CN103647714A - 一种基于社交能量的移动社交容迟网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于社交能量的移动社交容迟网络路由方法，属于计算机网络技术领域。首先利用网络节点间历史接触信息建立社区，根据节点间的接触实时计算节点及所属社区的社交能量。通过比较相遇节点与当前节点社交能量大小，判断当前节点是否与目的节点处于同一个社区来转发消息。节点碰撞越频繁，节点的社交能量越多；网络社区内节点与其他节点碰撞越频繁，社区的社交能量也相应越多。同时，节点和社区的社交能量会随时间的推移而不断衰减。然后，在网络路由的全局阶段和局部阶段采取不同的转发策略，从而实现消息的高效路由。对比现有方法，有效的提高了消息传递成功率并降低传输时延，并且简单有效、易于实现。

Description

一种基于社交能量的移动社交容迟网络路由方法

技术领域

本发明属于计算机网络技术领域，涉及容迟网络路由交换机制，尤其涉及一种基于社交能量的移动社交网络路由方法。

背景技术

容迟网络是从自组织无线网络中演变而来的一种新型网络模型，其目的是在间歇性连通的受限网络环境中，通过节点之间的自连接提供一种网络解决方案，用以满足随意的异步消息的可靠传输。容迟网络与传统的互连网络相比，存在许多新的特性：（1）间歇性连通；（2）节点分散稀疏；（3）资源受限；（4）节点移动频繁；（5）网络拓扑变化较快。针对这些特性，研究人员目前展开了许多针对性的研究工作，致力于解决这些问题。其中，如何设计一个高效的路由机制是容迟网络研究工作的关键。

目前，常用的容迟网络路由机制主要有以下两种：

1、基于“复制”策略的路由机制。其基本思想是通过将消息复制给足够多的节点，使其最终到达目的节点。代价最小的方法是整个网络中只有一个消息副本，但唯一消息副本的丢失会导致消息传递的失败；代价最大的方法是网络中每个节点都持有一个消息副本，但却消耗大量的带宽与节点资源。早期的容迟网络路由机制大多基于此策略，具有代表性的有直接连接路由方法、两跳路由方法、基于树的洪泛路由方法、传染病路由方法、喷洒-等待路由方法等。

2、基于“知识”略的路由机制。其基本思想是通过学习网络信息来选择一条最佳路径，并将消息从源节点传递至目的节点。与“复制”策略相比，基于“知识”策略的路由算法需要更多的网络信息，如位置、节点参数或连接参数等，以选择最佳路由路径并沿着最佳路由路径中的节点转发消息。“知识”策略认为节点可能分布在特定的地理区域，其转发行为也可能受其它节点的影响。在节点的移动过程具有遍历性与固定性的假定下，可以通过网络信息与节点的历史接触信息来预测节点的将来行为。具有代表性的有基于位置的路由方法、梯度路由方法、基于连接参数的路由方法、基于社交网络的路由方法等。

近年来，在容迟网络中出现了一种特殊的类型——移动社交网络。社交网络起源于网络社交，它通过网络这一平台把不同的人连接起来，使信息能够更高效地传播。在移动社交网络中，人们遵循规律移动并通过随身携带的无线通信设备进行交流。与传统的容迟网络相比，以人为中心的移动社交网络由于其节点为人所携带，因此具有明显的社交性，即节点与哪些节点接触、接触频率、接触的持续时间都像人与人之间的接触一样具有规律性。人与人之间的社交关系相对于网络拓扑结构而言变化较慢。通过发掘节点的社交性，可以建立一个相对稳定的节点社交网络，从而更高效地转发消息。随着社交网络的迅猛发展以及智能移动设备的普及，社交网络与容迟网络的结合将会越来越紧密。面向移动社交网络的容迟网络路由机制由于其在信息传播方面独特优势，将会成为容迟网络路由机制发展的一个趋势。

目前，针对基于移动社交网络转发的容迟网络路由机制的研究成果有：

1、基于社区的路由机制。社会学的研究表明，社区内人们相遇的可能性比社区内的人们与社区外的人们相遇的可能性更大。因此，基于社区的路由机制将节点划分到一个个社区，消息的路由将在这些社区化的节点间进行。标签算法先为每一个节点分配一个标签以标识其所属的团体，转发时将消息传递给与目的节点标签相同的节点。该算法提出了社区概念的雏形，但没有提出社区概念的准确定义，并且需要源节点能与跟目的节点标签相同的节点相遇，否则算法失效。针对标签算法的缺陷，Bubble Rap算法将网络中的节点划分成一个个社区，并分别计算节点在整个网络中全局等级和在所属社区的局部等级。消息在网络中从全局等级低的节点传递给全局等级高的节点直至遇到与目的节点处于同一社区的节点，然后再由此节点在社区内按照局部等级传输给目的节点。此外，还有其他基于社区的路由机制。基于社区的路由算法关键在于社区的划分以及设计社区间和社区内部的转发策略。

2、基于节点重要程度的路由机制。社会学的研究表明，一个有影响力的人会更有利于消息的传播。基于节点重要程度的路由算法关键在于选取衡量节点重要程度的指标及各指标所占比重。消息将沿着一条节点重要程度逐渐增大的路径传播直到到达目的节点。目前衡量指标主要考虑了节点的接触次数、接触时间长度、接触地点、相同邻接节点数等，并将节点在网络中的重要程度定义为单一社会属性或多种社会属性的组合。具有代表性的算法是SimBet算法，其思想是，当两个节点相遇时，根据在局部网络中的中间性、与目的节点的相似性综合计算节点的向心性权值，并把消息从社交向心性权值低的节点传给社交向心性权值高的节点。

发明内容

本发明的目的是针对当前容迟网络的间断连接导致路由效率低下的问题，提出一种基于社交能量的移动社交容迟网络路由方法。其基本原理是：将基于社区的路由与基于节点重要程度的路由相结合。通过在容迟网络中引入碰撞产生能量和能量衰减的思想，提出一个新的衡量节点重要程度的指标：社交能量，并划分社区，并基于社交能量和社区进行路由。

首先利用网络节点间历史接触信息建立社区，根据节点间的接触实时计算节点及所属社区的社交能量，节点的社交能量用以衡量节点转发消息的能力。通过比较相遇节点与当前节点社交能量大小，判断当前节点是否与目的节点处于同一个社区来转发消息。节点碰撞越频繁，节点的社交能量越多；网络社区内节点与其他节点碰撞越频繁，社区的社交能量也相应越多。同时，节点和社区的社交能量会随时间的推移而不断衰减。

然后，在网络路由的全局阶段和局部阶段采取不同的转发策略，从而实现消息的高效路由：

全局阶段：节点将消息转发给社交能量更高的节点，直到消息达到目的节点所在的局部社区。如果目的节点属于多个社区，则选择社交能量最高的社区，从而有效解决交叉重合社区的路由选择。

局部阶段：消息到达目的节点所在社区后，节点将消息转发给社交能量更高的节点，直到消息到达目的节点。

有益效果

本发明方法，利用节点间历史接触信息建立社区，根据节点间的接触实时计算节点及所属社区的社交能量，通过比较相遇节点与当前节点社交能量大小以及判断当前节点是否与目的节点处于同一个社区来转发消息。对比现有路由方法，本发明提出的移动社交网络中基于社交能量的容迟网络路由方法SEBAR比较简单地利用节点的历史信息，通过社交能量衡量节点转发消息的能力，有效的提高了消息传递成功率并降低传输时延，并且这种方法简单有效、易于实现。

附图说明

图1是容迟网络中节点v_k与节点v_l示意图；

图2是节点v_k和节点v_l发生碰撞产生社交能量示意图；

图3是节点v_k和节点v_l平分碰撞产生的社交能量示意图；

图4是节点v_k和节点v_l分别贡献部分能量给所在社区并且节点自身保留部分能量示意图；

图5是社区分配能量给社区内成员节点v_k示意图；

图6是Infocom2006数据集仿真实验消息传递成功率结果图；

图7是Infocom2006数据集仿真实验转发次数结果图；

图8是Infocom2006数据集仿真实验平均跳数结果图；

图9是Infocom2006数据集仿真实验时延结果图；

图10是MIT数据集仿真实验消息传递成功率结果图；

图11是MIT数据集仿真实验转发次数结果图；

图12是MIT数据集仿真实验平均跳数结果图；

图13是MIT数据集仿真实验时延结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法的具体实施方式做进一步详细说明。

一种基于社交能量的移动社交容迟网络路由方法，包括以下步骤：

步骤一、统计容迟网络中所有节点之间的历史接触信息，并根据其建立节点社区。具体过程如下：

首先，统计过去一段时间内（该时间段要足够长，以能够反应未来该容迟网络内节点的接触规律为准）容迟网络中所有节点间的相遇持续时间（也可以包括相遇次数），并用矩阵M₁表示。其中，矩阵M₁的第i行、第j列的数据X_i,j表示此时间段内节点v_i与节点v_j的相遇持续时间之和，其中1≤i≤N，1≤j≤N，N为所述容迟网络中的节点总数。

然后，统计矩阵M₁中的最大值max和最小值min。

之后，将矩阵M₁转换成矩阵M₂，方法如下：依次比较矩阵M₁中的每个数字X_i,j与阈值ω的大小，ω的取值由想要获得的社区的多少和大小而定，但必须满足min≤ω≤max。若X_i,j>ω，则在矩阵M₂对应位置的元素为1，反之为0。

之后，采用K-CLIQUE社区发现方法，找出容迟网络中节点交叉重合的社区，即，查找矩阵M₂中的k社区，方法如下：若两个k完全子图有k-1个公共点，则这两个k完全子图被划分到一个k社区。

特别的，网络中可能存在孤立节点。孤立节点不属于任何社区。

步骤二、根据容迟网络所有节点间的接触情况，实时计算每一个节点及所属社区的社交能量。方法如下：

当两个节点v_k、v_l相遇，计为发生一次碰撞，并产生能量N_k,l。能量N_k,l被平均分配给发生碰撞的两个节点。每个节点贡献

能量给其所属节点社区。若该节点属于n_k个社区，则贡献能量给所属的每个社区，同时，节点自身保留

能量。其中，p是能量比重，用于衡量节点贡献给所属社区能量的多少。p越大，节点贡献给所属社区的能量越大，从社区中获得的能量也越多，受社区的影响越大；p越小，节点贡献给所属社区的能量越小，从社区中获得的能量也越少，受社区的影响越小。p的取值由希望的社区对节点的影响程度决定，但必须满足p∈[0,1]。

然后，计算节点v_k的社区中心性和节点的碰撞所得能量E_N_k。其中，节点v_k的社区中心性计算公式为

其中，C_k(j)是节点v_k在社区C_j的社区中心性，D_k(i)是节点v_k第i次碰撞的持续时间。假设节点v_k与其他节点共发生m_k次碰撞，则

是节点v_k与其他节点发生碰撞的总持续时间，

是社区C_j中所有成员节点发生碰撞的总持续时间。社区中心性C_k(j)是两个碰撞总持续时间的比值，0≤c_k(j)≤1。节点碰撞越频繁，其社区中心性越大，从社区获得的能量越大。

碰撞所得能量E_N_k的计算公式为

其中，E_N_k(i)表示节点v_k从第i次碰撞获得的保留能量，计算公式为 $E\_N_k\left(i\right)=(1-p)\·\frac{N_{k,l}\left(i\right)}{2}.$

之后，计算节点从社区中重新分配得来的能量E_C_k。公式为其中，E_C_k(j)表示节点v_k从所属社区C_j获得的重新分配的能量，计算公式为 $E\_C_k\left(j\right)=c_k\left(j\right)\underset{\mathrm{any}{v}_x\∈c_j}{\mathrm{\Σ}}\underset{i=1}{\overset{m_x}{\mathrm{\Σ}}}p\·\frac{N_{x,l}\left(i\right)}{{2n}_k}.$ 其中，c_k(j)是前面提到的节点v_k在社区C_j的社区中心性。

最后，计算节点总社交能量E_k。计算公式为E_k=E_N_k+E_C_k。

特别的，孤立节点无法从社区获得能量，只能通过与其他节点的碰撞获得能量。

如图1所示，有两个节点v_k和v_l，图中的圆表示节点的通信范围。

如图2所示，节点v_k和节点v_l进入彼此的通信范围，视为发生一次碰撞，产生能量N_k,l。

如图3所示，节点v_k和节点v_l平均分配能量N_k,l。

如图4所示，节点v_k贡献

能量给所属社区，自身保留

能量（节点v_l对所属社区做同样操作）。社区从其所有的成员节点（如节点v_k、节点v_r等）的碰撞中获得能量。图中的椭圆表示社区。

如图5所示，社区根据节点v_k的社区中心性将自己全部能量的一部分分配给节点v_k。节点v_k的社交能量E_k包括两部分，分别为碰撞保留能量E_N_k和社区重新分配的能量E_C_k。

步骤三、根据步骤二的结果，对该容迟网络的路由机制进行优化。

将路由机制分成两个阶段：全局阶段和局部阶段。

全局阶段：消息没有被传递到目标节点所属社区时，视为路由处于全局阶段。在全局阶段，节点将消息转发给E_k（社交能量）更高的节点，直到消息达到目的节点所在的局部社区。如果目的节点属于多个社区，则选择社交能量最高的社区，从而有效解决交叉重合社区的路由选择。

局部阶段：消息到达目的节点所属社区后，视为路由处于局部阶段。在局部阶段，节点将消息转发给E_C_k（社区重新分配的社交能量）更高的节点，直到消息到达目的节点。

优化的具体过程如下：

步骤1、当中间节点v_k携带消息M的q个副本，要转发给目的节点v_d时遇到节点v_l。

步骤2、判断节点v_l是否至少携带M的一个副本，若是，转步骤3；若不是，转步骤4；

步骤3、节点v_k持有消息M，等待下一次接触；

步骤4、判断节点v_l是否是目的节点v_d，若是，转步骤5；若不是，转步骤6；

步骤5、节点v_k将M的一个副本转发给节点v_l，路由结束。

步骤6、判断路由是否处于全局阶段，即判断节点v_k是否在目的节点v_d所属社区，若是，转步骤9；若不是，则路由处于全局阶段，转步骤7；

步骤7、判断E_k<E_l是否成立，若成立，则转步骤8；若不成立，转步骤3；

步骤8、节点v_k转发消息M的

个副本给节点v_l；

步骤9、判断路由是否处于局部阶段，即判断节点v_l是否和节点v_k一样处于目的节点v_d所属社区，若是，则路由处于局部阶段，转步骤10；若不是，转步骤3；

步骤10、判断E_C_k<E_C_l是否成立，若成立，转步骤8；若不成立，转步骤3。

上述过程中，所述步骤6和步骤7是全局阶段的关键步骤。步骤9和步骤10是局部阶段的关键步骤。

实验验证

下面通过在真实数据集上进行仿真实验，验证本发明方法的有效性。

首先，选取两个真实数据集，分别为Infocom2006数据集和MIT RealityMining数据集。

确定要参与性能比较的路由机制方法包括：

1、本发明所述方法；

2、Epidemic方法：当前节点每遇到一个未持有消息的节点，都会复制一个消息副本给该节点。虽然该算法能够取得最高的消息传递成功率，但是转发次数、平均跳数、时延也是非常高的。

3、Spray and Wait方法：路由分为Spray阶段和Wait阶段。在spray阶段，携带N个消息副本的源节点在网络中随机移动，当遇到不携带消息的节点时，将一定数量消息副本转移给相应节点，最终N个不同的节点会各自携带一个消息副本。在wait阶段，源节点与N个持有一个消息副本的中继节点进行等待，直至与目的节点相遇，并将消息传递给目的节点。

4、Greedy-all方法：当前节点遇到下一个节点，只有当下一个节点与目的节点的相遇次数（或相遇时间）大于当前节点与目的节点的相遇次数（或相遇时间）时，当前节点才会将消息传递给下一个节点，直到消息到达目的节点为止。

5、Bubble Rap方法：当源节点携带的消息未到达目标节点所在社区时，消息沿全局向心值逐步增大的路径传播，直至遇到与目的节点同一社区节点。在目的节点所在社区，消息沿社区内向心性值逐渐增大的路径传播，直至遇到目的节点。

确定路由性能指标为：消息传递成功率、时延、平均跳数、转发次数。消息传递成功率用来衡量多次路由中消息成功传递至目的节点次数所占的比例，是衡量容迟网络路由协议性能的核心指标；转发次数，表示多次路由中消息被转发次数的平均值；平均跳数，表明多次路由中从源节点到目的节点的路由路径所包含的节点数量的平均值；时延，是网络中消息从源节点沿路由路径传递至目的节点所需要的平均时间。

然后，进行Infocom2006数据集的设置：

Infocom2006数据集是在西班牙巴塞罗那的一个宾馆里收集的持续4天（小时）的节点相互接触信息，为了更好的体现节点的社交性，建立有效的社交网络，我们选取了编号21-98的节点，也就是参与这个实验的移动学生节点。实验中，所有的路由算法都是选择前46个小时作为历史信息，用来初始化节点相遇次数或进行社区划分；后46个小时用来执行路由算法。具体的参数设置见表1：

表1Infocom2006数据集仿真环境参数

之后，进行MIT数据集的设置：

MIT Reality Mining数据集持续时间较长，相对较大。该数据集来自于麻省理工学院媒体实验室的现实挖掘项目。该项目的研究总共有100位参与者，每位参与者使用的手机上均预装了特定的监控软件，用于搜集蓝牙和其它相关信息。项目从2004年9月一直持续到2005年6月。我们选择其中的一个月（2005年3月），对65名相对活跃的用户进行仿真实验。所有的路由算法，均是前半个月作为历史信息，用来初始化节点相遇次数或进行社区划分，后半个月执行路由算法，具体的参数设置见表格2。

表2MIT Reality Mining数据集仿真环境参数

最后，绘制实验结果图。

图6、图7、图8、图9是Infocom2006数据集上的仿真结果，图10、图11、图12、图13是MIT Reality Mining数据集上的仿真结果。由图6及图10可以看出，本发明提出的方法的消息传递成功率仅次于Epidemic路由算法，而优于其它路由算法。由图7——图9以及图11——图13可以看出，本发明提出的方法在保持高消息传递成功率的同时，其它各项性能指标基本与其它算法一致。提高消息传递成功率是一个DTN路由协议最重要的目的，同时网络资源消耗不能太大，由此可见，本发明提出的方法达到了设计的初衷。

Claims (2)

1.一种基于社交能量的移动社交容迟网络路由方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、统计容迟网络中所有节点之间的历史接触信息，并根据其建立节点社区，具体过程如下：

首先，统计过去一段时间内容迟网络中所有节点间的相遇持续时间，并用矩阵M₁表示，其中，矩阵M₁的第i行、第j列的数据X_i,j表示此时间段内节点v_i与节点v_j的相遇持续时间之和，1≤i≤N，1≤j≤N，N为所述容迟网络中的节点总数；所述该时间段要足够长，以能够反应未来该容迟网络内节点的接触规律为准；

然后，统计矩阵M₁中的最大值max和最小值min；

之后，将矩阵M₁转换成矩阵M₂；

而后，采用K-CLIQUE社区发现方法，找出容迟网络中节点交叉重合的社区，即，查找矩阵M₂中的k社区，方法如下：若两个k完全子图有k-1个公共点，则这两个k完全子图被划分到一个k社区；

特别的，网络中的孤立节点不属于任何社区；

步骤二、根据容迟网络所有节点间的接触情况，实时计算每一个节点及所属社区的社交能量，方法如下：

当两个节点v_k、v_l相遇，计为发生一次碰撞，并产生能量N_k,l；能量N_k,l被平均分配给发生碰撞的两个节点；每个节点贡献能量给其所属节点社区；若该节点属于n_k个社区，则贡献

能量给所属的每个社区，同时，节点自身保留

能量；其中，p是能量比重，用于衡量节点贡献给所属社区能量的多少；p越大，节点贡献给所属社区的能量越大，从社区中获得的能量也越多，受社区的影响越大；p越小，节点贡献给所属社区的能量越小，从社区中获得的能量也越少，受社区的影响越小；p的取值由希望的社区对节点的影响程度决定，但必须满足p∈[0,1]；

然后，计算节点v_k的社区中心性和节点的碰撞所得能量E_N_k；其中，节点v_k的社区中心性计算公式为

其中，C_k(j)是节点v_k在社区C_j的社区中心性，D_k(i)是节点v_k第i次碰撞的持续时间；假设节点v_k与其他节点共发生m_k次碰撞，则

是节点v_k与其他节点发生碰撞的总持续时间，

是社区C_j中所有成员节点发生碰撞的总持续时间；社区中心性C_k(j)是两个碰撞总持续时间的比值，0≤c_k(j)≤1；节点碰撞越频繁，其社区中心性越大，从社区获得的能量越大；

碰撞所得能量E_N_k的计算公式为

其中，E_N_k(i)表示节点v_k从第i次碰撞获得的保留能量，计算公式为 $E\_N_k\left(i\right)=(1-p)\&CenterDot;\frac{N_{k,l}\left(i\right)}{2};$

之后，计算节点从社区中重新分配得来的能量E_C_k；公式为

其中，E_C_k(j)表示节点v_k从所属社区C_j获得的重新分配的能量，计算公式为 $E\_C_k\left(j\right)=c_k\left(j\right)\underset{\mathrm{any}{v}_x\&Element;c_j}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{i=1}{\overset{m_x}{\mathrm{\&Sigma;}}}p\&CenterDot;\frac{N_{x,l}\left(i\right)}{{2n}_k},$ 其中，c_k(j)是前面提到的节点v_k在社区C_j的社区中心性；

最后，计算节点总社交能量E_k；计算公式为E_k=E_N_k+E_C_k；

特别的，孤立节点无法从社区获得能量，只能通过与其他节点的碰撞获得能量；

步骤三、根据步骤二的结果，对该容迟网络的路由机制进行优化。

将路由机制分成两个阶段：全局阶段和局部阶段；

全局阶段：消息没有被传递到目标节点所属社区时，视为路由处于全局阶段；在全局阶段，节点将消息转发给E_k更高的节点，直到消息达到目的节点所在的局部社区；如果目的节点属于多个社区，则选择社交能量最高的社区，从而有效解决交叉重合社区的路由选择；

局部阶段：消息到达目的节点所属社区后，视为路由处于局部阶段；在局部阶段，节点将消息转发给E_C_k更高的节点，直到消息到达目的节点；

优化的具体过程如下：

步骤1、当中间节点v_k携带消息M的q个副本，要转发给目的节点v_d时遇到节点v_l；

步骤2、判断节点v_l是否至少携带M的一个副本，若是，转步骤3；若不是，转步骤4；

步骤3、节点v_k持有消息M，等待下一次接触；

步骤4、判断节点v_l是否是目的节点v_d，若是，转步骤5；若不是，转步骤6；

步骤5、节点v_k将M的一个副本转发给节点v_l，路由结束；

步骤6、判断路由是否处于全局阶段，即判断节点v_k是否在目的节点v_d所属社区，若是，转步骤9；若不是，则路由处于全局阶段，转步骤7；

步骤7、判断容迟网络判断E_k<E_l是否成立，若成立，则转步骤8；若不成立，转步骤3；

步骤8、节点v_k转发消息M的个副本给节点v_l；

步骤9、判断路由是否处于局部阶段，即判断节点v_l是否和节点v_k一样处于目的节点v_d所属社区，若是，则路由处于局部阶段，转步骤10；若不是，转步骤3；

步骤10、判断E_C_k<E_C_l是否成立，若成立，转步骤8；若不成立，转步骤3；

上述过程中，所述步骤6和步骤7是全局阶段的关键步骤；步骤9和步骤10是局部阶段的关键步骤。

2.如权利要求所述的一种基于社交能量的移动社交容迟网络路由方法，其特征在于，所述步骤一中将矩阵M₁转换成矩阵M₂的方法如下：

依次比较矩阵M₁中的每个数字X_i,j与阈值ω的大小，ω的取值由想要获得的社区的多少和大小而定，但必须满足min≤ω≤max；若X_i,j>ω，则在矩阵M₂对应位置的元素为1，反之为0。

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