CN101784067B - 机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法 - Google Patents

Abstract

机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法。针对现有机会网络路由技术通过周期性发送索引消息来进行相遇节点感知，无法做到“相遇即感知”的缺陷，本发明通过跨层信息共享和协同操作实现相遇节点的实时快速感知；在节点内部网络层运行跨层报告功能控制，使物理层报告节点相遇的次数和实际相遇次数一致，同时，在节点内部网络层运行索引消息发送和计时机制，增加了索引消息发送的物理层跨层触发操作，并对索引消息发送周期的计时起点进行自适应的调整。本发明以较小的开销为机会网络实现了跨层触发的相遇节点的实时快速感知，有利于缩短相遇节点感知延迟和数据分组传输时延，节约网络资源，提高路由效率。

Description

机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法

技术领域

本发明涉及机会网络中基于交换的路由技术，特别涉及一种机会网络中的节点感知方法。

背景技术

机会网络是一种不需要源节点和目的节点之间存在完整路径、利用节点移动带来的相遇机会实现通信的、时延和断裂可容忍的自组织网络。作为一种新型网络，机会网络能够在无线链路断开和网络分裂情况下完成通信任务，即使端到端路径不存在也能够在源和目的节点之间传输信息。它既是一种具体的网络形式，也是一种网络通信新技术，被视为移动Ad Hoc网络发展的重要方向之一，对未来普适计算(ubiquitous computing)具有重要意义。

机会网络具有的间断连接和部分连接的特点，为了适应这些特点，新的机制被设计并运用到机会网络路由中，这些机制主要包括：(1)“存储-携带-转发”机制：与传统多跳无线网络路由的“存储-转发”机制不同，机会网络路由技术采用了“存储-携带-转发”机制，节点收到分组后，通常不是立即把它转发出去，而会将分组保存一段时间，携带着分组运动，在运动中如果遇到了其它节点，再将分组转发出去。这种机制能够克服网络分裂和端到端路径不存在的困难，依靠节点的运动和位置改变产生通信机会，把分组送到目的节点；(2)多次转发机制：在机会网络的一些路由技术中，数据分组在不同节点相遇时会被多次转发，相当于多个数据副本被注入网络，这和传统多跳无线网络路由中的“一次性转发给确定的下一跳节点”有所不同；(3)节点两两成对交换信息机制：由于网络分裂，广播消息难以到达所有节点，因此节点两两成对交换信息的机制成了信息传播的有效途径，节点相遇时先通过分组索引消息(以下简称索引消息)的交换来了解对方所存储的数据分组，然后相互传送对方没有的数据分组来完成数据信息的扩散。这样就能够达到比传统的广播操作更高的可靠性。

机会网络的路由技术主要分为基于冗余、基于效用、冗余效用混合和基于主动运动的路由技术4类。目前研究和应用较为广泛的是基于交换的路由技术，这种技术是基于冗余的路由技术中的一个子类，它把路由节点的功能从传统的“存储-转发”改进为“存储-携带-转发”，采用相遇节点两两成对互换信息的交换机制形成一条虚拟的路由，将数据从源节点一步步传向目的节点；基于交换的路由实质上是泛洪算法(flooding)在机会网络条件下的一种变化形式，它通过交换机制的使用，使待传送消息的多份拷贝被注入网络，当其中一个到达目标时，消息便传输成功。基于交换的路由技术(协议)主要有：(1)Epidemic路由协议(参见文献：DV.Becker.Epidemic routing for partially connectedad hoc networks[R]，Technical Report，CS-2000-06，Department of ComputerScience，Duke University，Durham，NC，2000)：在这种协议中，每个节点维护一个消息队列，当两个节点相遇时，先交换消息队列的索引信息，然后根据索引信息交换对方没有存储的消息。(2)Prioritized Epidemic路由协议(参见文献：R.Ramanathan，R.Hansen，P.Basu，R.Rosales-Hain，R.Krishnan.Prioritized epidemic routing for opportunistic networks[C].In Proc.ofthe 1st Int’l MobiSys Workshop on Mobile opportunistic Networking.SanJuan：ACM，2007.62-66)：该协议对Epidemic路由加以改进，利用计算出的最短路径长度来赋予节点被抛弃的优先级，距离目的节点的路径长度越大，被抛弃的优先级越低，通过抛弃无用消息降低网络负载，提高转发机制的性能。(3)MaxProp路由协议(参见文献：J.Burgess，B.Gal lagher，D.Jensen，B.N.Levine.Maxprop：Routing for vehicle-based disruption-tolerantnetworking[C].In Proc.IEEE INFOCOM 2006，2006.)：该协议采用了Epidemic路由方法的基本原理但进行了改进，转发节点携带消息并可能多次转发，但当消息的有效期到了，或者节点收到一个ack消息，或者节点的数据缓存区被装满时，节点将丢弃该消息。Maxprop的数据缓存区管理策略是：设定一个门限值，如果消息的转发跳数小于此门限，则按跳数值对消息排序；如果大于门限，则按传送概率进行排序并在数据缓存区被装满时删除传送概率值低的消息。Maxprop能够避免每个消息都被泛洪到全网，减少了开销，但消息有效期的合理设置有一定难度。以上协议在节点相遇状况的感知方面都是依靠周期性地发送索引消息来完成，在感知时间上具有一定的延迟，无法做到“相遇即感知”。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有机会网络中基于交换的路由技术通过周期性发送索引消息来进行节点相遇感知，在感知时间上具有一定的延迟，无法做到“相遇即感知”；节点发送数据或者控制信息后，索引消息的周期性发送和计时没有作相应调整，因而带来了一些不必要的资源浪费。针对这些问题，我们提出一种基于跨层触发的节点相遇快速感知方法，运用到基于交换的机会网络路由技术中，能够缩短节点相遇感知的时间，避免索引消息的静态发送和计时机制带来的资源浪费，解决现有路由技术的上述缺陷。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：采用在物理层、MAC(Media AccessControl，媒介控制)层和网络层之间跨层共享信息和协同操作的方式，实现相遇节点的跨层感知、周期性索引消息的动态自适应发送和计时。在不使用专门的控制分组和控制帧的情况下，以较小开销为使用周期触发方式的现有基于交换的机会网络路由技术实现跨层触发的节点相遇事件的实时快速感知，做到“相遇即感知”，提高相遇节点感知速度，降低节点相遇感知延迟和数据分组的传输时延；同时改进周期性索引消息的发送和计时，加速索引消息交换进程，减少不必要的索引消息发送，节省网络信道资源和节点资源，提高路由效率。

本发明“机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法”具体包括以下步骤：

1.相遇节点跨层感知：每个节点在物理层通过载波侦听等手段侦测其它节点发出的信息；如果没有侦测到其它节点的信息，则不进行跨层操作，也不发送数据和控制消息，仍然以索引消息的发送周期T为周期发送索引消息；如果侦测到其它节点发出的信息，则立即通过跨层信息共享的方式报告网络层，实现网络层对相遇节点的跨层感知。

2.物理层跨层报告功能控制：如果一个节点的物理层在某个时刻侦测到其它节点的信息并向网络层跨层报告之后，为了防止对同一节点相遇事件的重复多次报告(即误报)，它将关闭跨层报告功能，这时即使侦测到其它节点信息也不再向上层报告；该节点的网络层将记录物理层跨层报告功能的开关状态，如果该功能处于“关”状态，则网络层在索引消息发送计时器达到周期T且向下层发送索引消息之后，将立即向物理层跨层发送1个“开”信息，启动物理层的跨层报告功能。

3.索引消息实时发送：如果一个节点的网络层在时刻t0跨层感知到节点相遇事件，则不管索引消息发送计时器的值是否到达周期T，该节点都会立即发送索引消息；如果对方节点对本节点发出的索引消息进行回复，则双方节点便可进入后续的索引消息及数据交换过程。

4.索引消息发送计时器跨层控制：每个节点的MAC层在每发完1个帧(包括控制帧和数据帧)之后，都会立即通过跨层信息共享的方式报告网络层；网络层收到MAC层跨层报告的信息，会立即将索引消息发送计时器的值清零，从该时刻起重新开始计时。

本发明中的跨层感知机制是由物理层通过信号侦测(如载波侦听)并跨层报告网络层来完成的，增强了节点的相遇感知功能，能够实时感知相遇节点的出现；同时，它还使用跨层信息共享的方式，将相遇节点感知方式从现有的周期触发改进为跨层触发，能够消除周期触发感知机制带来的不必要延迟，提高相遇节点感知速度，有利于做到节点“相遇即感知”。为了防止误报，本发明还通过跨层协同方式在网络层为物理层的跨层报告功能设计了控制机制，使物理层一旦报告节点相遇之后就关闭报告功能，直到网络层发送信号将该功能开启，从而避免对同一节点相遇事件的重复多次报告。本发明的索引消息发送机制增加了自适应功能，除了周期T到达和收到其它节点索引消息会发送索引消息以外，在收到物理层的节点相遇事件的跨层报告时，也会发送索引消息；从而克服了网络层不能及时发出索引消息的问题，加快索引信息交换进程，降低节点相遇感知延迟和数据分组的传输时延。本发明设计动态自适应的索引消息发送计时，除了计时周期T到达后计时器会清零外，还通过跨层信息共享将计时器清零的控制权限扩展到了MAC层，MAC层在每发完1个帧之后跨层通知网络层将索引消息发送计时器清零；这种方式通过跨层动态调整发送计时起点，能够真正做到节点没有任何信息发出之后再发送索引消息，从而可以避免索引消息的不必要发送，节省网络信道资源和节点资源。

通过结合使用上述的相遇节点跨层感知机制、跨层报告功能控制机制、索引消息动态发送机制和索引消息自适应发送计时机制，无论在什么情况下，都能够保证相遇节点在一个索引消息的发送计时周期T内被及时感知，提高了感知速度，节点相遇事件的感知概率也不低于原来的路由方法；同时又尽可能地减少了不必要的索引消息发送，节省了节点资源和网络信道资源。

附图说明：

图1为机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法的构成示意图

图2为机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法示意图

图3为相遇节点跨层感知示意流程图

图4为索引消息动态发送流程图

图5为索引消息自适应发送计时控制示意图

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

如图1所示为机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法的流程图。

包括以下4个步骤，相遇节点跨层感知；物理层跨层报告功能控制；索引消息实时发送；索引消息发送计时器跨层控制。

如图2所示为机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法示意图。

本发明包含3种机制，相遇节点跨层感知机制；索引消息动态发送机制；索引消息自适应发送计时机制。

如图3所示为相遇节点跨层感知方法流程示意图。

相遇节点跨层感知为一个节点内部的信息感知、跨层信息共享和处理等操作，由物理层和网络层共同完成。其具体操作步骤如下：

每个节点在物理层对无线信道持续侦听无线载波，如果侦听到其它节点发送的载波信号，则把信号接收下来，形成码块，将该码块发送到MAC层，同时向网络层跨层报告收到相遇节点的信息，并将物理层的跨层报告功能关闭。如果没有侦听到其他节点发出的信息，则无需发送数据分组和其它控制分组，节点始终以索引消息的发送周期T为周期发送索引消息；

节点的网络层通过跨层信息共享得知节点相遇事件发生后，用广播方式向1跳范围内的邻居节点发送索引消息，启动索引消息和数据交换进程；

网络层存储物理层跨层报告功能的状态，如果该状态为“关闭”，且网络层每个计时周期T向下层发送了一个索引消息，则下层立即向物理层发送一个启动跨层报告功能的信息以开启该跨层报告功能。

本发明中相遇节点跨层感知机制的实质是将传统的网络层周期感知相遇节点的机制改进为物理层和网络层同时参与的跨层实时快速感知机制，增强了节点的感知功能，克服了原来存在的节点网络层不能及时感知相遇节点的问题。

如图4所示为索引消息动态发送流程图。在现有周期性发送方式的基础上增加了跨层触发的发送方式，增强了发送方式对网络状况的适应性。

如果网络层没有收到下层传来的任何信息，则按照一个固定的周期值T，用广播方式周期性地发送索引消息；

如果网络层收到其它节点发来的索引消息，则无论计时周期T到达与否，都要用广播方式发送索引消息；

如果网络层收到物理层根据相遇节点跨层感知机制跨层报告的节点相遇信息，即使这时周期性索引消息的发送时间未到，网络层也要立即发送索引消息。

索引消息采用周期触发和跨层触发共存并用的两种触发方式，满足了不同网络状况下的触发需求，对于网络资源也具有保护作用；使节点的网络层能够对节点相遇状况的发生作出及时反应，快速发送索引消息，加快了索引消息的交换进程，有利于缩短数据分组传送时延。

如图5所示为索引消息自适应发送计时控制流程示意图。索引消息的发送计时由节点网络层执行，但它的自适应调整则由网络层和MAC层共同完成，索引消息自适应发送计时机制能够根据节点发送分组以及帧的状况，对索引消息发送周期的计时起点进行自适应的动态调整，从而减少索引消息的发送次数，降低开销，节省资源。

如果节点的网络层没有得到MAC层发送帧的跨层报告信息，则索引消息的发送计时按照1个固定的周期值T进行，发送计时器的计时值达到T时，自动清零，从0开始重新计时；

如果节点的MAC层发送了帧，不管是控制帧(如ACK帧)还是数据帧，MAC层都要将向网络层跨层报告发送信息；

网络层收到MAC层跨层报告的帧发送消息后，立即将发送计时器请零，从0开始重新计时。

采用上述方法，节点不再单纯地以索引消息的发送周期到达时刻为周期性的计时起点，而是将从MAC层发出的所有信息的发送也利用起来作为计时起点，使这些信息的发送也成为跨层触发的相遇节点感知操作的一部分；节点的MAC层将所有帧的发送信息跨层共享给网络层，并据之调整索引消息的发送计时，有利于充分利用无线信道的广播特性，在不影响跨层感知相遇节点功能的前提下，减少索引消息的发送次数，节约网络控制开销。

本发明在节点的物理层采用无线载波侦听方式，一个节点一旦进入其它节点的通信范围，即遇到其它节点，就能够立即侦听到它们发送的载波，从而实时快速地感知相遇节点。在网络层和物理层之间通过跨层信息共享的方式，使网络层能够实时快速地得知节点相遇，从而及时触发索引消息的发送，增强相遇节点感知功能，节省感知时间，加快索引消息交换进程，缩短数据分组传送时延。使用跨层报告功能控制机制来防止误报，避免对同一节点相遇事件的重复多次报告。本发明将原来的周期性固定发送和计时机制改进为动态自适应可调的发送和计时机制，引入物理层跨层触发索引消息发送、MAC帧发送信号将计时器清零等操作，充分利用无线信道的广播特性，在不影响跨层感知相遇节点功能的前提下，加快索引消息的发送进程，减少索引消息的发送次数，缩短相遇节点感知延迟和数据分组传送时延，节约网络控制开销。

本发明适用于机会网络，特别是采用基于冗余的路由技术的子类型-基于交换的路由技术、且为每个网络节点分配了独立标识的机会网络。

对于包含多个节点的机会网络部署在一定区域，这些节点都装备有无线通信装置(如IEEE802.11x系列标准的装置)，一个或多个节点具有运动能力(如车载节点)，需要提供把数据从一个节点传送另一个节点的功能，网络节点在传送数据的过程中采用基于交换的路由技术；此时，可以应用本发明提出的机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法，在节点设备的路由模块、MAC层模块和物理层载波侦听模块等功能模块之间通过软件和硬件的系统设计，来完成跨层信息交换和协同操作，实现上文所述的通过跨层信息共享快速感知相遇节点的功能，达到既能够实时快速感知相遇节点，缩短相遇节点感知延迟和数据分组传送时延，又能够控制网络开销，节省节点资源和网络信道资源，延长机会网络寿命的效果。

Claims (4)

1.机会网络中基于跨层触发的相遇节点快速感知方法，其特征在于，该方法包括步骤：每个节点在物理层对无线信道持续侦听无线载波，如果侦听到其它节点发送的载波信号，则接收该载波信号，形成码块，将该码块发送到MAC层，同时通过跨层信息共享方式向网络层报告收到相遇节点的信息；如果没有侦听到其他节点发出的信息，节点始终以索引消息的发送周期T为周期发送索引消息；如果跨层感知到节点相遇，启动物理层跨层报告功能控制，节点实时发送索引消息并在索引消息和数据交换过程中暂时关闭物理层跨层报告功能；如果节点在某个时刻发送了数据帧或控制帧，或者索引消息计时器的值到达周期T，则将该计时器清零并重新开始计时。

2.根据权利要求1所述的相遇节点快速感知方法，其特征在于，所述物理层跨层报告功能控制包括步骤：如果物理层向网络层跨层报告了节点相遇事件，则关闭跨层报告功能;当索引消息计时器的值到达周期T时网络层发送索引消息，发送完索引消息后网络层检查跨层报告功能的开闭状态，如果状态为关闭状态，网络层向物理层跨层发送信息，开启该功能。

3.根据权利要求1所述的相遇节点快速感知方法，其特征在于，所述实时发送索引消息具体包括步骤：一个节点的网络层除了在索引消息发送计时周期T到达和收到其它节点索引消息时发送索引消息外，在收到物理层对节点相遇事件的跨层报告时，也立即发送索引消息。

4.根据权利要求1所述的相遇节点快速感知方法，其特征在于，该方法进一步包括：索引消息发送计时器在计时周期T到达后清零；MAC层在每发完1个帧后会采用跨层信息共享的方式通知网络层清除索引消息发送计时器的值，网络层将索引消息发送计时器清零。 

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