CN103297343A

CN103297343A - 一种基于延迟容忍网络的路由方法

Info

Publication number: CN103297343A
Application number: CN2013101845848A
Authority: CN
Inventors: 金海�; 余辰; 涂仲秋; 姚德中
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN103297343B

Abstract

本发明公开了一种基于延迟容忍网络的路由方法，属于计算机网络通信领域。该方法具体为：首先定义了基于节点连接时间和历史相遇频率的消息递交概率，节点携带的每条消息有自己对应的目的节点，当消息所在的源节点相遇另一中继节点时，将源节点将消息传递到目的节点的消息递交概率与中继节点将消息传递到目的节点的消息递交概率进行比较，选取消息递交概率较大者作为该信息的下一个载体，按照此方式，一步一步将信息进行传递直到到达目的节点。本发明在计算消息递交概率时同时考虑了节点连接时间和历史相遇频率，提高了消息的传达效率，并采用消息递交概率作为消息转发的依据，使消息总是沿着递交概率大的方向进行，有效地降低了网络的通信开销。

Description

一种基于延迟容忍网络的路由方法

技术领域

本发明属于计算机网络通信领域，具体涉及一种基于延迟容忍网络(Delay Tolerant Network)的路由方法。

背景技术

当前，Internet在全球异构互联的网络上取得了巨大的成功，TCP/IP协议已经成为互联网络的事实标准。但是随着计算机技术，微电子技术的发展以及军事应用的需要，越来越多的新型移动自组织网络开始出现，如陆地移动网络、外来媒体网络、军事无线自组织网络等。在这些新型网络中存在一些共同的特点：传输延迟高、传输速率低、节点间连接具有间断性、缺少端到端的直接路径、节点能量和存储能力受限严重，这给传统的基于TCP/IP协议的端到端通信技术带来了严峻的挑战。为了应对上述问题，K.Fall等人于2002年在星际网络(IPN)的基础上提出了延迟容忍网络（DTN）的概念及架构。

不同于传统的Internet，延迟容忍网络具有如下主要特征：端到端的传输延迟较高、传输速率低、节点间连接中断频繁，待转发消息需要经历较长的排队等待时间。

在DTN网络的研究领域，路由策略设计是急需解决的关键问题，与传统的Internet相区别，在某一段时间内，存在一条从源端到目的端的完整路径的这种假设不再成立。在DTN网络中，节点的移动，节点的能量消耗等因素都可能会导致节点之间的物理信道不断地被建立和拆除，网络有可能长期处于分割状态。

路由策略的设计在DTN的环境下面临着新的严峻挑战。近年的研究表明，在一些特定的DTN应用场景下，都可以地相应设计出一些有效的DTN路由协议。这些路由协议大多都是基于多副本路由方法，即针对某一条需要发送的消息，通过拷贝生成多个相同副本在网络中进行传递，以提高消息的递交成功比率。这类路由协议的实现无一不需要大量复制待发送的消息，从而消耗大量的节点能量，占用节点存储空间，抢占大量带宽，因此在资源受限的情况下，这类方法不可避免地遭遇性能瓶颈，造成DTN网络节点的拥塞。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于延迟容忍网络的路由方法，提高了消息的传达率，并采用节点对消息的递交概率作为消息转发的依据，使消息总是沿着递交概率大的方向进行，有效降低网络开销。

一种基于延迟容忍网络的路由方法，节点i将其携带的消息t传送到其目的节点d的具体过程为：

当节点i在连续的T个时间单元内未相遇任何节点，则更新节点i将消息t传递给目的节点d的消息递交概率P(i,d)＝P(i,d)_old×γ^T，P(i,d)_old为P(i,d)更新前的值，常数γ∈(0,1]；

当节点i与信息ｔ的目的节点d相遇，则直接将消息t传递给目的节点d，并将消息t从缓存中删除；

当节点i与节点j相遇时，j≠d，节点i执行的消息转发流程如下：

步骤1：节点i与节点j分别计算各自将消息t传递到目的节点d的初始消息递交概率P(i,d)′和P(j,d)′；

P (i, d)' = P {(i, d)}_{old} + [(1 - P {(i, d)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{id}}{(T_{i} + T_{d}) / 2}}],

P (j, d)' = P {(j, d)}_{old} + [(1 - P {(j, d)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{jd}}{(T_{j} + T_{d}) / 2}}];

其中，连接时间因素对递交概率的影响因子c>1，0<P_init<1，P_init*c∈(0,1]，T_id为节点i与目的节点d之间总的连接时间长度，T_jd为节点j与目的节点d之间总的连接时间长度，T_i为节点i与网络中其他节点之间总的连接时间长度，T_j为节点j与网络中其他节点之间总的连接时间长度，T_d为节点d与网络中其他节点之间总的连接时间长度；

步骤2：考虑节点i与节点j之间的消息传递概率P(i,j)以及对方节点的消息递交概率，节点i与节点j分别更新各自将消息t传递到目的节点d的消息递交概率P(i,d)和P(j,d)：

P(i,d)＝P(i,d)′+(1-P(i,d)′)×P(i,j)×P(j,d)′×β，

P(j,d)＝P(j,d)′+(1-P(j,d)′)×P(i,j)×P(i,d)′×β；

P (i, j) = P {(i, j)}_{old} + [(1 - P {(i, j)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{ij}}{(T_{i} + T_{j}) / 2}}],

P(i,j)_old为P(i,j)更新前的值，传递性影响因子0＜β＜1；

步骤3：节点i与j交互递交概率值，若P(i,d)<P(j,d)，则节点i将信息t的标识信息传递给节点j，进入步骤4；否则，节点ｉ继续作为消息t的载体，结束；

步骤4：节点j依据信息t的标识信息判定其是否已缓存消息t，并将判定结果返回给节点ｉ；

步骤5：若判定结果表节点ｊ尚未缓存消息t，进入步骤6，否则，不需传递消息t，直接将消息t从节点ｉ的缓存中删除；

步骤6：节点i将消息t传递给节点j。

进一步地，所述步骤6具体为：

步骤6.1：查看节点ｉ针对消息ｔ的最大副本数M_i，若M_i=1，进入步骤6.2；若M_i>1，进入步骤6.3；

步骤6.2：将消息t传递给j，并将消息t从节点ｉ的缓存中删除，结束；

步骤6.3：节点ｉ将消息t传递给j，设置j针对消息ｔ的最大副本数

表示向上取整，进而更新节点ｉ针对消息ｔ的最大副本数

进一步地，当节点i需要将多条消息传送给节点j，则首先对各条待传递消息按照其对应的消息递交概率从高到低排序，优先传递概率高者。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明考虑节点连接时间并采用消息冗余机制来分发消息，该方法充分考虑了节点连接时间对消息发送成功率的重要影响，通过使用节点连接时间和节点历史相遇频率两个因素相结合的方法来估算消息递交概率。进一步地，同时在消息的传播过程中指定消息在网络中的最大拷贝数，通过比较消息递交概率并结合基于二叉树的方法来分配消息拷贝，实现消息的多路径并行传输，在提高传输性能的同时，有效地控制了网络开销，从而获得更高的消息递交成功比率。

附图说明

图1为本发明路由方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的技术思路为：节点携带有多条消息，每条消息有自己对应的目的节点，当消息所在的源节点相遇另一中继节点时，将源节点将消息传递到目的节点的消息递交概率与中继节点将消息传递到目的节点的消息递交概率进行比较，选取概率较大者作为该信息的下一个载体，按照此方式，一步步将信息进行传递直到到达目的节点。

在信息传递过程中，节点消息递交概率的比较是一个核心技术点，下面将详细对其说明。

设P(a,b)∈(0,1]表示任意节点a与节点b的相遇概率。当两个节点相遇并发生连接时，将彼此交换各自的相遇概率表。称节点a为节点b的对方节点，同样地，节点b为节点a的对方节点。若对方节点与消息的目的节点相遇的概率大于自身与消息的目的节点相遇的概率，则将该消息转发给此相遇的节点，反之则不转发消息。相遇概率按式（1）和（2）进行计算和更新：

如果a,b相遇，则P(a,b)＝P(a,b)_old+(1-P(a,b)_old)×P_init （1），

如果a,b一段时间不相遇，则P(a,b)＝P(a,b)_old×γ^T （2），

其中，P_init∈(0,1]是一个初始化常数，γ∈(0,1]是一个常数，T表示从上一次相遇到当前时间的时间间隔。

若节点a频繁地与节点c相遇，节点c又频繁地与节点b相遇，则节点a与节点b的相遇概率P(a,b)将更新为：

P(a,b)＝P(a,b)_old+(1-P(a,b)_old)×P(a,c)×P(c,b)×β （3），

其中：β∈(0,1]是一个传递因子，它表示传递性对相遇概率的影响大小。

从式（1）～（3）可以看出，任意节点a和节点b相遇越频繁，则相遇概率P(a,b)的值就越大。当两个节点相遇的时候，消息将被转发给和目的节点相遇概率较大的节点。上述算法若想达到较好的网络性能，必须建立在两个节点如果相遇消息就能成功转发的前提下，在这种情况下递交概率就等于相遇概率。但是在现实网络环境下，这种理想的假设会面临窘境。例如，如果两个节点频繁相遇，但每次连接的时间都很短，根据以上的公式来计算，相遇概率仍然会很大，但消息的成功传输都需要一定的时间，上述极短的连接时间可能导致消息无法完整传输。因此仅仅通过节点的相遇概率来决定是否转发消息给相遇节点是不合理的。

由于延迟容忍网络下连接时间对消息能否成功传输的重要影响，本发明同时考虑节点连接时间和历史相遇频率这两个因素来计算和更新消息递交概率，这种概率称为消息递交概率，即消息的成功传输与否不仅与此节点是否与目的节点相遇有关而且还和相遇后与目的节点建立连接的时间长短有关。两节点相遇将通过比较消息的递交概率来决定是否将消息转发给相遇的中继节点。这种方式可以大大减小消息传输中断的概率，进而增大了消息的递交概率，降低了网络的开销。

相遇概率即中继节点与目的节点在移动过程中能够相遇的概率。在传统的概率路由中，通过比较相遇概率的大小来决定是否转发消息给相遇的中继节点。本发明提出消息递交概率的概念。所谓消息递交概率是指消息通过此节点携带能被成功递交到目的节点的概率。消息递交概率用P(r,d)表示，即消息从中继节点r成功递交到目的节点d的概率大小。消息递交概率通过节点历史相遇频率和相遇连接时间共同决定。其中历史相遇频率决定着节点的相遇概率，节点连接时间决定着节点相遇后发生连接并能将消息完整传输的概率。

消息递交概率P(r,d)的计算与更新分为三个过程。首先，消息递交概率具有随相遇频率和连接时间的递增性。当任何两个节点相遇，首先按照式(4)更新自身所持有的消息递交概率表。

P (r, d) = P {(r, d)}_{old} + [(1 - P {(r, d)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{rd}}{(T_{r} + T_{d}) / 2}}] - - - (4)

其中：P(r,d)_old为更新之前的消息递交概率，

T_{rd} = Σ_{i = 1}^{m} t_{rd} (i) = Σ_{i = 1}^{m} (t_{rd_end} (i) - t_{rd_start} (i))

表示中继节点r与目的节点d之间总的连接时间长度，m为节点r与目的节点d在网络运行起始时刻至当前时刻间的相遇次数；

t_{rd_start}(i)和t_{rd_end}(i)分别表示中继节点r与目的节点d之间第i次连接的开始时间和结束时间；

和

分别表示中继节点r和目的节点d与网络中其他节点之间总的连接时间长度；

表示中继节点r与目的节点d之间的连接时间长度占平均总连接时间长度的比值，

连接时间因素对递交概率的影响因子c>1且P_init*c∈(0,1]，初始化常数0<P_init<1。

其次，消息递交概率具有随时间的衰减性。如果一个节点在T个时间单元内内没有和其他任何节点相遇并发生连接，则消息递交概率将按式（5）更新。

P(r,d)＝P(r,d)_old×γ^T （5）

时间单元个数T＝t/t₀，t为经历时间长度（即网络运行起始时刻到当前时刻间的时间长度），t₀为时间单元长度。t₀为经验值，推荐选取20～60s。

再次，消息递交概率具有传递性。当节点r在移动的过程中遇到另一节点c，它们相互交换递交概率表之后，还要考虑点r与节点c之间的消息递交概率P(r,c)，则消息从中继节点递交到目的节点r的递交概率将按照式（6）更新：

P(r,d)＝P(r,d)_old+(1-P(r,d)_old)×P(r,c)×P(c,d)×β （6）

传递性影响因子0＜β＜1。

通过上述三个过程，每个节点都维护一张消息递交概率表，展示该节点能将消息成功递交到目的节点的概率。

在本发明设计的消息副本分发策略中，首先在源节点指定某一消息能产生的最大副本数M(M≥1)，当携带消息的节点a遇到没有任何消息副本的节点b时，如果节点b对消息到目的节点的递交概率大于节点a对消息到目的节点的递交概率，则把消息副本传输给节点b并给节点b分配

份副本传输的任务，节点a自身完成剩下的

份副本传输任务。本发明在某一节点所持有的消息副本数为1时，节点如果遇到对消息的递交概率比自己大的中继节点就将消息副本转发给该中继节点，并不是只有遇到目的节点才转发消息。这种消息副本分发策略通过消息复制的方式，实现消息多路径并行传输，提高消息的递交率。通过在源节点指定消息的最大副本数M(M≥1)，并结合基于二叉树的方法来生成M份副本，从而有效减少网络带宽消耗。

本发明采用节点的递交概率作为消息转发的依据，使消息总是沿着递交概率大的方向进行，避免盲目地向任意中间节点转发消息；同时，传统方法中不同的中继节点将会等待直到遇到目标节点才转发消息，而在本发明方法中，消息不断地从递交概率低的节点转发到递交概率高的节点，直到遇到目标节点。

图1为本发明延迟容忍网络下的路由方法的详细流程图。令节点i携带消息t，信息t的目标节点用符号d表示。

当节点i在连续的T个时间单元内未相遇任何节点，则更新节点i将消息传递给目的节点d的消息递交概率P(i,d)＝P(i,d)_old×γ^T；

P (i, d)' = P {(i, d)}_{old} + [(1 - P {(i, d)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{id}}{(T_{i} + T_{d}) / 2}}],

P (j, d)' = P {(j, d)}_{old} + [(1 - P {(j, d)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{jd}}{(T_{j} + T_{d}) / 2}}];

步骤2：考虑节点i与节点j之间的消息传递概率P(i,j)以及对方节点的初始消息递交概率，节点i与节点j分别更新各自将消息t传递到目的节点d的消息递交概率P(i,d)和P(j,d)；

P(i,d)＝P(i,d)′+(1-P(i,d)′)×P(i,j)×P(j,d)′×β，

P(j,d)＝P(j,d)′+(1-P(j,d)′)×P(j,i)×P(i,d)′×β；

步骤3：节点i与j交互递交概率值，若P(i,d)<P(j,d)，则将信息t的标识信息传递给节点j，进入步骤4；否则，节点ｉ继续作为消息t的载体，结束；

步骤6：节点i将消息t传递给节点j，具体为：

步骤6.3：节点ｉ将消息t传递给j，设置节点j针对消息ｔ的最大副本数

表示向上取整，进而更新节点ｉ针对消息ｔ的最大副本数

节点一般携带多条消息，每条消息的传送按照上述路由方法同时操作完成，这样就可能存在节点ｉ需要将多条消息传递给节点ｊ。由于延迟容忍网络下节点ｉ和节点ｊ连接时间存在多变性，一旦节点ｉ与节点ｊ断开连接，则需要传递的消息就不能成功转发，因此本发明首先按照各消息对应的消息递交概率从高到低对待传递消息进行排序，概率越高者优先转发，以应对连接时间的多变性，提高传送可靠性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于延迟容忍网络的路由方法，其特征在于，节点i将其携带的消息t传送到其目的节点d的具体过程为：

P (i, d)' = P {(i, d)}_{old} + [(1 - P {(i, d)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{id}}{(T_{i} + T_{d}) / 2}}],

P (j, d)' = P {(j, d)}_{old} + [(1 - P {(j, d)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{jd}}{(T_{j} + T_{d}) / 2}}];

P(i,d)＝P(i,d)′+(1-P(i,d)′)×P(i,j)×P(j,d)′×β，

P(j,d)＝P(j,d)′+(1-P(j,d)′)×P(i,j)×P(i,d)′×β；

P (i, j) = P {(i . j)}_{old} + [(1 - P {(i . j)}_{old}) \times P_{init} \times c^{\frac{T_{ij}}{(T_{i} + T_{j}) / 2}}],

P(i,j)_old为P(i,j)更新前的值，传递性影响因子0＜β＜1；

步骤6：节点i将消息t传递给节点j。

2.如权利要求1所述的基于延迟容忍网络的路由方法，其特征在于，所述步骤6具体为：

表示向上取整，进而更新节点ｉ针对消息ｔ的最大副本数

3.如权利要求1或2所述的延迟容忍网络下的路由方法，其特征在于，当节点i需要将多条消息传送给节点j，则首先对各条待传递消息按照其对应的消息递交概率从高到低排序，优先传递概率高者。