CN102882778B

CN102882778B - 节点缓存受限的dtn网络路由方法

Info

Publication number: CN102882778B
Application number: CN201210415239.6A
Authority: CN
Inventors: 李红艳; 于薇; 李建东; 马英红; 杨春刚; 刘伟; 黄鹏宇; 王玺钧; 胡俊伟
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: CN102882778A

Abstract

本发明公开了一种节点缓存受限的DTN网络路由方法。主要解决现有技术的中继节点缓存溢出问题。其实现步骤为：1）找到经过同一中继节点的两条路径，获得网络拓扑；2）根据网络拓扑中各条链路信息，得到两条路径上流入与流出中继节点的数据速率函数；3）根据两条路径上的流入与流出数据速率函数得到两条路径上传输的数据对中继节点缓存的占用量函数；4）根据两个占用量函数之和的最大值判断缓存是否溢出；5）计算为避免溢出需要退让的空间；6）判断是否满足退让条件；7）修改连通时序来退让空间；8）根据连通时序安排数据传输。本发明能够防止中继节点缓存溢出，避免缓存的大部分空间被停留时间较长的数据占据，提高网络吞吐量。

Description

节点缓存受限的DTN网络路由方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及一种迟延容忍网络DTN路由方法，本发明用于解决DTN网络节点缓存受限时的路由问题。

背景技术

迟延容忍网络DTN具有节点资源受限、时延大、链路断续连通等特点，这些特点使得在大部分时间内网络中不存在端到端连通的路径，因此无法一次将数据从源节点传输到目的节点。而传统Internet中使用的TCP/IP协议只有在持续的、双向的端到端连通路径存在的前提下才能平稳运行。显然TCP/IP这一经典协议不再适用于DTN网络，因此需要研究适合DTN网络的路由方法。

因为链路断续连通，所以DTN网络采取存储转发机制，即中继节点收到来自上一跳节点的数据后，先将其存储，待该中继节点与其下一跳节点连通后，再将数据转发给下一跳节点。这种机制对中继节点有限的存储能力提出很大挑战。然而很多已有的针对DTN网络的路由方法都没有考虑节点缓存的大小，是在节点缓存无限的基础上提出的，因此需要研究在节点缓存受限的情况下，适用于DTN网络的路由方法。

如果路由方法不能合理地安排DTN网络的数据传输，一旦中继节点缓存的大部分空间被停留时间较长的数据占据，即中继节点无法及时将缓存内的数据转发给下一跳节点，就易使得中继节点缓存发生溢出，导致中继节点因没有空间接受而丢弃新数据，从而造成数据丢失，节点功率浪费，网络吞吐量下降。

西安电子科技大学的专利申请文件“间断性连通网络中的路由选择方法”（公开号CN 101562564，申请号200910022727.9）公开了一种间断性连通网络中的路由选择方法。该方法针对断续连通的网络链路，选择通过量最大的路径作为最佳路由，从而提高了网络通过量。西安电子科技大学的专利申请文件“基于连通时序的多路径路由方法”（公开号CN 102316546A，申请号201110293702.X）公开了一种基于连通时序的多路径路由方法。该方法针对断续连通的网络链路，选择多条路径进行传输，实现了充分利用链路连通时序，提高了链路利用率和网络通过量。上述方法存在的不足是没有考虑到中继节点缓存的有限性，因此在资源有限的网络中难以很好运行，可能造成中继节点缓存溢出，导致数据丢失、节点功率浪费，使得网络吞吐量下降。

发明内容

本发明的目的在于解决DTN网络节点缓存受限时的路由问题，提出一种节点缓存受限的DTN网络路由方法，防止中继节点缓存溢出，减少数据丢失，减少功率浪费，同时避免中继节点缓存的大部分空间被停留时间较长的数据占据，使得整个网络的数据流动性增强，达到网络吞吐量的提高。

本发明实现上述目的的技术思路是：当一条路径给另一条路径退让空间能够增加流经中继节点的数据量时，通过修改连通时序，实现合理安排各条路径的数据传输。其具体步骤包括如下：

（1）找到网络中经过同一中继节点的两条路径，定义先连通的路径为路径1，后连通的路径为路径2，获得网络拓扑；

（2）依据历史信息获取网络拓扑中两条路径上的链路的连通时序及链路速率，分别得到路径1和路径2上流入中继节点的数据速率函数及流出中继节点的数据速率函数

（3）对路径1上流入中继节点的数据速率函数与流出中继节点的数据速率函数之差进行积分，对路径2上流入中继节点的数据速率函数与流出中继节点的数据速率函数之差进行积分，分别得到路径1和路径2上传输的数据对中继节点缓存的占用量函数C₁(t)、C₂(t)；

（4）计算两个占用量函数C₁(t)与C₂(t)之和的最大值，若该最大值大于中继节点缓存容量则继续执行步骤（5）；否则，执行步骤（8）；

（5）计算路径1需要给路径2退让的空间C_l：

C_{l} = C_{1} (t_{a}) + C_{n} - C_{r}^{\max},

其中，C₁(t_a)为t_a时刻路径1上传输的数据对中继节点缓存的占用量，t_a为C₂(t)开始增加的时刻，为中继节点的缓存容量，C_n为路径2上的数据传输需要的存储空间，其表示式为：

C_{n} = \{\begin{matrix} C_{2}^{\max} & t_{d} &GreaterEqual; t_{a}^{'} \\ {&Integral;}_{t_{a}}^{t_{d}} [v_{in}^{2} (t) - v_{out}^{2} (t)] dt + \max {0, f (t_{d}, t_{a}^{'})} & t_{a} \leq t_{d} < t_{a}^{'} \\ \max {0, f (t_{d}, t_{a}^{'})} & t_{d} < t_{a} \end{matrix},

其中为C₂(t)的最大值，t_a为C₂(t)开始增加的时刻，t′_a为C₂(t)停止增加的时刻，t_d为C₁(t)开始减小的时刻，

f (t_{d}, t_{a}^{'}) = {&Integral;}_{t_{d}}^{t_{a}^{'}} {[v_{in}^{2} (t) - v_{out}^{2} (t)] + [v_{in}^{1} (t) - v_{out}^{1} (t)]} dt;

（6）分别计算如果路径1退让空间后将损失的传输数据量F₁和路径2获得退让空间后能够增加的传输数据量F₂，若F₁小于F₂，则执行步骤（7）；否则，执行步骤（8）；

（7）路径1通过缩短其连通时序中链路连通时间的长度来给路径2退让空间；

（8）根据两条路径上的链路的连通时序安排数据传输，即当链路的连通时间开始时传输数据，当链路的连通时间结束时停止传输数据。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明采用计算两条路径对中继节点缓存占用量函数之和的最大值的方法，解决了现有技术中中继节点缓存容易发生溢出的问题，减少了中继节点处的数据丢失，减少了节点功率的浪费，节省了资源。

第二，本发明采用路径之间退让空间的方法来合理安排各条路径的数据传输，解决了现有技术中中继节点缓存的大部分空间被停留时间较长的数据占据的问题，使得整个网络的数据流动性增强，达到网络吞吐量的提高。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明实施例的网络拓扑图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，本发明的具体实施方式如下：

步骤1，找到网络中经过同一中继节点的两条路径，定义先连通的路径为路径1，后连通的路径为路径2，获得网络拓扑。

在本发明实施例中，网络中存在两个源节点S₁、S₂，一个中继节点R和两个目的节点D₁、D₂，共五个节点。源节点S₁与中继节点R、中继节点R与目的节点D₁之间分别存在链路S₁R和链路RD₁，构成了路径S₁RD₁。源节点S₂与中继节点R、中继节点R与目的节点D₂之间分别存在链路S₂R和链路RD₂，构成了路径S₂RD₂。因此找到了经过同一中继节点R的两条路径为路径S₁RD₁和路径S₂RD₂，定义先连通的路径S₁RD₁为路径1，后连通的路径S₂RD₂为路径2，获取的网络拓扑如图2所示。

步骤2，依据历史信息获取网络拓扑中两条路径上的链路的连通时序及链路速率，分别得到路径1和路径2上流入中继节点的数据速率函数及流出中继节点的数据速率函数

在本发明实施例中，依据历史信息获取一个传输周期T内路径1上流入中继节点的链路S₁R、路径2上流入中继节点的链路S₂R、路径1上流出中继节点的链路RD₁、路径2上流出中继节点的链路RD₂的连通时序及链路速率，分别得到[0,T]内路径1和路径2上流入中继节点的数据速率函数及流出中继节点的数据速率函数

其中分别为链路S₁R、S₂R的连通时刻，分别为链路RD₁、RD₂的连通时刻，分别为链路S₁R、S₂R的断开时刻，分别为链路RD₁、RD₂的断开时刻，a、b、c、d分别为分别在连通时间内的数据速率的大小。

步骤3，对路径1上流入中继节点的数据速率函数与流出中继节点的数据速率函数之差进行积分，对路径2上流入中继节点的数据速率函数与流出中继节点的数据速率函数之差进行积分，分别得到路径1和路径2上传输的数据对中继节点缓存的占用量函数C₁(t)、C₂(t)：

C_{1} (t) = {&Integral;}_{0}^{t} v_{in}^{1} (t) - v_{out}^{1} (t) dt 0 \leq t \leq T,

C_{1}^{\max} = \max_{0 \leq t \leq T} C_{1} (t) \leq C_{r}^{\max},

C_{2} (t) = {&Integral;}_{0}^{t} v_{in}^{2} (t) - v_{out}^{2} (t) dt 0 \leq t \leq T,

C_{2}^{\max} = \max_{0 \leq t \leq T} C_{2} (t) \leq C_{r}^{\max},

其中分别为C₁(t)、C₂(t)在一个周期内的最大值，为中继节点的缓存容量，记C₁(t)开始减小的时刻为t_d，记C₂(t)开始增加的时刻为t_a，记C₂(t)停止增加的时刻为t′_a。

步骤4，判断中继节点缓存是否会溢出。

计算两个占用量函数C₁(t)与C₂(t)之和的最大值，若该最大值大于中继节点缓存容量则继续执行步骤5；否则，执行步骤8；

在本发明实施例中，计算两个占用量函数之和的最大值若说明会发生溢出，则继续执行步骤5；否则说明不会发生溢出，执行步骤8。

步骤5，当中继节点缓存可能溢出时，需要路径1退让一定的空间给路径2来防止溢出，计算出这个退让空间的大小。

在本发明实施例中，计算路径1需要给路径2退让的空间C_l，计算公式如下：

C_{l} = C_{1} (t_{a}) + C_{n} - C_{r}^{\max},

C_{n} = \{\begin{matrix} C_{2}^{\max} & t_{d} &GreaterEqual; t_{a}^{'} \\ {&Integral;}_{t_{a}}^{t_{d}} [v_{in}^{2} (t) - v_{out}^{2} (t)] dt + \max {0, f (t_{d}, t_{a}^{'})} & t_{a} \leq t_{d} < t_{a}^{'} \\ \max {0, f (t_{d}, t_{a}^{'})} & t_{d} < t_{a} \end{matrix},

f (t_{d}, t_{a}^{'}) = {&Integral;}_{t_{d}}^{t_{a}^{'}} {[v_{in}^{2} (t) - v_{out}^{2} (t)] + [v_{in}^{1} (t) - v_{out}^{1} (t)]} dt .

步骤6，判断是否满足退让条件。

退让空间的路径上将损失一部分传输数据量，而获得退让空间的路径上能够增加一部分传输数据量，退让空间的最终目的是为了提高网络的吞吐量，因此需要权衡损失的传输数据量和增加的传输数据量，只有损失的小于增加的传输数据量，才能实现网络吞吐量的提高，才满足退让条件，为此需要计算路径1退让空间后将损失的传输数据量F₁和路径2获得退让空间后能够增加的传输数据量F₂，其步骤如下：

6a）计算路径1退让空间后将损失的传输数据量F₁：

F_{1} = {&Integral;}_{t_{1}^{*}}^{t_{e}^{1}} v_{in}^{1} (t) dt,

其中，为路径1上流入中继节点的数据速率函数，为函数C₁(t)与函数的交点中的横坐标最小的点，为C₁(t)的最大值，C_l为路径1需要给路径2退让的空间，为路径1上流入中继节点的链路的断开时刻。

6b）计算路径2获得退让空间后能够增加的传输数据量F₂，计算公式如下：

F_{2} = {&Integral;}_{t_{2}^{*}}^{t_{e}^{2}} v_{in}^{2} (t) dt,

其中，为路径2上流入中继节点的数据速率函数，为函数C₂(t)与函数的交点中的横坐标最小的点，为C₂(t)的最大值，C_n为路径2上的数据传输需要的存储空间，为路径2上流入中继节点的链路的断开时刻。

6c）比较损失的传输数据量F₁与增加的传输数据量F₂的大小，若F₁小于F₂，则执行步骤7；否则，执行步骤8。

步骤7，修改连通时序。

路径1为了给路径2退让空间，必须通过缩短其连通时序中链路连通时间的长度来减少路径1上的传输数据量。

在本发明实施例中，路径1分别缩短连通时序中链路S₁R的连通时间和链路RD₁的连通时间的长度来给路径2退让空间，即将连通时间修改为其中为函数C₁(t)与函数的交点中的横坐标最小的点，将连通时间修改为其中

t_{3}^{*} = \frac{a (t_{1}^{*} - t_{s}^{1})}{c} + t_{s}^{3} .

步骤8，根据两条路径上的链路的连通时序安排数据传输，即当链路的连通时间开始时传输数据，当链路的连通时间结束时停止传输数据。

以上是本发明的具体实例，不构成对本发明的限制，显然在本发明的思想下可以进行不同的变更，但这些均在本发明的保护之列。

Claims

1.一种节点缓存受限的DTN网络路由方法，其步骤包括如下：

(1)找到网络中经过同一中继节点的两条路径，定义先连通的路径为路径1，后连通的路径为路径2，获得网络拓扑；

(2)依据历史信息获取网络拓扑中两条路径上的链路的连通时序及链路速率，分别得到路径1和路径2上流入中继节点的数据速率函数及流出中继节点的数据速率函数

其中分别为路径1、路径2上流入中继节点的链路的连通时刻，分别为路径1、路径2上流出中继节点的链路的连通时刻，分别为路径1、路径2上流入中继节点的链路的断开时刻，分别为路径1、路径2上流出中继节点的链路的断开时刻，a、b、c、d分别为分别在连通时间内的数据速率的大小；

(3)对路径1上流入中继节点的数据速率函数与流出中继节点的数据速率函数之差进行积分，对路径2上流入中继节点的数据速率函数与流出中继节点的数据速率函数之差进行积分，分别得到路径1和路径2上传输的数据对中继节点缓存的占用量函数C₁(t)、C₂(t)；

(4)计算两个占用量函数C₁(t)与C₂(t)之和的最大值，若该最大值大于中继节点缓存容量则继续执行步骤(5)；否则，执行步骤(8)；

(5)计算路径1需要给路径2退让的空间C_l：

C_{l} = C_{1} (t_{a}) + C_{n} - C_{r}^{\max},

C_{n} = \{\begin{matrix} C_{2}^{\max} & t_{d} &GreaterEqual; t_{a}^{'} \\ {&Integral;}_{t_{a}}^{t_{d}} [v_{in}^{2} (t) - v_{out}^{2} (t)] dt + \max {0, f (t_{d}, t_{a}^{'})} & t_{a} \leq t_{d} < t_{a}^{'} \\ \max {0, f (t_{d}, t_{a}^{'})} & t_{d} < t_{a} \end{matrix},

其中为C₂(t)的最大值，t_a为C₂(t)开始增加的时刻，t'_a为C₂(t)停止增加的时刻，t_d为C₁(t)开始减小的时刻，

f (t_{d}, t_{a}^{'}) = {&Integral;}_{t_{d}}^{t_{a}^{'}} {[v_{in}^{2} (t) - v_{out}^{2} (t)] + [v_{in}^{1} (t) - v_{out}^{1} (t)]} dt;

(6)分别计算如果路径1退让空间后将损失的传输数据量F₁和路径2获得退让空间后能够增加的传输数据量F₂，若F₁小于F₂，则执行步骤(7)；否则，执行步骤(8)；

所述路径1退让空间后将损失的传输数据量F₁，按如下公式进行计算：

F_{1} = {&Integral;}_{t_{1}^{*}}^{t_{e}^{1}} v_{in}^{1} (t) dt,

式中，为路径1上流入中继节点的数据速率函数，为函数C₁(t)与函数的交点中的横坐标最小的点，为C₁(t)的最大值，C_l为路径1需要给路径2退让的空间，为路径1上流入中继节点的链路的断开时刻；

所述路径2获得退让空间后能够增加的传输数据量F₂，按如下公式进行计算：

F_{2} = {&Integral;}_{t_{2}^{*}}^{t_{e}^{2}} v_{in}^{2} (t) dt,

式中，为路径2上流入中继节点的数据速率函数，为函数C₂(t)与函数的交点中的横坐标最小的点，为C₂(t)的最大值，C_n为路径2上的数据传输需要的存储空间，为路径2上流入中继节点的链路的断开时刻；

(7)路径1通过缩短其连通时序中链路连通时间的长度来给路径2退让空间；

(8)根据两条路径上的链路的连通时序安排数据传输，即当链路的连通时间开始时传输数据，当链路的连通时间结束时停止传输数据。