CN103024855B

CN103024855B - 机会网络中一种基于节点激励的信息转发方法

Info

Publication number: CN103024855B
Application number: CN201210504402.6A
Authority: CN
Inventors: 刘期烈; 于季弘; 李云; 曹傧
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing Information Technology Designing Co ltd
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN103024855A

Abstract

本发明公开一种资源受限的机会网络中一种基于节点激励的信息转发方法。针对已有的节点激励存在的没有考虑网络中节点缓存的占用及能量消耗，造成节点盲目性合作等问题，本发明综合考虑节点处空闲缓存空间、剩余能量和自身拥有货币值，以及消息的大小和剩余生存时间来设置定价函数。以此科学地刻画节点，作为一个理性实体，随环境属性的变化，合作意愿的变化，并根据节点追求自身利益最大化的本性，实现合理地激励节点合作。并且当节点剩余能量稀少时，可以延长节点的网络寿命；当节点空闲缓存空间较小时，有助于减少网络拥塞，因此可以有效地降低能量消耗，提高网络的平均传输时延和交付率。

Description

机会网络中一种基于节点激励的信息转发方法

技术领域

本发明涉及机会网络，尤其涉及机会网络中节点信息转发。

背景技术

机会网络(opportunistic networks)被广泛应用于车载通信，深空通信，环境监测等网络场景。不同于传统网络，在机会网络中，消息的源节点和目的节点之间不存在可靠的端到端路径。机会网络的路由机制主要依靠移动节点合作，以“存储-携带-转发”的模式工作。然而，由于机会网络中节点的资源(包括能量和缓存)有限，为了节约资源，节点会拒绝帮助其它节点转发消息。这种自私行为使得现有的路由机制无法正常工作，从而导致网络性能退化。因此机会网络中的节点自私问题是一个迫切需要解决的问题。

目前，解决节点自私问题的研究工作主要集中于设计有效的节点激励策略。现有的节点激励策略主要分为三类：基于Reputation的策略，基于tit-for-tit(TFT)的策略和基于Credit的策略。

基于Reputation的策略 (参见文献：RADON: reputation-assisteddata forwarding in opportunistic networks. ACM MobiOpp, 2010: 8-14) 是根据节点的行为来评价节点是否可以被信任。每个节点都维护一个信誉表，里面存放其它节点的信誉值。在转发数据时，选择信誉值较大的节点作为下一跳节点。基于TFT的策略 (参见文献：U Shevade, H Song. Incentive-Aware Routing inDTNs. IEEE ICNP, 2008: 238-247) 主要是根据互惠原则，一个节点帮助其它节点转发的数据量与其它节点帮助这个节点转发的数据量相同。基于Credit的策略 (参见文献：B Chen, M Chan. MobiCent: a Credit-Based Incentive System for DisruptionTolerant Network. IEEE INFOCOM, 2010: 14-19) 主要是把数据转发过程模型化为一种可以定价的交易。并且引入了虚拟货币用以在交易中进行支付。消息投递成功后，作为回报，消息的源节点要向帮助转发的中继节点支付虚拟货币。

然而以上激励策略存在很多不足：由于机会网络的网络环境复杂多变，基于Reputation的策略，很难有效地监听节点的行为，并且不能有效地刺激低信誉节点合作。而在基于TFT的策略中，节点间只能实现相同业务量的传输，因此该策略只适用于业务完全对称的网络。但是在现实应用中，大部分业务都是非对称业务，该策略难以实现较好的网络性能。在基于Credit的策略中，网络拓扑是一种静止的，从节点移动轨迹中提取生成的接触图，并且假设节点具有全局知识。该策略应用在机会网络中，。

同时，上述激励策略只是一味地追求激励节点合作，并没有深入考虑节点的自身状态 (资源和拥有的虚拟货币) 对节点行为的影响，具有一定的盲目性。这反映在当节点的资源匮乏时，已有的激励策略不仅不能提升网络性能，还会因资源的过度使用，使得节点因能量耗尽而无法实现正常通信或因发生拥塞而造成丢包，从而导致网络性能退化。

发明内容

本发明所要解决的问题是：节点的自私行为导致现有的路由机制无法正常工作，从而造成网络性能退化。同时已有的节点激励算法存在很多局限性，同时未能考虑网络中节点缓存的占用及能量消耗的问题，造成节点盲目性地合作。在资源受限的机会网络，这些算法并没有实质性地提高网络性能。针对这些问题，本发明提出一种基于买卖模型的节点激励策略，综合考虑节点资源和自身状态设置定价函数，从而合理地激励节点合作，同时有效地降低能量消耗，提高网络的平均传输时延和交付率。

本发明解决上述问题的技术方案是：根据网络中影响节点行为的主要环境属性，确定节点的合作意愿；将消息转发过程抽象为单轮买卖模型，并确定买卖规则，建立出价函数和要价函数；采用单副本概率路由作为路由机制，建立节点相遇后的消息转发。本发明“资源受限的机会网络中一种基于买卖模型的节点激励算法”具体包括以下步骤：

获取节点的剩余资源，节点的财富以及消息属性等网络环境属性；根据买卖规则，买方出价函数，卖方要价函数建立买卖模型；当节点S中待发送消息M的目的节点与中间节点R的相遇概率大于节点S与M的目的节点的相遇概率，节点S根据买卖模型中出价函数计算发送消息M的价格b；节点S发送请求信息到节点R，请求信息包括的内容有：消息M的id(身份识别码)，目的节点id，消息大小和节点S的出价b。节点R收到请求信息后，根据请求信息判断是否是消息的目的节点，如果节点R是第一次收到消息M并且不是消息M的目的节点，节点R根据要价函数计算要价s，比较要价s和出价b，如果节点R的要价小于节点S的出价，节点R将确认信息反馈给节点S表示节点R愿意接收消息M，确认信息包括消息的id和成交的价格，节点S收到服务确认后发送消息M，完成消息M的转发，并节点S扣除p单位虚拟货币，节点R增加p单位虚拟货币，节点S在自己的缓存中删除消息。

更进一步，节点的剩余资源包括节点的剩余空间百分比和节点的剩余能量百分比，根据节点i当前时刻的空闲缓存空间B_fi和初始缓存空间B_maxi，调用公式：计算节点i的剩余空间百分比。根据节点i当前时刻的剩余能量E_Ci和初始能量E_maxi，根据公式：计算节点i的剩余能量百分比。

根据节点i在时刻t所拥有的虚拟货币V_i(t)及相应门限值和，将节点的财富表示为：

根据消息的大小l，发送节点S的剩余空间百分比B_S，消息的剩余生存时间T_res和消息的生存时间T_TTL，节点S调用公式：，确定要价。其中，ε和ω是权重值，表示节点对于自身缓存空间和消息剩余生存时间的偏好，且满足ε+ω=1。。根据消息的大小l，节点R当前的剩余资源对定价的影响R_R，R的财富W_R，调用公式：s=l·R_R·W′_R确定买方的出价。其中：，R_R=α(1-B_R)+β(1-E_R)，其中B_R,E_R分别是接收节点R的剩余空间百分比和剩余能量百分比，α,β是加权值。

通过综合考虑影响节点行为的环境属性，在买卖模型下，合理定义定价函数，可以使得节点在自身资源允许的情况下尽量地参与到消息的转发过程中，在提高消息交付率、减少消息交付时延的同时，也降低了网络中的能量消耗。

附图说明：

图1为本发明中节点激励算法构成示意图；

图2为本发明中环境属性构成示意图；

图3为本发明中买卖模型构成示意图；

图4为本发明中消息转发过程示意图；

图5为消息转发过程中，买方（发送节点）操作流程图；

图6为消息转发过程中，卖方（中继接收节点）操作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

如图1所示为资源受限的机会网络中基于买卖模型的节点激励算法的流程图。主要包括以下步骤，获取网络环境属性；建立买卖模型；节点消息转发。

图2为环境属性构成示意图。本发明主要考虑以下属性包括：节点的剩余资源，节点的财富以及消息属性。

1) 获取节点的剩余资源，节点的剩余资源是当前时刻节点所拥有的资源，包括节点的空闲缓存空间和节点的剩余能量，其中前者用剩余空间百分比表示，后者用剩余能量百分比表示。

根据节点i当前时刻的空闲缓存空间B_fi和初始缓存空间B_maxi，调用公式：计算节点i的剩余空间百分比。剩余空间百分比是当前时刻节点的空闲缓存空间大小与初始缓存空间大小之比，表示节点存储消息的能力。B_i表示节点i的剩余空间百分比，节点i的剩余空闲百分比越大，表示节点存储能力越强，此时节点越愿意合作并帮助其它节点转发消息。

根据节点i当前时刻的剩余能量E_Ci和初始能量E_maxi，根据公式：计算节点i的剩余能量百分比。其中，E_i表示节点i的剩余能量百分比，剩余能量百分比是当前时刻节点的剩余能量值与节点的初始能量值之比，表示节点转发消息的能力。节点i的剩余能量百分比越大，表示节点可以发送的消息越多，此时节点合作意愿越强烈，越愿意帮助其它节点转发消息。

2) 节点的财富与当前时刻节点所拥有的虚拟货币值有关。当节点最初进入网络时，网络对节点进行初始化，并根据节点业务功能不同，为节点分配不同量的虚拟货币。虚拟货币即可用于支付服务，又可以实现计时器的功能。一旦一个节点拥有的虚拟货币为零，其它节点会直接拒绝为此节点服务。

因为节点具有不同的财富时会表现出不同的转发意愿，所以根据节点现有的虚拟货币值，将节点分为三种状态：富裕状态，中等状态，贫困状态。令V(0)为节点的初始货币值，V_i(t)为时刻t节点i所拥有的虚拟货币。和分别是两个判决门限，用于判断节点所处的状态。令表示前n次成交价格的平均值，m表示节点缓存中存贮的消息个数。因此根据消息当前时刻货币可以用于支付消息转发服务的次数，来确定判决门限，最优可取，。如果，即节点当前拥有的货币值足够转发缓存中2/3的消息，则表示节点处于富裕状态；如果，即节点当前拥有的货币值不足以转发缓存中1/3的消息则表示节点处于贫困状态；否则表示节点处于中等状态。

将节点的财富表示为：

。处于贫困状态的节点没有足够的财富转发消息，因此，不能实现转发消息。

3) 消息属性主要包括消息的大小和消息的剩余生存时间。在相同业务功能的节点上，能量消耗与其收发的消息大小和消息数量有关。消息越大，传送所需的时间越长，消耗的能量越多。消息的剩余生存时间是指从当前时刻直到消息过期这段时间长度。消息的剩余生存时间反映了消息的紧急程度。剩余生存时间越短，表示消息越紧急，越应该尽快转发到目的节点。

建立买卖模型：本发明将消息转发过程转化为两人单轮买卖过程。当相遇的两个节点中存在自私节点时，每个消息的转发都需要通过买卖来实现。如图3所示为本发明中买卖模型主要包括买卖规则，买方出价函数，卖方要价函数。

其中，发送消息节点作为买方，接收消息节点作为卖方。在买卖过程中，买方通过支付虚拟货币的方式购买卖方的转发服务。其中，转发服务的价格为每字节数据量一单位虚拟货币。在买卖过程中，双方知道对方的价格，但并不了解买卖双方各自的资源和财富状况。根据影响节点行为的属性，以定价函数来表示发送节点的转发意愿和中继节点的合作意愿，定价函数包括发送节点的出价函数和中继节点的要价函数。

1) 建立买卖规则：初始阶段，卖方和买方（即接收方和发送方）根据定价机制定价，然后分别出价。买卖规则为：假设发送方和接收方的出价分别为b和s，如果b≥s，则买卖双方达成交易，最终发送方对接收方此次服务所支付的报酬是p=0.5(b+s)单位虚拟货币；如果b＜s，则双方交易失败。当以上任意一种情况出现时，本次交易结束。买卖双方继续尝试交易下一个消息。

2) 根据定价机制，确立买方出价函数。当发送消息时，作为买方，发送节点S对消息的定价，主要考虑自身的空闲缓存空间，自身的财富情况以及此消息的消息属性。节点的空闲缓存空间越小，为了减缓缓存压力，节点发送消息的意愿就越强烈。而消息的剩余生存时间越小，消息越紧急，节点应该尽快将其转发。同时，如果一个节点处于富裕状态，那么节点愿意以一个相对高的价格转发消息。因此，建立买方出价函数，根据公式：

b = l \cdot [ϵ \cdot (1 - B_{S}) + ω \cdot (1 - \frac{T_{res}}{T_{TTL}})] \cdot W_{S}^{'}

计算出价b。

其中，l是消息的大小，B_S是发送节点S的剩余空间百分比，T_res 和T_TTL分别是消息的剩余生存时间和生存时间。而ε和ω是两个权重值，表示节点对于自身缓存空间和消息剩余生存时间的偏好，且满足ε+ω=1。，W_S是发送节点S的财富。

由上述公式可知，节点会尽快地且诚实地转发消息，因为随着消息在节点处停滞的时间变长，消息的剩余生存时间变小，此时节点要发送消息，所支付的报酬会较高。同时消息长时间占用节点的缓存空间，使得节点的空闲缓存空间变小，导致节点在转发其它消息时，需要支付较高的报酬。相反，如果节点尽快转发其它节点的消息，那么空闲缓存空间会变大，此时节点可以以相对低的价格实现其它消息的转发。

3) 确立卖方要价函数。作为卖方，接收节点R在为其转发服务定价时，主要考虑R自身的资源和财富。作为一个理性实体，当节点R自身资源短缺时，为了节省资源，其转发意愿会降低。但是，当节点处于贫困状态时，节点需要通过转发其它节点的消息来获得虚拟货币，以便保证自身消息的转发，所以相对于节点处于其它状态，在相同的资源情况下，节点处于贫困时的合作意愿相对比较强烈。因此，节点处于贫困时，会综合考虑自身资源和财富进行定价；否则，仅考虑节点自身资源的影响。建立卖方的要价函数，根据公式：

s=l·R_R·W′_R，确定要价。

其中，l是消息的大小，，W_R是节点R的财富。R_R表示节点R当前的剩余资源对定价的影响，根据公式：R_R=α(1-B_R)+β(1-E_R)获取。其中B_R,E_R分别是接收节点R的剩余空间百分比和剩余能量百分比。而α,β是两个加权值。由于节点的剩余缓存空间的变化是可逆的，而能量是严格递减的，并且只要二者之一变小，节点的合作意愿就会降低，所以可以采用自适应加权（也可采用本领域技术人员熟知的其他方式进行加权）。当剩余空间百分比小于剩余能量百分比时，前者对价格的影响较大；反之亦然。于是可根据如下公式确定加权值：

α = \frac{(1 - B_{R})}{(1 - B_{R}) + (1 - E_{R})}

β = \frac{(1 - E_{R})}{(1 - B_{R}) + (1 - E_{R})}

由要价函数可知，节点在自身资源允许的情况下，会尽量接收其它节点的消息。原因是，如果节点自私地仅转发自己的消息而不帮助其它节点转发消息，那么节点的虚拟货币会快速地消耗，同时由于自身消息的持续转发，节点的空闲缓存空间会变大，导致节点的要价变低，反而可以促进交易的成功。而当节点的资源严重不足时，节点的要价会很高，可能导致交易失败，但是却可以减缓资源的压力，有助于避免拥塞，同时促进利用资源相对较多的节点转发消息。

消息转发过程。图4描述了消息转发的一般过程。在消息转发过程中，节点按照单副本概率路由算法转发消息。其中，节点相遇概率与PROPHE (参见文献：A. Lindgren, A. Doria, O Schelén. Probabilistic Routing in Intermittently Connected Networks.ACM SIGMOBLE Mobile Computing and Communications Review, 2003, 7 (3): 19-20) 算法中的相遇概率预测相同。为了避免产生消息回路，消息每转发到一个节点，这个节点就把自己的ID(身份标识码)写入消息中。一旦节点双方达成交易，发送节点就开始发送数据消息。

图5，图6分别表示消息转发过程中发送节点和接收节点的操作流程。具体的转发过程描述如下：

1) 准备阶段：假设M是节点S缓存中的消息，当节点S与节点R相遇时，如果节点R与S处待发送的消息M的目的节点的相遇概率大于节点S与M的目的节点的相遇概率，那么节点S根据出价函数计算消息M的价格b，即，并准备将消息M转发给节点R。

2) 服务请求：节点S首先发起会话，然后发送请求信息到节点R，请求信息包括的内容有：消息M的id(身份识别码)，目的节点id，消息大小和节点S的出价b。

3) 服务确认：节点R收到请求信息后，如果节点R确认第一次收到消息M并且不是消息M的目的节点，那么节点R根据交合函数计算要价s，s=l·R_R·W′_R。如果节点R的要价小于等于节点S的出价，那么节点R将确认信息反馈给节点S，确认信息包括消息的id和成交的价格，表示节点R愿意接收消息M。

4) 发送消息：节点S收到确认信息后，开始发送消息M。

5) 更新：在完成消息M的转发后，从节点S中扣除p单位虚拟货币（根据公式p=0.5(b+s)确定），同时节点R增加p单位虚拟货币，然后节点S在自己的缓存中删除消息M。

本发明通过综合考虑影响节点行为的环境属性，在买卖模型下，合理定义定价函数，可以使得节点在自身资源允许的情况下尽量地参与到消息的转发过程中，在提高消息交付率、减少消息交付时延的同时，也降低了网络中的能量消耗。

Claims

1.机会网络中一种基于节点激励的信息转发方法，其特征在于，获取节点的网络环境属性，当发送节点S中待发送消息M的目的节点与中间节点R的相遇概率大于发送节点S与M的目的节点的相遇概率，发送节点S根据消息的大小l，发送节点的剩余空间百分比B_S，消息的剩余生存时间T_res和消息的生存时间T_TTL，调用公式：计算发送消息M的发送方出价b，其中，ε和ω是权重值，且满足ε+ω＝1，发送节点S发送请求信息到中间节点R；中间节点R收到请求信息后，根据请求信息判断是否是消息的目的节点，如果中间节点R不是消息M的目的节点，中间节点R根据消息的大小l，中间节点R当前的剩余资源对定价的影响R_R，R的财富W_R，调用公式：s＝l·R_R·W_R'确定接收方要价s，其中：

R_R＝α(1-B_R)+β(1-E_R)，B_R,E_R分别是节点R的剩余空间百分比和剩余能量百分比，α、β是加权值；比较要价s和出价b，如果节点S的出价b大于等于节点R的要价s，节点R将确认信息反馈给节点S表示节点R愿意接收消息M，节点S收到确认信息后向节点R发送消息M，节点S扣除p单位虚拟货币，节点R增加p单位虚拟货币，节点S在自己的缓存中删除消息M，其中，虚拟货币p＝0.5(b+s)为接收信息的价格。

2.根据权利要求1所述的信息转发方法，其特征在于，所述网络环境属性包括剩余资源，节点的财富以及消息属性，其中，节点的剩余资源包括节点的剩余空间百分比和节点的剩余能量百分比。

3.根据权利要求1所述的信息转发方法，其特征在于，根据公式：确定节点状态判决门限和根据节点i在时刻t所拥有的虚拟货币V_i(t)及相应节点状态判决门限和将节点的财富表示为：

其中，表示前n次成交价格的平均值，m表示节点缓存中存贮的消息个数。

4.根据权利要求1所述的信息转发方法，其特征在于，根据节点i当前时刻的空闲缓存空间B_fi和初始缓存空间B_maxi，调用公式：计算节点i的剩余空间百分比；根据节点_i当前时刻的剩余能量E_Ci和初始能量E_maxi，根据公式：计算节点i的剩余能量百分比。

5.根据权利要求1所述的信息转发方法，其特征在于，根据公式：

α = \frac{(1 - B_{R})}{(1 - B_{R}) + (1 - E_{R})}, β = \frac{(1 - E_{R})}{(1 - B_{R}) + (1 - E_{R})}

确定加权值。