CN102497325A - 基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明为基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，包括步骤：1)在网络中引入基站节点；2)动态控制报文拷贝数量；3)采用基于基站节点的定向尽力传输模式；4)运用FIFO策略管理缓冲队列并采用报文丢弃策略。本发明的优点是：采用基于多层阀值/比例值的智能化动态报文拷贝数量控制策略，可以充分利用节点缓冲空间，避免网络拥塞的发生，通过调整阀值/比例值可使本发明适用于不同的应用环境；基于基站定向尽力传输的模式，只需要在网络中布置少量基站并采用相应的转发策略即可有效提升报文传送比，极大的降低普通节点的计算负担及对网络硬件资源的需求；使用FIFO方法管理普通节点的缓冲队列并通过将报文生存周期设置为无限大可提升报文传送成功的概率。

Description

基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法

技术领域

本发明涉及一种基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，属于计算机网络与通信领域。

背景技术

容延容断网络(DTN)具有高时延、高中断以及网络拓扑结构不断变化等特点，其相应的路由技术不同于传统路由，通常采用多份消息拷贝、先验知识、编码、概率估计等机制。DTN路由的主要目的根据具体应用环境与传统路由也有所区别，可能是最大化报文传输、最小化传输延迟、最小化内存能量消耗或最小化网络带宽使用等。一些主流的DTN路由算法如表1所示：

表1

现有技术存在的主要问题：

1.目前没有针对保证信息分发可靠性的路由算法

这里的保证信息分发可靠性包含三个关键的要求：最大化报文的传送比；存在有效的拥塞控制机制避免产生过高的传送延迟；能够充分利用系统资源。目前主流的DTN路由算法中大部分都是针对单个目标要求的。

2.报文副本(拷贝)数量的控制策略不够智能化

现行DTN路由算法对于报文副本数量控制的表现有两种分化：产生的报文拷贝过多，最终导致拥塞的发生；产生的报文拷贝有限，在节点容量增大的情况下性能无法得到进一步的提升，对网络硬件资源的利用率不高。

3.对于采用辅助设施的路由策略研究较少

采用辅助设施的DTN路由目前只有消息摆渡路由方法等少数几种，而在实际应用中，采用辅助设施具有可行性好、投入少、效果明显的特点，有着较强的研究价值。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种全新的路由算法，它可以在最大化报文传输概率的基础上维持较低的平均延迟和系统开销，能够有效保证信息分发的可靠性。

为此，本发明采用以下技术方案：

一种基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其采用以下步骤：

1)在网络中引入基站节点；

2)动态控制报文拷贝数量；

3)采用基于基站节点的定向尽力传输模式；

4)运用FIFO策略管理缓冲队列并采用报文丢弃策略。

进一步地：

在所述步骤2)动态控制报文拷贝数量中，采用多层阀值/比例值实现邻居节点的自动分类排队，同时对不同队列使用不同的报文拷贝数量控制策略，从而达到对网络中总体报文数量的智能化动态控制。

所述多层阀值/比例值包括：基于节点可用容量的比例筛选阀值、基于队列长度的比例控制阀值、基于基站距离的比例筛选阀值。

所述基于节点可用容量的比例筛选阀值的取值范围为0-1，该阀值用于划分两种队列，根据邻居节点剩余容量占总容量的比值进行选择；

所述基于队列长度的比例控制阀值的取值范围为0-1，该阀值用于对普通队列的长度进行控制，选取普通队列中具有最大剩余容量的相应比例的邻居节点组成新队列；

所述基于基站距离的比例筛选阀值的取值范围为0-1，该阀值用于对上面处理过的队列进行再次筛选，选取距离基站最近的相应比例的邻居节点组成最终的普通发送队列。

所述步骤2)动态控制报文拷贝数量的步骤是：

根据邻居节点剩余缓冲空间占节点总容量的比例REROOM与基于节点可用容量的比例筛选阀值BUSY的比较结果，将其分别加入普通队列或资源紧张型队列，分别对两个队列按照REROOM由大到小进行排序；

对于资源紧张型队列，选取比例REROOM最大的一个节点进行报文转发；对于普通队列，首先选取该普通队列中的前m个节点组成新的队列，此处的m为基于队列长度的比例控制阀值与普通队列中的节点数目的乘积，然后将该新的队列中的节点按照到基站节点的距离由近及远排序，最后从排序后的新的队列中选取前n个节点进行报文转发，此处的n为基于基站距离的比例筛选阀值与该队列中的节点数目的乘积。

更进一步地：

所述步骤2)动态控制报文拷贝数量的详细步骤包括：

2.1)当前节点产生需要进行转发的报文；

2.2)获取可进行通信的邻居节点队列；

2.3)逐个判断邻居节点的剩余容量是否大于等于基于节点可用容量的比例筛选阀值，若是则转步骤2.4)，将该邻居节点加入普通队列；否则转步骤2.9)，将该邻居节点加入资源紧张型队列；

2.4)将该邻居节点加入普通队列；

2.5)将普通队列中的节点按照剩余容量由大到小排序；

2.6)从步骤2.5)得到的队列中选取前m个节点组成新的队列；

2.7)对步骤2.6)得到的队列按照节点到基站的距离由近到远排序；

2.8)从步骤2.7)得到的队列中选取前n个节点组成普通发送队列，转报文发送阶段步骤2.12)；

2.9)将该邻居节点加入资源紧张型队列；

2.10)将资源紧张型队列中的节点按照剩余容量由大到小排序；

2.11)选取步骤2.10)中剩余容量最大的节点，转报文发送阶段步骤2.12)；

2.12)进入报文发送阶段。

在所述步骤3)采用基于基站节点的定向尽力传输模式中，发送时首先确定报文的转发顺序，当存在目标节点时直接将报文发送给目标节点，否则尽力将报文发送给基站或者尽力向基站方向转发。

所述步骤3)采用基于基站节点的定向尽力传输模式的步骤包括：

3.1)获取邻居节点队列；

3.2)判断是否存在目标节点，若存在，则转步骤3.5)，开始传输过程；否则转步骤3.3)；

3.3)判断当前节点是否为基站，若是则转步骤3.6)，退出处理过程；否则继续步骤3.4)；

3.4)构造发送队列，继续步骤3.5)；

3.5)开始传输过程；

3.6)退出处理过程。

在所述步骤4)运用FIFO策略管理缓冲队列并采用报文丢弃策略中：

缓冲队列管理采用FIFO的策略为：当缓冲空间中队列头部的一个报文被发送出去后，报文被转移至队列尾，而当删除一个报文时则是从队列尾部开始；

报文丢弃策略为：首先将报文的生存周期设置为无限大，只有当报文被转发至目标节点或节点缓冲空间已满时才进行报文删除。

所述步骤4)运用FIFO策略管理缓冲队列并采用报文丢弃策略的步骤包括：

4.1)判断接受端节点是否为目标节点，若是则转步骤4.2)，否则转步骤4.5)；

4.2)判断接受端节点中是否已经存在要进行传输的报文，若是则转步骤4.4)；否则转步骤4.3)，开始传输报文；

4.3)开始传输报文，然后继续步骤4.4)；

4.4)删除发送端节点中的报文拷贝，然后继续步骤4.10)；

4.5)判断要进行传输的报文是否存在，若是则转步骤4.6)；否则转步骤4.10)；

4.6)判断接受端节点缓冲空间是否已满，若是则转步骤4.7)；否则转步骤4.8)；

4.7)按FIFO策略删除缓冲队列中的尾部报文，然后继续步骤4.8)；

4.8)开始传输报文，然后继续步骤4.9)；

4.9)按FIFO策略移动已经完成传输的报文，然后继续步骤4.10)；

4.10)按FIFO策略处理缓冲队列中的下一报文。

本发明的优点是：

1.设计了一种基于多层阀值/比例值的智能化动态报文拷贝数量控制策略，可以充分利用节点缓冲空间，避免网络拥塞的发生，同时通过调整阀值/比例值可以使该发明适用于不同的应用环境。

2.在报文转发方面设计了一种基于基站定向尽力传输的模式，只需要在网络中布置少量基站并采用相应的转发策略即可有效提升报文传送比，同时极大的降低了普通节点的计算负担及对网络硬件资源的需求。

3.使用了先进先出(FIFO)方法来管理普通节点的缓冲队列，可以达到简洁高效的目的，并且通过将报文生存周期(TTL)设置为无限大而提升了报文传送成功的概率。

附图说明

图1为三类阀值/比例值的取值范围及相应意义图；

图2为报文拷贝数量的智能化动态控制流程图；

图3为基于基站节点的定向尽力传输模式流程图；

图4为缓冲队列管理与报文丢弃策略流程图；

图5为本发明的路由方法在DTN仿真软件ONE中的整体处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图作进一步说明。

本发明涉及一种基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，包括以下措施：

一.对报文拷贝(副本)数量进行智能化动态控制

采用3层阀值/比例值(BUSY)、(NORM_NODE_PERCENT)、(NORM_NODE_DISTANCE)进行控制，实现邻居节点的自动分类排队，将邻居节点分成普通和资源紧张型两种队列，同时对不同队列使用不同的报文拷贝数量控制策略。其中：

对于普通队列，通过3层阀值/比例值依次进行筛选，首先根据BUSY值进行判断筛选出原始队列，然后选取原始队列中具有最大剩余容量的前NORM_NODE_PERCENT比例的节点组成新队列，最后对新队列进行处理，选择距离基站最近的前NORM_NODE_DISTANCE比例的节点组成最终的普通发送队列，根据该队列中的连接个数生成相应数量的报文拷贝。

对于资源紧张型队列，首先根据BUSY值进行判断筛选出原始队列，然后选取原始队列中具有最大剩余容量的一个节点进行报文转发，同时生成相应数量的报文拷贝。

通过对不同类型的队列使用上述两种处理策略，实现对网络中总体报文数量的智能化动态控制。

上述三类阀值/比例值的取值范围及相应意义如图1所示，其中：

(BUSY)：基于节点可用容量的比例筛选阀值。取值范围0-1，用于划分两种队列，根据邻居节点剩余容量占总容量的比值进行选择。当该阀值取0时，表示全部节点放入普通队列中；当该阀值取1时，表示全部节点放入资源紧张型队列中；当该阀值取0-1之间的中间值时，表示将节点分为普通队列节点和资源紧张型队列节点。该(BUSY)阀值的具体取值，与网络中的存储资源密切相关，需根据网络的实际情况和网络使用者的需求而定。

(NORM_NODE_PERCENT)：基于队列长度的比例控制阀值，取值范围0-1，用于对普通队列的长度(即其中的邻居节点数目)进行控制，选取普通队列中具有最大剩余容量的相应比例(该阀值)的邻居节点组成新队列。当该阀值取0时，表示禁止对普通队列中的节点转发报文；当该阀值取1时，表示对普通队列中的节点使用泛洪方法转发报文；当该阀值取0-1之间的中间值时，表示选取一定比例的普通队列中的节点转发报文。该(NORM_NODE_PERCENT)阀值的具体取值，与网络中的节点密度密切相关，需根据网络的实际情况而定。

(NORM_NODE_DISTANCE)：基于基站距离的比例筛选阀值，取值范围0-1，用于对上面处理过的队列进行再次筛选，选取距离基站最近的相应比例(该阀值)的邻居节点组成最终的普通发送队列，然后开始报文发送过程。当该阀值取0时，表示禁止对普通队列中的节点转发报文；当该阀值取1时，相当于屏蔽了(NORM_NODE_DISTANCE)的作用；当该阀值取0-1之间的中间值时，表示选取一定比例的普通队列中的节点转发报文。该(NORM_NODE_DISTANCE)阀值的具体取值，与网络中的基站数量和网络覆盖范围密切相关，需根据网络的实际情况而定。

对报文拷贝(副本)数量进行智能化动态控制的基本原理为：根据邻居节点剩余缓冲空间占节点总容量的比例(REROOM)与阀值BUSY的比较结果将邻居节点加入普通队列或资源紧张型队列，分别对两个队列按照REROOM由大到小进行排序。对于普通队列，选取前(NORM_NODE_PERCENT的阀值与普通队列中的节点数目的乘积)个节点组成新的队列，再将该队列中的节点按照到基站节点的距离由近及远排序，然后选取前(NORM_NODE_DISTANCE的阀值与该队列中的节点数目的乘积)个节点进行报文转发。对于资源紧张型队列，选取REROOM最大的一个节点进行报文转发。

该部分处理流程如图2所示。其步骤为：

1当前节点产生需要进行转发的报文；

2获取可进行通信的邻居节点队列；

3逐个判断邻居节点的剩余容量是否大于等于(BUSY)阀值，若是则转步骤4，将该邻居节点加入普通队列；否则转步骤9，将该邻居节点加入资源紧张型队列；

4将该邻居节点加入普通队列；

5将普通队列中的节点按照剩余容量由大到小排序；

6从步骤5得到的队列中选取前(NORM_NODE_PERCENT的阀值与普通队列中的节点数目的乘积)个节点组成新的队列；

7对步骤6得到的队列按照节点到基站的距离由近到远排序；

8从步骤7得到的队列中选取前(NORM_NODE_DISTANCE的阀值与该队列中的节点数目的乘积)个节点组成普通发送队列，转报文发送阶段步骤12；

9将该邻居节点加入资源紧张型队列；

10将资源紧张型队列中的节点按照剩余容量由大到小排序；

11选取步骤10中剩余容量最大的节点，转报文发送阶段步骤12；

12进入报文发送阶段。

二.采用基于基站节点的定向尽力传输模式

通过在网络中引入少量基站节点，并采用面向基站的转发策略控制报文转发的最优路径，可以有效提升网络的整体性能表现。

采用基于基站节点的定向尽力传输模式的基本原理为：发送时首先确定报文的转发顺序，当存在目标节点时直接将报文发送给目标节点，否则尽力将报文发送给基站或者尽力向基站方向转发(如果当前节点为基站则忽略此步骤)。在尽力向基站转发报文时，根据当前节点的位置确定距离自己最近的基站为目标基站，由概率论知识，选择部分距离目标基站最近的一些邻居节点进行转发。

在上述过程中，所有节点都具有基站位置等相关先验知识信息，基站位置固定。基站位置的选择遵循的原则为：能够覆盖目标运动轨道；位于节点分布/通过最为密集的区域。基站数量的选择遵循的原则为：根据地理条件限制或节点运动模型对整个地区进行区域划分，根据节点分布较为密集的区域的数量配置基站。

该部分处理流程如图3所示。其步骤为：

1获取邻居节点队列；

2判断是否存在目标节点，若存在，则转步骤5，开始传输过程；否则转步骤3；

3判断当前节点是否为基站，若是则转步骤6，退出处理过程；否则继续步骤4；

4构造发送队列，继续步骤5；

5开始传输过程；

6退出处理过程。

三.缓冲队列管理与报文丢弃策略

缓冲队列管理采用FIFO的策略，其基本原理为：当缓冲空间中队列头部的一个报文被发送出去后，报文被转移至队列尾；而当删除一个报文时则是从队列尾部开始。这就保证了最早发送出去的报文最先被删除，因为一般而言，在DTN网络中报文何时送达至目标节点是不可预知的，按照平均概率计算，最早转发出去的报文最有可能已经送达目标。同时，FIFO实现较为简单，可以有效减轻节点的计算负担。

报文丢弃策略主要立足于保证信息分发的可靠性，最大化报文及其拷贝在网络中的存在时间，其基本原理为：首先将报文的生存周期设置为无限大，只有当报文被转发至目标节点或节点缓冲空间已满时才进行报文删除，当出现后面一种情况时一次只删除一个报文。

该部分处理流程如图4所示。其步骤为：

1判断接受端节点是否为目标节点，若是则转步骤2，否则转步骤5；

2判断接受端节点中是否已经存在要进行传输的报文，若是则转步骤4；否则转步骤3，开始传输报文；

3开始传输报文，然后继续步骤4；

4删除发送端节点中的报文拷贝，然后继续步骤10；

5判断要进行传输的报文是否存在，若是则转步骤10；否则转步骤6；

6判断接受端节点缓冲空间是否已满，若是则转步骤7；否则转步骤8；

7按FIFO删除缓冲队列中的尾部报文，然后继续步骤8；

8开始传输报文，然后继续步骤9；

9按FIFO移动已经完成传输的报文，然后继续步骤10；

10按FIFO处理缓冲队列中的下一报文。

通过上述三种主要技术的保障，最终该路由方法可以实现保证信息可靠分发的目标，能够在最大化报文传送比的同时维持较低的延迟及系统开销。

文档中提到的路由方法在DTN仿真软件ONE中得到了完全实现，经测试，本发明较其它主流DTN路由能够获得更好的整体性能表现。整体处理流程如图5所示。其步骤为：

1判断当前节点是否无法开始传输，若是则转步骤19，否则转步骤2；

2判断当前节点是否能与目标节点直接通信，若是则转步骤3，否则转步骤4；

3开始与目标节点间的报文传输，然后执行步骤19；

4获取当前节点所有的可用连接，然后执行步骤5；

5获取与容量状态为普通的节点之间的连接队列，然后执行步骤6；

6将连接队列按照剩余容量由大到小排序，然后执行步骤7；

7对连接队列按照NORM_NODE_PERCENT比例进行筛选，组成新队列，然后执行步骤8；

8判断当前节点是否为基站节点，若是则转步骤19，否则转步骤9；

9选取距离基站最近的前NORM_NODE_PERCENT比例的节点组成新连接队列；然后执行步骤10；

10开始与邻居节点间的报文传输，然后执行步骤11；

11获取所有可用的连接，然后执行步骤12；

12获取与容量状态为紧急的节点之间的连接队列，然后执行步骤13；

13将连接队列按照剩余容量由大到小排序，然后执行步骤14；

14判断当前节点是否为基站节点，若是则转步骤19，否则转步骤15；

15判断连接队列目的端节点中是否存在基站节点，若是则转步骤16，否则转步骤17；

16开始与基站节点间的报文传输，然后执行步骤19；

17获取队列中具有最大剩余容量的目的端节点，然后执行步骤18；

18开始报文传输，然后执行步骤19；

19判断仿真时间是否耗尽，若是则转步骤20，否则转步骤1；

20退出处理过程。

上述的实施例并不对本发明所要求的保护范围构成任何形式的限制，本发明的权利要求书覆盖了所有的修改和变更，因此，针对上述实施例做出种种修改和变化均属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于采用以下步骤：

1)在网络中引入基站节点；

2)动态控制报文拷贝数量；

3)采用基于基站节点的定向尽力传输模式；

4)运用FIFO策略管理缓冲队列并采用报文丢弃策略。

2.如权利要求1所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

在所述步骤2)动态控制报文拷贝数量中，采用多层阀值/比例值实现邻居节点的自动分类排队，同时对不同队列使用不同的报文拷贝数量控制策略，从而达到对网络中总体报文数量的智能化动态控制。

3.如权利要求2所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

所述多层阀值/比例值包括：基于节点可用容量的比例筛选阀值、基于队列长度的比例控制阀值、基于基站距离的比例筛选阀值。

4.如权利要求3所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

所述基于节点可用容量的比例筛选阀值的取值范围为0-1，该阀值用于划分两种队列，根据邻居节点剩余容量占总容量的比值进行选择；

所述基于队列长度的比例控制阀值的取值范围为0-1，该阀值用于对普通队列的长度进行控制，选取普通队列中具有最大剩余容量的相应比例的邻居节点组成新队列；

所述基于基站距离的比例筛选阀值的取值范围为0-1，该阀值用于对上面处理过的队列进行再次筛选，选取距离基站最近的相应比例的邻居节点组成最终的普通发送队列。

5.如权利要求4所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

所述步骤2)动态控制报文拷贝数量的步骤是：

根据邻居节点剩余缓冲空间占节点总容量的比例REROOM与基于节点可用容量的比例筛选阀值BUSY的比较结果，将其分别加入普通队列或资源紧张型队列，分别对两个队列按照REROOM由大到小进行排序；

对于资源紧张型队列，选取比例REROOM最大的一个节点进行报文转发；对于普通队列，首先选取该普通队列中的前m个节点组成新的队列，此处的m为基于队列长度的比例控制阀值与普通队列中的节点数目的乘积，然后将该新的队列中的节点按照到基站节点的距离由近及远排序，最后从排序后的新的队列中选取前n个节点进行报文转发，此处的n为基于基站距离的比例筛选阀值与该队列中的节点数目的乘积。

6.如权利要求5所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

所述步骤2)动态控制报文拷贝数量的详细步骤包括：

2.1)当前节点产生需要进行转发的报文；

2.2)获取可进行通信的邻居节点队列；

2.3)逐个判断邻居节点的剩余容量是否大于等于基于节点可用容量的比例筛选阀值，若是则转步骤2.4)，将该邻居节点加入普通队列；否则转步骤2.9)，将该邻居节点加入资源紧张型队列；

2.4)将该邻居节点加入普通队列；

2.5)将普通队列中的节点按照剩余容量由大到小排序；

2.6)从步骤2.5)得到的队列中选取前m个节点组成新的队列；

2.7)对步骤2.6)得到的队列按照节点到基站的距离由近到远排序；

2.8)从步骤2.7)得到的队列中选取前n个节点组成普通发送队列，转报文发送阶段步骤2.12)；

2.9)将该邻居节点加入资源紧张型队列；

2.10)将资源紧张型队列中的节点按照剩余容量由大到小排序；

2.11)选取步骤2.10)中剩余容量最大的节点，转报文发送阶段步骤2.12)；

2.12)进入报文发送阶段。

7.如权利要求1所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

在所述步骤3)采用基于基站节点的定向尽力传输模式中，发送时首先确定报文的转发顺序，当存在目标节点时直接将报文发送给目标节点，否则尽力将报文发送给基站或者尽力向基站方向转发。

8.如权利要求1所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

所述步骤3)采用基于基站节点的定向尽力传输模式的步骤包括：

3.1)获取邻居节点队列；

3.2)判断是否存在目标节点，若存在，则转步骤3.5)，开始传输过程；否则转步骤3.3)；

3.3)判断当前节点是否为基站，若是则转步骤3.6)，退出处理过程；否则继续步骤3.4)；

3.4)构造发送队列，继续步骤3.5)；

3.5)开始传输过程；

3.6)退出处理过程。

9.如权利要求1所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

在所述步骤4)运用FIFO策略管理缓冲队列并采用报文丢弃策略中：

缓冲队列管理采用FIFO的策略为：当缓冲空间中队列头部的一个报文被发送出去后，报文被转移至队列尾，而当删除一个报文时则是从队列尾部开始；

报文丢弃策略为：首先将报文的生存周期设置为无限大，只有当报文被转发至目标节点或节点缓冲空间已满时才进行报文删除。

10.如权利要求9所述的基于可靠信息分发的容延容断网络路由方法，其特征在于：

所述步骤4)运用FIFO策略管理缓冲队列并采用报文丢弃策略的步骤包括：

4.1)判断接受端节点是否为目标节点，若是则转步骤4.2)，否则转步骤4.5)；

4.2)判断接受端节点中是否已经存在要进行传输的报文，若是则转步骤4.4)；否则转步骤4.3)，开始传输报文；

4.3)开始传输报文，然后继续步骤4.4)；

4.4)删除发送端节点中的报文拷贝，然后继续步骤4.10)；

4.5)判断要进行传输的报文是否存在，若是则转步骤4.6)；否则转步骤4.10)；

4.6)判断接受端节点缓冲空间是否已满，若是则转步骤4.7)；否则转步骤4.8)；

4.7)按FIFO策略删除缓冲队列中的尾部报文，然后继续步骤4.8)；

4.8)开始传输报文，然后继续步骤4.9)；

4.9)按FIFO策略移动已经完成传输的报文，然后继续步骤4.10)；

4.10)按FIFO策略处理缓冲队列中的下一报文。

Images