CN103312619B - 一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拥塞控制方法，其包括步骤有：节点发生拥塞时，拥塞节点计算每个消息的存储价值，删除最小存储价值的消息；拥塞节点选择具有最小转发概率的消息向邻居节点广播转移消息的请求；邻居节点空闲缓存空间如果能够满足待转移消息的要求，并且待转移消息的存储价值如果大于邻居节点中其他消息的存储价值中的最小值，则邻居节点计算待转移消息的接收价值并回复给拥塞节点；拥塞节点接收邻居节点的回复，并将待转移消息转发到具有最大接收价值的邻居节点，删除该消息。使用本发明方法，可以明显提高消息的到达率，并一定程度上减小消息的端到端时延。

Description

一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法

技术领域

本发明涉及机会网络中一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法，拥塞节点删除具有最小存储价值的消息，并向邻居节点转移具有最小转发概率的消息。主要用于提高消息的到达率，并一定程度上减小消息的端到端时延。属于无线网络技术领域。

背景技术

机会网络是一种新型的自组织网络，节点间链路断裂频繁，通信双方很难找到一条完整的端到端链路，节点之间采用“存储-携带-转发”的方式进行消息的传递。拥塞控制是机会网络关键技术之一，在节点发生拥塞时，首先应该合理的选择消息进行删除；其次应该将某些消息转移到没有发生拥塞的节点，避免这些消息之前的传递工作被浪费。如何在节点拥塞时保证消息的到达率及减小消息的端到端时延是拥塞控制方法研究的重点。

典型的拥塞控制策略主要有：拥塞预防、流量控制和缓存空间管理。

1．拥塞预防是指为了防止拥塞的发生，可以在设计网络时增加一定的策略来对网络中数据的传输进行控制。这种策略具有较大的局限性，不够灵活，限制了网络节点的加入和退出。

2.流量控制就是对相邻节点之间的数据流进行调整。采用多路径路由方法，在主路径上节点发生拥塞时，使用备用路径来绕过发生拥塞的节点，从而缓解网络中的拥塞。但是这种方法只是改变了网络中数据的流向，缓解了某些节点的拥塞，并没有减少整个网络中的数据量。但是机会网络中消息是基于相遇机会进行传递的，节点间不能事先确定一条完整的链路，所以在机会网络中很难采用多路径的方式来使数据流绕开产生拥塞的节点，所以该策略性能较差。

3.缓存空间管理就是在节点发生拥塞时选择部分消息丢弃或转移。丢弃和转移消息都是为了减轻节点的拥塞，但是单纯的丢弃消息会降低消息到达率，并且该策略要求合理的选择要删除的消息。该策略能够有效的解除节点的拥塞状况。

发明内容

本发明的目的是，提出一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法，能够提高消息的到达率，降低拥塞的影响。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法，包括如下步骤：

步骤一，拥塞节点根据每个消息的转发概率和TTL值计算该消息的存储价值，删除具有最小存储价值的消息。转发概率越小并且TTL值越小的消息，其存储价值越小，删除具有最小存储价值的消息可以减轻节点的拥塞。

步骤二，拥塞节点选择具有最小转发概率的消息作为待转移消息，并向邻居节点广播转移消息的请求。转发概率越小说明拥塞节点将消息转发到目的节点的概率越小，因此可以将具有最小转发概率的消息作为待转移消息转移出去以减轻节点的拥塞。

步骤三，邻居节点判断：自身空闲缓存空间若能满足待转移消息所需存储空间的要求，若满足则邻居节点计算待转移消息的存储价值，否则邻居节点处理结束，转到步骤七。

步骤四，邻居节点判断待转移消息的存储价值如果小于缓存空间中其他消息存储价值的最小值时，说明待转移消息对于邻居节点来说是具有最小存储价值的消息，则邻居节点处理结束，转到步骤七。

步骤五，邻居节点根据待转移消息的转发概率和空闲缓存空间大小，计算待转移消息的接收价值，并将待转移消息的接收价值回复给拥塞节点。

步骤六，拥塞节点如果收到邻居节点的回复，则向具有最大接收价值的邻居节点转发消息。邻居节点对转移消息的接收价值越大，说明该邻居节点越应该接收该转移消息，因此选择具有最大接收价值的邻居节点转发消息。

步骤七，拥塞节点删除转移消息。

本发明提出了一种同时删除和转移消息的机会网络拥塞控制方法。通过使用本发明提出的方法，可以在节点发生拥塞时根据消息的存储价值和接收价值进行删除和转移，可以有效保证消息的到达率。

附图说明

图1是传统的使用消息删除策略的拥塞控制方法过程。

图2是本发明的拥塞控制方法流程图。

图3是本发明的转移请求消息格式结构。

图4是本发明的转移请求回复消息格式结构。

图5是本发明的一种具体实施方式流程图。

图6是本发明与现有拥塞控制策略的消息到达率对比图。

图7是本发明与现有拥塞控制策略的端到端平均时延对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

图1所示是传统的使用消息删除策略的拥塞控制方法过程，节点发生拥塞时，其根据相应策略选择要删除的消息，如Drop-front策略：简单的丢弃最先收到的消息；Drop-oldest策略：丢弃拥有最小剩余生存时间的消息；Drop-last策略：丢弃缓存空间中最新收到的消息；Drop-youngest策略：丢弃剩余生存时间最大的消息。在选择消息进行转移时，根据消息到达目的节点的开销及消息被转发的次数来计算转发优先级，进行消息转移。

图2则是运用了本发明提出的拥塞控制方法。两者比较可以发现，图2主要增加了消息存储价值和转移价值计算、选择消息删除和转移的功能。

下面给出几个新增功能的具体说明。

消息存储价值：拥塞节点根据消息的转发概率和消息TTL值，计算每个消息对拥塞节点的存储价值。消息M存储价值SV(M)的计算方式为：

$\mathrm{SV}\left(M\right)=\mathrm{\α}*P_{(C,D)}+(1-\mathrm{\α})*\frac{\mathrm{TTLremain}}{\mathrm{TTLinit}}---\left(1\right)$

其中，M为消息，节点C是发生拥塞的节点，节点D是消息M的目的节点，SV(M)为消息的存储价值，P_(C，D)为节点C和节点D的相遇概率，TTL_remain是消息M的剩余生存时间，TTL_init是消息初始的生存时间，α为相遇概率的权值。

消息接收价值：邻居节点根据待转移消息的转发概率和消息TTL值，计算该消息对邻居节点的接收价值。消息M接收价值RV(M)的计算方式为：

$\mathrm{RV}\left(M\right)=\mathrm{\β}*P_{(N,D)}+(1-\mathrm{\β})*\frac{{\mathrm{BS}}_{\mathrm{free}}}{{\mathrm{BS}}_{\mathrm{total}}}---\left(2\right)$

其中，M为消息，RV(M)为消息的M接收价值，P_(N,D)表示邻居节点N与消息M的目的节点D的相遇概率，BS_free为邻居节点N的空闲缓存大小，BS_total为邻居节点N的缓存空间总大小，β为相遇概率权值。

选择消息删除：拥塞节点根据计算的消息存储价值，删除具有最小存储价值的消息。

选择消息转移：拥塞节点选择具有最小转发概率的消息向邻居节点转移。拥塞节点广播的转移请求消息格式如图3所示。其中：Type表示消息类型，8bit，用来标识报文类型；TTL表示转移请求消息的转发跳数，8bit，表明报文在网络中的被转发次数；Packet_ID表示消息的序号，16bit，报文的标识号；Source_ID表示发送转移请求消息节点的序号，32bit，用来标识报文的原始源端；Dest_ID表示转移消息的目的节点序号，32bit，用来标识报文的最终目的地；Packet_Size表示转移消息的大小，16bit，用来与邻居节点空闲缓存空间相比较，判断是否接收转移消息；Reserved表示保留字段，16bit，未用；Data表示转移消息的TTL值，32bit，用来计算消息的存储价值。

假设待转移消息所需存储空间为TM_size，邻居节点空闲缓存空间为NF_buff，邻居节点缓存中消息的消息存储价值最小值为SV_min，邻居节点对待转移消息的存储价值为SV_tran，邻居节点对待转移消息的接收价值为RV_tran。

邻居节点收到转移请求消息后，若TM_size<NF_buff，则计算待转移消息的存储价值；否则邻居节点处理过程结束。若SV_tran<SV_min，则邻居节点处理结束，否则邻居节点计算待转移消息的接收价值RV_tran，并向拥塞节点发送转移请求回复消息。转移请求回复消息格式如图4所示。其中：Type表示消息类型，8bit，用来标识报文类型；TTL表示消息的转发跳数，8bit，表明报文在网络中的被转发次数；Packet_ID表示消息的序号，16bit，报文的标识号；Source_ID表示发送节点的序号，32bit，用来标识报文的原始源端，对应于转移请求消息的Dest_ID字段；Dest_ID表示请求转移报文的节点序号，32bit，对应于转移请求消息的Source_ID字段；Data表示发送节点的接收价值，32bit。

拥塞节点选择具有最大接收价值RV_tran的邻居节点，转发消息。

本发明方法利用上述功能模块，选择合理的消息进行删除和转移。如图5，本发明方法的具体流程为：

1、当节点缓存空间满时，发生拥塞现象，产生拥塞节点；

2、拥塞节点计算缓存中每个消息的存储价值，删除具有最小存储价值的消息；

3、拥塞节点选择转发概率最小的消息作为待转移消息，并向邻居节点发送转移请求消息；

4、邻居节点如果有足够的缓存空间，就计算待转移消息的存储价值，如果待转移消息的存储价值不小于邻居节点缓存消息的存储价值的最小值，则邻居节点再计算待转移消息的接收价值，并向拥塞节点回复转移请求消息；

5、邻居节点如果没有足够的缓存空间或者待转移消息的存储价值小于邻居节点缓存消息的存储价值的最小值，则邻居节点不向拥塞节点回复转移请求消息；

6、全过程结束。

以下是本发明的一个具体实施案例。节点C发生拥塞，节点N为节点C的其中一个邻居节点。参照图5，工作过程如下：

1、节点C按照公式（1）计算缓存中每个消息的存储价值，选择存储价值最小的消息M_d删除；

2、节点C选择具有最小转发概率的消息M_t作为待转移消息，并向邻居节点发送转移请求消息；

3、如果节点N空闲缓存空间大小NF_buff小于待转移消息大小TM_size，则邻居节点N处理过程结束；否则节点N计算待转移消息M_t的存储价值SV(M_t)，并可能出现4、5两种情况，以下进行逐一判断；

4、若SV(M_t)小于邻居节点缓存中消息的消息存储价值最小值SV_min，则邻居节点N处理过程结束；

5、若SV(M_t)不小于邻居节点缓存中消息的消息存储价值最小值SV_min，节点N根据公式（2）计算待转移消息的接收价值RV(M_t)，并向节点C发送转移回复消息；

6、节点C从收到的转移回复消息中，选择具有最大接收价值的邻居节点，并向其转发消息M_t；

7、节点C删除消息M_t；

8、全过程结束。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明的有益效果在于：可以在节点发生拥塞时根据消息的存储价值和接收价值进行删除和转移，可以有效保证消息的到达率并减小消息的端到端时延。

通过使用DESF（Domain-Epidemic Spray and Forward，按域洪泛的机会网络散发）路由算法进行仿真，比较Drop-front（丢弃最先收到的消息）、Drop-oldest（丢弃拥有最小剩余生存时间的消息）及RTRM（Refuse to Receive Messages,拒绝接收报文）和本发明中的DATM四种拥塞处理策略的消息到达率和端到端平均时延。

由图6可知：

RTRM在缓存空间满时拒绝接收新的消息，导致缓存中的消息只能等待该节点遇到消息的目的节点或者是消息的TTL值为0时才能删除消息，同时在缓存空间较小时，很少的消息能够抵达目的节点，所以其消息到达率最低。

Drop-front仅删除缓存中最先存储的消息，并不对消息的转发概率和生存时间等进行判断，导致消息的删除具有盲目性，消息到达率不高。

Drop-oldest删除缓存中TTL值最小的消息，该策略删除消息具有目的性。

本发明中的DATM综合考虑消息的存储价值和转移价值，同时使用删除消息和转移消息的策略，使一些消息不会因为拥塞的发生而被删除，增加了被转移消息到达目的节点的可能性。

由图7可知，RTRM的端到端平均时延逐渐下降，其他三种策略都是逐渐上升，这是由于当缓存较小时，节点很容易就发生拥塞，这时候消息只能在缓存中等待直到遇到目的节点，所以消息的时延会很大。在缓存空间大于5M时DATM的时延较低，这是因为拥塞发生时一部分消息被转移，这些消息在网络中的副本没有减少，就会更早的遇到目的节点，整体上降低了端到端时延。

仿真结果表明，使用本发明可以明显提高消息的到达率，并一定程度上减小消息的端到端时延。

Claims (4)

1.一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法（Drop and Transfer message，DATM），其特征在于包括如下步骤：

步骤一，拥塞节点计算每个消息的存储价值，删除具有最小存储价值的消息；

所述步骤一中，拥塞节点根据每个消息的转发概率和TTL值，按如下公式计算消息M的存储价值SV(M)：

其中，M为消息，节点C是发生拥塞的节点，节点D是消息M的目的节点，SV(M)为消息的存储价值，P_(C，D)为节点C和节点D的相遇概率， TTL_remain是消息M的剩余生存时间，TTL_init是消息初始的生存时间，α为相遇概率的权值；

步骤二，拥塞节点选择具有最小转发概率的消息作为待转移消息，并向邻居节点广播转移消息的请求；

步骤三，邻居节点判断：自身空闲缓存空间若能满足待转移消息所需存储空间的要求，则邻居节点计算待转移消息的存储价值，否则邻居节点处理结束，转到步骤七；

在所述步骤三中，邻居节点根据自身空闲缓存空间若能满足待转移消息所需存储空间的要求，按如下公式计算邻居节点对消息M的存储价值：

其中，M为消息，节点N是拥塞节点的邻居节点，节点D是消息M的目的节点，为邻居节点N对消息M的存储价值，P_(N，D)为节点N和节点D的相遇概率， TTL_remain是消息M的剩余生存时间，TTL_init是消息初始的生存时间，为相遇概率的权值；

步骤四，邻居节点判断待转移消息的存储价值如果小于缓存空间中其他消息存储价值的最小值时，则邻居节点处理结束，转到步骤七；

步骤五，邻居节点计算待转移消息的接收价值，并将待转移消息的接收价值回复给拥塞节点；

步骤六，拥塞节点如果收到邻居节点的回复，则向具有最大接收价值的邻居节点转发消息；

步骤七，拥塞节点删除转移消息。

2.根据权利要求1所述的一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法，其特征在于，在所述步骤五中，邻居节点根据待转移消息的转发概率和空闲缓存空间大小，按如下公式计算消息M的接收价值RV(M)：

其中，RV(M)表示消息M的接收价值，P_{(N, D)}表示邻居节点N与消息M的目的节点D的相遇概率，BS_free为邻居节点N的空闲缓存大小，BS_total为邻居节点N的缓存空间总大小，β为相遇概率权值。

3.根据权利要求2所述的一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法，其特征在于，在所述的拥塞节点向邻居节点广播转移消息的请求中包括：消息类型（Type）、转移请求消息的转发跳数（TTL）、消息的序号（Packet_ID）、发送转移请求消息节点的序号（Source_ID）、转移消息的目的节点序号（Dest_ID）、转移消息的大小（Packet_Size）、保留字段（Reserved）、转移消息的TTL值（Data）。

4.根据权利要求3所述的一种同时删除和转移消息的拥塞控制方法，其特征在于，在所述的邻居节点向拥塞节点发送请求回复消息中包括：消息类型（Type）、消息的转发跳数（TTL）、消息的序号（Packet_ID）、发送节点的序号（Source_ID）、请求转移消息的节点序号（Dest_ID）、发送节点的接收价值（Data）。