CN102572941B - 移动容迟网络中基于概率路由的缓冲区管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种移动容迟网络中基于概率路由的缓冲区管理方法，通过评估通信机会对消息的重要性，结合消息的已转发跳数和节点内的转发次数来设计调度和丢弃策略。通信机会的重要性通过节点间的相遇概率和相遇节点的传输概率来表征，并选择一个节点和一个消息使得该节点对该消息的重要性最大化。另一方面，本发明通过消息的已转发跳数和节点内的转发次数来作为全局拷贝数目的近似值。与已有技术比，本发明具有分布式、计算过程简单、扩展性强等优点，简化了路由器的处理，降低了成本，同时也提高了性能。

Description

移动容迟网络中基于概率路由的缓冲区管理方法

技术领域

本发明属于移动容迟网络领域，具体涉及移动容迟网络中的缓冲区管理方法。

背景技术

移动容迟网络是一类新型网络，在该网络中，由于节点的移动特性、休眠管理、失效等原因，端到端的连接并不能得到保证。另外，该类网络还拥有传播时延长、传输速率不对称及数据差错率高等特点。这些固有缺陷使得传统的因特网协议很难直接应用在容迟网络中。

概率路由是基于相遇信息对节点间的传输概率进行预测，在此基础上提出了基于消息多副本的路由策略。节点相遇时仅将消息转发给比自己的传输概率高的节点。概率路由是容迟网络早期研究的重要成果，由于其算法简单、适应性强，现已被广泛用于容迟网络中。

由于容迟网络中的节点需要利用间断的通信机会进行消息转发，而通信的时间和无线链路的带宽通常有限，这就造成发送缓冲区中的数据束无法在一次通信机会内完成传输。这个问题在因特网中并不存在，但在容迟网络中却能给网络性能带来深远的影响。另一方面，丢弃策略也是容迟网络中的一个重要问题。由于网络的间断连接特性，在合适的通信机会到来之前节点需要缓存所有发给自己的数据束，因此其缓存空间更容易遭遇拥塞问题。

现有的技术方案往往基于某一单一网络参数，如果没有全局网络知识的辅助，性能上的提升都非常有限。而基于全局网络信息的策略虽然达到了最优性能，但是实际网络中又很难部署。

发明内容

本发明的目的在于对现有的概率路由缓冲区管理进行优化，提出一种新的缓冲区管理方法，具有良好的网络性能，但实现上又不依赖于网络全局信息，而且计算简单、成本低，易于部署和实际应用。

移动容迟网络中基于概率路由的缓冲区管理方法，包括消息调度步骤和消息丢弃步骤：

所述消息调度步骤具体为：在调度周期内，确定与本节点相遇的邻居节点，计算各相遇的邻居节点对于本节点发送缓冲区的多个消息的调度效用值，从中选出调度效用值最大值对应的邻居节点和消息，本节点将该消息转发给该邻居节点；

所述消息丢弃步骤具体为：在本节点发送缓冲区发生拥塞时，计算缓冲区内各消息的丢弃效用值，选出效用值最小的消息并将其丢弃；

所述调度效用值计算公式为 $U_s=\frac{(1-P_c(a,b))\×P(b,d)}{H\left(m\right)\×F\left(m\right)}\×(1-\frac{1}{\mathrm{RTTL}}),$

所述丢弃效用值计算公式为 $U_d=\frac{P(a,d)}{H\left(m\right)\×F\left(m\right)}\×(1-\frac{1}{\mathrm{RTTL}}),$

其中，RTTL为消息的剩余生命期，H(m)为消息m的当前传输跳数，F(m)为本节点对消息m的转发次数；P(i,j)为本节点i到节点j的传输概率，P_c(i,j)为本节点i到节点j的相遇概率，a、b、d分别表示本节点、相遇邻居节点和目的节点；

所述本节点i到节点j的相遇概率P_c(i,j)的计算方法为：

P_init为传输概率的初始值，Δk为最近一次传输概率更新时间与当前时间的间隔，γ为时间衰减因子，β为传输概率的影响因子。

所述本节点i到节点j的传输概率P(i,j)的计算方法为：

本发明的技术效果体现在：与现有方案相比，本方案通过效用值的方式而不是单纯某一参数来进行丢弃决策。本方案合理地考虑了传输概率和相遇概率对网络性能的影响，并将其平分到各个消息副本上，消息的副本数通过消息的跳数和本地转发次数来近似。仿真实验结果表明，采用本发明方法后，网络的平均情况下的性能得到到了大幅改善，与现有其他非集中式方法相比，消息的成功递交率提高了10％至20％。本方案具有计算简单、处理快、成本低、扩展性强、高效等优点。

具体实施方式

下面就具体实施方式对本发明做进一步说明。

1、联系(Contact)重要性

在概率路由中，传输概率被定义为某一节点将某一消息成功传输到消息的目的节点的概率。这个概率的计算被分为三个步骤：

(1)每当节点a遇到节点b时，迭代更新a到b的传输概率：

P(a,b)＝P(a,b)+(1-P(a,b))*P_init

(2)若节点a遇到节点c，且节点c到节点b的传输概率不为0，则更新节点a到节点b的传输概率为：

P(a,b)＝P(a,b)+(1-P(a,b))*P(a,c)*P(c,b)*β

(3)如果节点a与节点b已有一段时间没有相遇，则他们之间的传输概率会随着时间衰减：

P(a,b)＝P(a,b)*γ^Δk

在以上公式中，P_init为传输概率的初始值，Δk为最近一次传输概率更新时间与当前时间的间隔，γ为时间衰减因子，β而则为传输概率的影响因子。P_init和β的取值都在0到1之间。

现有的基于传输概率的调度策略基于相遇节点b到消息的目的节点d的传输概率P(b，d)对消息-连接对进行排序，并选择传输概率最大的消息m和节点b，然后将该消息m转发给该节点b。

实验表明，基于传输概率的正序调度和逆序调度并没有性能上的显著差别，实际上，正序和逆序调度对消息递交率的影响很小。

本发明考察联系对于消息的重要性，这是由节点间的直接相遇概率和传输概率来定义的。节点a与节点b的相遇概率P_c(a，b)通过概率路由的第(1)个和第(3)个步骤得到，即P_c(a，b)的计算过程为：

每次节点a与节点b相遇，节点a更新其到b的相遇概率:

P_c(a,b)＝P_c(a,b)+(1-P_c(a,b))*P_init

如果节点a与节点b已经有段时间没有相遇，则其直接相遇概率随时间衰减：

P_c(a,b)＝P_c(a,b)×γ^Δk

联系的重要性是指相遇节点b对于待传输的目的节点为d的消息m的重要程度，本发明将其定义为：

I(b，m)＝(1-P_c(a，b))×P(b，d)

本方案对于联系重要性的计算与现有策略相比考虑了当前相遇节点的直接相遇概率。如果当前相遇节点b的直接相遇概率很低，那么这次相遇的价值也就越大。然而，我们还必须让消息传输到该节点之后依然有较大的递交概率，为此，节点b的传输概率也被计算了进来。

2、近似全局副本数

由于移动容迟网络的先天缺陷(间断连接和长延迟)，路由协议通常以多副本的方式来设计。直观上来讲，如果消息在网络中的副本数量越多，则其已经被成功传输到目的节点的概率也就越大。基于这个指导原则，RC-ASC算法假设每个消息的全局副本数量已知，并优先调度副本数量最少的消息和优先丢弃副本数量最多的消息。实验数据表明RC-ASC的性能改进超过了所有其他调度和丢弃策略。然而，它的致命缺陷在于对全局网络信息的要求。在全局容迟网络中，获取全局网络知识需要的时间通常很长，即使成功获得也并不能保证其有效性(获取的可能是很久之前的网络知识)。这个缺陷使得RC-ASC很难在实际网络中部署，而且全局结束的同步和控制消息的交换增加了处理的复杂度。

本发明通过消息的传输跳数和当前节点的转发次数来定义近似的全局副本数。特别地，消息m的近似全局副本数R(m)被定义为消息的传输跳数H(m)与节点的转发次数F(m)的乘积：

R(m)＝H(m)×F(m)

本定义基于以下两个思想：消息的传输跳数代表了该消息在网络中的传输深度，而消息在节点内的传输次数则代表了该消息在网络中间结点的传输广度。消息被传输得越深，则其副本数很可能就越多，同理，消息的本地转发次数越大，其副本数也可能就越多。

3、调度效用值

结合以上关于联系重要性和近似消息副本数的含义，本发明将消息的调度效用值定义为：

$U_s=\frac{(1-P_c(a,b))\×P(b,d)}{H\left(m\right)\×F\left(m\right)}\×(1-\frac{1}{\mathrm{RTTL}})$

该效用值的计算将联系的重要性分摊到各个消息副本上，同时，考虑到消息的剩余生命期的影响，在式子末尾乘上了一个生命因子。如果消息的剩余生命期RTTL越长，则其被成功传输的概率也越大，同时也拥有更高的调度优先权

4、丢弃效用值

在移动容迟网络中，消息的丢弃通常发生在节点有新的要接收的消息而却没有足够的缓存空间的情况(如果消息的TTL值降为0也会被丢弃，但是这种情况下不存在消息的选择问题)。由于丢弃策略的决策时机与相遇的节点无关，因此丢弃效用值的计算在调度效用值的基础上去掉了联系重要性。本发明将丢弃效用值定义为：

$U_d=\frac{P(a,d)}{H\left(m\right)\×F\left(m\right)}\×(1-\frac{1}{\mathrm{RTTL}})$

5、缓冲区管理

缓冲区管理方法包括消息调度步骤和消息丢弃步骤。

所述消息调度步骤具体为：在调度周期内，确定与本节点相遇的邻居节点，计算各相遇的邻居节点对于本节点发送缓冲区的多个消息的调度效用值，从中选出调度效用值最大值对应的邻居节点和消息，本节点将该消息转发给该邻居节点；

所述消息丢弃步骤具体为：在本节点发送缓冲区发生拥塞时，计算缓冲区内各消息的丢弃效用值，选出效用值最小的消息并将其丢弃。

Claims (1)

1.移动容迟网络中基于概率路由的缓冲区管理方法，包括消息调度步骤和消息丢弃步骤：

所述消息调度步骤具体为：在调度周期内，确定与本节点相遇的邻居节点，计算各相遇的邻居节点对于本节点发送缓冲区的多个消息的调度效用值，从中选出调度效用值最大值对应的邻居节点和消息，本节点将该消息转发给该邻居节点；

所述消息丢弃步骤具体为：在本节点发送缓冲区发生拥塞时，计算缓冲区内各消息的丢弃效用值，选出效用值最小的消息并将其丢弃；

所述调度效用值计算公式为 $U_s=\frac{(1-P_c(a,b))\×P(b,d)}{H\left(m\right)\×F\left(m\right)}\×(1-\frac{1}{\mathrm{RTTL}}),$

所述丢弃效用值计算公式为 $U_d=\frac{P(a,d)}{H\left(m\right)\×F\left(m\right)}\×(1-\frac{1}{\mathrm{RTTL}}),$

其中，RTTL为消息的剩余生命期，H(m)为消息m的当前传输跳数，F(m)为本节点对消息m的转发次数；P(i,j)为本节点i到节点j的传输概率，P_c(i,j)为本节点i到节点j的相遇概率，a、b、d分别表示本节点、相遇邻居节点和目的节点；

所述本节点i到节点j的相遇概率P_c(i,j)的计算方法为：

P_init为传输概率的初始值，Δk为最近一次传输概率更新时间与当前时间的间隔，γ为时间衰减因子，β为传输概率的影响因子；

所述本节点i到节点j的传输概率P(i,j)的计算方法为：