CN102014068A - 一种基于非合作博弈的dtn网络机会路由合作激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，在DTN网络中，使用源节点支付的方法，激励各中间节点合作转发数据。并把节点每跳发包过程建模成拍卖模型，在候选节点出价的过程中考虑到数据TTL、节点能量水平和节点内存情况，找到了贝叶斯纳什均衡解，使每个节点的收益在均衡解的条件下最大。该机制可以最大化数据的传输成功率，减小数据传输延迟，并且可以在一定程度上增强网络的稳定性。

Description

一种基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法

技术领域

本发明涉及一种激励自私节点合作转发数据的路由方法，特别涉及一种基于付费的DTN网络路由激励方法方法。

背景技术

一些工业用途的专业网络具有以无线电波为载体、节点能力受限、节点移动频繁、通信环境恶劣等特征，在这类网络里，用于Internet的协议无法正常工作，由此诞生了延迟容忍网络(Delay Tolerant Network，简称DTN)的概念。对于大多数DTN环境，节点经常属于不同组织。它们都存在一定的自私性，不愿意帮其他节点转发数据进而影响网络正常路由。需要使用相应的激励方法激励节点之间合作。

DTN的激励机制主要分为基于信任度机制和基于非合作博弈激励机制。其中基于信任度机制根据节点信任度值的高低来判断节点可信与否并作为路由选择的决策依据；基于非合作博弈激励机制利用基于非合作博弈的经济学理论，引入了报酬的相关概念，对节点的合作行为给予相应的报酬激励。

基于信任度机制通过系统范围内优化点分析、观察和审计等方法判定节点的行为，并惩罚不合作的节点，以此激励节点的合作行为。基于信任度机制的特点为：简单易行，较容易应用于无线网络中，但不能保证每个节点都获得最高回报，并且需要特殊硬件设备支持。

基于非合作博弈激励机制借鉴了微观经济学方法，确定需要支付给合作转发节点的报酬值，在激励节点合作的同时保证系统的性能优化。基于非合作博弈激励机制的特点为：能实现系统成本最小化和性能最优化，但也有一部分系统额外开销。

在DTN网络中，机会路由由于其充分利用了机会性接收的数据，在数据包传输完成后再确定哪些接收到数据的节点成为下一跳，可以有效提高DTN网络中包的传递成功率，受到了越来越多关注。

因此，本发明公开一种基于非合作博弈的DTN网络机会路由激励方法，把节点每一跳发包过程建模成拍卖模型，并考虑DTN网络中节点移动的特点和能量、内存的限制，有效激励DTN网络中节点合作，并提高路由性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于非合作博弈的DTN网络机会路由激励方法，该方法通过支付手段激励节点转发数据，利用拍卖模型，找到了节点出价的均衡状态，最大化各个节点的收益。在估价时利用数据TTL、节点能量水平和节点内存情况，提高了数据的传送成功率，减少了网络中失效节点数，增强了网络稳定性。本发明由三个阶段处理实现：

第一阶段为源节点S发送转发请求阶段，采用机会路由的合作激励方法发送数据，在源节点有数据包信息要发送时，把要发送的数据长度和数据的TTL放入转发请求消息M_s＝{D，TTL_cur}中，广播给所有邻居，源节点S的邻居表示该节点与源节点S之间的距离小于源节点S的传输距离的所有节点。如图所示，源节点S的邻居为P_n＝{A₁，A₂，A₃，A₄}。

第二阶段为邻居节点出价阶段，当邻居节点收到源节点发送的转发请求消息后，根据内存判定策略判断当前内存能否满足发送数据长度要求。如果满足，则根据剩余内存，剩余能量估价；反之，如果不满足，忽略转发请求。

在满足的条件下，用拍卖模型的贝叶斯纳什均衡解出价，并把出价放入应答消息中回发给源节点。

第三阶段为源节点支付阶段，源节点收到所有邻居节点的应答后，选择出价最低的邻居节点作为转发节点，给予转发节点相应支付，并发送数据包。

本发明的优点：

①在DTN网络中长时间使用机会路由协作激励机制有利于能量消耗在节点间的平均分配，可以有效减少由于多次使用同一节点转发数据包造成的节点能量耗尽失效。源节点更容易选择能量较充足的候选节点进行转发。因此，可以较平均的分配网络中节点的能量消耗，来减少网络中节点的失效数目，有效的增强网络的稳定性。

②节点耗费越多能量帮其他节点转发数据，就获得越多的收益，因此，能量消耗和收益成正比，即该协作激励方法是公平的。

③协作激励机制有效的激励节点之间合作，并且在源节点和目的节点距离较远的情况下(中间跳数较多)，仍然能保证较高的传送成功率。

④协作激励机制有效的激励节点之间合作，并且在源节点和目的节点距离较远的情况下，仍然能保证较小的传输时延。

附图说明

图1是本发明基于非合作博弈的DTN网络机会路由激励方法的结构框图。

图2是本发明基于非合作博弈的DTN网络机会路由激励方法的系统应用部署图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的详细说明。

参见图2所示，本发明的采用的一种基于非合作博弈的DTN网络机会路由激励方法分为三个阶段：

第一阶段为源节点S发送转发请求阶段，采用机会路由的合作激励方法发送数据，在源节点有数据包信息要发送时，把要发送的数据长度和数据的TTL放入转发请求消息M_s＝{D，TTL_cur}中，广播给所有邻居，源节点S的邻居表示该节点与源节点S之间的距离小于源节点S的传输距离的所有节点。如图1所示，源节点S的邻居为P_n＝{A₁，A₂，A₃，A₄}。

第二阶段为邻居节点出价阶段，当邻居节点收到源节点发送的转发请求消息后，根据内存判定策略判断当前内存能否满足发送数据长度要求。如果满足，则根据剩余内存，剩余能量估价；反之，如果不满足，忽略转发请求。

在满足的条件下，用拍卖模型的贝叶斯纳什均衡解出价，并把出价放入应答消息中回发给源节点。

第三阶段为源节点支付阶段，源节点收到所有邻居节点的应答后，选择出价最低的邻居节点作为转发节点，给予转发节点相应支付，并发送数据包。

在本发明中，所述的DTN网络(如图1所示，包括有节点A1、节点A2、节点A3、节点A4、节点A5、节点A6、节点A7、节点A8、节点A9和节点A10)由一些移动的具有存储功能的并且使用电池的无线节点所构成。网络中的源节点为S(即A9节点)，目的节点为T(即A10节点)，若源节点S的邻居节点有节点A1，A2，A3，A4，用数学集合形式表达为P_n＝{A₁，A₂，A₃，A₄}。

在DTN网络中，对于机会路由的合作激励方法，采用如下步骤：

步骤1：源节点给所有邻居节点广播转发请求消息；

步骤2：邻居节点比较当前内存情况和请求消息中数据长度，决定是否参与转发；

步骤3：邻居节点如果参与转发，根据请求消息中数据包TTL、节点当前能量水平和内存情况估价。并利用拍卖模型的贝叶斯纳什均衡解出价；

步骤4：邻居节点把出价加入转发应答消息中，回传给源节点；

步骤5：源节点选择出价最低的节点给予相应支付并传输数据。

重复上述步骤，直到目的节点收到数据。

在本发明的步骤1中，源节点S发送转发请求的步骤为：

步骤101：源节点S把需要转发的数据长度和数据TTL加入转发请求消息中；其中，TTL值为当前数据包还能在网络中存活的时间，当TTL为O时，数据包被丢弃；

步骤102：源节点S广播转发请求消息给所有邻居节点。

在本发明的步骤2中，内存判定策略是用来判断邻居节点是否参与转发数据，其执行步骤为：

步骤201：比较当前剩余内存容量M_cur和请求消息中数据长度D，如果M_cur＞D，直接进入步骤3；如果M_cur＜D，令D_sum＝M_cur，进入步骤202；

步骤202：根据PROPHT中预测传送概率值的方法计算当前节点到目的节点的传送概率P(S，T)；判断队列是否为空，如果队列为空，忽略转发请求；如果队列不为空，从内存队列中取出一个数据，该数据大小为D′，比较当前节点到该数据的目的节点的传送概率P和P(S，T)；如果P＜P(S，T)，D_sum＝D_sum+D′，进入步骤203；如果P≥P(S，T)，进入步骤202；

步骤203：比较D_sum和D，如果D_sum≥D，进入步骤3；如果D_sum＜D，进入步骤202。

在本发明的步骤3中，邻居节点出价的步骤为：

步骤301：令TTL_cur为转发请求消息中的数据TTL，TTL_max为数据初始TTL，计算TTL_cur和TTL_max的商

步骤302：令节点当前能量为E_cur，节点初始能量为E_max，计算E_cur和E_max的商

$E_0=\frac{E_{\mathrm{cur}}}{E_{\max }};$

步骤303：根据拍卖模型的估价取值在[0，1]上的要求，对步骤301、302的结果和当前节点到目的节点的传送概率P(S，T)进行转发消息估价，得到转发消息的估计价格

其中

表示TTL₀占有估计价格v_i的比例，

表示P(S，T)占有估计价格v_i的比例，

表示E₀占有估计价格v_i的比例；

步骤304：根据拍卖模型的贝叶斯纳什均衡解和步骤四的估价，计算节点发送当前数据的最优出价n表示出价节点的个数。

在本发明的步骤4中，邻居节点回传应答消息的步骤为：

步骤401：邻居节点把步骤304得出的出价加入应答消息中。

步骤402：邻居节点给源节点发送应答消息。

在本发明的步骤5中，邻居节点回传应答消息的步骤为：

步骤501：源节点收到所有邻居节点应答消息后，选择出价最低的邻居节点为转发节点。

步骤502：源节点把转发节点出价放入数据包中，发送数据包。

由于大部分DTN网络中的节点都具有自私性，会导致机会路由性能大大下降。因此本发明提出一种基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，通过源节点传递支付手段激励各中间节点合作转发数据，把数据包每一跳的转发过程建模成了拍卖模型，找到了节点出价的贝叶斯纳什均衡解，最大化各个节点的收益。在估价时利用数据TTL、节点能量水平和节点内存情况等条件，使数据包沿着高性能的路径传输。本方法可以有效提高数据的传送成功率，减小数据传送延迟，减少网络中失效节点数，增强网络稳定性。因此，是一种较好的机会路由合作激励方法。

Claims (7)

1.一种基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，其特征在于：该方法通过支付手段激励节点转发数据，利用拍卖模型，找到了节点出价的均衡状态，最大化各个节点的收益；在估价时利用数据TTL、节点能量水平和节点内存情况，提高了数据的传送成功率，减少了网络中失效节点数，增强了网络稳定性；本发明由三个阶段处理实现：

第一阶段为源节点S发送转发请求阶段，采用机会路由的合作激励方法发送数据，在源节点有数据包信息要发送时，把要发送的数据长度和数据的TTL放入转发请求消息M_s＝{D，TTL_cur}中，广播给所有邻居，即源节点S的邻居为P_n＝{A₁，A₂，A₃，A₄}；

第二阶段为邻居节点出价阶段，当邻居节点收到源节点发送的转发请求消息后，根据内存判定策略判断当前内存能否满足发送数据长度要求；如果满足，则根据剩余内存，剩余能量估价；反之，如果不满足，忽略转发请求；

在满足的条件下，用拍卖模型的贝叶斯纳什均衡解出价，并把出价放入应答消息中回发给源节点；

第三阶段为源节点支付阶段，源节点收到所有邻居节点的应答后，选择出价最低的邻居节点作为转发节点，给予转发节点相应支付，并发送数据包。

2.根据权利要求1的所述基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，其特征在于：在DTN网络中，对于机会路由的合作激励方法，采用如下步骤：

步骤1：源节点给所有邻居节点广播转发请求消息；

步骤2：邻居节点比较当前内存情况和请求消息中数据长度，依据内存判定策略决定是否参与转发；

步骤3：邻居节点如果参与转发，根据请求消息中数据包TTL、节点当前能量水平和内存情况估价；并利用拍卖模型的贝叶斯纳什均衡解出价；

步骤4：邻居节点把出价加入转发应答消息中，回传给源节点；

步骤5：源节点选择出价最低的节点给予相应支付并传输数据；

重复上述步骤，直到目的节点收到数据。

3.根据权利要求2的所述基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，其特征在于源节点S发送转发请求的步骤为：

步骤101：源节点S把需要转发的数据长度和数据TTL加入转发请求消息中；其中，TTL值为当前数据包还能在网络中存活的时间，当TTL为O时，数据包被丢弃；

步骤102：源节点S广播转发请求消息给所有邻居节点。

4.根据权利要求2的所述基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，其特征在于：内存判定策略是用来判断邻居节点是否参与转发数据，其执行步骤为：

步骤201：比较当前剩余内存容量Mcur和请求消息中数据长度D，如果M_cur＞D，直接进入步骤3；如果M_cur＜D，令D_sum＝M_cur，进入步骤202；

步骤202：根据PROPHT中预测传送概率值的方法计算当前节点到目的节点的传送概率P(S，T)；判断队列是否为空，如果队列为空，忽略转发请求；如果队列不为空，从内存队列中取出一个数据，该数据大小为D′，比较当前节点到该数据的目的节点的传送概率P和P(S，T)；如果P＜P(S，T)，D_sum＝D_sum+D′，进入步骤203；如果P≥P(S，T)，进入步骤202；

步骤203：比较D_sum和D，如果D_sum≥D，进入步骤3；如果D_sum＜D，进入步骤202。

5.根据权利要求2的所述基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，其特征在于邻居节点出价的步骤为：

步骤301：令TTL_cur为转发请求消息中的数据TTL，TTL_max为数据初始TTL，计算TTL_cur和TTL_max的商

步骤302：令节点当前能量为E_cur，节点初始能量为E_max，计算E_cur和E_max的商 $E_0=\frac{E_{\mathrm{cur}}}{E_{\max }};$

步骤303：根据拍卖模型的估价取值在[0，1]上的要求，对步骤301、302的结果和当前节点到目的节点的传送概率P(S，T)进行转发消息估价，得到转发消息的估计价格

其中

步骤304：根据拍卖模型的贝叶斯纳什均衡解和步骤四的估价，计算节点发送当前数据的最优出价

6.根据权利要求2的所述基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，其特征在于邻居节点回传应答消息的步骤为

步骤401：邻居节点把步骤304得出的出价加入应答消息中；

步骤402：邻居节点给源节点发送应答消息；

7.根据权利要求2的所述基于非合作博弈的DTN网络机会路由合作激励方法，其特征在于邻居节点回传应答消息的步骤为：

步骤501：源节点收到所有邻居节点应答消息后，选择出价最低的邻居节点为转发节点；

步骤502：源节点把转发节点出价放入数据包中，发送数据包。

Images