荣的应用生态对IP网络提出了新的需求与挑战。也对新的网络提出了新的需求，这些需求包括如下：

1 内容的安全可信

随着互联网深入渗透进生产和生活，尤其是车联网、远程医疗、工业网络对于网络安全可信提出了更高的要求。与当前互联网的”补丁式”安全不同，未来网络需要一整套安全的、内生的安全可信机制，不仅要保证通信双方和网络基础设施的可信，还要保证端到端通信的真实、可审计、隐私性、完整性、机密性，以及面临网络故障和网络攻击下的可用性等。

2 大连接下的感知与管控

随着新应用越来越丰富，接入网络的通信主体的种类和数量越来越多。通信主体不在局限于传统的主机，人、物、数据、计算等都可以作为终端通信。据统计，截止2019年底，全球已有大概39亿人口在使用互联网，随着网络基础设施的不端扩建，更多的人将会接入互联网，享受互联网带来的便利。全球智能手机用户数量有在超过50亿。相对于手机、车等物理通信主体数量的急剧膨胀，虚拟通信主体如虚拟机、容器、进程、线程、函数等，也有全局通信需求，数量增长也相当可观，相应 地，通信连接数量也会呈现爆炸式增长，呈现”大连接”趋势。

在大连接时间，网络已经不再简单的是数据包的转发，而是融入了存储和计算，形成了联通、存储、计算等各种资源的有机组合的复杂系统。因此，网络5.0 在资源感知及管控方面将以不面向连接/无连接为主，面向连接为辅，更多的关注传输的内容。

3 泛移动性的支持

IoT时代，业务种类复杂多样，不同业务对移动性有不同的要求。传统移动通信网的移动性管理方案是针对移动号码设计的，以隧道技术为基础，此方案不适用2030年的网络。网络5.0需要究泛在移动方案以应对高频动态切换问题，保证正在进行的通信不中断。

NDN(命名数据网络)围绕当今互联网以内容共享为核心的需求和功能，继承和深入分析了TCP/IP 互联网架构的优点和不足，从整体设计上进行了一系列根本的改进和创新，在内容分发方面体现了明显的先进性和优势，相对于今天的网络层，NDN具有以下有点：

1 以信息为中心的位置无关传输

NDN 与TCP/IP 网络在诞生之初就担负这不同的任务。IP网络的出现，最初是为了通过主机的互联，通过基于连接的数据传输方式实现硬件上的共享，而在今天的互联网中，内容分发成为主题，这导致互联网在IP网络架构下存在诸多瓶颈，而NDN 网络在设计之初，就是为了针对互联网内容分发这一核心关键任务实现的一个新型互联网架构。

2 基于逐跳的报文包转发

IP 协议中的传输协议大多面向连接，尤其是TCP，对于每个传输数据流，都需要维护一个端到端的稳定连接，这意味着，任何数据消费者和提供者之间的连接失败将导致严重的传输问题，事实上，90%的互联网流量是面向连接的TCP的，数据两端需要维护交互传输而保持面向连接的会话通道。网络各方不能实现确定何时收发数据，也不知道得到怎么样的数据，只能维持会话通道保障数据可靠的传输。许多应用程序并不需要完全的端到端无缝隙通信，TCP 协议在建立连接、传输速录控制、拥塞控制、丢包重传等方面一直都是研究的难点，需要附带和增加开销比较大的额外控制信息，在性能上的冗余也比较浪费。究其根本，还是最初在协议设计目标上没有从适应内容分发这一基本功能需求出发。TCP/IP 协议诞生之初，并未能预计到互联网发展如此迅猛，其不足之处也可以理解。NDN 充分借鉴和吸收了互联网之后不断发展的成功之处，在基本的报文交互设计上采用了Interest和Data 两种报文逐跳转发的通信机制，对于庞大互联网现状和未来发展的适应性方面大大提高。

3 基于名字的路由可扩展性更优

基于名字的路由转发机制从根本上上消除了当前TCP/IP 网络体系结构中存在的五个主要问题
IP地址空间耗尽问题，NDN中使用数据命名取得数据位置信息，而NDN中的名字空间是没有限制的，因而就不存在名字空间名字耗尽的问题。

内网穿透问题。在NDN中已经不存在IP地址的概念，也不需要去解决内网IP地址发现的问题，因而传统网络IP地址中的内网穿透问题也得到了彻底的解决

移动性问题。扁平化、结构化的NDN命名机制让数据包携带更多的有用信息，同事也能更好地满足移动性需求。在NDN传输中数据的名字是固定不变的，不随位置的移动发生变化，因而能在移动过程中不会出现由于地址的改变而中断通信

可扩展地址管理问题。 在NDN中，传统IP网络地址中的地址分配和管理不在需要在本地网络进行，这也使得传感网络(物联网、车联网）广泛应用成为可能。

在NDN 下，由于网络的主体不是主机，打破了TCP/IP 传统的C/S 结构，解决了TCP/IP内容网络下热门内容服务器负载过重的问题，而无需额外配置CDN等覆盖网络，内容分发的应用扩展性的问题得到了很好的处理。

4 传输层的嵌入式缓存

在路由层面看，于IP 网络最明显的不同在于，NDN 路由器可以对内容缓存，而且这个缓存直接建立在网络传输层，节省了带宽，提高了内容共享效率，无路是IP路由还是NDN路由都在一定程度上缓存报文数据包，不同的是IP 路由器转发后不能重用该数据，而NDN 路由器能够重复利用该数据，因为他们的命名是不变的，而且不包含代表位置相关的IP地址信息。

5 原路返回的反馈式流量平衡机制

流量均衡的内容分发是网络稳定的必要条件。IP地址执行开环数据传输：传输的往返路径可能不一致：数据从一条路由发出去，完全可能从另外一条不同的路径返回。在TCP/IP 网络中，为了实现流量的控制和负载均衡，传输协议需要额外的均衡调节机制从而保障单播的流量平衡。NDN与IP转发的一个显著不同点，NDN在细腰模型里设计并实现了一个原路返回的流量均衡反馈机制：在NDN中只有Interest包被路由器转发，任何接收到Interest 包的路由节点，如果拥有可以满足这个Interest包的数据，就回复一个Data包，从而将数据内容发送到接收端。而Data 包沿着各个节点PIT所记录的接口信息按“原路返回”：Data包的传输只是作为对Interest包的响应，Data 包自身不需要进行路由转发，它只是简单地沿着Interest 包被传输的相反路径返回，这种反馈模式使得NDN的流量均衡机制更优。

6 多网络与多协议并行兼容性
在NDN 中，Interest 包传输的是不会形成环路的，这是NDN 支持多路径传输的基础，支持多网络、多协议协同工作，兼容性和性能更好。NDN传输中不会出现环路的一个关键设计就是Interest 包中的Nonce字段，这个字段是一个随机数，根据它可以很容易地判断出重复的Interest 包，及时地丢弃，而Data包由于沿着Interest包的反向路径传输，因而也不可能形成环路。这使得NDN 无需额外的协议补充，就可以灵活地支持和兼容各种功能，可以自动地同时支持各种路由协议。

7 数据和网络安全性高

NDN强制要求发布者对数据内容进行签名，这也是NDN架构与传统TCP/IP 不同的一个额方面，TCP/IP 网络需要依赖TLS/SSL 等方式通过加密通道来保护内容，而NDN数据包中包含的发布者密钥的签名是对数据完整性和来源的保护，消费者在获得数据包的时候，消费者只需要验证签名的有效性，不像TCP/IP 依赖对传输端点和传统通道的保护，NDN将内容的保护嵌入到内容本身，这将数据安全性从主机移动到数据本身的变化对于移动网络安全意义非常重大。

NDN 通过从协议上支持上特点，能够很好的支撑网络5.0时代的网络需求，NDN Link未来可期。