华为思科宣布全力布局,美国NSF巨资支持的NDN到底什么来头?

近日,三家科技巨头华为、思科、Version都在不同的场合分别表示全力布局一项区块链领域的关键技术——NDN(Named-Data Networking,命名数据网络)。那么,这项技术到底有哪些创新点呢?竟然让三家全球顶级的网络企业如此青睐。

NDN可以使得网络架构变得更加灵活、高效、安全

前不久,华为官方专门撰写了一篇题为《移动网络连接的未来:数据命名网络,内容驱动的网络》的技术文章。

 

华为思科宣布全力布局,美国NSF巨资支持的NDN到底什么来头?

 

该文章认为,NDN可以使得网络架构变得更加高效,因为它将能网络中的「位置」(IP地址)和「内容」分开,所以在未来,大家就可以直接通过数据名字来寻找内容,而不是像传统的互联网那样基于IP来寻找内容。值得一提的是,华为也率先将该技术付诸于实践,他们已经将NDN技术用于开发实时会议系统,并且证明了使用NDN技术的实时视频会议系统,运行起来更加稳定和高效。

无独有偶,思科官方也推出了一篇技术文章《Cisco Announces Important Steps toward Adoption of Information-Centric Networking》,文中非常明确地指出:NDN是5G网络的关键技术,数据命名网路(NDN)由于支持的数据访问位置与内容无关,从而使得网络变得更加灵活,同时也变得更加安全和高效。思科也指出,如果我们能够采用数据命名网络,基本上可以解决当今互联网面临的很多关键问题,包括内容分发、移动性、安全性和可伸缩性等等。思科在该文章中还指出,后期要通过结合NDN网络方案,进一步促进NDN网络的实施和部署。

 

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除此之外,思科和Verizon还联合对NDN网络进行实验测试,这两家公司的测试结果也表明,NDN网络能够极大地改善未来网络的性能和安全性,包括5G和IoT在内。

 

华为思科宣布全力布局,美国NSF巨资支持的NDN到底什么来头?

 

接下来,我们会从移动互联网面临的问题以及NDN技术如何解决这些问题入手,为大家逐步揭开NDN神秘的面纱。

当前移动互联网面临的问题有哪些?

移动互联时代,「用户体验」为王。而移动通信网络的效能、速率、质量和性价比都直接影响着十几亿甚至几十亿用户的体验。我们可以举一个简单的例子:在春运的高铁上,一部分旅客在看视频。与此同时,另一部分旅客在开音频会议。但是随着火车的移动,每个设备的接入点(AP,如基站)会变化,这就需要不断地重置网络连接以反映出设备的新位置。显然,为确保适当的服务质量,网络重置必须保证采用「就近对接」的无缝通信方式。

但是,我们必须考虑到,由于管理节点地理位置及拓扑结构发生变化时的复杂性,一直困扰着以位置为导向的网络(如IP)在移动方面的表现,这是数据网络原理最初定义时没有预料的一个难点问题。

为此,我们定义了各种各样的附加协议以支持移动性,包括移动IP(Mobile IP)以及主机身份协议(Host-Identity),虽然这些复杂的附加协议采用了打补丁的方式解决问题,却回避了设计上的一个核心根本问题。

如今的IP网络,基本上有两种方法来保障主机的可连通性,直接路由和间接路由(移动IP方式)。由于基于路由的移动性存在缺陷(收敛慢,路由状态信息爆炸性增长),尽管移动IP一般只部署在某些特定的移动通信网络中,但基于移动IP的间接路由仍被认为是比较切实可行的选择方案。

而Host-Identity概念尽量分开主机标识符和网络位置标识符,但仍然需要某种形式的登记间接路由机制来维持主机的可达性,主机标识以及基于主机接口的移动性管理都表现出不足之处。多链路方案(在同一时刻附加多个网络链接)在IP网络中被认为是不可行的,因为IP地址在同时既充当了主机命名标识,也充当了主机的网络位置标识(语义过载)。

当然,为了解决以上问题,各大网络设备厂商和运营商都在找寻良好的解决方案。但是,多年来,在该领域的技术进展一直「步履维艰」。

命名数据网络NDN到底是什么?

命名数据网络(Named-Data Networking, NDN)旨在构建以内容为中心的分布式通信网络,从而推动互联网的进一步发展。在2010年,NDN获得美国国家自然基金(National Sicence Foundation,NSF)近800万美元的支持,这也是一个以信息为中心网络开源项目项目。

之所以受到这么大的关注,一个非常重要的原因就是该项目主要由加利福尼亚大学洛杉矶分校的张丽霞教授和Van Jacobson先生(目前就职于美国Google公司,UCLA兼职教授)所领导,他们两位目前都是美国计算机协会(Association for Computing Machinery, ACM)和电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)的会士。

更为重要的是,除了前文提到的华为、思科和Verizon之外,NDN 目前也吸引多所高校和产业成员加入,目前清华大学、统计大学、东北大学等知名高校都参与其中。接下来,我们重点讲一下NDN技术的一些优势,特别是在5G网络领域。

NDN在构建新一代5G网络方面的优势

源于良好的架构设计,NDN在移动网络方面相对于现有的基于TCP/IP 的网络天生就具有非常大的优势,这些优势表示主要体现在以下几个方面:

1,NDN网络基于请求应答的模式要好于现有的基于连接会话的内容请求模式

NDN 网络是一种支持内容的请求/应答模型,其中一个重要好处是更加适合移动性,涉及数据生产者、消费者或内容的移动性和在活跃通信(如音频或视频流)中的移动性。在NDN网络中,重点关注以下两种基本移动网络类型:

蜂窝网络。移动节点连接一个或者多个接入点,当客户端位置改变时对应的上行AP就需要重连,其中AP可以是基站、Wi-Fi AP等。

移动Ad-Hoc网络(无线自组网)。移动节点之间动态连接,建立并共享路由信息,彼此之间进行信息的交流和转发,每个节点都有能力转发网络封包给其他节点。

2,网络地址的无关性

NDN 的优势在于不强制应用程序与面向位置的网络地址相关联,把处理移动的难题从应用程序中剥离出来,与应用本身无关。应用程序可以在NDN 网络中只负责发布或获取内容,而不需要保存或明确自己的网络层地址。

3,连接的会话不依赖性

面向位置网络中的处理移动性的一个关键难点是对面向连接的协议的依赖,以位置为导向的网络信息交流通常是基于一些位置的概念(例如URL)。因此,一般来说,访问内容是依赖于实现一个与特定位置上的成功互动。这意味着,任何数据消费者和提供者之间的路径的失败将导致严重的问题,事实上,90%的互联网流量是基于TCP的,这种现象主要是由于数据两端需要维持交互传输而必须保持面向连接的会话通道(Connection-Oriented Sessions)。需要保持通信的网络各方不能事先确定何时收发数据,也不知道得到怎样的数据,只能依靠维持会话通道保障数据可靠地传输。

对比而言,NDN的优势在于不一定需要忍受这样的约束,因为NDN中网络通信完全只是传输层面关注的事情,当消费者给定一个内容请求,它事先已经基本知道需要得到什么样的返回数据。例如,当一台主机生成对于内容C的请求,底层NDN网络精确地知道如何确保和验证网络的传输任务,也就是说,它必须从网络上接收到C。

更为重要的是,通信的主要目标是从网络中获取一个有效的数据或者其副本,如果可以从网络拓扑上就近缓存中获得,对于在通信节点之间建立专门的会话连接就显得没有实际意义。当节点失去连接时,可以在下个连接点重发数据请求,并不需要依赖不间断的连接机制,这种处理并不需要直接与数据源端进行交互,数据的消费方和生产方之间建立持久性会话就变得不那么重要了。对于连接的不依赖性,意味着主机的重新定位并不需要重新建立连接。

4,多寻址(Multi-Homing)/多网络(Multi-Network)

IP网络中,许多应用程序和协议都是基于一台主机是单向家(Uni-homed)的假设,即一个局域网络只能通过一个连接上行到互联网。例如现在一般的手机都可以支持3G和Wi-Fi上网,但即使同时两个网络都有效,你也只能选择其中之一连接上网。

相比之下,NDN的优势在于无须将特定的传输流与指定的接口(即个人网络地址)绑定而达到主机多寻址(同时接入多网络),这是因为接口是面向位置通信考虑的,NDN的请求/应答模式从逻辑上正好可以摆脱这一限制,进一步讲,应用程序只关注从网络堆栈中获得特定数据内容,没必要具体知道数据来自哪个接口。

未来已来

网络是互联网时代的「基石」。华为和思科都是基础网络服务领域的巨头,能让这两家公司都非常重视的技术,绝对值得关注。近年来,我们也能够清晰地感知到,越来越多的区块链技术已经开始逐步颠覆传统的互联网架构和基础设施,像NDN这种非常底层且重要的新型技术已经焕发出强大的生命力。未来已来,只是尚未流行。我们希望不久的将来,能够看到NDN技术能够成为底层的通信基础设施,成为区块链时代一颗耀眼的明星。

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