CN102694859B - 一种基于网络编码的车载自组织网络区域内容分发方法 - Google Patents

Abstract

一种基于网络编码的车载自组织网络区域内容分发方法，包括以下步骤：（1）广播HELLO消息，声明分发内容与请求数据；（2）HELLO请求消息处理；（3）广播数据提供本地响应服务；（4）数据接收处理；当接收到的数据和节点缓存的数据线性相关时，丢弃该数据并把发送节点添加进黑名单，在获得新数据之前禁止向本节点传输数据；若接收到的数据线性无关，就在黑名单中检查发送节点是否存在，若存在就删除；接收到了一个线性无关的数据时，除了发送节点外，所有和邻居对应的数据有效性都增加1，然后保存数据包。本发明能降低内容分发延迟、提高效率、提升分发成功率。

Description

一种基于网络编码的车载自组织网络区域内容分发方法

技术领域

本发明属于车载自组织网络内容分发领域，具体涉及一种应用于车载自组织网络的基于网络编码的区域内容分发方法。

背景技术

随着无线网络、电子和车辆技术的迅速发展，车载自组织网络已经引起了学术界和工业界的重视。通过车载节点之间、车载节点与路旁基础设施的无线交互，可以为车辆提供交通预警信息，降低事故发生的概率；为车辆提供实时交通信息辅助驾驶与交通管理，提升现有交通道路的运输效率。

然而，车载自组织网络的部署是一个逐步的过程，在市场渗透率达到一定程度之前，很多的交通安全相关的应用由于需要每一辆车都参与而无法有效实施。而非交通安全相关的数据分发应用，例如停车位置获取，出租车预定，商业广告分发等，不要求道路中所有的车辆都必须参与，因此在车载自组织网络的发展初期阶段具有很大的应用前景。上述这些非交通安全相关的数据分发应用，都需要将数据分发到特定的地理区域。

车载自组织网络中由于节点的高速移动，使得网络拓扑信息难以准确获取，不能依靠维护网络拓扑信息来传输数据。当分发区域较大时，需要多跳传输才能把内容从分发节点传输到接收节点，使得分发的时延较大，尤其是分发内容较大时，造成分发区域边界的节点难以在离开分发区域前获取一份完整的分发内容。同时，在区域分发中，车载节点会频繁进入与离开指定的分发区域，意味着需要随时给新进入分发区域的节点提供分发内容，同时也要容忍辅助节点的随时离开。然而，车载自组织网络业具有能量不受限，信息处理与获取能力强等特点。因此，如何结合车载自组织网络的这些特点，找到一种高效的区域内容分发方法是一个需要解决的重要技术问题。

发明内容

为了克服已有区域内容分发存在较大延迟、效率较低、分发成功率较低的不足，本发明提供一种降低内容分发延迟、提高效率、提升分发成功率的基于网络编码的车载自组织网络区域内容分发方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于网络编码的车载自组织网络区域内容分发方法，所述车载自组织网络区域内容分发方法包括以下步骤：

（1）广播HELLO消息，声明分发内容与请求数据：

数据源节点在一跳范围内周期广播HELLO消息声明待分发内容的ID，所有位于分发区域内的节点接收到此HELLO消息后自动成为缓存节点，同样在一跳范围内周期广播HELLO消息进行待分发内容的声明以及本地的数据请求；

（2）HELLO请求消息处理，具体包括如下过程：

2a）合格服务节点判断：节点接收到请求消息后，判断自己是否为一个合格服务节点，合格服务节点需同时满足如下条件：

1）请求节点请求的数据量大于零,对该请求节点的数据有效性大于零；

2）比请求节点更靠近数据源节点，或者请求节点是一个感兴趣节点；

3）请求节点没有接收到本节点发送出去的数据包，或者本节点不在黑名单内；

若节点是一个合格服务节点，则传输相应的数据作为一个数据请求的回应，否则忽略该请求；

2b）缓存内容更新：当本节点接收到一个比自己离数据源节点更远的节点的数据请求，且数据有效性为零时，若节点为一个缓存节点且已获得的数据量已经达到需要缓存的最大数目，需要进行缓存内容的更新，更新的方法是随机删除一些数据包以腾出空间来请求一些新的数据；

（3）广播数据提供本地响应服务；

当一个节点接收到数据请求并且为合格服务节点时，就计算需要发送的数据包个数，计算的方法和缓存节点计算随机删除数据包个数的方法相同；根据计算到的需要发送的数据包个数，节点连续广播自己所拥有的数据包的线性组合，如下式所示：

$p^{\′}=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{p}_i$

其中，p′为新的编码包，p_i为节点当前已经接收到的数据包，c_i是从伽罗华域GF(2⁸)中随机选取的编码系数；合格服务节点在广播数据时，都根据与请求节点的接近程度分配一个随机的退避时延窗口，距离越短，退避时延窗口就越小，如下式所示：

其中，D是发送节点与请求节点之间的距离，MaxRange是节点间最大的一跳通信距离，而MaxDelay则是最大的回复时延，节点的回复时延就在退避时延窗口范围内随机选取；

给对应的请求节点保存发送出去的数据包ID；

（4）数据接收处理；

当接收到的数据和节点缓存的数据线性相关时，丢弃该数据并把发送节点添加进黑名单，在获得新数据之前禁止向本节点传输数据；若接收到的数据线性无关，就在黑名单中检查发送节点是否存在，若存在就删除；接收到了一个线性无关的数据时，除了发送节点外，所有和邻居对应的数据有效性都增加1，然后保存数据包。

进一步，所述步骤（1）中，HELLO消息的内容包括：待分发内容的ID、大小、分发区域、拥有者、拥有者的地理位置、发送节点的类型、发送节点的地理位置、请求的数据量、禁止传输数据的节点黑名单和最近接收到的数据包ID，其中，黑名单和最近接收到的数据包ID用Bloom Filter结构存储。

再进一步，所述HELLO消息的内容中，请求的数据量q对于不同的节点使用不同的计算方法，对于感兴趣节点q=m-c，其中m为整个分发内容的数据量，c为节点已经获得的数据量；对于缓存节点q=Need_Cache-c，其中Need_Cache为缓存节点需缓存的数据量，动态计算如下：

Need_Cache=m/n

其中n是分发区域内的一跳邻居数，通过收集周期的HELLO消息动态估计。

更进一步，所述步骤（2）中，数据的有效性计算规则如下：如果从某个邻居节点接收到一个线性无关的数据包，则除了这个邻居节点之外，此节点相对所有邻居节点的数据有效性都增加1；如果从HELLO消息中判断对方接收到k个本节点发送的数据包，则相对对方的数据有效性减去k。

所述步骤（2）中，缓存内容更新时应该删除的数据包个数用下式表达：

min{q/n′,utility(v)}

其中，v是请求节点，utility(v)是本节点对于v的数据有效性，q是v的请求数据量，当v是缓存节点时，n′=n/2，当v是感兴趣节点时n′=n。

本发明的技术构思为：利用随机线性网络编码技术，把分发内容变成无差异、地位对等的编码包，然后把这些编码包根据网络节点密度随机、动态地缓存在指定分发区域的所有节点上，为在分发区域中新出现的节点提供迅速的本地响应服务，使得所有的数据请求都能够在一跳范围内得到服务，获取完整的分发内容。

本发明的有益效果主要表现在：1.自适应车载自组织网络频繁的节点密度变化，能根据节点密度动态调整数据缓存数量，对分发区域内节点的频繁进入与离开不敏感；2.数据请求可以在一跳范围内得到服务，避免了多跳传输，降低了内容分发延迟；3.远离数据源节点的分发区域边界的服务质量得到有效的提高，即使只从分发区域边界附近快速经过的节点也能以较高的概率获得完整的分发内容，提高了整个系统的内容分发成功率。

附图说明

图1为区域内容分发系统示意图；

图2为分发内容声明与数据请求流程图；

图3为请求消息处理流程图；

图4为缓存内容更新流程图；

图5为数据发送处理流程图；

图6为数据接收处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是一个区域内容分发系统示意图，数据源节点需要将分发内容分发到两跳范围内的分发区域。从图1可以看到，A、B、C和D四个感兴趣节点都能从邻近的一跳范围内获得响应服务。

参照图1-图6，本发明的具体实施步骤如下：

（1）广播HELLO消息，声明分发内容与请求数据

数据源节点在一跳范围内周期广播HELLO消息声明待分发内容的ID，所有位于分发区域内的节点接收到此HELLO消息后自动成为缓存节点，同样在一跳范围内周期广播HELLO消息进行待分发内容的声明以及本地的数据请求。

如图2所示，首先计算本节点需要请求的数据包数量。对于数据源节点，不必获取更多的数据，请求的数据包数量必然为零。对于感兴趣节点，总共需要的数据包数量为整个分发内容的数据量m。为了令任意一个感兴趣节点都可以从一跳邻居中获取一份完整的分发内容，对于缓存节点，总共需要缓存的数据包数量Need_Cache动态计算如下：

Need_Cache=m/n

其中n是分发区域内的一跳邻居数，可通过收集周期的HELLO消息动态估计。

设c为节点已经获得的数据量，q为节点请求的数据量，则对于感兴趣节点q=m-c，对于缓存节点q=Need_Cache-c。

若q=0，则HELLO消息包的广播周期间隔为1秒，否则为α秒，α取值0.03以便在更短的时间内发送数据请求。在计时器超时前若接收到新的数据包，则取消计时器。计时器超时后，则添加相应的信息到HELLO消息包中并广播，HELLO消息包的内容包括：待分发内容的ID、大小、分发区域、拥有者、拥有者的地理位置、发送节点的类型、发送节点的地理位置、请求的数据量、禁止传输数据的节点的黑名单和最近接收到的数据包ID。然后判断节点是否离开分发内容的分发区域，若没有离开，则继续重新设定计时器周期广播HELLO消息。

某个节点需要禁止传输数据的黑名单和最近接收到的数据包ID可能有多个，它们分别以IP地址和正整数的形式出现，若保存此原始信息，HELLO消息消息数据包的大小将会变得较大，从而造成很大的通讯负载，效率较为低下。因此，本发明使用一个大小被固定为32字节的Bloom Filter结构来保存这些信息。

（2）HELLO请求消息处理

如图3所示，节点接收到一个HELLO消息后，先判断发送节点请求的数据量。若此数据量为零，则表示发送节点仅仅是声明分发区域内要分发的内容，忽略该请求即可。若此数据量不为零，则需要计算数据的有效性进一步判断本节点是否是一个合格的服务节点。

2a）合格服务节点判断

节点接收到请求消息后，判断自己是否为一个合格服务节点，合格服务节点需同时满足如下条件：

1）请求节点请求的数据量大于零,对该请求节点的数据有效性大于零

2）比请求节点更靠近数据源节点，或者请求节点是一个感兴趣节点

3）请求节点没有接收到本节点发送出去的数据包，或者本节点不在黑名单内若节点是一个合格服务节点，则传输相应的数据作为一个数据请求的回应，否则忽略该请求。

其中，数据的有效性计算规则如下：如果从某个邻居节点接收到一个线性无关的数据包，则除了这个邻居节点之外，此节点相对所有邻居节点的数据有效性都增加1。如果从HELLO消息中判断对方接收到k个本节点发送的数据包，则相对对方的数据有效性减去k。

如图3所示，根据已发送的数据包ID和HELLO消息中保存的已接收数据包ID，可以得出对方接收到的数据包个数k，则除了本节点是数据源节点的情况外，本节点对于对方的数据有效性需要减去k，若数据有效性小于零，则转到2b）处理，否则继续判断。若请求节点不是感兴趣节点且本节点离数据源节点更远，则不需要请求响应，直接结束本次处理，这么处理是为了使数据能从数据源节点向分发区域的边界扩散。若请求节点是感兴趣节点或者本节点离数据源节点更近，就继续判断对方接收到的数据包个数。若k＝0，即对方没有接收到本节点发送的数据包，本节点就是一个合格服务节点，被允许继续发送数据包，转步骤（3）。若k＞0，则清空为对方保存的已发送数据包ID。若此时本节点不在黑名单内，则也允许继续发送数据，转步骤（3），否则可认为对方接收到本节点发送的数据包是线性相关的，那么需要设定本节点的数据有效性为零，转2b）。

2b）缓存内容更新

如图3所示，有两种情况本节点相对数据请求节点的数据有效性为零。一种情况是节点在接收到数据请求前的数据有效性就已经为零，另一种情况是虽然在接收到请求前数据有效性不为零，但请求节点已经收到本节点发送的数据包却仍然指定本节点为黑名单，这说明本节点的数据与请求节点的数据线性相关，为此主动设置数据有效性为零。

为了尽可能在每一次数据请求中都能提供本地响应服务，数据有效性为零时需要对缓存的内容进行更新，其更新过程如图4所示。节点依次判断如下三个条件：本节点更接近数据源节点；本节点是缓存节点；节点已达缓存限制。若节点满足这全部三个条件，就随机删除一些缓存的编码包以便腾出空间接收新编码包，应该删除的数据包个数可用下式表达：

min{q/n′,utility(v)}

其中v是请求节点，utility(v)是本节点对于v的数据有效性，q是v的请求数据量，当v是缓存节点时，n′=n/2，当v是感兴趣节点时n′=n。

（3）广播数据提供本地响应服务

当一个节点接收到数据请求并且为合格服务节点时，就计算需要发送的数据包个数，计算的方法和缓存节点计算随机删除数据包个数的方法相同。

根据计算到的需要发送的数据包个数，节点连续广播自己所拥有的数据包的线性组合，如下式所示：

$p^{\′}=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{p}_i$

其中p′为新的编码包，p_i为节点当前已经接收到的数据包，c_i是从伽罗华域GF(2⁸)中随机选取的编码系数。

如图5所示，为了减少冲突，合格服务节点在广播数据时，都根据与请求节点的接近程度分配一个随机的退避时延窗口，距离越短，退避时延窗口就越小，如下式所示。

其中D是发送节点与请求节点之间的距离，根据请求节点在HELLO消息包中声明的位置和本节点的位置计算得到，MaxRange是节点间最大的一跳通信距离，而MaxDelay则是最大的回复时延。节点的回复时延就在退避时延窗口范围内随机选取。

另外，为了利用数据包ID作为一个数据接收的确认，还需要给对应的请求节点保存发送出去的数据包ID。

服务节点循环上述过程直到指定的数据包个数被发送完毕。

（4）数据接收处理

如图6所示，当一个节点位于分发区域内时可以接收数据，即使此节点没有发出数据请求，也必须侦听所有的数据发送来处理缓存内容线性相关的情况。如果此节点不是一个感兴趣节点，则为了保证数据从数据源节点向分发区域边界扩散，还需要发送节点比接收节点更靠近数据源节点。当接收到的数据和节点缓存的数据线性相关时，丢弃该数据并把发送节点添加进黑名单，在获得新数据之前禁止向本节点传输数据。若接收到的数据线性无关，就在黑名单中检查发送节点是否存在，若存在就删除。由于接收到了一个线性无关的数据，所以除了发送节点外，所有和邻居对应的数据有效性都增加1，然后保存数据包。

Claims (3)

1.一种基于网络编码的车载自组织网络区域内容分发方法，其特征在于，所述车载自组织网络区域内容分发方法包括以下步骤：

(1)广播HELLO消息，声明分发内容与请求数据：

数据源节点在一跳范围内周期广播HELLO消息声明待分发内容的ID，所有位于分发区域内的节点接收到此HELLO消息后自动成为缓存节点，同样在一跳范围内周期广播HELLO消息进行待分发内容的声明以及本地的数据请求；

(2)HELLO请求消息处理，具体包括如下过程：

2a)合格服务节点判断：节点接收到请求消息后，判断自己是否为一个合格服务节点，合格服务节点需同时满足如下条件：

1)请求节点请求的数据量大于零,对该请求节点的数据有效性大于零，数据的有效性计算规则如下：如果从某个邻居节点接收到一个线性无关的数据包，则除了这个邻居节点之外，此节点相对所有邻居节点的数据有效性都增加1，如果从HELLO消息中判断对方接收到k个本节点发送的数据包，则相对对方的数据有效性减去k；

2)比请求节点更靠近数据源节点，或者请求节点是一个感兴趣节点；

3)请求节点没有接收到本节点发送出去的数据包，或者本节点不在黑名单内；

若节点是一个合格服务节点，则传输相应的数据作为一个数据请求的回应，否则忽略该请求；

2b)缓存内容更新：当本节点接收到一个比自己离数据源节点更远的节点的数据请求，且数据有效性为零时，若节点为一个缓存节点且已获得的数据量已经达到需要缓存的最大数目，需要进行缓存内容的更新，更新的方法是随机删除一些数据包以腾出空间来请求一些新的数据；

(3)广播数据提供本地响应服务；

当一个节点接收到数据请求且为合格服务节点时，就计算需要发送的数据包个数，计算方法和缓存节点计算随机删除数据包个数的方法相同，并如下所示：

min{q/n′,utility(v)}

其中，v是请求节点，utility(v)是该节点对于v的数据有效性，q是v的请求数据量，n是分发区域内的一跳邻居数，当v是缓存节点时，n′＝n/2，当v是感兴趣节点时n′＝n；根据计算到的需要发送的数据包个数，节点连续广播自己所拥有的数据包的线性组合，如下式所示：

$p^{\′}=\underset{i=1}{\overset{s}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{p}_i$

其中，p′为新的编码包，p_i为节点当前已经接收到的数据包，c_i是从伽罗华域GF(2⁸)中随机选取的编码系数；合格服务节点在广播数据时，都根据与请求节点的接近程度分配一个随机的退避时延窗口，距离越短，退避时延窗口就越小，如下式所示：

$\mathrm{DelayWin}=[0,\frac{0}{\mathrm{MaxRange}}\mathrm{MaxDelay}]$

其中，D是发送节点与请求节点之间的距离，MaxRange是节点间最大的一跳通信距离，而MaxDelay则是最大的回复时延，节点的回复时延就在退避时延窗口范围内随机选取；

给对应的请求节点保存发送出去的数据包ID；

(4)数据接收处理；

当接收到的数据和节点缓存的数据线性相关时，丢弃该数据并把发送节点添加进黑名单，在获得新数据之前禁止向本节点传输数据；若接收到的数据线性无关，就在黑名单中检查发送节点是否存在，若存在就删除；接收到了一个线性无关的数据时，除了发送节点外，所有和邻居对应的数据有效性都增加1，然后保存数据包。

2.如权利要求1所述的基于网络编码的车载自组织网络区域内容分发方法，其特征在于：所述步骤(1)中，HELLO消息的内容包括：待分发内容的ID、大小、分发区域、拥有者、拥有者的地理位置、发送节点的类型、发送节点的地理位置、请求的数据量、禁止传输数据的节点黑名单和最近接收到的数据包ID，其中，黑名单和最近接收到的数据包ID用Bloom Filter结构存储。

3.如权利要求2所述的基于网络编码的车载自组织网络区域内容分发方法，其特征在于：所述HELLO消息的内容中，请求的数据量q对于不同的节点使用不同的计算方法，对于感兴趣节点q＝m-c，其中m为整个分发内容的数据量，c为节点已经获得的数据量；对于缓存节点q＝Need_Cache-c，其中Need_Cache为缓存节点需缓存的数据量，动态计算如下：

Need_Cache＝m/n

其中n是分发区域内的一跳邻居数，通过收集周期的HELLO消息动态估计。