CN103929737A - 一种应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法。其包括：通信初始化步骤、通信服务组合步骤、通信服务中断步骤和通信服务恢复步骤。本发明提供的应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法能够在基础设施和通信设施有限的情况下，各终端节点依靠移动终端网络的支持来进行协同工作，当终端节点发生故障时，先进行局部恢复，超出一定的范围再进行全局恢复，减少了响应时间与恢复时间，提高了效率。

Description

一种应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法

技术领域

本发明属于移动数字网络技术领域，特别是涉及一种应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法。

背景技术

近几年来，随着移动互联网与智能手机的迅速发展，移动数字网络已成为最重要的应用领域之一，其中各种新型移动终端扮演着越来越重要的角色，由此组成移动数字网络来实现本地信息的共享，形成丰富多彩的业务。

在通信设施被破坏的情况下，技术人员需要通过移动终端进行通信，即多个移动终端需要相互通信工作，为用户提供高效可靠的组合服务，并且当其中的一些移动终端发生故障，导致通信发生中断时，需要迅速修复发生故障的链路。因此，如何快速高效地进行数据备份和恢复是目前移动数字网络要解决的主要问题。

移动数字网络是不同的人使用移动设备通信的网络，与传统的人们通过因特网交互的数字网络不同，移动数字网络中的每个移动设备终端可以扮演宿主主机host路由器或者网关，可以ad-hoc的方式与其他终端联系在一起。

当移动通信网络发生故障时，基础设施和通信设施通常会遭到破坏，技术人员之间需要通过移动设备如智能手机、PDA等进行通信与合作，因此移动数字网络下的数据备份和恢复问题显得非常重要，但目前尚缺少这样的方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法，在移动数字网络发生故障时，提供及时可靠的数据备份和恢复。

为了达到上述目的，本发明提供的应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法包括按顺序执行的下列步骤：

1)通信初始化步骤：移动终端用户发出通信服务请求，并设置QoS约束、服务路径时延要求，用户发出通信组合服务请求后触发通信服务组合；

2)通信服务组合步骤：寻找一条满足移动终端用户请求的通信服务路径，并且满足指定的QoS要求，首先发现能够用于每项通信服务的多个终端节点，然后选择适当的终端节点来组成一条通信服务路径；

3)通信服务中断步骤：当移动终端节点的移动导致网络拓扑结构发生变化引起通信服务中断、无线通信路径上链路发生故障引起服务中断、服务负载、通信时间延长，违反QoS需求时，中断通信服务；

4)通信服务恢复步骤：当检测到服务故障从而导致服务发生中断时，触发通信服务恢复，重组服务路径，发现能够替换故障节点的新的终端节点并且建立一条新的通信服务路径。

在所述的通信初始化步骤中，移动终端用户发出要求服务路径满足一定QoS约束的通信服务请求的方法是：

在每个时间周期[t_i,t_i+1)内，选择或重组的每条服务路径首先要满足QoS约束，符合条件的服务路径才能有资格作为提供服务的候选服务路径，进一步计算其代价函数，并作比较选择最终的服务路径。

在所述的通信服务组合步骤中，服务组合是对服务路径进行新的选择，采用如下公式计算服务组合路径的代价函数值：

F(P(t_i))＝βD(P(t_i))+γR(P(t_i))

其中β≥0，γ≥0，并且β+γ＝1。

在所述的通信服务恢复步骤中，当通信服务中断发生后，采用如下的恢复代价函数：

假设替换节点数用N来表示，那么在某个时间点t_i∈[0,T]，N是新路径和原始路径中能提供服务的不一样的终端节点数；每个替换节点离故障节点的距离h作为影响因素改变节点替换数N的计算，节点间距离按照跳数计算，节点替换数的具体计算方法如下：如果替换节点离故障节点的跳数为1，则该替换节点的替换数是1，跳数增加1时，该替换节点的替换数增加μ，μ通常设置为0.1，每个替换节点都要做此计算后，再将各自的替换数相加，即得到新替换路径的终端节点替换数N(P(t_i))，用公式表示如下：

$N\left(P\left(t_i\right)\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[1+\mathrm{\μ}(h_j-1)]---\left(1\right)$

其中P(t_i)是t_i时刻的修复后服务路径，n是要替换的节点总数，h_j(h_j≥1)是替换节点离故障节点的距离即跳数；

考虑服务路径时延的恢复代价函数计算方法如下：假设终端节点v_i的计算时延写为d(v_i),节点v_i和节点v_j之间的链路时延写为d(v_i,v_j)，在t_i时刻一条候选恢复服务路径P的时延计算方法表示如下：

$D\left(P\left(t_1\right)\right)=\underset{j=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}[d\left(v_j\right)+d(v_j,v_{j+1})]+d\left(v_K\right)+d(v_K,R)---\left(2\right)$

选择最佳恢复服务路径需要考虑的因素还有服务路径故障率R(t_i)，在t_i时刻将一条候选恢复服务路径P上所有节点故障率相加然后取平均数，即得到该服务路径故障率，用公式表示如下：

$R\left(P\left(t_i\right)\right)=\frac{1}{K}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j---\left(3\right)$

综合公式(1)、(2)、(3)得到在t_i∈[0,T]时刻服务中断发生后，一条候选恢复服务路径P的恢复代价函数F(P(t_i))，表示如下：

F(P(t_i))＝αN(P(t_i))+βD(P(t_i))+γR(P(t_i))

其中α≥0，β≥0，γ≥0，并且α+β+γ＝1。

本发明提供的应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法能够在基础设施和通信设施有限的情况下，各终端节点依靠移动终端网络的支持来进行协同工作，当终端节点发生故障时，先进行局部恢复，超出一定的范围再进行全局恢复，减少了响应时间与恢复时间，提高了效率。

附图说明

图1为本发明提供的应用于移动数字网络的数据备份和恢复系统架构图。

图2为本发明提供的应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法进行详细说明。

Mobile ad-hoc Networks(MANETs)是可以应用于Mobile SNS的一种典型的组网方式，MANETs是一种由无线移动节点组成的，不依赖现有基础设施，没有任何中心，并且自组织、自愈的新型网络。在用户发出组合通信请求后，通信请求信息按照顺序执行完毕，结果发送给通信接收者，如何给每项通信请求选择合适的终端节点组成一条满足QoS要求的最佳通信路径，这是本发明要解决的第一个问题。另外，在MANETs中，移动终端具有移动性，网络拓扑结构会随着移动终端的移动而改变，在为用户提供组合通信的过程中，由于移动终端移动或其他原因可能会导致通信发生中断，如何减少通信中断，快速高效地进行数据恢复，持续地为用户提供高质量的通信，是本发明要解决的第二个问题。

下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明提供的应用于移动数字网络的数据备份和恢复系统架构图，如图1所示，图中每种形状的终端节点代表能提供某一项服务的一个移动终端，例如圆形节点为提供S₁通信服务的移动终端，正方形节点为提供S₂通信服务的移动终端，三角形节点为提供S₃通信服务的移动终端，五边形节点为提供S₄通信服务的移动终端，椭圆形节点是通信服务请求者，也是接收者，星型节点是转发终端，对数据进行转发。组合通信服务是指多个可提供服务的终端节点进行相互通信来为用户提供通信服务的过程。在数据流经过终端节点时，终端节点会执行一些操作，对数据进行处理或转发，所有的终端节点连接形成一个有向无环图，称为系统架构。

组合通信服务的执行方式有很多种，主要有顺序方式和平行方式，本发明主要考虑单播传送服务，即顺序方式，而不是以平行或其他方式连接在一起。

假设用户预先知道如何将一项组合服务分解成多项原子服务，以一个打印服务为例，用户想要打印某个手机终端提供的故障现场图片，那么这个服务请求可以分解为下载、解压和打印这三项原子服务。因此，当用户发出服务请求后，首先需要发现可以用于每项原子服务的多个终端节点，这个路由过程依赖于服务发现来找到候选终端节点。

这些原子服务会按照顺序执行完毕，结果发送给服务接收者，有且只有一个服务接收者，这样的一个组合服务称为一条服务路径，服务路径可以表示为P＝(S₁,S₂...S_i...,S_K,R)，S_i代表一项服务，R代表接收者，K是一条服务路径上的服务项目数。假设每个终端节点只支持一项服务，则一项服务S_i可以用对应的终端节点集合V_i来表示。例如在图1中，V₂＝{c,e}，选择某个节点v_i提供某项服务可用S_i[v_i]表示，其中v_i∈V_i，则服务路径可以表示为P＝(S₁[v₁],S₂[v₂]...S_i[v_i]...,S_K[v_K],R)。

一条服务路径的具体形成过程：仍以图1为例，用户首先将服务请求发给移动终端a，当移动终端a收到服务请求后完成服务S₁，并将服务请求传送给下一个提供服务的移动终端c，当移动终端c收到服务请求后完成服务S₂，以这种方式，后面每个可提供服务的移动终端g和移动终端m继续完成类似的操作，和移动终端j只做转发，最后一个和移动终端m将服务执行的结果发送给服务接收者R，则此服务路径可以表示为P₁＝(S₁[a],S₂[c],S₃[g],S₄[m],R)。

一、移动终端通信

如图2所示，本发明提供的应用于移动数字网络的数据备份和恢复方法，按照MANETs中各移动终端为用户提供服务的过程所发生时间的先后顺序，包括以下几个步骤：

1)服务初始化过程：用户发出服务请求，此时需要设置QoS约束，主要有服务路径时延要求D*，用户发出组合服务请求后触发服务组合过程。

2)服务组合过程：就是寻找一条满足用户请求的服务路径的过程,并且满足指定的QoS要求。首先，发现可以用于每项服务的多个终端节点，然后选择适当的终端节点来组成一条服务路径，这就需要使用合适的算法来选择一条最佳的服务路径。

3)服务中断过程：在MANETs中，服务中断可能发生于多个原因。例如，节点移动导致网络拓扑结构发生变化引起的服务中断；无线通信路径上链路发生故障引起服务中断；由于服务负载，通信时间延长，可能违反QoS需求，导致服务中断。本发明主要研究终端节点移动或发生故障导致的服务中断。

4)服务恢复过程：为了给用户持续地提供满足QoS要求的服务,当服务发生中断时，必须对服务路径进行恢复。当检测到服务故障从而导致服务发生中断时，触发服务恢复过程。服务恢复过程实际上就是重组服务路径，换句话说，就是发现可以替换故障节点的新的终端节点并且建立一条新的服务路径。

二、通信代价函数

代价函数分为组合代价函数和恢复代价函数，组合代价函数是服务组合时用到的函数，恢复代价函数是中断发生后用到的函数，比组合代价函数复杂，我们首先考虑恢复代价函数的计算问题。

恢复代价函数

在服务中断发生后，如何选择最佳替换终端节点，组成最佳服务路径，持续地为用户提供服务，需要权衡中断恢复过程中涉及到的消耗和时间问题，对这些问题需要定量地描述与计算。因此我们建立一个综合的恢复代价函数，此代价函数要综合考虑替换终端节点数、替换终端节点距离的远近、替换后的服务路径时延以及终端节点的故障率等因素。

假设用户从发出请求到收到服务执行结果经历的时间周期是T。恢复代价函数首先可以通过一条服务路径上终端节点的替换数来反映，假设终端节点的替换数用N来表示，那么在某个时间点t_i∈[0,T]，N是新路径和原始路径中能提供服务的不一样的终端节点数。但是在计算N时需要考虑替换终端节点与被替换的故障终端节点的距离远近，替换终端节点包括新替换的所有终端节点，提供服务的终端节点和转发数据包的终端节点都要计算在内。每个替换终端节点离故障终端节点的距离h作为影响因素改变节点替换数N的计算，在本发明中终端节点间距离按照跳数计算，节点替换数N的具体计算方法如下：如果替换终端节点离故障终端节点的跳数为1，则该替换终端节点的替换数是1，跳数增加1时，该替换终端节点的替换数增加μ(μ通常设置为0.1)，每个替换终端节点都要做此计算后，再将各自的替换数相加，即得到新替换路径的终端节点替换数N(P(t_i))，用公式表示如下：

$N\left(P\left(t_i\right)\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[1+\mathrm{\μ}(h_j-1)]---\left(1\right)$

其中P(t_i)是t_i时刻的修复后服务路径，n是要替换的节点总数，h_j(h_j≥1)是替换终端节点离故障终端节点的距离即跳数，公式(1)计算得到的是t_i时刻某次服务中断发生后一条候选恢复服务路径的终端节点替换数N(P(t_i))，该值越小，则服务路径替换的代价越小。

关于恢复代价函数的计算还要考虑服务路径时延，其计算方法如下：假设终端节点v_i的计算时延可以写为d(v_i),终端节点v_i和终端节点v_j之间的链路时延写为d(v_i,v_j)，在t_i时刻一条候选恢复服务路径P的时延计算方法可以表示如下：

$D\left(P\left(t_i\right)\right)=\underset{j=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}[d\left(v_j\right)+d(v_j,v_{j+1})]+d\left(v_K\right)+d(v_K,R)---\left(2\right)$

在MANETs中，终端节点v_j测量到服务路径中的下一个终端节点v_j+1的链路时延，服务路径上终端节点的计算时延和链路时延信息都要发送给服务接收者。在保证一定服务质量的前提下，服务路径时延越小，为用户提供服务的速度越快。

除了上面两个因素之外，选择最佳恢复服务路径需要考虑的因素还有服务路径故障率R(t_i)，如果某终端节点离开或提供某项服务失败都认为是发生故障，假设每个终端节点都有一个故障率r，则在t_i时刻将一条候选恢复服务路径P上所有节点故障率相加然后取平均数，即得到该服务路径故障率，故障率越小，服务路径越可靠，发生中断的可能性越小。用公式表示如下：

$R\left(P\left(t_i\right)\right)=\frac{1}{K}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j---\left(3\right)$

那么，综合公式(1)(2)(3)得到在t_i∈[0,T]时刻服务中断发生后，一条候选恢复服务路径P的恢复代价函数F(P(t_i))，表示如下：

F(P(t_i))＝αN(P(t_i))+βD(P(t_i))+γR(P(t_i))   (4)

其中α≥0，β≥0，γ≥0，并且α+β+γ＝1。

我们设置恢复代价函数的目标就是在寻求服务恢复路径的过程中，计算哪条服务路径的恢复代价函数值最小，则用户感受到的服务中断影响最小，就选择该条服务路径为最佳的服务恢复路径。

组合代价函数

服务组合是对服务路径进行新的选择，不涉及服务中断与恢复，因此服务组合算法在计算服务路径代价函数值时，需要对恢复代价函数即公式(4)做改动才能使用，不进行终端节点替换数的计算，只考虑服务路径时延和故障率就可以。使用下面的公式(5)计算服务组合路径的代价函数值.

F(P(t_i))＝βD(P(t_i))+γR(P(t_i))   (5)

其中β≥0，γ≥0，并且β+γ＝1。

QoS约束

请求服务的用户会要求服务路径满足一定QoS约束，本发明主要考虑的QoS度量是服务路径时延要求D*。

在每个时间周期[t_i,t_i+1)内，选择或重组的每条服务路径首先要满足QoS约束，符合条件的服务路径才能有资格作为提供服务的候选服务路径，进一步计算其代价函数，并作比较选择而确定最终的服务路径。以服务路径时延要求D*为例，如图1所示，假设用户要求的服务路径时延限制D*＝7，所有的链路时延是1，除了链路时延d(e,g)＝4，所有终端节点的计算时延是0，那么服务路径P₁＝(S₁[a],S₂[c],S₃[g],S₄[m],R)的时延为5，满足时延要求。如果某时刻在服务路径P₁上的终端节点c失败，此时不能选择终端节点e作为替换终端节点，因为选择e后，其组成的服务路径P₂＝(S₁[a],S₂[e],S₃[g],S₄[m],R)的时延为8，大于服务路径时延限制D*，不满足时延要求，此路径不能作为候选服务路径，也就不用再与其他候选服务路径再比较代价函数值。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法，其特征在于：其包括按顺序执行的下列步骤：

1)通信初始化步骤：移动终端用户发出通信服务请求，并设置QoS约束、服务路径时延要求，用户发出通信组合服务请求后触发通信服务组合；

2)通信服务组合步骤：寻找一条满足移动终端用户请求的通信服务路径，并且满足指定的QoS要求，首先发现能够用于每项通信服务的多个终端节点，然后选择适当的终端节点来组成一条通信服务路径；

3)通信服务中断步骤：当移动终端节点的移动导致网络拓扑结构发生变化引起通信服务中断、无线通信路径上链路发生故障引起服务中断、服务负载、通信时间延长，违反QoS需求时，中断通信服务；

4)通信服务恢复步骤：当检测到服务故障从而导致服务发生中断时，触发通信服务恢复，重组服务路径，发现能够替换故障节点的新的终端节点并且建立一条新的通信服务路径。

2.根据权利要求1所述的应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法，其特征在于：在所述的通信初始化步骤中，移动终端用户发出要求服务路径满足一定QoS约束的通信服务请求的方法是：

在每个时间周期[t_i,t_i+1)内，选择或重组的每条服务路径首先要满足QoS约束，符合条件的服务路径才能有资格作为提供服务的候选服务路径，进一步计算其代价函数，并作比较选择最终的服务路径。

3.根据权利要求1所述的应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法，其特征在于：在所述的通信服务组合步骤中，服务组合是对服务路径进行新的选择，采用如下公式计算服务组合路径的代价函数值：

F(P(t_i))＝βD(P(t_i))+γR(P(t_i))

其中β≥0，γ≥0，并且β+γ＝1。

4.根据权利要求1所述的应用于移动数字网络的数据备份和恢复的方法，其特征在于：在所述的通信服务恢复步骤中，当通信服务中断发生后，采用如下的恢复代价函数：

假设替换节点数用N来表示，那么在某个时间点t_i∈[0,T]，N是新路径和原始路径中能提供服务的不一样的终端节点数；每个替换节点离故障节点的距离h作为影响因素改变节点替换数N的计算，节点间距离按照跳数计算，节点替换数的具体计算方法如下：如果替换节点离故障节点的跳数为1，则该替换节点的替换数是1，跳数增加1时，该替换节点的替换数增加μ，μ通常设置为0.1，每个替换节点都要做此计算后，再将各自的替换数相加，即得到新替换路径的终端节点替换数N(P(t_i))，用公式表示如下：

$N\left(P\left(t_i\right)\right)=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}[1+\mathrm{\μ}(h_j-1)]---\left(1\right)$

其中P(t_i)是t_i时刻的修复后服务路径，n是要替换的节点总数，h_j(h_j≥1)是替换节点离故障节点的距离即跳数；

考虑服务路径时延的恢复代价函数计算方法如下：假设终端节点v_i的计算时延写为d(v_i),节点v_i和节点v_j之间的链路时延写为d(v_i,v_j)，在t_i时刻一条候选恢复服务路径P的时延计算方法表示如下：

$D\left(P\left(t_i\right)\right)=\underset{j=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}[d\left(v_j\right)+d(v_j,v_{j+1})]+d\left(v_K\right)+d(v_K,R)---\left(2\right)$

选择最佳恢复服务路径需要考虑的因素还有服务路径故障率R(t_i)，在t_i时刻将一条候选恢复服务路径P上所有节点故障率相加然后取平均数，即得到该服务路径故障率，用公式表示如下：

$R\left(P\left(t_i\right)\right)=\frac{1}{K}\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{r}_j---\left(3\right)$

综合公式(1)、(2)、(3)得到在t_i∈[0,T]时刻服务中断发生后，一条候选恢复服务路径P的恢复代价函数F(P(t_i))，表示如下：

F(P(t_i))＝αN(P(t_i))+βD(P(t_i))+γR(P(t_i))

其中α≥0，β≥0，γ≥0，并且α+β+γ＝1。