CN101695179A - Dtn或icn网络上自适应变概率转发消息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于网络通信技术领域，涉及一种DTN或ICN网络上自适应变概率转发消息的方法，包括：通过设定时间间隔值定义近期相遇节点；节点记录近期相遇节点的信息；依据该信息，当收到需缓存的消息后，节点统计近期相遇节点个数和该消息在近期相遇节点中含有的拷贝数；通过已知的相遇节点数和消息备份数对该消息的局部复制密度进行计算和记录；节点收到对消息的请求信息后，确定局部复制密度确定消息的转发概率；根据求得的转发概率对消息进行转发。本发明能够有效降低节点能耗，节约节点存储空间和链路带宽，实现整个DTN网络生命期的延长和性能的改善。

Description

DTN或ICN网络上自适应变概率转发消息的方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，涉及一种DTN或ICN网络中提高数据包投递率和减少节点能耗的自适应变概率转发消息的方法。

背景技术

DTN或ICN网络又被称作延迟容忍网络，间歇连接网络，机会网络等，是一种完全由移动节点构成的稀疏无线网络。在该网络中，节点之间的链路间歇性中断且中断持续时间较长，以至于在任意时刻源节点和目的节点间可能不存在路径。这种网络的产生，主要归因于网络中路由器和节点的各种形式的移动性，另外，也可能是由网络节点的电源管理或者节点之间的干扰导致的链路中断所引起的。DTN网络成为近年来无线网络研究的热点问题，它的应用实例主要有：星际网络通信、偏远地区的设备通信、稀疏传感器网络的通信等。

与典型的Ad Hoc网络不同，DTN网络中数据的传输采用转发-缓存-转发(Forward-Buffer-Forward)的异步传输模式，即当节点间的链路中断时，中间节点将未转发出的消息暂存在自己的缓存器中，当遇到合适节点时再将储存的消息转发出去。DTN网络这种使用持久网络内存储设备来克服网络连接间断性的这种数据传输模式，在很大程度上扩展了无线网络的应用范围，使其发挥出广泛的应用优势。

但是，在DTN网络中，存在节点间缺乏持续连接、网络节点分布稀疏、通信范围小、节点间距离大、数据包传输延迟大、链路丢包率高等缺点。针对这些特点，目前关于DTN网络的研究需要考虑以下几个方面的问题：

1)存储空间的有效利用

小型设备的存储空间十分有限，而DTN网络的路由大多基于复制，同一个数据包的备份可能同时存在于不同的网络节点。数据包的复制，可以提高投递率，减小投递延迟，但是却消耗了存储空间。所以路由发送方和接收方应当采取高效合理的策略，使中间节点可以有足够的缓存空间存储消息，应对时间较长的网络间断。

2)链路的带宽

目前许多协议都假设带宽是无限的，实际上实现高比特率的无线电通信依然十分昂贵。节点的移动性限制了通信时间的长度，同一个消息在不同节点处的复制也浪费了网络中的有效带宽。带宽限制了每次节点相遇时通信的数据量，也关系到消息传输和丢弃的调度策略的选择。

3)节点的能量消耗

在DTN网络中，节点大多是由电池供电的移动便携设备，这些便携设备的能量都非常有限。网络中的设备可能长时间运行在无人干预的情况下，难以得到能量补给，在一些场合下，甚至根本无法获得能量，而路由的建立和维护，节点信息的交换和维护、消息的发送接收和存储都需要消耗能量，因此理想的路由策略应当减少计算以及各种状态信息和消息拷贝的传递。

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”。这种路由方法基于洪泛机制，不需要对网络拓扑结构以及连通情况做出任何假设。这种算法在完成数据包的投递之前，会最大限度的在网络中复制该数据包。源节点会将消息传递给接触到的节点，获得消息备份的节点又会进一步将消息备份传递给还没有该消息备份的邻居节点，最终消息在整个网络蔓延开来。当目的节点获得该消息备份时，投递过程结束。这种方法在缓存无限的情况下投递率高，延迟最小，但网络开销过大，不适应于现实中资源有限的情况。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种在DTN或ICN网络中提高数据包投递率和减少节点能耗的自适应变概率转发消息的方法。

为此，本发明采用如下的技术方案：

一种DTN或ICN网络上自适应变概率转发消息的方法，用于提高数据包投递率和减少节点能耗的自适应变概率转发消息，包括：

(1)通过设定时间间隔值定义近期相遇节点；

(2)节点记录近期相遇节点的信息；

(3)依据该信息，当收到需缓存的消息后，节点统计近期相遇节点个数和该消息在近期相遇节点中含有的拷贝数；

(4)通过已知的相遇节点数和消息备份数对该消息的局部复制密度进行计算和记录；

(5)节点收到对消息的请求信息后，按照下列方法确定局部复制密度确定消息的转发概率：

(a)当局部复制密度低时增大对消息的转发概率；

(b)当局部复制密度高时根据设定的转发概率上限和复制密度阈值降低对消息的转发概率；

(6)根据求得的转发概率对消息进行转发。

作为优选实施方式，将近期相遇节点的信息记录在节点缓存器中的相遇节点列表中，相遇节点列表中每个节点携带的消息记录在该节点的消息列表中，统计近期相遇节点个数和某一消息在近期相遇节点中含有拷贝数的步骤包括：

(a)在指定要统计的消息ID后，节点遍历缓存的相遇节点列表：

(b)如果列表成员的相遇时间符合“近期”定义，则近期相遇节点数增一，且如果列表成员的消息列表中含有指定消息的备份，则指定消息的备份数增一；

可以按照下列公式确定转发概率：其中，F_limit为所设定的转发概率上限，ρ_th为所设定的复制密度阈值，

为指定消息的局部复制密度，Ci(Rt)表示在T时间内遇到的节点中携带消息i的备份总数，N(Rt)表示在T时间内遇到的节点总数；Rt＝min(lastT，intervalT)，其中lastT表示网络开始统计近期相遇节点数目和消息数目后的持续时间，intervalT为所设定的时间间隔值.

本发明的实质性特点是：节点记录近期相遇节点的信息，当收到需缓存的消息后，节点根据相遇节点信息统计近期相遇节点个数和该消息在近期相遇节点中含有的拷贝数，通过已知的相遇节点数和消息备份数对该消息的局部复制密度进行计算和记录，当节点收到对消息的请求信息后，由局部复制密度确定消息的转发概率并据此对消息进行转发，在保证较大投递率的情况下，减少消息的转发次数，从而起到有效地降低节点能量和网络带宽消耗、节约节点存储空间、改善网络性能和生存期的作用。

本发明作为一种比较理想、投递率高、节能效果好、实用性强的技术方案，能够有效降低节点能耗，节约节点存储空间和链路带宽，实现整个DTN网络生命期的延长和性能的改善。具有下列优点：

当前，对与DTN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，未考虑中间节点存储空间的大量消耗。本发明通过对消息副本进行概率性转发，在保证投递率的情况下，减少了网络中间节点中含有的消息副本数，节约了节点有限的存储空间。

本发明通过对消息进行变概率转发，突破了当前大多数针对DTN和ICN网络数据传输的研究方法中按固定概率对消息进行转发的方法，既保证了消息的投递率，又极大地减少了节点能量和网络带宽的耗费，从而起到有效地降低节点能量消耗、改善网络性能和延长网络生存期的作用。

本发明结合当前DTN和ICN网络中经典的传染病路由算法，对其消息转发机制进行改进，进而实现了保证投递率和节能的双重目标。本发明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是本发明记录相遇节点信息时使用的encounterList表项。

图3是本发明暂存消息时使用的缓存节点格式图。

具体实施方式

为了达到上述目的，本发明提供了一种DTN和ICN网络中提高数据包投递率和减少节点能耗的变概率转发消息的方法，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一DTN网络中节点变概率转发消息的方法。当节点收到目的地非本身的消息时，在将其存储于自己的缓存列表前，首先根据相遇节点信息统计近期相遇节点个数和该消息在近期相遇节点中含有的拷贝数，通过已知的相遇节点数和消息备份数对该消息的局部复制密度进行计算，并记录于该消息在缓存列表中的相应字段。当节点收到其它节点发来的探测消息HELLO或响应消息REPLY后，更新近期相遇节点信息列表。对于响应消息中携带的对某些消息的请求，节点根据消息缓存列表中记录的该消息的局部复制密度确定消息的转发概率并据此对该指定消息进行转发。通过对消息进行自适应的变概率转发，有针对性地调节发送概率，既保证了投递率，又减小了不必要的能量消耗。

参见图2和3，详细介绍本发明一种DTN和ICN网络中提高数据包投递率和减少节点能耗的自适应变概率转发消息的方法，该方法包括以下几个阶段：

(1)近期通信节点信息的记录：为了统计一段时间内节点与其它节点的通信情况，节点需要对近期通信的节点进行记录。近期相遇节点即为从其收到探测消息HELLO包或者应答消息REPLY包的节点。定义记录近期相遇节点信息的列表为encounterList。图2中显示的是近期相遇节点信息encounterList的表项。所遇节点的地址和相遇时间分别被记录于address和timestamp字段中。

(2)近期相遇节点个数和消息在近期所有通信节点中拷贝数的统计：当收到数据包时，节点首先判断自己是否是消息的目的节点，如果不是，需要计算近期相遇节点个数和该消息在近期所有通信节点中的拷贝数。

(3)消息复制密度的计算和记录：节点在缓存消息前，需要计算该消息的局部复制密度。计算局部复制密度涉及的两个统计量为近期遇到的节点数目和这些节点中消息备份的数目。消息备份数目和相遇节点数目的比值，即为消息的局部复制密度。最终，消息的局部复制密度值被存入缓存节点的density记录字段中。缓存节点的格式如图3所示。

(4)转发概率的计算：消息的局部复制密度，反映了节点周围消息被复制的情况。局部消息密度大的，应当以较小概率转发；密度小的，则需要以较大概率转发。从而有针对性地调节发送概率，避免消息的盲目洪泛。

(5)消息的转发：当节点收到其它节点发来的对消息的请求信息时，根据计算好的转发概率，对消息进行转发。

所述部分(1)近期通信节点信息的记录主要包含以下几个步骤：

(11)在节点收到HELLO包或者REPLY包时，检查相遇节点列表encounterList。

(12)对于遇到的全新的节点，在列表中增加表项，将相遇节点的各项信息记录其中。

(13)对于之前已经记录的节点，更新列表相应项目的时间戳为最新的相遇时间。

所述部分(2)近期相遇节点个数和消息在近期所有通信节点中拷贝数的统计主要包含以下几个步骤：

(21)通过设定时间间隔值intervalT对“近期”(Rt)通信节点进行辅助定义。令Rt＝min(lastT，intervalT)，其中lastT表示网络开始统计近期相遇节点数目和消息数目后的持续时间。

(22)在指定要统计的消息ID后，节点遍历图2所示的缓存的相遇节点列表encounterList，如果列表成员的timestamp＞currentTime-Rt，则表明两个节点近期相遇，增加近期相遇节点的计数。

(23)相遇节点列表中每个节点携带的消息记录在该节点的消息列表msgList中，即图2所示的encounterList中的msgList字段。节点在指定要统计的消息ID之后遍历encounterList，如果列表成员的timestamp＞currentTime-Rt并且该成员的msg_list中记录了指定消息，则将该消息的计数加一。

所述部分(3)消息复制密度的计算进一步包括下述操作内容：

(31)对于求得的近期值Rt，令Ci(Rt)表示在T时间内遇到的节点中携带消息i的备份总数，N(Rt)表示在T时间内遇到的节点总数，通过计算两者比值得到指定消息的局部复制密度LDensity_i(Rt)。LDensity_i(Rt)的计算公式为： $\mathrm{LD}{\mathrm{ensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)=\frac{C_i\left(\mathrm{Rt}\right)}{N\left(\mathrm{Rt}\right)}.$

所述部分(4)转发概率的计算进一步包括下述操作内容：

(41)当局部复制密度LDensity_i(Rt)低时增大对消息的转发概率P_f。

(42)当局部复制密度LDensity_i(Rt)高时，如果过度降低转发概率会造成投递率下降和转发延迟增加，因此本发明为转发概率设置上限F_limit，为复制密度设置阈值ρ_th，当复制密度小于等于ρ_th时，消息备份将以此概率发送。当复制密度大于ρ_th时，用复制密度和F_limit组合计算转发概率。概率具体计算公式为：

$F_p=\left\{\begin{array}{cc}{F}_{\mathrm{limit},}& {\mathrm{LDensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)\≤{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{th}};\\ F_{\mathrm{limit}}\left(\frac{1-\mathrm{LD}{\mathrm{ensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)}{{\mathrm{LDensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)}\right),& {\mathrm{LDensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)>{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{th}};\end{array}\right.$

其中刻画了未感染节点和已被感染的节点比例，ρ_th和F_limit是预先设定得到的常数。

所述部分(5)消息的转发进一步包括下述操作内容：

(51)当节点收到其它节点发来的应答消息REPLY时，其中封装了对节点某些已缓存消息的请求信息。对于产生应答消息的节点请求的消息，节点根据为每个消息计算好的转发概率，对消息进行转发。

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DTN或ICN网络上自适应变概率转发消息的方法，用于提高数据包投递率和减少节点能耗的自适应变概率转发消息，包括：

(1)通过设定时间间隔值定义近期相遇节点；

(2)节点记录近期相遇节点的信息；

(3)依据该信息，当收到需缓存的消息后，节点统计近期相遇节点个数和该消息在近期相遇节点中含有的拷贝数；

(4)通过已知的相遇节点数和消息备份数对该消息的局部复制密度进行计算和记录；

(5)节点收到对消息的请求信息后，按照下列方法确定局部复制密度确定消息的转发概率：

(a)当局部复制密度低时增大对消息的转发概率；

(b)当局部复制密度高时根据设定的转发概率上限和复制密度阈值降低对消息的转发概率；

(6)根据求得的转发概率对消息进行转发。

2.如权利要求1所述的方法，将近期相遇节点的信息记录在节点缓存器中的相遇节点列表中，相遇节点列表中每个节点携带的消息记录在该节点的消息列表中，统计近期相遇节点个数和某一消息在近期相遇节点中含有拷贝数的步骤包括：

(a)在指定要统计的消息ID后，节点遍历缓存的相遇节点列表：

(b)如果列表成员的相遇时间符合“近期”定义，则近期相遇节点数增一，且如果列表成员的消息列表中含有指定消息的备份，则指定消息的备份数增一。

3.如权利要求1或2所述的方法，按照下列公式确定转发概率：

$F_p=\left\{\begin{array}{cc}{F}_{\mathrm{limit}},& {\mathrm{LDensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)\≤{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{th}};\\ F_{\mathrm{limit}}\left(\frac{1-\mathrm{LDensi}{\mathrm{ty}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)}{{\mathrm{LDensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)}\right),& {\mathrm{LDensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)>{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{th}};\end{array}\right.$ 其中，F_limit为所设定的转发概率上限，ρ_th为所设定的复制密度阈值， ${\mathrm{LDensity}}_i\left(\mathrm{Rt}\right)=\frac{C_i\left(\mathrm{Rt}\right)}{N\left(\mathrm{Rt}\right)},$ 为指定消息的局部复制密度，Ci(Rt)表示在T时间内遇到的节点中携带消息i的备份总数，N(Rt)表示在T时间内遇到的节点总数；Rt＝min(lastT，intervalT)，其中lastT表示网络开始统计近期相遇节点数目和消息数目后的持续时间，intervalT为所设定的时间间隔值。

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