CN104010036B - 一种容迟网络的数据分发方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，公开了一种容迟网络的数据分发方法及装置。其中，该方法包括：根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量；根据接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量；将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点。当携带副本的节点接收到对该数据的访问请求时，该节点可以立即将副本传送给请求者，最终请求者可以在不直接接触数据产生者的情况下成功访问数据，有效地提高了容迟网络中的数据的访问成功率。由于全局接触能力度量大的节点为存储空间大和通信能力强的节点，因而还缩短了网络中数据的访问延迟时间。

Description

一种容迟网络的数据分发方法及装置

技术领域

本发明涉及通信技术领域，主要适用于容迟网络的数据分发方法及装置。

背景技术

Internet网络改变了人们的生活方式，对提高人们的生活质量起到了巨大的作用。人们通过Internet网络不仅可以获取新鲜的新闻资讯，而且也可以观看实时的电视节目。传统的Internet网络以TCP/IP协议为基础，TCP/IP协议作为较成熟的通信协议已经在全球范围内得到了广泛应用，但这并不代表传统的Internet网络可以适用于所有的应用环境。随着应用环境的不断变化，有一类网络变得越来越重要。但是这类网络无法满足传统的Internet网络所要求的持续的网络连接、较短的往返传输延迟、对称的数据速率以及较低的误码率这些特性中的一个或者多个，这类网络通常被称为受限网络(ConstraintNetwork)。

受限网络的形成原因可能有多种，包括：主机和路由器的移动、节点能源耗尽、节点受损或者冲突。下面是受限网络的几个例子：

陆地移动网络：在很多应用场景中，由于节点的移动性和通信能力是不同的，因此网络中节点的位置可能变得很分散，但在某些时刻，这类网络中节点的运动轨迹又是周期性的、可预测的。例如：一辆沿着固定路线行驶的公交汽车会周期性地往返于各个公交站点，当它从一个站点行驶到另一个站点时，它就可以为该站点及其周边的用户提供信息交换服务。

乡村网络：这类网络是为偏远且没有通信设施的地区提供互联服务的。这类网络往往需要通过通信员驾驶通信车往返于乡村的各个地方来提供Internet连接，这种网络的连接受到很大的制约，且Internet的访问延迟较长。

无线传感器网络：在这类网络中，传感器节点的能源、存储空间和计算能力都十分有限。为了延长节点的存活时间，这类网络中的节点会经常休眠和重新唤醒，这就导致了节点之间的间歇性连接的情况的产生，使网络的连接很不稳定。

这些网络的拓扑变化频繁，网络经常被分割为独立的分区，网络应用面临非常大的延迟，端到端的路由路径无法保证，容迟网络(Delay Tolerant Network，DTN)是这种网络的抽象化模型。

目前，容迟网络主要存在的问题是数据访问成功率低和数据访问延迟长，无法较好地满足用户对数据访问的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种容迟网络的数据分发方法及装置，它不仅能够提高容迟网络中的数据的访问成功率，而且还能缩短网络中数据的访问延迟时间。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种容迟网络的数据分发方法，包括：

根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量；

根据所述接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量；

将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与所述数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点。

进一步地，还包括：

计算容迟网络中各节点之间的接触率；

根据所述接触率计算所述容迟网络中各节点之间接触概率。

进一步地，所述计算容迟网络中各节点之间的接触率，包括：根据公式计算得到容迟网络中节点i和节点s之间的接触率λ_is；其中，T_smax为节点i和节点s的起始接触时刻；T_smin为节点i和节点s的最终接触时刻；L_s为节点s与节点i在T_smax和T_smin之间接触的总次数。

进一步地，所述根据所述接触率计算所述容迟网络中各节点之间接触概率，包括：

根据公式计算单跳节点之间的接触概率P_a；其中，X为节点i和节点s之间的接触时刻；t为当前时刻；T_d为数据副本d的生存时间；

根据P_a计算多跳节点之间的接触概率P_m，且计算公式为：

其中，r为节点i与节点s之间的跳数，λ_k为节点i与节点s在第k跳和第k+1跳之间的接触率；

所述根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量，包括：根据P_m计算各节点的接触能力度量。

进一步地，包括：根据公式计算节点i的接触能力度量C_i；

其中，N_i为节点i可以到达的已知的节点集合；P_is(T_d-t)为从t时刻算起T_d-t时间内节点i和节点s之间的接触概率。

进一步地，所述根据所述接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量，包括：

根据公式计算得到节点i的全局接触能力度量；其中，Nc初始为空集；P_is(T)为从当前时刻算起T时间内节点i和节点s之间的接触概率；s∈N_i\Nc表示节点s是N_i除Nc之外的节点；

将与所述数据产生节点的全局接触能力度量最大的节点依次添加到集合Nc中，重复计算C_i直至集合Nc中有N个节点。

本发明还提供了一种容迟网络的数据分发装置，包括：

接触能力度量计算模块，适于根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量；

全局接触能力度量计算模块，适于根据所述接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量；

数据分发模块，适于将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与所述数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点。

进一步地，还包括：

接触率计算模块，适于计算容迟网络中各节点之间的接触率；

接触概率计算模块，适于根据所述接触率计算所述容迟网络中各节点之间接触概率。

进一步地，所述接触能力度量计算模块，具体适于根据公式计算节点i的接触能力度量C_i；

其中，N_i为节点i可以到达的已知的节点集合；P_is(T_d-t)为从t时刻算起T_d-t时间内节点i和节点s之间的接触概率。

进一步地，所述全局接触能力度量模块，具体适于根据公式计算得到节点i的全局接触能力度量；其中，Nc初始为空集；P_is(T)为从当前时刻算起T时间内节点i和节点s之间的接触概率；s∈N_i\Nc表示节点s是N_i除Nc之外的节点；

将与所述数据产生节点的全局接触能力度量最大的节点依次添加到集合Nc中，重复计算C_i直至集合Nc中有N个节点。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的容迟网络的数据分发方法及装置，计算得到容迟网络中各节点的全局接触能力度量，并基于全局接触能力度量将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点中。当携带副本的节点接收到对该数据的访问请求时，该节点可以立即将副本传送给请求者，最终请求者可以在不直接接触数据产生者的情况下成功访问数据，有效地提高了容迟网络中的数据的访问成功率。由于全局接触能力度量大的节点为存储空间大和通信能力强的节点，因而还缩短了网络中数据的访问延迟时间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的容迟网络的数据分发方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的容迟网络的数据分发装置的结构框图；

图3为本发明实施例提供的容迟网络的数据分发方法中步骤S140、步骤S150和步骤S160的详细流程图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的容迟网络的数据分发方法及装置的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

参见图1，本发明实施例提供的容迟网络的数据分发方法，包括：

步骤S110：计算容迟网络中各节点之间的接触率；

本步骤具体包括：

根据公式计算得到容迟网络中节点i和节点s之间的接触率λ_is；其中，T_smax为节点i和节点s的起始接触时刻；T_smin为节点i和节点s的最终接触时刻；L_s为节点s与节点i在T_smax和T_smin之间接触的总次数。

需要说明的是，在本实施例中，可以先根据实际的容迟网络建立基于接触图的网络模型，再根据该网络模型建立单跳网络信息表和多跳网络信息表。其中，单跳网络信息表包括：各节点的编号、各节点之间的接触时刻及各节点之间的接触时长。多跳网络信息表包括：源节点、目的节点、各节点之间的接触率及更新时刻。需要说明的是，多跳网络信息表是实时更新的。

在这种情况下，本步骤具体包括：

首先，基于各节点的编号，将单跳网络信息表中的各节点的编号、各节点之间的接触时刻和各节点之间的接触时长合并成集合S；

其次，针对集合S中的各节点编号，过滤出节点s在网络信息表中的所有记录，并将这些记录定义为记录集Rs，其中元素的个数为Ls；

最后，从记录集Rs中找到节点s和节点i之间的起始接触时刻和最终接触时刻，分别记做T_smax和T_smin。再求出T_smax和T_smin的差值Trange，将Trange除以Ls-1后得到的结果取倒数，得到节点i和节点s之间的接触率λ_is，即

重复上述步骤直至求出集合S中的所有节点之间的接触率。

步骤S120：根据接触率计算容迟网络中各节点之间的接触概率。

本步骤具体包括：

根据公式计算单跳节点之间的接触概率P_a；其中，X为节点i和节点s之间的接触时刻；t为当前时刻；T_d为数据副本d的生存时间；

根据P_a计算多跳节点之间的接触概率P_m，且计算公式为：

其中，r为节点i与节点s之间的跳数，λ_k为节点i与节点s在第k跳和第k+1跳之间的接触率。

步骤S130：根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量；

本步骤具体包括：

根据P_m计算各节点的接触能力度量；具体公式为：

其中，N_i为节点i可以到达的已知的节点集合；P_is(T_d-t)为从t时刻算起T_d-t时间内节点i和节点s的接触概率。

步骤S140：根据接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量；

本步骤具体包括：

根据公式计算得到节点i的全局接触能力度量；其中，Nc初始为空集；P_is(T)为从当前时刻算起T时间内节点i和节点s之间的接触概率；s∈N_i\Nc表示节点s是N_i除Nc之外的节点。

步骤S150：将与数据产生节点的全局接触能力度量最大的节点依次添加到集合Nc中，通过步骤S140中的公式重复计算C_i直至集合Nc中有N个节点。其中，N由具体的数据访问需求而定。

步骤S160：将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点。

在本实施例中，步骤S140、步骤S150和步骤S160可以具体包括：

第一步：在网络开始运行的一段时间内，各节点自主移动、互相接触，维护各自的接触信息。这个阶段被称为网络启动阶段，时长为T_start；

第二步：设定容迟网络中全部节点的集合N和空集Nc，并选定网络中的某个节点为中心选择节点Nsel；

第三步：将Nsel针对N中的节点i计算对应的C_i值，将C_i值最大的节点作为网络中心节点，并将其添加到NC中；这里需要说明的是，由于有些节点受存储空间、通信能力等原因的限制，不适合作为网络中心节点，因此不选择这些节点作为网络中心节点，而将C_i值次大的节点作为网络中心节点，并添加到NC中。

第四步：重复第三步直到Nc中有K个节点为止；其中，K根据具体情况而定；

第五步：在网络中广播网络中心节点的信息(可以通过手机自带的3G网络)；

第六步：当有数据源节点产生数据的K个副本时，该节点将数据副本分发给Nc中的网络中心节点。

参见图2，本发明实施例还提供了一种容迟网络的数据分发装置，包括：

接触率计算模块100，适于计算容迟网络中各节点之间的接触率；

在本实施例中，接触率计算模块100，具体适于根据公式计算得到容迟网络中节点i和节点s之间的接触率λ_is；其中，T_smax为节点i和节点s的起始接触时刻；T_smin为节点i和节点s的最终接触时刻；L_s为节点s与节点i在T_smax和T_smin之间接触的总次数。

接触概率计算模块200，适于根据接触率计算容迟网络中各节点之间接触概率；

在本实施例中，接触概率计算模块200，具体适于根据公式计算单跳节点之间的接触概率P_a；其中，X为节点i和节点s之间的接触时刻；t为当前时刻；T_d为数据副本d的生存时间；

根据P_a计算多跳节点之间的接触概率P_m，且计算公式为：

其中，r为节点i与节点s之间的跳数，λ_k为节点i与节点s在第k跳和第k+1跳之间的接触率；

接触能力度量计算模块300，适于根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量；

在本实施例中，接触能力度量计算模块300，具体适于根据公式计算节点i的接触能力度量C_i；

其中，N_i为节点i可以到达的已知的节点集合；P_is(T_d-t)为从t时刻算起T_d-t时间内节点i和节点s之间的接触概率。

全局接触能力度量计算模块400，适于根据接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量；

在本实施例中，全局接触能力度量模块400，具体适于根据公式计算得到节点i的全局接触能力度量；其中，Nc初始为空集；P_is(T)为从当前时刻算起T时间内节点i和节点s之间的接触概率；s∈N_i\Nc表示节点s是N_i除Nc之外的节点；

并将与数据产生节点的全局接触能力度量最大的节点依次添加到集合Nc中，重复计算C_i直至集合Nc中有N个节点。其中，N由具体的数据访问需求而定。

数据分发模块500，适于将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点。

根据本实施例MIT Reality的数据建立相应的网络模型，需要做以下步骤：

数据的产生：每个节点周期性地检查自己产生的数据是否过期。如果没有，它将以数据产生的概率pG决定是否重新产生数据。每个所产生的数据的生存时间都是有限的，在本实施例中，数据的生存时间为[0.5T，1.5T]，其中，T为生成数据的周期。在测试中，将pG固定为0.2，网络中产生数据的总数目可以由T值控制。在本实施例中，节点的存储空间为[20MB，120MB]，数据项的大小为[0.5savg，1.5savg]。通过调节savg，可以模拟出不同的节点存储条件。相类似地，可以给定不同的T值来测试不同延迟容忍程度下的数据访问性能。

访问请求的生成：访问请求会在网络的所有节点上随机生成。在本实施例中，访问请求的生存时间为[0.35T，0.65T]。

在本实施例中，所用到的数据信息、测试副本放置和分发策略如下表所示：

名称	MIT Reality
		网络类型	蓝牙
移动设备数	97
		内部接触次数	114046
持续天数	246
		每对节点的接触次数(按天计)	0.024

表1实施数据信息

表2实施用到的副本放置和分发策略

表3实施参数说明

参见图3，具体的分发步骤如下：

第一步：在网络启动阶段，对数据的生存时间、数据大小控制值、数据副本个数等进行相应的设置，且数据的生存时间默认为72小时，数据大小控制值默认为600KB，数据副本个数K默认为5，根据MIT Reality的数据，可以得到对应的每个节点单跳和多跳网络信息。

第二步：指定Nsel为中心选择节点，N为网络中全部节点的集合，Nc初始为空集。

第三步：对N中的每个节点，计算出各节点对应的C_i值；然后找出最大C_i值对应的节点Nmax。

第四步：判断Nmax节点是否适合作为网络中心节点；如果适合，则将其并入Nc中，再执行第六步。如果不适合，则执行第五步；

第五步：选择下一个C_i值最大的节点i，并且令Nmax＝i，将i并入Nc中。

第六步：判断Nc集中是否包含K(在这里默认值为5)个节点；如果没达到K个节点，则转到第三步，继续寻找合适的网络中心节点。

第七步：如果已经包含了K个节点，将这K个节点的信息广播给网络中的所有节点。

第八步：当有数据源节点产生数据的K个副本时，该节点将数据分发给Nc中的网络中心节点。

当携带副本的节点接收到对该数据的访问请求时，该节点可以立即将数据副本传送给请求者，最终请求者可以在不直接接触数据源节点的情况下成功访问数据。

本发明实施例提供的容迟网络的数据分发方法及装置，计算得到容迟网络中各节点的全局接触能力度量，并基于全局接触能力度量将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点中。当携带副本的节点接收到对该数据的访问请求时，该节点可以立即将副本传送给请求者，最终请求者可以在不直接接触数据产生者的情况下成功访问数据，有效地提高了容迟网络中的数据的访问成功率。由于全局接触能力度量大的节点为存储空间大和通信能力强的节点，因而还缩短了网络中数据的访问延迟时间。在本发明实施例中，数据产生节点可以快速地将数据分发出去，数据访问节点也可以快速地访问所请求的副本，从而在整体上提高了数据访问的成功率和缩短访问延迟。本发明实施例中的节点全局接触能力度量C_i是从节点接触能力的角度来考虑DTN中的节点的移动模式的，寻找那些具有良好接触能力的节点，为数据副本放置位置的选择提供了重要的参考指标，确保了数据副本放置位置选择的准确性。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种容迟网络的数据分发方法，其特征在于，包括：

根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量；

根据所述接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量；

将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与所述数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点。

2.如权利要求1所述的容迟网络的数据分发方法，其特征在于，还包括：

计算容迟网络中各节点之间的接触率；

根据所述接触率计算所述容迟网络中各节点之间接触概率。

3.如权利要求2所述的容迟网络的数据分发方法，其特征在于，所述计算容迟网络中各节点之间的接触率，包括：根据公式计算得到容迟网络中节点i和节点s之间的接触率λ_is，其中，T_smax为节点i和节点s的起始接触时刻，T_smin为节点i和节点s的最终接触时刻，L_s为节点s与节点i在T_smax和T_smin之间接触的总次数。

4.如权利要求3所述的容迟网络的数据分发方法，其特征在于，所述根据所述接触率计算所述容迟网络中各节点之间接触概率，包括：

根据公式P_a(X≤Td)＝1-e^-λis(Td-t)计算单跳节点之间的接触概率P_a，其中，X为节点i和节点s之间的接触时刻，t为当前时刻，T_d为数据副本d的生存时间；

根据P_a计算多跳节点之间的接触概率P_m，且计算公式为：

$P_m\left(X\right)=\underset{k=1}{\overset{r}{\Σ}}{C}_k^{\left(r\right)}{P}_a\left(X\right);$

其中，r为节点i与节点s之间的跳数，λ_k为节点i与节点s在第k跳和第k+1跳之间的接触率；

所述根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量，包括：根据P_m计算各节点的接触能力度量。

5.如权利要求4所述的容迟网络的数据分发方法，其特征在于，所述根据P_m计算各节点的接触能力度量，包括：根据公式 计算节点i的接触能力度量C_i，

其中，N_i为节点i可以到达的已知的节点集合，P_is(T_d-t)为从t时刻算起T_d-t时间内节点i和节点s之间的接触概率。

6.如权利要求5所述的容迟网络的数据分发方法，其特征在于，

所述根据所述接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量，包括：

根据公式计算得到节点i的全局接触能力度量，其中，Nc初始为空集，P_is(T)为从当前时刻算起T时间内节点i和节点s之间的接触概率，s∈N_i\Nc表示节点s是N_i除Nc之外的节点；

将与所述数据产生节点的全局接触能力度量最大的节点依次添加到集合Nc中，重复计算C_i直至集合Nc中有N个节点。

7.一种容迟网络的数据分发装置，其特征在于，包括：

接触能力度量计算模块，适于根据容迟网络中各节点之间接触概率计算各节点的接触能力度量；

全局接触能力度量计算模块，适于根据所述接触能力度量计算各节点的全局接触能力度量；

数据分发模块，适于将由容迟网络中的数据产生节点产生的数据副本分发到与所述数据产生节点的全局接触能力度量最大的N个节点。

8.如权利要求7所述的容迟网络的数据分发装置，其特征在于，还包括：

接触率计算模块，适于计算容迟网络中各节点之间的接触率；

接触概率计算模块，适于根据所述接触率计算所述容迟网络中各节点之间接触概率。

9.如权利要求8所述的容迟网络的数据分发装置，其特征在于，所述接触能力度量计算模块，具体适于根据公式计算节点i的接触能力度量C_i，

其中，N_i为节点i可以到达的已知的节点集合，P_is(T_d-t)为从t时刻算起T_d-t时间内节点i和节点s之间的接触概率。

10.如权利要求9所述的容迟网络的数据分发装置，其特征在于，所述全局接触能力度量模块，具体适于根据公式计算得到节点i的全局接触能力度量，其中，Nc初始为空集，P_is(T)为从当前时刻算起T时间内节点i和节点s之间的接触概率，s∈N_i\Nc表示节点s是N_i除Nc之外的节点；

将与所述数据产生节点的全局接触能力度量最大的节点依次添加到集合Nc中，重复计算C_i直至集合Nc中有N个节点。