CN102711208B - 基于汇总矢量的机会网络低开销免疫信息存储和传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于汇总矢量的机会网络低开销免疫信息存储和传递方法，属于使用机会网络技术的领域。本方法将免疫信息存入汇总矢量，压缩含有免疫信息的汇总矢量，在SV消息交换过程中取消Request消息，通过跨层信息共享的方式产生新的免疫信息而不增加任何通信开销；借助汇总矢量，无需专门的数据结构，以低的存储和通信开销实现免疫信息的存储与传递，解决现有的免疫信息产生、存储和传递方法中存在的通信和存储开销偏大、存在冗余通信开销、节点存储的汇总矢量在长度上存在冗余、SV消息交换过程中控制消息在种类和数量上存在冗余等问题；用跨层方式产生新免疫信息，用汇总矢量装载免疫信息，缩短汇总矢量的长度，减少控制消息的种类和数量，降低节点通信开销，节约节点能量、存储资源和网络带宽资源。

Description

基于汇总矢量的机会网络低开销免疫信息存储和传递方法

技术领域

本发明涉及机会网络技术领域，特别涉及机会网络信息存储和传递方法。 

背景技术

机会网络是一种不需要在源节点和目的节点之间存在完整路径，利用节点移动带来的相遇机会实现网络通信的、时延和分裂可容忍的无线自组织网络。机会网路不同于传统的多跳无线网络，它的节点之间的联系（即通信机会）是通过节点在移动过程中相遇获得的，能够在无线链路频繁地断开和重新连接的情况下完成信息传递任务，因此可以应用于缺乏通信基础设施、条件恶劣的网络环境以及紧急突发事件中的应急通信；它既是一种具体的网络形式，也是一种网络通信新技术，被视为移动ad hoc网络发展的重要方向之一，对未来泛在网络（ubiquitous networks）的发展和应用具有重要意义。

  机会网络具有拓扑间断和部分连接的特点，不利于网络中的数据传输。为了适应这些特点，机会网络中较流行的基于复制的路由方法，如Vahdat等提出的感染路由（Epidemic Routing，ER）协议（参见文献：A. Vahdat, D. Becker. Epidemic Routing for partially connected ad hoc networks[R]. Technical Report CS-2000-06, Duke University, Durham, 2000），将多个消息（“消息”是在节点之间传递信息的基本单元，分为数据消息与控制消息两种，其中数据消息通常简称为“消息”）的副本注入网络中进行扩散；这种扩散方式能够使消息最终到达目的节点，而且有利于缩短数据的端到端时延，但会造成网络中的消息副本偏多，网络节点的通信和存储开销偏大。目前，对于在基于复制的机会网络路由协议中减少消息副本数量已有一些研究，主要思路是利用在网络运行过程中存储和传递免疫信息（“免疫信息”指已到达目的节点的消息的信息，常用消息标识来表示），并利用免疫信息来删除网络中冗余的消息副本，具体做法主要包括如下两部分：

（1）免疫信息的存储

主要方式有两种：① 网络中每个消息都有唯一的标识（通常由节点标识和消息序号两部分构成），通过记录已到达目的节点消息的标识进行存储；②每个节点都建立一个免疫矢量，矢量中的位与消息通过哈希映射建立联系，用免疫矢量中的位的值来表示对应的消息是否已经到达目的节点。

（2）免疫信息的传递

主要方式有四种：①当消息到达的目的节点时，目的节点在全网中广播该消息的免疫信息，从而将网络中该消息的副本删除；②在周期性的Hello消息中用专门的数据结构捎带免疫信息；③节点相遇时相互交换各自的免疫信息；④在Reply消息、Request消息（请求发送数据的控制消息）中用专门的数据结构捎带免疫信息。

近年来感染路由协议引起了广泛的关注并得到深入的研究和发展，与此同时，与免疫信息存储和传递有关的研究也取得一定进展。Matsuda等设计了（p,q）感染（（p,q）-Epidemic）路由协议（参见文献：T. Matsuda, T. Takine. (p,q)-Epidemic Routing for Sparsely Populated Mobile Ad Hoc Networks[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 26, No. 5, 2008: 783-793），根据网络状态综合使用2跳（2-Hop）转发和传统的感染路由协议，并采用一种被称为“VACCINE”的机制（参见文献：Z. Haas, T. Small. A New Networking Model for Biological Applications of Ad Hoc Sensor Networks[J]. IEEE/ACM Transaction on Networking, Vol. 14, No. 1, 2006: 27-40），通过在全网范围内广播免疫信息来删除节点的缓存中已达目的节点的消息的副本，减少存储开销；但广播免疫信息到全网会造成通信开销显著增加。Jin等提出了一种自适应的机会网络路由协议（参见文献：Zhigang Jin, Ximan Zhao, Yongmei Luo, Dongxue Zhao. Adaptive Priority Routing with Ack_Mechanism for DTN Networks[C]. International Conference on Wireless Communications and Signal Processing, 2009: 1-5），使用表达式                                                  计算消息的优先权，其中，TTL为生存时间，DP为发送概率，MD为消息副本的密度，C ₁ 、C ₂ 、C ₃ 是预设常数；并根据权值Priority在转发和删除过程中对消息排序以提高时延等性能；同时，在缓存中建立一种名为“Ack_list”的数据结构来存储免疫信息，并在周期性发送的Hello消息和Reply消息中捎带Ack_list以删除网络中已到达目的节点的消息的副本；这种方法能减少节点缓存的消息副本的数量，但加长周期性的Hello消息会使通信开销增加较明显。Mundur等设计了一种可传递免疫信息的感染路由协议（参见文献：P. Mundur, M. Seligman, G. Lee. Epidemic Routing with Immunity in Delay Tolerant Networks[C]. Military Communications Conference, 2008: 1-7），让不同的节点在相遇时除了交换汇总矢量（summary vector，用于记录节点所存消息的一维矢量，元素为二进制数）外，还交换各自的免疫信息（已到达目的节点消息的标识的集合），以此来删除已到达目的节点消息的副本；另外，若节点在消息交换过程中接收到目的节点为自己的消息，则更新自己的免疫信息；这种方法使用专门的数据结构和控制消息去传播免疫信息，会带来一定的冗余开销。Tower等对Mundur等提出的方法进行了改进（参见文献：J. P. Tower, T. D. C. Lottle. A Proposed Scheme for Epidemic Routing with Active Curing for Opportunistic Networks[C]. 22th International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops, 2008: 1696-1701），在节点相遇后优先交换免疫信息；并且，没有采用通常的用消息标识存储免疫信息的方法，而是用哈希函数在节点标识与消息序号之间建立了“一对多”的关系，达到了压缩存储空间的效果；但因存储、交换专门的数据结构而仍然存在冗余。在以前的研究中，我们提出了一种使用Request消息按需捎带免疫信息的思路（参见文献：任智, 黄勇, 陈前斌. 基于分组索引增量交换的机会网络高效低时延路由算法[J]. 计算机学报, Vol. 33, No. 9, 2010: 1634-1642），由于Request消息的数量少于Hello消息、Reply消息和SV消息（summary vector message，装载汇总矢量的控制消息），且又是按需捎带方式，避免了广播和周期性发送等开销大的方式，因此能够有效减少通信开销；但在免疫信息的存储方面尚未解决使用专门数据结构带来冗余的问题。

此外，在新产生的免疫信息的传播方面，上文介绍的大多数路由协议，如Mundur等设计的协议，都是让当前节点先存储新产生的免疫信息，不会立即发布，而是等以后遇到其它节点再进行免疫信息的传递，这样的处理方式存在额外延迟；虽然上文所述Matsuda等设计的协议能够及时将免疫信息广播到全网，但通信开销较大。Harras等提出了目的节点收到消息后立即向该消息的转发节点发送相应的新免疫信息的方法（参见文献：K. A. Harras, K. C. Almeroth, E. M. Belding-Royer. Delay Tolerant Mobile Networks (DTMNs): Controlled Flooding in Sparse Mobile Networks[C]. 4th International IFIP-TC6 Networking Conference, 2005: 1180-1192），避免了全网广播，但因进行专门的发送操作，仍然有一定的冗余开销。

从上述文献内容和研究现状来看，经过近年的工作，人们对于在基于复制的机会网络路由协议中如何传递免疫信息，已经从全网广播、周期性本地广播、相互交换等方法进展到了按需的非周期传递；在免疫信息的存储方面，也有了用哈希函数进行压缩的方案。但在免疫信息的存储和传递方面，因为使用了专门的数据结构，存在一定冗余；在新免疫信息的及时传播方面，因为需要发送专门的控制消息，也增加了通信开销；这些问题到目前为止未得到有效解决，而它们对基于复制的机会网络路由协议的性能具有重要影响，因此有进一步研究解决的必要。本发明将针对上述问题提出一个创新性的解决方法。

发明内容

本发明针对现有基于复制的机会网络路由技术存在的下述问题：

使用专门的数据结构存储及传递免疫信息，导致存储和通信开销存在冗余； 为实现新产生的免疫信息的及时发布，使用了专门的控制消息，在通信开销上存在冗余；节点存储的汇总矢量和发送的SV消息在长度上存在冗余； 在节点相遇后的SV消息交换过程中需要收发2个Request消息，在控制消息的数量上存在冗余。

针对上述问题，我们提出了将免疫信息存入汇总矢量、用跨层信息共享的方式产生新的免疫信息、自适应地压缩含有免疫信息的汇总矢量、在SV消息交换过程中取消Request消息4种新机制，解决现有的机会网络免疫信息存储和传递方法存在的通信、存储开销偏大和节点能量、网络带宽消耗偏多的问题，降低节点的通信和存储开销，节约节点能量、存储资源和网络的无线带宽资源。

本发明的目的是提出一种基于汇总矢量的低开销的免疫信息存储和传递方法，该方法采用将免疫信息存入汇总矢量、用跨层信息共享的方式产生新的免疫信息、自适应压缩含有免疫信息的汇总矢量、在SV消息交换过程中取消Request消息4种新机制。在不影响机会网络中消息传送的情况下，将免疫信息存入汇总矢量并自适应压缩汇总矢量，减少SV消息交换过程中控制消息的种类和数量，解决现有的免疫信息存储、传递方法中存在的通信和存储开销偏大、节点能量和网络带宽消耗偏多的问题，降低机会网络节点的通信和存储开销，节约节点能量、存储资源及网络带宽资源。

本发明提出的基于汇总矢量的低开销免疫信息存储和传递方法，包括新免疫信息产生与存储、免疫信息传递2个阶段，其中，第1阶段包含本发明提出的将免疫信息存入汇总矢量、跨层产生新免疫信息，第2阶段包含自适应压缩含有免疫信息的汇总矢量、在SV消息交换过程中取消Request消息。具体技术方案如下：

根据节点接收或发送的消息产生新免疫信息；节点的网络层检查汇总矢量的压缩标识值，若汇总矢量的压缩标识值为“1”，则对其进行还原；根据汇总矢量段的结束标识位的位置对存入新免疫信息的汇总矢量进行自适应压缩并存储；节点汇总矢量中的新免疫信息随着SV消息被传送到相遇节点，同时将网络层邻居表中对应的SV消息发送标识位置为“1”；节点从相遇节点发来的SV消息中提取汇总矢量，并还原被压缩的汇总矢量，计算请求矢量，根据请求矢量将对应的消息发送给相遇节点，节点网络层更新并存储汇总矢量。

当产生新免疫信息时，若节点收到目的节点为自己的消息时，其网络层产生1个长度为1bit且值为“0”的新免疫信息；若节点的网络层发送目的节点为相遇节点的消息，在网络层将消息发送给MAC层后，立即向MAC层发送1个长度为1bit且值为“1”的新免疫信息，若节点的MAC层收到网络层发来的消息后随即收到跨层的免疫信息请求消息，则在向相遇节点发送包含该消息的帧并收到对方发来的请求帧后，产生并向网络层发送1个长度为1bit、值为“0”的新免疫信息。如果对应汇总矢量段的结束标识位在免疫信息“0”之前，则将结束标识位移到免疫信息之后，将被免疫的消息的状态位置为“0”；如果对应汇总矢量段结束标识位的位置在免疫信息“0”之后，则直接将被免疫的消息的状态位置为“0”。对存入新免疫信息的汇总矢量进行自适应压缩具体步骤为：将汇总矢量分为N个M位的段，每1段对应1个源节点所发消息的存储状况，如果这N段的前F（F >0）位或后L（L >0）位相同，则对于每段相同的前F位和后L位，用标识字段（值为二进制数）标识出F和L的大小，并且只标识1次，标识字段放在压缩后的汇总矢量的头部；汇总矢量每段仅保留中间的M-F-L位，其中，N为发出消息的源节点个数，M为每个源节点发送的消息总数。节点将收到与自存的汇总矢量分别复制生成1个副本，并将各自副本中每段的结束标识位前的“0”全部置为“1”，去掉结束标识位，将收到的汇总矢量的副本按位取反，将取反后的副本与自存汇总矢量的副本按位相与，计算相遇节点的请求矢量。节点逐段比较收到与自存的汇总矢量中同1个源节点对应的段的结束标识位的位置，若自存汇总矢量的段结束标志位的位置与收到的汇总矢量的段结束标识位的位置相同或更靠后，则将收到的汇总矢量的对应段的结束标识位前的免疫信息存入到自存汇总矢量中的对应位置；若自存汇总矢量的段结束标识位的位置比收到的汇总矢量的段结束标识位的位置更靠前，则查询收到的汇总矢量中对应自存汇总矢量的段结束标识位前的免疫信息，并将其存入自存的汇总矢量段中的相应位置，同时将邻居表项中对应的等待标识位的值置为“1”。压缩后的汇总矢量包括：N段中间的M-F-L 位，表示前后省略位数的标识字段，前F位，后L位。如果压缩后的汇总矢量更短，则将汇总矢量的压缩标识的值置为“1”，使用压缩之后的汇总矢量进行存储；否则，将汇总矢量的压缩标识的值置为“0”，使用未经过压缩的汇总矢量进行存储。

接收端收到的汇总矢量如果被压缩，还原被压缩的汇总矢量，比较收到与自存的汇总矢量的长度，若有1个汇总矢量的长度为N(M+1),则将另1个汇总矢量在每段的末尾加1个“0”，使其长度变为N(M+1) 。在节点将收到的与自存的汇总矢量的段全部比较完之后，节点网络层判断邻居表中等待标识位的值是否为“0”；如果为“0”，则删除收到的汇总矢量，否则，不删除收到的汇总矢量，等待相遇节点发送消息。节点的网络层每收到1个消息，先判断该消息的目的节点是否为自己；若是，则将自存汇总矢量中对应的消息状态位的置为“0”，并将结束标识位移到所有改动的状态位之后；若该消息的目的节点不是自己，则将自存汇总矢量中对应的消息状态位置为“1”，并将结束标识位移到所有改动过的状态位之后，将收到的汇总矢量的同一段中未使用的免疫信息，存入自存的汇总矢量；若节点的MAC层收到网络层的跨层协同操作信息后，将信道空闲报告标识位的值置为“0”，并通过物理层判断在1个数据发送周期的时间内无线信道是否空闲，若空闲状态，则向网络层传送1条信道空闲报告信息，并将信道空闲报告标识的值置为“1”；节点网络层收到信道空闲报告信息后，查询邻居表，找出满足条件的表项，删除这些表项中对应的相遇节点发来的汇总矢量，同时将跨层协同操作标识位的值置为“0”；节点的网络层压缩并存储更新后的自存汇总矢量。

本发明提出将免疫信息存入汇总矢量、用跨层信息共享的方式产生新的免疫信息、自适应压缩含有免疫信息的汇总矢量、在SV消息交换过程中取消Request消息4种新机制，解决现有的免疫信息存储和传递方法中存在的通信和存储开销偏大、新免疫信息的及时发布环节存在冗余通信开销、节点存储的汇总矢量在长度上存在冗余、SV消息交换过程中控制消息在种类和数量上存在冗余4个问题，在不影响消息传递的情况下，用汇总矢量装载免疫信息，缩短汇总矢量的长度，减少控制消息的种类和数量，降低节点在免疫信息存储、传递环节的存储和通信开销，节约节点能量、存储资源和网络带宽资源。

在传统的基于复制的路由方法中，节点主要用两种方式存储免疫信息：①使用专门的消息标识集合；②使用专门的免疫矢量；这两种方式都使用了专门的数据结构，造成节点的存储开销偏大。而本发明提出的将免疫信息存入汇总矢量的机制不需要专门的数据结构，其基本思路是：将汇总矢量按消息源节点相同的原则分段，在每段中设置1个值为“1”的结束标志位，用结束标志位前的“0”来表示免疫信息。这样，无需使用专门的数据结构便能实现免疫信息的存储，降低了节点的存储开销。

在传统的基于复制的路由方法中，如果不使用专门的控制消息，向消息的目的节点转发消息的节点的网络层难以得知消息已到达目的节点，这样已到达目的节点的消息便不能及时节点的缓存中删除。而本发明提出使用跨层信息共享的方式产生新的免疫信息，利用发送节点的MAC层每次成功发送数据帧时都会收到接收节点的Ack帧这一原理，使转发节点的网络层能够通过跨层信息共享得知包含消息的数据帧已被目的节点成功接收，等效于消息被目的节点成功接收，从而获得新的免疫信息并删除相关消息。这样，不需要收发专门的控制消息，向消息的目的节点转发消息的节点的网络层也能及时获得新免疫信息，从而降低了节点的通信开销，节省了节点能量和网络带宽。 

传统的基于复制的路由方法不对汇总矢量进行压缩。本发明设计的带免疫信息的汇总矢量包含网络中已产生、未产生消息的状态信息及免疫信息，由于长度固定、形式单一而有可能存在一些冗余信息，会导致汇总矢量存储及交换过程中存在冗余开销。本发明提出的自适应压缩汇总矢量的机制，着眼于压缩汇总矢量中位置相似、内容相同的部分，在不影响汇总矢量所含信息的前提下，能够在条件满足时缩短汇总矢量的长度，降低节点存储汇总矢量的存储开销及汇总矢量交换过程的通信开销。

传统的基于复制的路由方法在SV消息交换过程中需要收发2个SV消息和2个Request消息。而在本发明的方案中，仅需要收发2个SV消息，不收发Request消息，便可以实现相同的汇总矢量交换和请求矢量确定功能；具体为：节点接收相遇节点的SV消息并提取出汇总矢量之后，通过将收到的汇总矢量按位取反并与自存的汇总矢量进行按位与运算，便能      得到相遇节点的请求矢量；然后根据该请求矢量，节点就能够发送自己有而相遇节点没有的消息。在不影响消息传递的情况下，本发明取消了SV消息交换过程中的Request消息，减少了控制消息的种类及数量，从而降低了节点的通信开销以及能量和网络带宽的消耗。 

综上所述，本发明用汇总矢量存储和传递免疫信息、缩短存储和传递的汇总矢量的长度、减少SV消息交换过程中的控制消息的种类和数量，降低机会网络节点的存储和通信开销，节约节点的能量、存储资源和网络的无线带宽资源。 

附图说明

图1为基于汇总矢量的机会网络低开销免疫信息存储和传递方法组成框图；

图2为本发明提出的用汇总矢量存储免疫信息的方法示意图

 (1) 未存储免疫信息的汇总矢量 

(2) 存入免疫信息后的汇总矢量；

图3为汇总矢量压缩机制举例示意图

(1) 未经压缩的汇总矢量

(2) 自适应压缩之后的汇总矢量 

(i) 汇总矢量头部 (ii) 汇总矢量的N（M-F-L）部分；

图4为带有免疫信息的汇总矢量更新方法示意图

(1) 节点2的汇总矢量 (2) 节点1的汇总矢量；

图5为含有免疫信息的汇总矢量更新操作流程图；

图6为新免疫信息产生与跨层报告示意图；

图7为判断无线信道空闲的跨层协同操作示意图；

图8为本发明定义的SV消息交换过程与原始的SV消息交换过程对比示意图

(1) 原始的SV消息交换过程 (2) 本发明定义的SV消息交换过程。

具体实施方式

图1为基于汇总矢量的机会网络低开销免疫信息存储和传递方法的组成框图。

基于汇总矢量的机会网络低开销免疫信息存储和传递方法由新免疫信息产生与存储、免疫信息传递2个阶段内的5个操作步骤组成，这5个步骤是：①产生新免疫信息；②存储新免疫信息；③发送免疫信息；④接收免疫信息；⑤存储免疫信息。 

阶段1. 新免疫信息产生与存储。伴随着机会网络中消息传递的过程进行，尤其是目的节点为相遇节点的消息传递过程。

步骤1. 产生新免疫信息

新的免疫信息会在两类节点上产生，一类是消息的目的节点；另一类是向消息的目的节点转发消息的节点。

（1）对于消息的目的节点

如果一个节点收到1个目的节点为自己的消息，则它的网络层会产生1个长度为1bit且值为“0”的免疫信息，此信息会在步骤2中被存入汇总矢量。

（2）对于向消息的目的节点转发消息的节点

向消息的目的节点转发消息的节点用跨层信息共享方式产生新免疫信息，它能够以零通信开销实现新免疫信息的及时发布；具体可采用如下方法：

① 网络层跨层请求免疫信息

当一个节点的网络层向相遇节点发送消息时，它检查发送消息的目的节点是否为相遇节点；若是，则在网络层将消息发送给MAC层后，立即向MAC层发送一个长度为1bit、值为“1”的免疫信息请求消息，请求MAC层报告该消息的发送结果。

② MAC层跨层报告新免疫信息

如果节点的MAC层收到网络层发来一个消息后随即收到了跨层的免疫信息请求消息，则在向相遇节点发送包含该消息的帧并收到对方发来的Ack帧之后，立即产生并向网络层发送一个长度为1bit、值为“0”的新的免疫信息，即向网络层跨层报告该消息已经到达目的节点。

步骤2. 存储新免疫信息

在存储新免疫信息之前，无论这个信息是网络层自己产生的，还是从MAC层跨层发来的，节点的网络层都会先判断汇总矢量的长度是否经过压缩；如果汇总矢量的长度被压缩，则对其进行还原，得到还原后的汇总矢量；接着，将消息的免疫信息存入汇总矢量；然后，对存入了新免疫信息的汇总矢量进行自适应压缩并存储；最后，从节点缓存中删除对应的消息副本。

判断汇总矢量是否被压缩、自适应压缩汇总矢量、还原汇总矢量及将免疫信息存入汇总矢量具体方法分别如下：

（1）根据汇总矢量压缩标志判断汇总矢量是否经过压缩

每个节点的网络层设有1个长度为1bit的汇总矢量压缩标志，用于表示汇总矢量是否被压缩；如果该标志的值为0，则表示汇总矢量未被压缩；如果该标志的值为1，则表示汇总矢量已被压缩；缺省值为0。读取汇总矢量压缩标志的值，便能判断汇总矢量是否经过压缩。

（2）自适应压缩汇总矢量

根据Vahdat等提出的感染路由协议，原始的汇总矢量长度为：

                                  （1）

它可分为N个M位的段，（其中，N为节点数，M为每个节点发送消息个数）每1段对应1个源节点所发消息的存储状况。如果这N段的前F（）位的值相同，或者后L（）位的值相同，则可对汇总矢量进行压缩。

可采用下述方法进行压缩：用长度为的二进制数标识出F和L的大小；对于每段相同的前F位和后L位，只列出1次；保留每段中间的位。                                       

压缩后的汇总矢量包括：两个显示前后省略的位数的标识字段，前F位，后L位，N段中间的位。设压缩后的汇总矢量的长度为（），则有：

  （2）

当，即

                                 （3）

满足时，有：，即压缩后的汇总矢量更短。其中，为压缩后的汇总矢量长度，为原始的汇总矢量长度，F表示N段中删除的前面值相同的位数，L表示N段中删除的后面值相同的位数，N为节点数，M为每个节点发送消息个数。节点根据公式（3）判断是否压缩汇总矢量，如满足公式（3）节点可对汇总矢量进行压缩。以100个节点，每个节点发送200个消息为例：，，，则只需，等效于或，即汇总矢量中每一段的头部或尾部只要有1bit相同，压缩后的汇总矢量就更短。在网络运行的初期和中期，由于许多消息尚未产生，汇总矢量中每一段的后部会有多个“0”存在；而在网络运行的中期和后期，随着消息和免疫消息的逐渐扩散，汇总矢量中每一段的前部则会出现多个“1”或“0”；因此，压缩后的汇总矢量更短的条件较易满足。

如果含有免疫信息的汇总矢量中每段都增加1位，在上述方法中只需做的替换即可，即发送的消息个数加1。汇总矢量的压缩过程是自适应的，即节点判断（3）式成立与否决定是否压缩汇总矢量；如果压缩后的汇总矢量更短，则节点对汇总矢量进行压缩，并且存储压缩后的汇总矢量，不再存储原始的汇总矢量；然后，将汇总矢量压缩标志的值置为“1”。

（3）还原压缩后的汇总矢量

在汇总矢量每段添加相同的被删除的头部和尾部还原压缩后的汇总矢量。

①提取出汇总矢量头部信息，它依次包含原始汇总矢量每段的头部删除位数、尾部删除位数、头部删除内容、尾部删除内容；②根据提取出的汇总矢量每段头部、尾部删除的位数和内容，在汇总矢量每段添加相同的被删除的头部和尾部，而中间的M-F-L位保持不变。

（4）免疫信息存入汇总矢量

如果节点的缓存中有某个消息，则在原始的汇总矢量中对应该消息的状态位的值为“1”，否则为“0”。当节点收到某个消息的免疫信息后，它会将该消息从缓存中删除，并将汇总矢量中对应该消息的状态位置“0”，此处的“0”就表示该消息已被“免疫”（即已到达目的节点）。为了和未收到消息的“0”相区别，我们根据消息的源节点不同，将汇总矢量划分为N段，每段M位，则每段对应一个源节点产生的消息的状态；然后，在每段的已收到消息对应的位的末尾加上1个值为“1”的结束标志位，则在该标志位以前的“0”就是免疫信息，表示对应的消息已到达目的节点且被删除（即被“免疫”）；而该标志位以前的“1”表示该消息存储在本节点的缓存中。每次将消息的状态位置“0”时，都需确保结束标志位在该“0”之后；如果结束标志位原来在免疫信息“0”之前，则需将它移到“0”之后。当某个源节点已经产生了第M个消息时，汇总矢量中每段的长度都从M变为M+1，以统一所有段的长度，便于计算操作。

    阶段2. 免疫信息传递

本阶段包含发送免疫信息、接收免疫信息、存储免疫信息3个步骤，伴随着机会网络中节点相遇后SV消息的传递过程进行。

步骤 1. 发送免疫信息

当一个节点确定与其它节点相遇后，它的网络层判断是否已发送SV消息；若没有，则产生一个SV消息并装入自己所存的含有免疫信息的汇总矢量，然后发送给相遇节点；这样，该节点汇总矢量中的免疫信息便随着SV消息被传送到相遇节点。

步骤 2. 接收免疫信息

如果一个节点收到相遇节点发来的SV消息，则从中提取出汇总矢量，汇总矢量中含有相遇节点所存储的所有免疫信息，具体地，汇总矢量中每段的结束标志位前的“0”就是免疫信息。

步骤 3. 存储免疫信息

免疫信息的存储是在节点更新和存储含有免疫信息的汇总矢量的过程中实现的，更新、存储含免疫信息的汇总矢量的具体操作包括判断和还原汇总矢量、计算请求矢量、更新汇总矢量、存储更新后的汇总矢量。

（1）判断和还原汇总矢量

当前节点判断收到和自存的汇总矢量是否被压缩；如果被压缩，则还原被压缩的汇总矢量；然后，比较自存与收到的汇总矢量的长度，若有一个汇总矢量的长度为N(M+1),则将另一个汇总矢量的长度变为N(M+1)，方法是在每段的末尾加一个“0”，以使它们的长度保持一致，便于逐位对比等操作。

（2）计算请求矢量

当前节点将收到和自存的汇总矢量分别复制生成1个副本；然后，将各自副本中每段的结束标志位前的“0”全部置为“1”，并去掉结束标志位；接着，将收到的汇总矢量的副本按位取反；然后，将取反后的副本与自存汇总矢量的副本按位相与，便得到相遇节点的请求矢量（“请求矢量”是一种结构与汇总矢量相同的二进制一维矢量，用于请求相遇节点发送自己没有的消息）；最后，节点将收到与自存的汇总矢量的副本删除。在不需要相遇节点发送请求矢量的情况下，根据请求矢量将对应的消息发送给相遇节点，从而能够避免发送和接收Request消息，减少控制消息的种类和数量。以节点A、B相遇为例：设B收到了A发来的汇总矢量；它分别复制和自存的得到和；接着，将各自副本中每段的结束标志位前的“0”全部置为“1”，并去掉结束标志位，得到和；然后，对按位取反，得到；最后，进行按位与运算，得到A的请求矢量：=+，并删除与。

（3）更新汇总矢量

图5为含有免疫信息的汇总矢量更新操作流程图。

    其中，L _s 和L _r 分别表示自存和收到的汇总矢量的同一位置的段中有效位（即存储了保存消息的信息或免疫信息的位）的长度。

基于复制的机会网络路由协议中，传统的汇总矢量的更新方法是节点收到1个消息后，将消息对应汇总矢量的消息状态位置为“1”。由于本发明在汇总矢量中存入免疫信息，即使节点收到过1个消息，该消息对应的汇总矢量的状态位也有可能为“0”，因此汇总矢量的更新方法与传统方法不同。本发明设计的含免疫信息的汇总矢量的更新方法具体如下：

 1）节点逐段比较收到和自存的汇总矢量中同一个源节点对应的段的结束标志位的位置。

2）如果自存汇总矢量的段结束标志位的位置更靠后，或者与收到的汇总矢量的段结束标志位的位置相同，说明当前节点收到该源节点发出的消息不少于相遇节点，则将收到的汇总矢量的对应段的结束标志位前的免疫信息（“0”）存入到自存汇总矢量中的对应位置；如果自存汇总矢量的段结束标志位的位置更靠前，说明当前节点收到该源节点发出的消息少于相遇节点，则查询收到的汇总矢量的相应段中对应自存汇总矢量的段结束标志位前的免疫信息，并将其存入自存的汇总矢量中的对应位置。

3）在节点网络层邻居表的每个表项中设置1个等待标识位（一般长度为1bit），用于表示删除邻居节点发来的汇总矢量前是否需要等待接收它发来的消息（值为“1”表示需要等待，值为“0”表示不需要等待，缺省值为“0”）。如果自存汇总矢量的段的结束标志位的位置更靠前，说明当前节点收到该源节点发出的消息更少，需要等待相遇节点发送消息，因此将等待标识位置为“1”。

4）在收到的和自存的汇总矢量的段全部比较完之后，节点的网络层判断邻居表中相应表项的等待标识位的值是否为“0”；如果为“0”，则删除收到的汇总矢量；否则，不做删除操作。

 5）节点的网络层每收到1个消息，先判断该消息的目的节点是否为自己；若是，则将自存汇总矢量中对应的消息状态位置为“0”，并将结束标志位移到所有改动过的状态位之后；若该消息的目的节点不是自己，则将自存汇总矢量中对应的消息状态位置为“1”，并将结束标志位移到所有改动过的状态位之后；最后，将收到的汇总矢量的同一段中可以使用而未使用的免疫信息，存入自存的汇总矢量。

6）节点在网络层邻居表的每个表项中设置有1个长度为1bit、缺省值为“0”的SV消息发送标识位，表示当前节点是（=“1”）否（=“0”）已向相遇节点发送了SV消息；每发送1个SV消息，都要将对应的SV消息发送标识位置为“1”。此外，网络层还设置了1个长度为1bit、缺省值为“0”的跨层协同操作标识，表示在无线信道空闲之前是（=“1”）否（=“0”）向MAC层发送了跨层协同操作信息。在置等待标识位为“1”或置SV消息发送标识位为“1”之后，网络层会立即判断条件{等待标识位=“1”∩SV消息发送标识位=“1”∩跨层协同操作标识=“0”}是否成立；如果成立，网络层会将跨层协同操作标识位置为“1”，并向MAC层发送1个长度为1bit、值为“1”的跨层协同操作信息，请求MAC层在判断并确认无线信道空闲（即未收到任何有效的无线信号）后向网络层报告。

7）节点的MAC层设置有1个长度为1bit的信道空闲报告标识（值为“1”表示已发送，值为“0”表示未发送，缺省值为“0”），表示在收到网络层的跨层协同操作信息之后是否向网络层跨层发送了长度为1bit、值为“1”的信道空闲报告信息。MAC层收到网络层发来的跨层协同操作信息后，立即将信道空闲报告标识的值置为“0”，并通过物理层的无线信号接收功能（如CSMA机制的载波侦听功能）判断在1个数据发送周期的时间内无线信道是否空闲；如果确认无线信道在1个数据发送周期的时间内处于空闲状态，则用跨层信息共享的方式向网络层传送1条信道空闲报告信息，并将信道空闲报告标识的值置为“1”。数据发送周期的时间值因MAC接入机制的不同而有所不同。例如，对于CSMA/CA机制，该时间值可取为：分布式帧间间隔DIFS（Distributed (coordination function) InterFrame Space）+最大竞争窗口时间+SIFS（Short InterFrame Space）；对于TDMA机制，该时间值可取为包含有已分配时隙的1帧的时长。

8）节点的网络层收到MAC层用跨层方式发来的信道空闲报告信息后，查询邻居表，找出满足条件{等待标识位=“1”∩SV消息发送标识位=“1”}的表项，删除这些表项对应的相遇节点发来的SV消息，同时将跨层协同操作标识位的值置为“0”。

（4）存储汇总矢量

节点的网络层判断更新后的自存汇总矢量能否进行压缩；如果能，则压缩并存储更新后的自存汇总矢量；否则，不进行压缩操作，直接存储自存汇总矢量。由于汇总矢量中含有免疫信息，因此，随着汇总矢量的存储，免疫信息也被存储到节点中。

图2为用汇总矢量存储免疫信息的方法举例示意图。

假设网络中有5个源节点，每个源节点产生10个消息，考察网络中的一个节点。在网络运行初期，假设该节点没有收到任何免疫信息，且它的汇总矢量中也没有存储免疫信息；网络运行一段时间后，该节点收到或自己生成了免疫信息，则将对应段中被免疫的消息的状态位置“0”，即表示对应的消息已到达目的节点，这样就实现了免疫信息的存储。

图3为汇总矢量压缩机制举例示意图。

     假设网络中有5个源节点，每个源节点产生10个消息。length_star与length_end的长度为[log₂ M]+1 = 4，其中M=10；设源节点产生的最多的消息的个数为7，且该汇总矢量中头部前4个比特位的值及尾部后3个比特位的值是相同的；则length_star=5，length_end=7；del_star的长度为length_star-1=4，其值为头部删除的比特位的值为1011；del_end的长度为10- length_end=3，其值为尾部删除的比特位的值000，这样压缩后的汇总矢量包含头部删除的位数、尾部删除的位数、头部删除的内容、尾部删除的内容及每段中间保留的部分。

    图4为带有免疫信息的汇总矢量更新方法举例示意图。

假设网络中有3个源节点，每个源节点产生6个消息。当节点1接收到节点2的汇总矢量后，做如下处理：①节点1的汇总矢量中的第1段与节点2汇总矢量的第1段比较，可以看出节点1的段的结束标志位的位置更靠后，因此节点2的汇总矢量将第1段中结束标志位前的免疫信息“0”存入到节点1汇总矢量中的相应位置。②节点1汇总矢量中的第2段的结束标志位靠前，则将节点2的汇总矢量的第2段中对应节点1的汇总矢量第2段的结束标志位以前的免疫信息存入。③节点1收到节点2发来的消息时，先判断该消息的目的节点是否为自己；若是，将自己的汇总矢量中的对应状态位置“0”，并后移结束标志位；若不是，将自己的汇总矢量中对应的状态位置“1”，并后移结束标志位。④节点1的汇总矢量与节点2的汇总矢量中第3段结束标志位的位置相同，则将节点2汇总矢量中该段的免疫信息存入到节点1的汇总矢量的对应位置中。

    图6为新免疫信息产生与跨层报告示意图。

    若节点的网络层要发送目的节点为相遇节点的消息，则在网络层将消息发送给MAC层后，立即向MAC层发送一个长度为1bit值为“1”的免疫信息请求消息，请求MAC层跨层报告该消息的发送结果。

如果MAC层收到网络层发来的一个消息后随即收到了跨层的免疫信息请求消息，则在向相遇节点发送包含该消息的帧并收到了对方发来的Ack帧之后，立即产生并向网络层发送一个长度为1bit值为“0”的免疫信息，向网络层跨层报告该消息已经到达目的节点。

图7为判断无线信道空闲的跨层协同操作示意图

若节点的网络层判断{等待标识位=“1”∩SV消息发送标识位=“1”∩跨层协同操作标识=“0”}时，则网络层将跨层协同操作标识置为“1”，并向MAC层发送一个长度为1bit、值为“1”的跨层协同信息，请求MAC层在判断并确认无线信道空闲后向网络层报告。若MAC收到网络层的跨层信息后，先将自己存储的长度为1bit的信道空闲报告标识位置“0”；若在1个数据发送周期的时间内侦测到信道处于空闲状态，则使用跨层信息共享的方式向网络层报告信道空闲信息，并将MAC层存储的信道空闲报告标识位置“1”。网络层收到MAC层的跨层信息后，查询邻居表，删除满足{等待标识位=“1”∩SV消息发送标识位=“1”}的表项，并删除这些表项中的邻居节点发来的SV消息，同时将跨层协同标识位的值置为“0”。

图8为在SV消息交换过程与原始的SV消息交换过程对比示意图

图8（1）中节点A、B相遇后，B先将SV_B消息发送给A；A收到SV_B消息后通过比对运算得到自己的请求矢量：Request_A=SV_A+SV_B；然后将请求矢量装入Request消息发送给B；B收到Request消息后将其中的请求矢量对应的消息发送给A。A执行类似的过程将B没有消息发送给B。

图8（2）中节点A、B相遇后，它们交换经过压缩的、含有免疫信息的SV消息。若A收到B的SV消息，可以计算出B的请求矢量，然后发送相应的消息给B；B收到A的SV消息，也可以计算出A的请求矢量，然后发送相应的消息给A。这样节点在SV消息交换过程中通过计算就可以得到对方的请求矢量，不再使用Request消息，从而减少了SV消息交换过程中控制消息的种类和数量，节点的通信开销、能量及无线网络的带宽资源方面的消耗随之降低。

   本发明适用于采用基于复制的路由技术的机会网络领域。一个具体实施的方式为：在节点数不小于3的机会网络中，节点处于间歇或持续的运动状态，它们之间有消息需要传送；在这种情况下可以使用本发明提出的基于汇总矢量的机会网络低开销免疫信息存储和传递方法，用低的开销实现免疫信息的存储和传递。通过本发明提出的将免疫信息存入汇总矢量、用跨层信息共享的方式产生新的免疫信息、自适应压缩含有免疫信息的汇总矢量、在SV消息交换过程中取消Request消息4种新机制，在不影响消息传送的情况下，解决现有的免疫信息存储和传递方法存在的通信、存储开销偏大和节点能量、网络带宽消耗偏多的问题，以尽可能小的开销存储和传递免疫信息，自适应缩短存储和传输的控制信息的长度，减少控制消息的种类和数量，降低机会网络节点的通信和存储开销，节约节点能量和存储空间，节省网络的无线带宽资源。

在本发明中，如果采用CSMA/CA机制，可考虑采用IEEE802.11标准；根据该标准的规定，SIFS的缺省值可取28us（FH，跳频方式）或10us（DS，直接序列扩频方式；IR，红外线方式）。

Claims (9)

1.基于汇总矢量的机会网络低开销免疫信息存储和传递方法，其特征是，包括步骤：若节点收到目的节点为自己的消息时，其网络层产生1个长度为1bit且值为“0”的新免疫信息，若节点的网络层发送目的节点为相遇节点的消息，在网络层将消息发送给MAC层后，立即用跨层信息共享方式向MAC层发送1个长度为1bit且值为“1”的免疫信息请求消息，若节点的MAC层收到网络层发来的免疫信息请求消息，则在向相遇节点发送包含该消息的帧并在收到对方发来的Ack帧后，产生并向网络层发送1个长度为1bit、值为“0”的新免疫信息；节点的网络层检查汇总矢量的压缩标识值，若汇总矢量的压缩标识值为“1”，则对其进行还原；根据汇总矢量段的结束标识位的位置对存入新免疫信息的汇总矢量进行自适应压缩并存储；节点汇总矢量中的新免疫信息随着装载汇总矢量的控制消息SV消息被传送到相遇节点，同时将网络层邻居表中对应的SV消息发送标识位置为“1”；节点从相遇节点发来的SV消息中提取汇总矢量，并还原被压缩的汇总矢量；节点将收到与自存的汇总矢量分别复制生成1个副本，并将各自副本中每段的结束标识位前的“0”全部置为“1”，去掉结束标识位，将收到的汇总矢量的副本按位取反，将取反后的副本与自存汇总矢量的副本按位相与，得到相遇节点的请求矢量；根据请求矢量将对应的消息发送给相遇节点，节点网络层更新并存储汇总矢量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述检查汇总矢量的压缩标识值具体为：若压缩标识的值为“1”，表示汇总矢量是经过压缩的；若压缩标识的值为“0”，表示汇总矢量未被压缩。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述还原的步骤为：①提取汇总矢量头部信息；②根据提取出的汇总矢量头部信息中包含的原始汇总矢量每段头部、尾部删除的位数和内容，在汇总矢量每段添加相同的被删除的头部和尾部，而中间的M-F-L位保持不变，其中：F表示N段中删除的前面值相同的位数，L表示N段中删除的后面值相同的位数，N为节点数，M为每个节点发送消息个数。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，将新免疫信息存入汇总矢量进一步包括：如果对应汇总矢量段的结束标识位在免疫信息“0”之前，则将结束标识位移到免疫信息之后，将被免疫的消息的状态位置为“0”；如果对应汇总矢量段结束标识位的位置在免疫信息“0”之后，则直接将被免疫的消息的状态位置为“0”。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，对存入新免疫信息的汇总矢量进行自适应压缩具体步骤为：将汇总矢量分为N个M位的段，每1段对应1个源节点所发消息的存储状况，如果这N段的前F位或后L位相同，则用标识字段标识出F和L的大小的，并且只标识1次，汇总矢量每段仅保留中间的M-F-L位，标识字段放在压缩后的汇总矢量的头部，如果压缩后的汇总矢量更短，则将汇总矢量的压缩标识的值置为“1”，使用压缩之后的汇总矢量进行存储；否则，将汇总矢量的压缩标识的值置为“0”，使用未经过压缩的汇总矢量进行存储。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，节点逐段比较收到与自存的汇总矢量中同1个源节点对应的段的结束标识位的位置，若自存汇总矢量的段结束标志位的位置与收到的汇总矢量的段结束标识位的位置相同或更靠后，则将收到的汇总矢量的对应段的结束标识位前的免疫信息存入到自存汇总矢量中的对应位置；若自存汇总矢量的段结束标识位的位置比收到的汇总矢量的段结束标识位的位置更靠前，则查询收到的汇总矢量中对应自存汇总矢量的段结束标识位前的免疫信息，并将其存入自存的汇总矢量段中的相应位置，同时将邻居表项中对应的等待标识位的值置为“1”。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征是，接收端收到的汇总矢量如果被压缩，还原被压缩的汇总矢量，比较收到与自存的汇总矢量的长度，若有1个汇总矢量的长度为N(M+1),则将另1个汇总矢量在每段的末尾加1个“0”，使其长度变为N(M+1)。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，在节点将收到的与自存的汇总矢量的段全部比较完之后，节点网络层判断邻居表中等待标识位的值是否为“0”；如果为“0”，则删除收到的汇总矢量，否则，不删除收到的汇总矢量，等待相遇节点发送消息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，节点的网络层每收到1个消息，先判断该消息的目的节点是否为自己；若是，则将自存汇总矢量中对应的消息状态位置为“0”，并将结束标识位移到所有改动的状态位之后；若该消息的目的节点不是自己，则将自存汇总矢量中对应的消息状态位置为“1”，并将结束标识位移到所有改动过的状态位之后。