CN104486040A - 基于缓存管理的高效编码感知路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于缓存管理的高效编码感知路由方法，主要解决现有技术不能有效地提升不同速率场景下的网络吞吐量及实施复杂的问题，其技术方案是：1.在网络中进行编码感知路由发现，根据编码条件寻找进行流间网络编码的节点和路径；2.对经过路由发现后在路径上寻找出的编码节点用基于队列长度策略的缓存管理方式进行网络吞吐量训练，实现最优阈值的选取；3.根据编码节点的最优阈值选择网络数据传输方案，即中间节点根据编码机会、缓存状态和给定的最优阈值对接收到的数据包进行编码转发或直接转发或等待。本发明与现有技术相比网络吞吐量高，实施复杂度低，可用于各种速率场景下的无线骨干网络。

Description

基于缓存管理的高效编码感知路由方法

技术领域

本发明属于无线网络领域，涉及一种无线网络中的路由方法，可用于各种速率场景下的无线骨干网络。

背景技术

网络编码是一种融合了编码和路由的信息交换技术，它通过在网络的中间节点对接收到的信息进行处理并转发给下游节点，改变了传统路由中节点只对接收到的数据进行存储转发操作的工作方式。研究表明，网络编码技术可以使网络传输达到传输上限，在很大程度上提高了网络的吞吐量。

所谓编码感知，是将“路由发现”和“编码机会发现”两过程统一，即在路由发现的过程中发现编码机会。现有的以分布式编码感知路由DCAR机制为代表的编码感知路由协议都集中在考虑网络编码的度量设计上，在数据包编码时没有考虑编码节点的缓存状态，即采用基于机会的网络编码方法COPE，不会推迟数据包的转发来等待未来的编码机会。然而由于编码节点相应数据流的异步和随机的到达，这种做法会损失掉一些潜在的编码机会。特别是在低负载情况下，网络无拥塞，编码节点的输出队列中没有缓存的数据包，从而没有编码机会，此时等效为传统的存储转发方式。

现有的绝大多数编码感知路由，都假定参与编码的数据流具有同样的数据速率，而实际网络中通常存在各种流速的数据流。在速率不匹配的情况下，编码感知路由会面临很多问题。然而现有的考虑多速率的编码感知路由，例如速率自适应的编码感知多径路由RCR，以编码感知路径传输时间CPTT为度量的路由协议在数据包编码时也没有考虑编码节点的缓存状态。

现有的编码节点缓存管理机制有两种控制方式：基于等待时延的策略和基于队列长度的策略。

在基于等待时延的策略中，如果一个数据包的等待时间大于一个阈值，这个数据包将被无编码的转发。在这种方式下时延可以被精确控制，但是必须为每一个数据包维持一个时钟，实施起来复杂度比较大。

在基于队列长度的策略中，如果缓存的队列长度超过一个阈值，数据包将被无编码的转发。这种方法实施起来比较简单，但等待时延可能较大，对网络的吞吐量造成负面的影响，降低网络的吞吐量。

因此，如何结合编码感知路由算法和缓存管理算法，充分发挥其优势来实施一种简单、有效的路由方法以进一步提升各种速率场景下的无线网络的吞吐量，是一个值得研究的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于缓存管理的高效编码感知路由方法，以有效提高各种速率场景下的网络吞吐量且在有效地考虑编码节点的缓存状态下，降低实施复杂度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案，包括如下步骤：

(1)在网络中进行编码感知路由发现,根据编码条件寻找进行流间网络编码的节点和路径；

(2)对经过路由发现后在路径上寻找出的编码节点用基于队列长度策略的缓存管理方式进行如下网络训练，实现最优阈值的选取：

2a)设定基于队列长度策略的每一个阈值i的网络吞吐量为：

$\begin{array}{cc}\frac{b_i}{t}& i=\mathrm{1,2}...L-1\end{array}$

其中，t为采样间隔，b_i为编码节点对应阈值i在间隔t内传输的比特数，L为编码节点的编码队列长度；

2b)将阈值i初始化为1，源节点发送数据包，编码节点对来自不同数据流的数据包进行有效的传输或等待，在数据传输稳定时，记录一个固定的采样间隔t内传输的比特数b₁，同时使阈值i加1，记录下一个间隔t内传输的比特数b₂，以同样的方式编码节点得到对应阈值i在间隔t内传输的比特数b₁,b₂...b_L-1；

2c)从上述得到的比特数b₁,b₂...b_L-1中找出数值最大的元素的下标，作为最优的阈值；

(3)根据编码节点的最优阈值选择网络数据传输方案，即中间节点根据编码机会、缓存状态和给定的最优阈值对接收到的数据包进行编码转发或直接转发或等待。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

1、本发明由于采用了基于队列长度的缓存管理策略，使数据包在编码时考虑了缓存状态，克服了传统的COPE类型机会式编码方式不能等待未来编码机会的不足，有效提高了网络吞吐量；

2、本发明由于采用了网络吞吐量训练策略，使编码节点获得了基于队列长度策略的最优阈值，克服了一般基于队列长度策略可能对网络吞吐量造成的负面影响，可以有效的提高各种速率场景下的网络吞吐量；

3、本发明由于采用了基于队列长度的缓存管理策略，使编码节点根据缓存队列长度和给定的最优阈值对接收到的数据包进行编码转发或直接转发，与基于等待时延策略相比，有效降低了实施复杂度。

附图说明

图1为本发明的实现总流程图；

图2为本发明中的中间节点进行数据传输的子流程图；

图3为本发明仿真使用的骨干网络的示意图；

图4为在等速率情况下，用不同方法在骨干网络下的性能结果对比图；

图5为在所有数据流速率变化的情况下，用不同方法在骨干网络下的性能结果对比图；

图6为只有一条数据流速率变化的情况下，用不同方法在骨干网络下的性能结果对比图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明进行详细描述：

参照图1，本发明的基于缓存管理的高效编码感知路由方法，包括以下步骤：

步骤1：在网络中进行编码感知路由发现,根据编码条件寻找进行流间网络编码的节点和路径。

1a)源节点向邻居节点广播路由请求数据包RREQ，该RREQ包是在原有按需平面距离矢量路由协议AODV的RREQ包的基础上增加了路径信息，该路径信息记录了它所经历的节点；

1b)当中间节点接收到路由请求数据包RREQ时，首先检查是否已经收过该RREQ包，如果是，则丢弃该RREQ包以避免形成环路；如果不是，则中间节点将更新RREQ中的路径信息，将自己添加到该数据流经过的路径上，并且广播此RREQ包；

1c)当路由请求数据包RREQ被目的节点接收到时，目的节点将向源节点反向发送路由应答消息RREP，该RREP中已经包含了所需的路径信息；

1d)当中间节点接收到路由应答消息RREP时，即获得了新路径的路径信息，中间节点根据获得的路径信息判断自己是否能进行流间网络编码：

如果该中间节点保存有其它路径信息，且该路径与新路径在该中间节点的上、下一跳范围内存在重叠，则该中间节点在RREP中把该节点标记为“可以编码”；

1e)当源节点收到路由应答消息RREP包后，源节点将根据该RREP包中包含的潜在编码机会选择路径并开始发送数据包；

1f)当第一个数据包到达中间节点后，该中间节点将保存所选择的新路径的路径信息，并继续转发该数据包。

步骤2：对经过路由发现后在路径上寻找出的编码节点用基于队列长度策略的缓存管理方式进行网络训练，实现最优阈值的选取。

2a)设定基于队列长度策略的每一个阈值i的网络吞吐量为：

$\begin{array}{cc}\frac{b_i}{t},& i=\mathrm{1,2}...L-1\end{array}$

其中，t为采样间隔，b_i为编码节点对应阈值i在间隔t内传输的比特数，L为编码节点的编码队列长度；

2b)将阈值i初始化为1，源节点发送数据包，编码节点对来自不同数据流的数据包进行有效的传输或等待，在数据传输稳定时，记录一个固定的采样间隔t内传输的比特数b₁，同时使阈值i加1，记录下一个间隔t内传输的比特数b₂，以同样的方式编码节点得到对应阈值i在间隔t内传输的比特数b₁,b₂...b_L-1；

2c)从上述得到的比特数b₁,b₂...b_L-1中找出数值最大的元素的下标，作为最优的阈值。

步骤3：根据编码节点的最优阈值选择网络数据传输方案，即中间节点根据编码机会、缓存状态和给定的最优阈值对接收到的数据包进行编码转发或直接转发或等待。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

3a)中间节点根据接收到的数据包头中的数据包类型信息判断该数据包是编码包还是原始包：

如果该数据包类型信息表明此数据包未经过编码，则表明此数据包是原始包；

如果该数据包类型信息表明此数据包经过编码，则检查缓存中是否有用于解码此编码包的其余数据流信息，如果没有，则丢弃该编码包；如果有，则分离出需要的数据流的原始包；

3b)对从编码包中分离出来的原始包和未经过分离的原始包进行判断，判断此中间节点是否是编码节点：如果此中间节点保存有多条路径信息，则表明此中间节点是编码节点，执行步骤3c),如果此中间节点没有保存其它路径信息，则表明此中间节点不是编码节点，并将此原始包根据路由表转发出去；

3c)检查该中间节点是否有其他路径上的数据包到达，如果有，则对来自不同路径的数据包进行编码转发；如果没有，则该中间节点把其插入到编码缓存中然后检查该缓存队列的长度，执行步骤3d)；

3d)将此编码缓存队列长度与给定的最优阈值进行比较：如果编码缓存队列长度大于给定的最优阈值，则直接无编码的转发，否则，在编码队列中进行等待。

本发明的效果可通过以下实验进一步说明：

1、实验条件和内容：

实验中使用ns-2网络仿真工具，设计了一种骨干网络，如图3所示，采用UDP数据源，MAC层协议采用IEEE802.11的DCF机制，节点的传输半径为250m,缓存队列大小为50个数据包，采样间隔t取为0.5s。

在上述所述的骨干网络中存在着两条数据流，分别为数据流1和数据流2，其中数据流1的源节点是节点0，目的节点是节点2，数据流2的源节点是节点2，目的节点是节点5。本发明中的网络编码路由方法定义为OQMCAR，传统的基于COPE类型的机会式编码的编码感知路由方法定义为COPEstyle-based。

2、仿真内容及结果：

仿真一：用本发明方法与现有的基于COPE类型的机会式编码的编码感知路由方法在数据流1和数据流2两者速率相等且速率为100～400kbps的情况下，对骨干网络吞吐量进行仿真，其结果如图4所示。

图4表明，利用本发明方法得到的网络吞吐量最大，可见本发明方法适用于等速率场景下的无线骨干网络。

仿真二：用本发明方法与现有的基于COPE类型的机会式编码的编码感知路由方法在数据流1的速率是数据流2速率的2倍，且数据流2的速率为30～310kbps的情况下，对骨干网络吞吐量进行仿真，其结果如图5所示。

图5表明，利用本发明方法得到的网络吞吐量最大，可见本发明方法适用于不同速率场景下的无线骨干网络。

仿真三：用本发明方法与现有的基于COPE类型的机会式编码的编码感知路由方法在数据流1的速率固定为200kbps且数据流2的速率为100～400kbps的情况下，对骨干网络吞吐量进行仿真，其结果如图6所示。

图6表明，利用本发明方法得到的网络吞吐量最大，可见本发明方法可以有效提升多速率场景下的无线骨干网络的吞吐量。

上述三个仿真表明本发明方法可有效提升各种速率场景下的无线骨干网络的吞吐量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不构成对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于缓存管理的高效编码感知路由方法，包括如下步骤：

(1)在网络中进行编码感知路由发现,根据编码条件寻找进行流间网络编码的节点和路径；

(2)对经过路由发现后在路径上寻找出的编码节点用基于队列长度策略的缓存管理方式进行如下网络训练，实现最优阈值的选取：

2a)设定基于队列长度策略的每一个阈值i的网络吞吐量为：

$\frac{b_i}{t}$     i＝1,2...L-1

其中，t为采样间隔，b_i为编码节点对应阈值i在间隔t内传输的比特数，L为编码节点的编码队列长度；

2b)将阈值i初始化为1，源节点发送数据包，编码节点对来自不同数据流的数据包进行有效的传输或等待，在数据传输稳定时，记录一个固定的采样间隔t内传输的比特数b₁，同时使阈值i加1，记录下一个间隔t内传输的比特数b₂，以同样的方式编码节点得到对应阈值i在间隔t内传输的比特数b₁,b₂...b_L-1；

2c)从上述得到的比特数b₁,b₂...b_L-1中找出数值最大的元素的下标，作为最优的阈值；

(3)根据编码节点的最优阈值选择网络数据传输方案，即中间节点根据编码机会、缓存状态和给定的最优阈值对接收到的数据包进行编码转发或直接转发或等待。

2.根据权利要求1所述的基于缓存管理的高效编码感知路由方法，其中步骤(1)所述的根据编码条件寻找进行流间网络编码的节点和路径，包括如下步骤：

1a)源节点向邻居节点广播路由请求数据包RREQ，该RREQ包是在原有按需平面距离矢量路由协议AODV的RREQ包的基础上增加了路径信息，该路径信息记录了它所经历的节点；

1b)当中间节点接收到路由请求数据包RREQ时，首先检查是否已经收过该RREQ包，如果是，则丢弃该RREQ包以避免形成环路；如果不是，则中间节点将更新RREQ中的路径信息，将自己添加到该数据流经过的路径上，并且广播此RREQ包；

1c)当路由请求数据包RREQ被目的节点接收到时，目的节点将向源节点反向发送路由应答消息RREP，该RREP中已经包含了所需的路径信息；

1d)当中间节点接收到路由应答消息RREP时，即获得了新路径的路径信息，中间节点根据获得的路径信息判断自己是否能进行流间网络编码：

如果该中间节点保存有其它路径信息，且该路径与新路径在该中间节点的上、下一跳范围内存在重叠，则该中间节点在RREP中把该节点标记为“可以编码”；

1e)当源节点收到路由应答消息RREP包后，源节点将根据该RREP包中包含的潜在编码机会选择路径并开始发送数据包；

1f)当第一个数据包到达中间节点后，该中间节点将保存所选择的新路径的路径信息。

3.根据权利要求1所述的基于缓存管理的高效编码感知路由方法，其中步骤(3)所述的中间节点根据编码机会、缓存状态和给定的最优阈值对接收到的数据包进行编码转发或直接转发或等待，按如下步骤进行：

3a)中间节点根据接收到的数据包头中的数据包类型信息判断该数据包是编码包还是原始包：

如果该数据包类型信息表明此数据包未经过编码，则表明此数据包是原始包；

如果该数据包类型信息表明此数据包经过编码，则检查缓存中是否有用于解码此编码包的其余数据流信息，如果没有，则丢弃该编码包；如果有，则分离出需要的数据流的原始包；

3b)对从编码包中分离出来的原始包和未经过分离的原始包进行判断，判断此中间节点是否是编码节点：如果此中间节点保存有多条路径信息，则表明此中间节点是编码节点，执行步骤3c),如果此中间节点没有保存其它路径信息，则表明此中间节点不是编码节点，并将此原始包根据路由表转发出去；

3c)检查该中间节点是否有其他路径上的数据包到达，如果有，则对来自不同路径的数据包进行编码转发；如果没有，则该中间节点把其插入到编码缓存中然后检查该缓存队列的长度，执行步骤3d)；

3d)将此编码缓存队列长度与给定的最优阈值进行比较：如果编码缓存队列长度大于给定的最优阈值，则直接无编码的转发，否则，在编码队列中进行等待。