CN101478805B

CN101478805B - 一种基于机会通信的DTN网络Anycast路由方法

Info

Publication number: CN101478805B
Application number: CN2009100767671A
Authority: CN
Inventors: 孙利民; 熊永平; 刘燕; 田锐
Original assignee: Institute of Software of CAS
Current assignee: Institute of Software of CAS
Priority date: 2009-01-20
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: CN101478805A

Abstract

本发明公开了一种基于机会通信的DTN网络Anycast路由方法，属于无线通信领域。本发明的方法为：1)每个节点维护与各个目标组节点的发送效用值u_i；2)节点i获取与其相遇的节点j的最大发送效用值u_jmax和密度感知测度ρ_j；3)如果节点i的最大发送效用值u_imax大于设定阈值u_th，则比较u_imax与u_jmax的大小，若u_imax＜u_jmax，则将消息转发给节点j，否则不予转发；4)如果u_imax不大于设定阈值u_th，则比较节点i的密度感知测度ρ_i，并与ρ_j并进行比较，若ρ_i＜ρ_j，则节点i将消息转发给节点j，否则不予转发。与现有技术相比，本发明提高了网络数据成功投递率、减小数据发送延时，同时减小了转发过程中产生回环的可能性，提高了消息向目标节点的逼近速度。

Description

一种基于机会通信的DTN网络Anycast路由方法

技术领域

本发明涉及一种路由方法，其主要用于DTN网络(Delay/Disruption Tolerant Network，容迟容毁网络)中Anycast(任意播)的路由，属于无线自组织网络领域。

背景技术

DTN网络(以下简称DTN)是Delay/Disruption Tolerant Network的缩写，表示一种容迟/容断网络。这种网络在大多数时候源节点和目的节点都不存在一条完整路径或所存在的路径由于移动等因素非常不稳定。DTN网络有很多实际的应用，如野生动物追踪、战场通信、车载自组网等等。

机会转发是DTN中用于数据传输的一种通信机制，利用节点移动带来的机会性相遇进行通信，寻找合适的中继节点，以“存储-携带-转发”的模式将消息多跳的从源节点传输到目标节点。

Anycast通信模型是指发送者发送一个分组到一组节点中的任意一个成员，接收分组的成员节点并不是由发送者确定的。发送节点只是指定一组可能的接收节点，网络根据合适的路由指标将分组路由到任意组成员，一般是路由到最近的成员节点。Anycast技术在机会网络中有很多的应用，1)高效的信息定位、查询和收集，例如移动传感器网络中，传感器节点将感知数据发送到多个Sink节点中的任意一个，在灾难救援场景中，没有位置信息和ID时寻找医生或消防员等；2)Anycast技术还可以为机会网络提供分布式资源发现等功能，这些功能是分布式系统应用如文件共享等的基础模块。

针对MANET中的Anycast路由已有广泛的研究，但这些路由协议通常需要在通信开始之前建立路由，不适合应用在DTN中。在DTN里，源节点到组成员节点通常不存在一条瞬时全连通的路径，特别是在节点全移动的情况下，节点之间的连通往往不可预知，以及节点之间的连通时间和通信带宽、存储能力等有限，实现满足一定服务质量的Anycast机制具有非常大的挑战性。

常见的Ad Hoc网络中的Anycast路由协议大都是现有单播路由协议的扩展，如基于AODV协议(Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，参考：RFC3561：Ad hocOn-Demand Distance Vector(AODV)Routing)和基于DSR扩展的A-DSR协议，在传感器网络中也提出了基于Sink广播的的Anycast路由协议。但这些方法并不适合DTN网络，因为DTN无法保证网络的连通性和源节点到目标组成员节点的路径稳定性。

DTN中的(单播)路由协议一直是机会网络的研究热点，一大类的的转发算法都通过学习网络知识以提高路由性能，这类算法称之为基于效用值的转发算法。每个节点都对网络中节点维护一个效用值函数，表示节点成功传输消息到节点的概率。当节点相遇时，效用值值低的节点将消息转发给效用值高的节点。基于效用值的转发算法使用Destination-specific(DS)和Destination-independent(DI)两类效用值函数，前者对不同的消息目标有不同的效用值，例如FRESH(参考：T.Spyropoulos，K.Psounis，C.S.Raghavendra.Spray and wait：An efficient routing scheme for intermit-tently connected mobile networks.In：Proc.of the 2005 ACM SIGCOMM workshop on De-lay-tolerant networking.Philadelphia，Pennsylvania，USA：ACM；2005：252-259.)使用与目标节点上次相遇后经过的时间作为效用值，利用与给定目标的社会关系计算效用值，PROPHET(参考：T.Spyropoulos，K.Psounis，and C.S.Raghavendra.Spray and focus：Efficient mobility-assisted routing for heterogeneousand correlated mobility.In Proceedings of IEEE PerCom Workshop on Intermittently ConnectedMobile Ad Hoc Networks，2007)考虑与目标节点的相遇次数和相遇间隔，并利用节点相遇的传递性估计将消息传输到目标节点的概率，SEPR统计一个时间窗口内的链路存在时间估算链路转发概率，并在节点间交换，每个节点计算出到达目标节点的平均链路长度作为效用值。DS方法需要在每个节点上为网络中的每个节点维护一个表项，因而开销很大。DI效用值方法中，每个节点的效用值独立于任何目标节点，它依赖于当前节点的一些特性，使得该节点对于多数或所有目标都是最好的转发节点。这样的节点或者有更高更频繁的移动性(例如车辆)、更多的朋友、有更高的资源(能量、存储和带宽等)，例如Greedy-total使用节点与其他节点的相遇速率(Contact rate)，即单位时间内与其他节点的相遇次数作为效用值，Simbet基于社会网络理论，将每个人在社会网络中的重要度作为效用值。DI方法中每个节点只需要维护一个单个的效用值，开销小。

DTN中的Anycast研究相比单播要少得多，Gong分析了DTN中的Anycast语义模型。并提出了一种基于EMDDA(Expected Multi-Destination Delay for Anycast，任意播中的期望多目标延时)的路由机制(参考：Yili Gong，Yongqiang Xiong，Qian Zhang，Zhensheng Zhang，Wenjie Wang，Zhiwei Xu.“Anycast Routing in Delay Tolerant Networks”，In IEEEGlobecom′06，San Francisco，CA，Nov.27-Dec.1，2006)。作者假设网络节点是静止的，节点之间通过移动Carrier传输消息，节点与节点之间的延迟的已知的。与利用最短路径事先算好下一跳节点不同，作者考虑carrier到达的时间不同，实际路径延迟也会不同，因此提出利用PED(Practical Expected Delay)作为评价指标，并选择到达组内所有成员PED最小的邻居作为转发节点。

上述方法均只考虑了DTN中单播或是向静止目标节点Anycast的情况，而没有针对移动DTN的Anycast进行优化设计，若直接应用于本发明所述的全移动场景中，则会导致较低的数据投递成功率以及较大的数据发送延时。

发明内容

本发明针对的是Anycast中的单拷贝路由，即任何时候每个消息在网络中只有一个拷贝，目的在于提出一种基于机会通信的DTN网络Anycast路由方法，该方法基于效用值大小以及效用值分布的转发规则，使消息从发送者传输到任一组成员节点所经历的传输延时最短。路由过程由多次节点相遇时的消息转发组成。

本发明借鉴了机会网络中的基于相遇的“存储-携带-转发”的单播路由模式，使用单拷贝进行消息转发。基于节点移动过程的时空相关性，每个节点通过记录与组成员节点的最后相遇时间估计与组成员节点的相对距离，基于每个组成员节点在网络中建立的虚拟势场，每个节点维护一个到组的转发效用值，当节点相遇时，效用值低的节点将消息转发给更高的节点，使得节点距离成员节点足够近时将消息朝最近的成员节点转发，否则朝成员节点最多的方向转发。

在本发明的路由决策过程中，不仅考虑节点上效用值列表的最大值，而且在效用值最大值较小时，考虑效用值的分布，从而在节点距离组成员节点较近时，利用基于效用值的梯度转发，将消息朝着最近的组节点转发，当节点距离组节点较远时，将消息朝着组节点更密集的区域转发。

本发明的技术方案为：

一种基于机会通信的DTN网络Anycast路由方法，其步骤为：

1)每个节点维护与各个目标组节点的发送效用值u_i(m)；其中m＝1，...，M，M为组节点的个数；

2)携带消息的节点i获取与其相遇的节点j的最大发送效用值u_jmax和密度感知测度ρ_j；

所述密度感知测度为：某节点到所有组节点的发送效用值组合为该节点的密度感知测度；

3)如果节点i的最大发送效用值u_imac大于设定阈值u_th，则比较u_imax与u_jmax的大小，若u_imax＜u_jmax，则将消息转发给节点j，否则不予转发；

4)如果u_imax不大于设定阈值u_th，则比较节点i的密度感知测度ρ_i，与ρ_j并进行比较，若ρ_i＜ρ_j，则节点i将消息转发给节点j，否则不予转发。

进一步的，所述方法中如果节点i同时遇到多个节点，则节点i与多个节点中密度感知测度值最大的节点进行比较，判断是否转发消息。

所述发送效用值u_i的取值范围为：0≤u_i≤1，其中组节点发送效用值为1，普通节点发送效用值初始值为0。

所述发送效用值u_i的计算方法为：每次普通节点与组节点相遇，则将发送效用值置为1，其后随时间递减。

所述方法通过公式

计算所述密度感知测度，其中M为组节点数目，λ为设定的幂指数，u_i(m)为节点i对组节点m的发送效用值。

所述幂指数λ设为0.1。

所述方法中节点i通过握手协议获取与其相遇的节点j的最大发送效用值u_jmax和密度感知测度ρ_j。

所述方法中每一节点建立一发送效用值向量U(u(1)，u(2)，...，u(M))，用于维护其与各个目标组节点的发送效用值u(m)，其中节点i对组节点m的发送效用值记为u_i(m)，m＝1，...，M，M为组节点的个数。

本转发机制基本思想示意图如图1所示，黑色节点表示当前节点，数字标号的黑色节点则是组节点，图1(a)中当前节点到达组节点1的效用值足够大，则直接使用基于效用值的转发，而在图1(b)中，当前节点尽管距离组节点1仍然是最近，但效用值不够大，将消息朝着组节点密集的方向转发。

假设节点i对任一组节点m维护一个转发效用值u_i(m)∈[0，1]，表示节点i将消息成功传输到该组节点m的概率，一般的效用值计算方式中，组节点的效用值保持1，而普通节点的效用值初始化为0，并通过节点之间的移动规律在0和1之间变化。在基于效用值的单播转发机制中，节点沿着效用值增大的方向转发直到到达目标节点。

在图2所示的网络中，黑色节点表示组节点，其中两个组节点分布在最左边，另一个在最右边，每个节点下方的数字表示到达3个组节点的效用值分布。

下面给出DAM(Density Aware Metric，密度感知测度)的定义。假想每个组节点在网络中建立一个势场，该势场建立在所有节点上，且节点上的势值与该节点到组节点的距离成反比。在基于效用值的转发机制中，效用值越大，转发给组节点的概率越高。则整个组节点M形成的叠加势场在节点i上的势值由该节点到所有组节点的效用值组合表示，并定义为该节点的DAM，其取值用ρ_i表示：

ρ_{i} = Σ_{m = 1}^{M} \frac{1}{{(1 - u_{i} (m))}^{λ}}

很明显，组节点的效用值保持为1，无论λ取何值，所有组节点上的DAM都是无限大。对于其他节点则由λ值决定节点上的效用值对DAM的影响。图3显示了上述网络拓扑中，网络节点的DAM取值ρ_i在λ分别取1和0.1时的分布。在图3(a)中λ取1时，节点的DAM变化与每个节点到达组节点的最近距离一致，即节点上的最大效用值一致，例如节点i的最大效用值比节点k的大，所以DAM更大。当λ变小时，到达组节点的最近距离对DAM的影响下降，而组节点的分布开始影响DAM的变化，如图3(b)中所示λ取0.1，当节点靠近的组节点越多，节点DAM越大。即当λ取小值时，节点靠近的组节点越多，节点上的DAM越大。

所述节点针对某目标组节点效用值的计算，初始化为0，当与某目标节点相遇后，该值置为1，随后随时间递减。

所述组节点编号为1到M，M即为组节点的个数。

所述λ取值为通过实验测得的经验值，在本路由方法中设为0.1。

本发明的积极效果：

本发明在机会网络的anycast过程中同时考虑了目标节点的远近以及分布情况，以使在保证一定网络数据成功投递率的前提下尽量减小数据发送延时。通过合理的选择DAM值计算的相关参数，可以使消息在转发过程中根据不同的上下文决定当前的转发规则，从而减小了转发过程中产生回环的可能性，提高了消息向目标节点的逼近速度；另一方面，本路由机制使消息更倾向于转发给分布密集的目标节点，从而提高消息期望投递成功率。

附图说明

图1是本转发机制基本思想示意图；

(a)当前节点选择最大效用值节点发送数据，(b)当前节点选择最大DAM值节点发送数据；

图2是一个网络例子；

图3是DAM值随节点位置变化的示意图；

(a)λ＝1时的DAM值变化曲线，(b)λ＝0.1时的DAM值变化曲线；

图4是节点相遇消息转发流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，以及转发流程图4，对本发明进一步详细说明。

当节点相遇时，节点的转发过程根据效用值向量U(u(1)，u(2)，...，u(M))中的最大值是否大于设定的阈值，决定是按照效用值最大值转发还是DAM转发，其中u(m)，(m＝1，...，M)表示当前节点向第m个目标组节点的发送效用值。下面以节点i与节点j相遇的场景为例：

1)在节点i上维护效用值向量U_i(u_i(1)，u_i(2)，u_i(m)，...，u_i(M))，其计算方式为每次与第m个组节点相遇即将效用值u_i(m)置为1，其后随时间递减；

2)节点i与节点j相遇时，通过简单的握手协议，节点i得到j到达组节点utility的最大值u_jmax和damρ_j；

3)如果u_imax大于设定阈值u_th，则继续比较u_imax与u_jmax的大小，若u_imax＜u_jmax，则将消息转发给节点j，否则不予转发；

4)如果u_imax不大于设定阈值u_th，则通过公式

计算r_i，并与r_j进行比较，若r_i＜r_j，则节点i将消息转发给节点j，否则不予转发。

如果节点i同时遇到多个节点，则上述过程中只与多个节点中DAM值的最大者进行比较，当遇到组节点时，上述过程可保证将消息直接转发给成员节点。

Claims

1.一种基于机会通信的DTN网络Anycast路由方法，其步骤为：

2)携带消息的节点i获取与其相遇的节点j的最大发送效用值u_jmax和密度感知测度ρ_j；所述密度感知测度为：某节点到所有组节点的发送效用值组合为该节点的密度感知测度；

3)如果节点i的最大发送效用值u_imax大于设定阈值u_th，则比较u_imax与u_jmax的大小，若u_imax＜u_jmax，则将消息转发给节点j，否则不予转发；

4)如果u_imax不大于设定阈值u_th，则比较节点i的密度感知测度ρ_i，并与ρ_j进行比较，若ρ_i＜ρ_j，则节点i将消息转发给节点j，否则不予转发。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于如果所述节点i同时遇到多个节点，则节点i与多个节点中密度感知测度值最大的节点进行比较，判断是否转发消息。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述发送效用值u_i的取值范围为：0≤u_i≤1，其中组节点发送效用值为1，普通节点发送效用值初始值为0。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述发送效用值u_i的计算方法为：每次普通节点与组节点相遇，则将发送效用值置为1，其后随时间递减。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于通过公式

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述幂指数λ设为0.1。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于节点i通过握手协议获取与其相遇的节点j的最大发送效用值u_jmax和密度感知测度ρ_j。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于每一节点建立一发送效用值向量U(u(1)，u(2)，...，u(M))，用于维护其与各个目标组节点的发送效用值u(m)，其中节点i对组节点m的发送效用值记为u_i(m)，m＝1，...，M，M为组节点的个数。