CN102420730A - 高速机动节点的安全拓扑构建方法 - Google Patents

Abstract

一种高速机动节点的安全拓扑构建方法，首先构造本地Delaunay三角剖分以外，然后检查并标记本地Del图中所有的GG边，并将其加入逻辑邻居集中；检查所有邻居三角形，判断是否有满足proposal条件的三角形存在，若存在，为所有这样的三角形发送proposal消息，完成安全拓扑图的构建。本发明引入拓扑控制的方式来改善网络性能，通过功率控制和链路转发控制，降低节点负担，减少冲突，使系统构架能够适应更大的规模和更多的机动节点数目，并提高服务质量，适应恶劣多变的战时环境；本拓扑图具有平面性、连通性，是UDG图的支撑子图，在满足稀疏性的同时它还保持了拓扑结构在一定程度的连通性，使得网络更加可靠。

Description

高速机动节点的安全拓扑构建方法

技术领域

本发明属于机动节点间拓扑构建技术，特别是一种高速机动节点的安全拓扑构建方法。

背景技术

目前，随着信息化进程的深入发展，越来越多的企业和个人加入到Internet中，人们的工作与生活越来越与计算机网络紧密联系在一起。计算机网络广泛辅助人们的工作中，一方面改变人们以往的工作方式，同时人们对一个可靠稳定的网络环境产生了强烈的要求。在网络广泛覆盖的环境中，网络系统节点呈现无中心特点，网络系统也不可能始终保持连续的能量，所以在现实网络环境中由于网络结构、数据流向等原因出现实际的关键节点，这些事实上的中心点，与比邻节点相比，转发数据可能性大，该节点负荷较重，容易发生分组丢失、重发等情况，进一步加剧此处能量消耗，一旦能量消耗殆尽，该节点瘫痪，造成链路断裂，引起网络性能下降。网络故障和数据流瓶颈等重要信息能直观的反映在网络拓扑上，所以通过拓扑控制来改善网络性能已经获得广泛研究。

移动自组网络节点间组网拓扑控制主要面向的研究方向是：在网络覆盖度和连通度得到满足的前提下，采取骨干网节点选择以及功率控制，对节点之间不必要的通信链路进行清除，形成一个数据转发的优化网络结构。在拓扑控制方面已经有很多的研究，提出的拓扑控制算法大体可以划分为分布式算法和集中式算法两种类型，从其实施手段上看，可以分为链路控制转发与功率控制。和集中式算法相比较，由于机动节点组网具有动态变化的特性，分布式算法更能适应网络拓扑的这种不断变化，适于维护网络的连通性、优化网络的吞吐量、节省能量和增加网络的容错性。

发明内容

本发明的目的是针对移动自组网络节点间组网拓扑控制的问题，提出一种高速机动节点的安全拓扑构建方法，通过链路转发控制的方式，在完成拓扑构造以后，各个节点维护自己在拓扑结构中的邻居节点，仅由拓扑结构中的邻居节点转发数据包，从而达到控制洪泛，优化网络性能的目的。

本发明的技术方案是：

一种高速机动节点的安全拓扑构建方法，它包括步骤如下：

第一步，每个节点u计算它本身和其两跳以内邻居节点集N₂(u)中所有节点的节点信息，节点u根据它本身和其两跳以内邻居节点集的节点信息，调用Delaunay三角剖分方法得到节点u两跳以内的Delaunay三角剖分平面拓扑图Del(N₂(u))，完成本地拓扑图的构造；

第二步，对于Del(N₂(u))中的任意边uv，令△uvw和△uvz为依附于uv的两个三角形，如果∠uwv和∠uzv都小于π/2并且||uv||≤1，那么认定uv是一条Gabriel边(是Gabriel图的边，Gabriel图是K.R.Gabriel于1969年首次提出的)，节点u标记所有的Gabriel边uv，这些边将不会被删除；

第三部，每个节点u在Del(N₂(u))中找到所有三边均不大于1的三角形△uvw，如果∠wuv≥π/3，节点u以广播方式向其一跳以内邻居节点集N₁(u)中的各节点发一个建议三角形uvw加入拓扑图的信息即proposal(u，v，w)信息，并对其邻居节点发来的信息进行监听；

第四步，节点u收到一个proposal(u，v，w)信息后，如果△uvw不属于节点u两跳以内Delaunay三角剖分平面拓扑图，则节点u拒绝构造△uvw，向其一跳以内邻居节点集N₁(u)中的各节点广播拒绝三角形uvw加入拓扑图的信息即reject(u，v，w)信息，否则，节点u同意这个建议，并向N₁(u)中的节点广播接受三角形uvw加入拓扑图的信息即accept(u，v，w)信息；

第五步，如果△uvw在Del(N₂(u))中，并且节点v和w曾经发送过accept(u，v，w)或proposal(u，v，w)，那么节点u将把边uv和uw加入它的关联边集合。

本发明的收集两跳以内邻居节点集N₂(u)中节点信息的方法是：

节点u采用周期发送Hello消息的方式，各节点将能正确接收到一跳邻居信息的节点建立一跳邻居表；即节点u用组播地址发送hello包，所有收到u发送来hello包的节点都把u添加到一跳邻居表中，并向u回发一个hello包，u收到这些包后会检查这些包，如果包中含有自己的ID，则把那个节点加入到自己的一跳邻居表中；

二维Local Delaunay三角剖分拓扑图构建方法LDel(2)需要收集两跳邻居信息：即每个节点都需要维护两个邻居表：一跳邻居表和两跳邻居表，两张表共同构成了物理邻居表，即首先，节点周期性广播自己的一跳邻居表，收到其他节点发来的一跳邻居表则更新自己的两跳邻居表。

本发明的节点计算它本身和其两跳以内邻居节点集N₂(u)的Delaunay三角剖分Del(N₂(u))的具体步骤如下：

第一步，建立初始网格：假设给定点集

首先选择一个足够大的辅助三角形能够包含V中全部的点，将其作为初始Delaunay三角网格；

第二步，逐点插入：设已有Delaunay三角网格T，现在欲插入一个新点P：首先，找出所有外接圆包含P点的三角形，接着找出离P点最近的边并将之删除，从而形成一个Delaunay空腔；其次，将空腔的每一个顶点与新插入点P连接，即完成了P点的插入；

第三步，计算区域以外点的删除：当点集V中全部的点都插入完成后，对于相对简单的凸单连通区域，将与辅助三角形顶点相连的全部三角形直接删除；对计算区域以外的三角形进行删除的同时确保界面的正确三角剖分，至此完成了对点集V的Delaunay三角剖分。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，其具有如下的显著优点：(1)引入拓扑控制的方式来改善网络性能，通过功率控制和链路转发控制，降低节点负担，减少冲突，使系统构架能够适应更大的规模和更多的机动节点数目，并提高服务质量，适应恶劣多变的战时环境；(2)LDel(2)在很多性质上优于其它几种结构。它具有平面性、连通性，是UDG图的支撑子图，在满足稀疏性的同时它还保持了拓扑结构在一定程度的连通性，使得网络更加可靠。

附图说明

图1是本地Delaunay三角剖分平面拓扑图构造方法的流程图。

图2是接收数据包处理流程图。

图3是几种几何拓扑结构的比较示意图：

图4(a)是二维Local Delaunay三角剖分拓扑图LDel(2)和单位圆图unit disk graph UDG平均链路长度的比较图。

图4(b)是LDel(2)图和UDG图平均节点度的比较图。

图5是LDel(2)图和UDG图几何平均链路跳数的比较图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种高速机动节点的安全拓扑构建方法，它包括步骤如下：

第一步，每个节点u计算它本身和其两跳以内邻居节点集N₂(u)中所有节点的节点信息，节点u根据它本身和其两跳以内邻居节点集的节点信息，调用Delaunay三角剖分方法得到节点u两跳以内的Delaunay三角剖分平面拓扑图Del(N₂(u))，完成本地拓扑图的构造；

第二步，对于Del(N₂(u))中的任意边uv，令△uvw和△uvz为依附于uv的两个三角形，如果∠uwv和∠uzv都小于π/2并且||uv||≤1，那么认定uv是一条Gabriel边(是Gabriel图的边，Gabriel图是K.R.Gabriel于1969年首次提出的)，节点u标记所有的Gabriel边uv，这些边将不会被删除；

第三部，每个节点u在Del(N₂(u))中找到所有三边均不大于1的三角形△uvw，如果∠wuv≥π/3，节点u以广播方式向其一跳以内邻居节点集N₁(u)中的各节点发一个建议三角形uvw加入拓扑图的信息即proposal(u，v，w)信息，并对其邻居节点发来的信息进行监听；

第四步，节点u收到一个proposal(u，v，w)信息后，如果△uvw不属于节点u两跳以内Delaunay三角剖分平面拓扑图，则节点u拒绝构造△uvw，向其一跳以内邻居节点集N₁(u)中的各节点广播拒绝三角形uvw加入拓扑图的信息即reject(u，v，w)信息，否则，节点u同意这个建议，并向N₁(u)中的节点广播接受三角形uvw加入拓扑图的信息即accept(u，v，w)信息；

第五步，如果△uvw在Del(N₂(u))中，并且节点v和w曾经发送过accept(u，v，w)或proposal(u，v，w)，那么节点u将把边uv和uw加入它的关联边集合。

具体实施时：

在虚拟场景中随机放置若干节点组成节点集V，对于节点的同一种分布分别构造若干种不同的拓扑结构，其中包括本发明涉及的LDel(2)拓扑结构，对这些拓扑结构的性质进行比较。选择的仿真场景为1000×1000(m)，在其中随机放置100个节点，所有节点采用相同的最大传输功率，其最大传输距离约为300m。

图1展示了本地拓扑构造流程图。除了构造本地Delaunay三角剖分以外，还做了另外两件事情。一是检查并标记本地Del图中所有的GG边，并将其加入逻辑邻居集中；二是检查所有邻居三角形，判断是否有满足proposal条件的三角形存在，若存在，为所有这样的三角形发送proposal消息。

图2显示的是节点在接受到数据包时的处理过程。在处理接受数据包时，我们首先要判断数据包的类型，对于拓扑控制层的控制报文则在该层进行处理，对于IP数据包则上交至网络层处理。

图3显示了几种不同的几何拓扑结构和UDG(V)的比较。

计算本发明实验中构造的LDel(2)图和UDG图的几何性质，结果图4所示。可以看出，经过拓扑以后的图结构平均链路长度明显下降，在此基础上采用功率控制算法，可以有效的降低节点能量消耗。同时拓扑以后的网络结构节点度明显减小，并且随着网络中节点数据的增加，平均节点度始终维持在较小的水平，这对于减少网络冲突的发生降低节点之间的干扰很有意义。

图5中显示了两种拓扑结构的平均链路跳数的比较，可以看到经过拓扑以后的LDel(2)图，平均链路跳数较大。这是由于拓扑控制使网络中的链路数量减少，去除了网络中交叉的链路，因此造成了网络中节点间链路跳数的增加。但是我们可以看出，经过拓扑以后的网络结构平均链路跳数没有超过10跳，相比UDG图只是有小幅度的增加，相比拓扑控制对网络性能的提高，链路长度的小幅增加并不会带来很大的影响。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种高速机动节点的安全拓扑构建方法，其特征是它包括步骤如下：

第一步，每个节点u计算它本身和其两跳以内邻居节点集N₂(u)中所有节点的节点信息，节点u根据它本身和其两跳以内邻居节点集的节点信息，调用Delaunay三角剖分方法得到节点u两跳以内的Delaunay三角剖分平面拓扑图Del(N₂(u))，完成本地拓扑图的构造；

第二步，对于Del(N₂(u))中的任意边uv，令△uvw和△uvz为依附于uv的两个三角形，如果∠uwv和∠uzv都小于π/2并且||uv||≤1，那么认定uv是一条Gabriel边，节点u标记所有的Gabriel边uv，这些边将不会被删除；

第三部，每个节点u在Del(N₂(u))中找到所有三边均不大于1的三角形△uvw，如果∠wuv≥π/3，节点u以广播方式向其一跳以内邻居节点集N₁(u)中的各节点发一个建议三角形uvw加入拓扑图的信息即proposal(u，v，w)信息，并对其邻居节点发来的信息进行监听；

第四步，节点u收到一个proposal(u，v，w)信息后，如果△uvw不属于节点u两跳以内Delaunay三角剖分平面拓扑图，则节点u拒绝构造△uvw，向其一跳以内邻居节点集N₁(u)中的各节点广播拒绝三角形uvw加入拓扑图的信息即reject(u，v，w)信息，否则，节点u同意这个建议，并向N₁(u)中的节点广播接受三角形uvw加入拓扑图的信息即accept(u，v，w)信息；

第五步，如果△uvw在Del(N₂(u))中，并且节点v和w曾经发送过accept(u，v，w)或proposal(u，v，w)，那么节点u将把边uv和uw加入它的关联边集合。

2.根据权利要求1所述的高速机动节点的安全拓扑构建方法，其特征是所述的收集两跳以内邻居节点集N₂(u)中节点信息的方法是：

节点u采用周期发送Hello消息的方式，各节点将能正确接收到一跳邻居信息的节点建立一跳邻居表；即节点u用组播地址发送hello包，所有收到u发送来hello包的节点都把u添加到一跳邻居表中，并向u回发一个hello包，u收到这些包后会检查这些包，如果包中含有自己的ID，则把那个节点加入到自己的一跳邻居表中；

二维Local Delaunay三角剖分拓扑图构建方法LDel(2)需要收集两跳邻居信息：即每个节点都需要维护两个邻居表：一跳邻居表和两跳邻居表，两张表共同构成了物理邻居表，即首先，节点周期性广播自己的一跳邻居表，收到其他节点发来的一跳邻居表则更新自己的两跳邻居表。

3.根据权利要求1所述的高速机动节点的安全拓扑构建方法，其特征是所述的节点计算它本身和其两跳以内邻居节点集N₂(u)的Delaunay三角剖分Del(N₂(u))的具体步骤如下：

第一步，建立初始网格：假设给定点集

首先选择一个足够大的辅助三角形能够包含V中全部的点，将其作为初始Delaunay三角网格；

第二步，逐点插入：设已有Delaunay三角网格T，现在欲插入一个新点P：首先，找出所有外接圆包含P点的三角形，接着找出离P点最近的边并将之删除，从而形成一个Delaunay空腔；其次，将空腔的每一个顶点与新插入点P连接，即完成了P点的插入；

第三步，计算区域以外点的删除：当点集V中全部的点都插入完成后，对于相对简单的凸单连通区域，将与辅助三角形顶点相连的全部三角形直接删除；对计算区域以外的三角形进行删除的同时确保界面的正确三角剖分，至此完成了对点集V的Delaunay三角剖分。

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