NDN網絡學習筆記（一）——NDN基礎

NDN（Named Data Networking）是用來取代當前TCP/IP架構的新的互聯網架構，在2010年被提出。

NDN 的網絡架構如下右圖，它繼承了 IP 架構的沙漏型瘦腰結構：

TCP/IP架構存在的問題

TCP/IP互聯網只提供一個通訊管道，只負責維護管道，不關心傳輸的內容。內容的管理和獲取是有應用和服務管理的。

存在哪些問題呢：

1. 效率低。管道是單源單路徑的，容易造成擁塞，比如同一個視頻，要從單個服務器發送無數次。
2. 可擴展性差。不斷打補丁，網絡設計管理越來越複雜。IP地址也不夠用了。
3. 安全性弱。重視管道保護，但不能保證數據本身的可靠性。比如建立一個信任連接後，對方發的惡意代碼也會照收無誤。

NDN架構基本思想

當前網絡的功能（建立管道）和目的（獲取數據）不匹配。NDN網絡企圖用數據內容取代管道的核心地位。

核心思想是：

1. 用戶程序只提供數據的名字，無需目的地址；
2. 數據可以來自任何節點；（不用都從服務器拿數據，可以從就近的緩存獲取）
3. 每個數據包必須有數字簽名；（保證安全可靠）

優勢有：

1. 高效。（多源多路徑，組播發送，有緩存）
2. 適合現代場景如移動互聯網、物聯網、災害救援、時延容忍網絡(DTN）等。（無需建立管道連接）
3. 安全。（數據有簽名，需要時可加密；應用程序開發時就考慮數據安全，而非事後彌補）

NDN數據包

數據包格式

IP數據包：核心字段是地址。

NDN數據包：分爲興趣包和數據包兩種類型，不包含地址，核心是名字。

數據包命名

名字由程序應用生產，對網絡層透明。它包括：

1. 數據包大小。（廢話）
2. 多層級。（就像文件夾分層一樣，方便匹配前綴）
3. 簽名。（和名字、祕鑰緊密關聯，保證安全可靠）

下面是一個NDN數據包命名的例子：

NDN路由機制

命名驅動

1. 服務端註冊名字。數據發佈者需要註冊一個名字前綴（name prefix），比如YouTube註冊了一個YouTube/……

2. 路由器根據名字建表。路由器能計算出到達每個名字前綴的路徑，建立起路由表。

3. 用戶端拿名字請求數據。數據消費者發送興趣包來請求數據，路由器根據名字和路由表匹配轉發。

路由緩存

每個節點都可以緩存數據，可以被反覆請求使用。

用戶的請求的數據包是沒有收貨地址的，那快遞回來後給誰呢？是這麼解決的：每個路由器都維護一個興趣包緩存表（PIT, Pending Interest Table），就像是淘寶訂單，誰請求過什麼數據都記錄在案！路由器能根據興趣包緩存表，將數據反向傳輸給請求者。

路由轉發

先看反面典型，IP數據包路由轉發。缺點有：

1. 單向的。（請求可能有去無回）
2. 路由器是無狀態的。（太笨）
3. 不會緩存任何數據。（太慢）
   

再看NDN興趣包和數據包的轉發。優勢是：

1. 雙向的。（有請求才有數據，二者一一對應）
2. 有狀態的。（路由器記錄多種狀態，信息量大）
3. 有緩存。

下面是興趣包和數據包各自的路由機制。

興趣包結構如下，查詢步驟是：
CS：是否已經有緩存了；
PIT：是否已經有其他人請求過了，那就不用再重複發請求了，只需記錄一下，在包回來時給所有請求都分一份就行；
FIB：查詢哪條路徑能滿足請求，把興趣包轉發下去。

數據包結構如下，查詢步驟是：
PIT：若有該數據的請求，發給所有請求列表；若無則直接丟棄。
CS：留一份緩存後，繼續轉發。

雜想

NDN可能取代IP嗎？

新型網絡體系提出多年，爲啥現在仍是老一套呢？不禁想到了鍵盤佈局的例子，當初鍵盤佈局被特意打亂來減低機器打字的效率，防止太快機器出故障，結果這種“亂序”佈局竟然流傳至今，原因就是人們習慣了。

那麼會不會因爲習慣的力量，而同樣使人們放棄更先進的NDN，繼續使用IP呢？

這倒不會。因爲網絡結構作爲底層實現，是不影響人們正常使用的。不論用NDN還是IP，用戶使用習慣絲毫不受影響。NDN由於更靈活、高效、安全，能帶來更好的用戶體驗，還是很有希望取得革命性發展的，就像汽車取代馬車一樣。

現在的IP網絡實在太老舊，在飛速發展的時代面前顯得越來越力不從心。相信不久的將來，新一代網絡體系必將嶄露頭角。

參考資料：

張北川：命名數據網絡（NDN）

視頻簡單介紹-命名數據網絡