CN101414965A - 用于容迟网络和间歇连接网络的节省节点能量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于网络通信技术领域，涉及用于容迟网络和间歇连接网络的节省节点能量的方法，包括：源节点查询节点邻居表，若不存在目的节点信息，则将该消息暂存于节点缓存器中；凡缓存器非空的节点周期性地发送探测信息，利用该探测信息交换消息列表和消息投递确认列表；当探测信息发送节点收到一个返回信息时，利用返回信息中携带的消息投递确认列表对缓存器进行主动维护，并发送消息；中间节点将消息成功传输给目的节点以后，该节点将相关记录添加到本地保存的消息投递确认列表中，并从缓存器中删除该消息。本发明能够有效降低节点能耗，实现整个网络性能的改善和生命期延长。

Description

用于容迟网络和间歇连接网络的节省节点能量的方法

技术领域

本发明总体上涉及网络通信技术领域，更具体地涉及一种DTN或ICN网络上节省节点能量的方法。

背景技术

DTN或ICN网络是一种完全由移动节点构成、节点分布密度稀疏、通常没有持续的端到端连接的无线网络。其中的移动节点既是主机又具备路由功能，负责发现和维护通往其他节点的路径。但与典型的Ad Hoc网络不同，DTN或ICN中的数据传输采用转发—缓存—转发(Forward-Buffer-Forward)的异步传输模式，即当路由路径出现中断时，中间节点会将待转发消息(由多个数据包组成的数据包组)暂时存储在缓存器中，直到遇到其他合适的中间节点或者目的节点再将其转发出去。这类网络减轻了传统无线网络对节点通信范围、节点密度和端到端路由的依赖，极大地扩展了无线网络的应用。近年来，DTN和ICN被广泛应用于行星际网络(Inter-Planetary Network)、战场通信、游牧通信(Nomadic Communication)、传感器网络、偏远地区数据接入等通信服务中。

但是，DTN和ICN网络中的移动节点大多都是移动便携设备，这些设备通常都只由电池供电，电池能量有限，而且电池的充电或更换在一些应用场景中是不便的甚至是不可以的(如战场通信和传感器网络)。当节点电池能量耗尽时，不能与其他节点进行有效通信。同时，随着耗尽电量节点的增加，网络中的节点就变得越来越稀疏，数据传输也越来越困难。因此，节点能量的消耗对DTN和ICN网络性能起着决定性的作用，节能问题的研究对DTN和ICN网络具有非常重要的意义。

对于DTN和ICN网络中使用的网络协议，现通用的标准大多基于投递率或延时的考虑，在源节点和目的节点之间选取多个中间节点保存待传输消息的副本，通过源节点和中间节点的移动将待传输消息投递给目的节点。其中最为典型的是“传染病路由算法”，即源节点将产生的消息进行复制并传递给所有进入其通信范围的节点，这些保留消息副本的节点再将消息进行二次复制并传递给它们所遇到的所有节点，最终至少一个消息副本可到达目的节点。由于DTN和ICN网络中的消息传输是异步的，当一个消息副本到达目的节点时，网络中存在的大量的消息副本不会被立即销毁。这些副本会占用节点缓存器相当长的一段时间，甚至仍在节点间相互传递。这些“冗余”的消息副本不仅占用了节点的缓存空间，同时还造成了大量不必要的通信，浪费了大量的能量。因此，需要对路由协议进行能量有效的改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种DTN和ICN网络上的节能路由计算方法。该方法通过使用：对容迟网络和间歇连接网路中消息的投递状态进行记录，采用列表交换机制，在网络层对节点缓存器进行主动维护，清除过期的冗余消息，以减少过期消息在网络中的生存时间并最大限度地避免过期消息的复制，从而起到有效地降低节点能量消耗、延长节点工作时间、改善网络性能和生存期的作用。该方法作为一种比较理想、节能效果好、实用性强的技术方案，能够有效降低节点能耗，延长移动节点工作时间，实现整个DTN和ICN网络性能的改善和生命期延长。

本发明采用如下的技术方案：一种用于容迟网络和间歇连接网络的节省节点能量的方法，其特征在于：包括下列几个组成部分：

(1)源节点查询节点邻居表，若邻居列表中存在目的节点信息，则传输此消息至目的节点，否则将该消息暂存于节点缓存器中；凡缓存器非空的节点周期性地发送探测信息，能够相互通讯的节点之间利用该探测信息交换消息列表和消息投递确认列表以确定缓存器中哪些消息需要进行交换。该过程主要包含以下几个步骤：发送探测信息HELLO，接收探测信息HELLO，发送返回信息REPLY。

(2)当探测信息发送节点收到一个返回信息时，利用返回信息中携带的消息投递确认列表对缓存器进行主动维护，更新消息投递确认信息，并发送消息。

(3)通过节点在网络中的移动，目的节点与一个中间节点相遇，该中间节点将消息成功传输给目的节点以后，该节点将相关记录添加到本地保存的消息投递确认列表中，并从缓存器中删除该消息。

作为优选实施方式，上述方法的步骤(1)中，按下列步骤执行探测信息的发送和交互：

(11)缓存器非空的节点发送路由探测信息HELLO，该信息头部包含megList字段和ACKList字段，megList字段记录发送探测信息节点缓存器中所有消息信息的列表，ACKList字段记录发送探测信息节点保存的消息投递确认信息列表；

(12)中间节点收到HELLO后提取包头信息中的megList字段和ACKList字段，得到megList_S列表和ACKList_S列表，根据该节点保存的消息投递确认信息ACKList_A对ACKList_S列表和megList_S列表进行更新，去掉其中与ACKList_A中记录重复的部分；同时更新中间节点的ACKList_A，其值等于原ACKList_A与更新后ACKList_S中记录之和；根据更新后的ACKList_S对中间节点的缓存器进行主动维护，删除缓存器中与ACKList_S列表相符的消息并更新本节点保存的消息列表megList_A；根据本节点保存的消息列表megList_A对megList_S进行再次更新，去掉其中与megList_A中记录重复的部分。

(13)收到HELLO包的中间节点回复信息REPLY，该信息中包含avimegList字段与ACKList字段；avimegList记录上述更新后的megList_S中的记录；ACKList记录上述ACKListback中的记录。

上述方法的步骤(2)中，按下列步骤执行：

(21)发送HELLO包的节点收到一个回复信息REPLY后提取包头信息中的avimegList字段与ACKList字段，得到avimegList列表和ACKList_A列表；根据该节点保存的消息投递确认信息ACKList_S对ACKList_A进行更新，去掉其中与ACKList_S中记录重复的部分；更新节点的ACKList_S，其值等于原ACKList_S与更新后ACKList_A中记录之和。

(22)根据更新后的ACKList_A对缓存器进行主动维护，删除缓存器中与ACKList_A列表相符的消息并更新本节点保存的消息列表megList_S；根据avimegList字段，顺序发送缓存器中与之相关的消息。

当前，对与DTN和ICN网络中比较成熟的路由协议，通用的标准大多基于投递率或延时的考虑，在源节点和目的节点之间选取多个中间节点保存待传输消息的副本，未考虑在消息投递成功后如何消除这些“冗余”的消息副本。本发明是节省能量的路由计算方法，可以有效地在消息成功投递后清除过期的冗余消息，以减少过期消息在网络中的生存时间并最大限度地避免过期消息的复制，从而起到有效地降低节点能量消耗、延长节点工作时间、改善网络性能和生存期的作用。

本发明基于列表交换机制实现，突破了当前大多数针对DTN和ICN网络减少消息副本的研究方法降低消息投递率、带来大量额外信息交换和计算能耗和需要额外信息支持的局限性。不仅使用列表记录消息投递的状态，确保消息副本的减少不会降低投递率；同时使用探测信息携带交换信息列表，在避免带来额外传输能耗并降低计算复杂性；而且通过对节点缓存器进行主动维护减少了过期消息传输带来的不必要的传输能耗；此外，缓存器空间的及时释放也提高了缓存器利用率。

本发明由当前Ad Hoc网络内标准路由协议AODV发展而来，结合DTN和ICN网络中的传染病转发机制，对其路由准则加以该进，进而实现了节能。这种与传统标准路由协议相结合的方式，使得本发明很好的保留了现有成熟路由协议的许多优点，同时无需经过大范围的变更就可以被简易应用在现有网络中，效果理想，应用前景看好。

附图说明

图1是本发明基本构架原理的示意图。

图2是本发明节点路由寻找过程的基本时序图。

图3是本发明消息投递确认列表的维护过程的基本时序图。

图4是本发明路由寻找过程中使用的路由请求信息(HELLO)的包格式图。

图5是消息列表和消息投递确认列表的格式图。

图6是本发明路由寻找过程中使用的路由应答信息(REPLY)的包格式图。

图7是为本发明实施例的工作流程所使用的示例拓扑图。

具体实施方式

为使本发明的目的、实现方案和优点更为清晰，下面结合附图对本发明作进一步地详细描述。

参见图1，介绍本发明方法的基本构架原理—应用表交换机制实现节省能量的路由计算方法。节点从物理层和数据链路层收到其它节点的消息投递确认列表后，在网络层对节点缓存器进行主动维护清除冗余消息避免过期消息的复制交换，同时对本节点保存的消息投递确认列表进行更新并通过探测信息和返回信息发送给其它节点。此外，如果节点遇到目的节点并投递成功，则将该投递记录进节点保存的消息投递确认列表中并交换给其它节点清理缓存器。通过在消息成功传递后，迅速减少冗余消息的数量，有效地降低了冗余消息的传输，节省了节点的能量，同时提高了节点缓存器的利用率。

参见图2至图6，详细介绍本发明一种DTN和ICN网络上节省节点能量的方法，该方法包括以下几个阶段：

(1)路由寻找：当源节点应用程序需要发送消息至目的节点时，应用层将消息向下层发送。消息到达网络层时，查询节点邻居表，以期获知目的节点是否在通讯范围内。如果邻居列表中不存在目的节点信息，则将该消息暂存于节点缓存器中。否则立即传输此消息至目的节点。凡缓存器非空的节点周期性地发送探测信息以探测进入通讯范围的节点，同时利用该探测信息交换消息列表和消息投递确认列表以确定缓存器中哪些消息需要进行交换。该寻找过程的基本时序参见图2。该过程主要包含以下几个步骤：发送探测信息HELLO，接收探测信息HELLO，发送返回信息REPLY。

(2)数据发送：当探测信息发送节点收到一个返回信息时，利用返回信息中携带的消息投递确认列表对缓存器进行主动维护，并开始发送相应的数据包。该过程主要包括以下几个步骤：收到返回信息REPLY并更新消息投递确认信息，对缓存器进行主动维护并发送消息。

(3)消息投递确认列表的维护：通过节点在网络中的移动，目的节点可能与一个中间节点相遇。该维护过程基本时序图参见图3。当这个中间节点将消息成功传输给目的节点以后，该节点对保存的消息投递确认列表进行维护更新使其不再接收这个消息。

下面对上述各个部分的操作内容作进一步具体介绍：

在阶段(1)中，路由寻找过程主要包含以下几个步骤：

(11)发送路由探测信息HELLO。当节点缓存器非空时，周期性地广播路由探测信息HELLO(扩展的路由探测信息包)。包格式见图4，其特征为HELLO信息头部包含megList字段和ACKList字段。megList字段和ACKList字段格式见图5。megList字段记录发送探测信息节点缓存器中所有消息信息的列表。ACKList字段记录发送探测信息节点保存的消息投递确认信息列表。

(12)接收探测信息HELLO。中间节点收到HELLO后提取包头信息中的megList字段和ACKList字段，得到megList_S列表和ACKList_S列表。同时，根据该节点保存的消息投递确认信息ACKList_A对ACKList_S和megList_S进行更新，去掉其中与ACKList_A中记录重复的部分。将ACKList_A另存为ACKListback，同时更新中间节点的ACKList_A，其值等于原ACKList_A与更新后ACKList_S中记录之和。根据更新后的ACKList_S对中间节点的缓存器进行主动维护，删除缓存器中与ACKList_S列表相符的消息并更新本节点保存的消息列表megList_A。根据本节点保存的消息列表megList_A对megList_S进行再次更新，去掉其中与megList_A中记录重复的部分。

(13)发送返回信息REPLY。本方法中只有收到HELLO包的中间节点可以回复REPLY信息，REPLY包格式见图6。REPLY中包含avimegList字段与ACKList字段。avimegList记录上述更新后的megList_S中的记录；ACKList记录上述ACKListback中的记录。

在阶段(2)中，数据发送过程主要包含以下几个步骤：

(21)收到返回信息REPLY。发送HELLO包的节点收到一个REPLY后提取包头信息中的avimegList字段与ACKList字段，得到avimegList列表和ACKList_A列表。根据该节点保存的消息投递确认信息ACKList_S对ACKList_A进行更新，去掉其中与ACKList_S中记录重复的部分。更新节点的ACKList_S，其值等于原ACKList_S与更新后ACKList_A中记录之和。

(22)根据更新后的ACKList_A对缓存器进行主动维护，删除缓存器中与ACKList_A列表相符的消息并更新本节点保存的消息列表megList_S。根据avimegList，顺序发送缓存器中与之相关的消息。

所述部分(3)进一步包括下述操作内容：

(31)节点将消息发送给目的节点后，检查收到的媒体访问控制层确认信息。当收到此次传输的确认信息后，表明该消息已经成功投递，该节点将相关记录添加到本地保存的消息投递确认列表中，并从缓存器中删除该消息。

下面以图7为例，并参照图2和图3，介绍本发明主要部分—路由寻找过程和节点消息投递确认列表维护过程的工作流程：

在图7所示的拓扑网络中，假设节点S需要发送消息X到节点D，其中R代表各节点的通讯范围。定义D(ij)为节点i与节点j之间的距离，B(i)为节点i中的消息，为则以下条件被满足：

a)Time Slot＝1：D(SA)<R，D(SB)>R，D(SC)>R，D(SD)>R；B(S)＝X，B(A)＝NULL，B(B)＝NULL，B(C)＝Y，B(D)＝NULL

b)Time Slot＝2：D(SA)>R，D(SB)<R，D(SC)>R，D(SD)>R，D(DA)<R；B(S)＝X，B(A)＝X，B(B)＝NULL，B(C)＝Y，B(D)＝NULL

c)Time Slot＝3：D(AB)>R，D(AC)<R，D(DB)>R，D(SC)>R；B(S)＝X，B(A)＝NULL，B(B)＝X，B(C)＝Y，B(D)＝NULL；

d)Time Slot＝4：D(AB)<R，D(SC)<R，D(DB)>R，D(SA)>R；B(S)＝X，B(A)＝Y，B(B)＝X，B(C)＝Y，B(D)＝NULL；

e)Time Slot>4：B(S)＝Y，B(A)＝Y，B(B)＝Y，B(C)＝Y，B(D)＝NULL；

(1)节点S需要发送消息X到节点D，由图7可知：在Timeslot(时段)1时间内，节点A在S的传输范围内，而D不在；则S向它的邻居节点A广播路由请求信息包HELLO。节点A收到该包后，返回应答信息REPLY并同意接收消息X。节点S收到REPLY后将消息X发送给节点A。

(2)在Timeslot(时段)2时间内，随着节点的移动，节点A进入节点D的通讯范围；同时，节点B进入节点S的通讯范围。此时，节点A缓存器非空，因此广播HELLO给节点D。当节点A收到节点D的应答信息REPLY后发送消息X至节点D。在收到MAC层ACK后确认消息X已经成功投递到目的节点并维护本节点保存的消息投递确认信息列表，即将此记录添加入节点A的消息投递确认信息中。由于节点S无法同步获得消息X已经投递成功的确认信息，因此仍将消息X复制并发送给此时的邻居节点B。

(3)在Timeslot(时段)3时间内，随着节点的移动，节点A进入节点C的通讯范围。此时，由于节点C缓存器非空，则向邻居节点A广播HELLO包。节点A返回应答信息REPLY，并同意接收消息Y。节点C发送消息Y给节点A，并根据REPLY中的ACKList列表更新本节点消息投递确认信息，即将消息X已经成功投递的记录添加进入本地ACKList中。

(4)在Timeslot(时段)4时间内，随着节点的移动，节点A进入节点B的通讯范围，节点C进入节点S的通讯范围。由于节点B缓存器非空，节点B广播HELLO包给节点A，节点A返回应答信息REPLY，不同意接收消息X。节点B根据REPLY中的ACKList列表对缓存器进行维护，删除消息X，并更新本地节点消息确认信息。同时，节点C收到节点S广播的路由请求信息，返回应答信息REPLY，不同意接收消息X。节点A根据REPLY中的ACKList列表对缓存器进行维护，删除消息X；同时返回上层停止重传消息X。此外，由于消息Y没有到达目的节点，节点S和节点B将分别接收消息Y并存储在其缓存器中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于容迟网络和间歇连接网络的节省节点能量的方法，其特征在于：包括下列几个组成部分：

(1)源节点查询节点邻居表，若邻居列表中存在目的节点信息，则传输此消息至目的节点，否则将该消息暂存于节点缓存器中；凡缓存器非空的节点周期性地发送探测信息，能够相互通讯的节点之间利用该探测信息交换消息列表和消息投递确认列表以确定缓存器中哪些消息需要进行交换。该过程主要包含以下几个步骤：发送探测信息HELLO，接收探测信息HELLO，发送返回信息REPLY。

(2)当探测信息发送节点收到一个返回信息时，利用返回信息中携带的消息投递确认列表对缓存器进行主动维护，更新消息投递确认信息，并发送消息。

(3)通过节点在网络中的移动，目的节点与一个中间节点相遇，该中间节点将消息成功传输给目的节点以后，该节点将相关记录添加到本地保存的消息投递确认列表中，并从缓存器中删除该消息。

2.根据权利要求1所述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其特征在于，其中的步骤(1)中，按下列步骤执行探测信息的发送和交互：

(11)缓存器非空的节点发送路由探测信息HELLO，该信息头部包含megList字段和ACKList字段，megList字段记录发送探测信息节点缓存器中所有消息信息的列表，ACKList字段记录发送探测信息节点保存的消息投递确认信息列表；

(12)中间节点收到HELLO后提取包头信息中的megList字段和ACKList字段，得到megList_S列表和ACKList_S列表，根据该节点保存的消息投递确认信息ACKList_A对ACKList_S列表和megList_S列表进行更新，去掉其中与ACKList_A中记录重复的部分；同时更新中间节点的ACKList_A，其值等于原ACKList_A与更新后ACKList_S中记录之和；根据更新后的ACKList_S对中间节点的缓存器进行主动维护，删除缓存器中与ACKList_S列表相符的消息并更新本节点保存的消息列表megList_A；根据本节点保存的消息列表megList_A对megList_S进行再次更新，去掉其中与megList_A中记录重复的部分。

(13)收到HELLO包的中间节点回复信息REPLY，该信息中包含avimegList字段与ACKList字段；avimegList记录上述更新后的megList_S中的记录；ACKList记录上述ACKListback中的记录。

3.根据权利要求1所述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其特征在于，其中的步骤(2)中，按下列步骤执行：

(21)发送HELLO包的节点收到一个回复信息REPLY后提取包头信息中的avimegList字段与ACKList字段，得到avimegList列表和ACKList_A列表；根据该节点保存的消息投递确认信息ACKList_S对ACKList_A进行更新，去掉其中与ACKList_S中记录重复的部分；更新节点的ACKList_S，其值等于原ACKList_S与更新后ACKList_A中记录之和。

(22)根据更新后的ACKList_A对缓存器进行主动维护，删除缓存器中与ACKList_A列表相符的消息并更新本节点保存的消息列表megList_S；根据avimegList字段，顺序发送缓存器中与之相关的消息。

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