CN104954284A - 一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于延迟容忍网络领域，具体涉及一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法。本发明包括：源节点S有消息M发送给目的节点D，根据消息优先级划分方法对消息进行优先级划分；对已经确定好优先级的消息，采用消息副本数阈值分配方法，设置单个消息能够产生的副本数阈值Q；判断任意有消息转发的节点L是否与任意节点N正在相遇；判断N到目的节点D的概率是否大于L；判断发送消息节点L的消息M的副本数K是否等于阈值Q。本发明通过综合考虑源节点所发消息的大小、消息的生命周期及源节点到达目的节点的概率对消息设置副本数阈值，可以有效的限制网络中的消息的副本数，从而实现网络中拥塞现象的避免。

Description

一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法

技术领域

本发明属于延迟容忍网络领域，具体涉及一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法。

背景技术

延迟容忍网络(DTN)是一种新型网络，具有高延迟性、间断连接性、拓扑易变性、节点资源有限等特点。为了克服这些网络限制，保证消息传输的到达率，延迟容忍网络使用传输层提供的服务，以跳到跳的托管机制，采用“存储-携带-转发”这种方式对消息进行传输。然而DTN具有高延迟性、间断连接性、拓扑易变性、节点资源有限等特点，这就导致托管节点很可能需要长时间保存接收到的消息，来应对可能出现的网络延迟和中断，直到收到下一跳托管节点的确认信息或者消息被传递至目的节点。如果托管节点不能及时转发其收到的消息，网络又有大量的消息需要及时转发，那么网络会最终耗尽托管节点的存储资源，造成网络拥塞。

网络中的拥塞主要来源于网络资源和网络流量分布的不均衡性。网络中有限的资源由多个用户共享使用，由于没有接纳控制方法，网络无法根据资源情况限制用户数量；另外由于缺乏中心控制，网络也无法控制用户使用资源的数量。当网络中存在过多的报文时，网络的性能会下降。因此，对于资源严重受限的DTN网络环境，如何有效地进行拥塞避免和控制成为影响网络性能的关键问题之一。

在延迟容忍网络中，节点的缓存空间是非常有限的。传统的DTN概率路由协议主要思想是：当节点H(m)与H(n)相遇时，按照俩个节点能将该消息投递到目的节点的概率来确定是否进行消息的复制转发。然而该方法虽然保障了消息的转发成功率，但是在网络中却存在着大量的报文副本，随着复制转发的进行，越来越多的报文副本会存储在节点的缓存中，当副本数量增加到一定数量并且超过了缓存有限的存储空间时，网络中的节点就产生了拥塞。

目前解决拥塞问题主要有拥塞控制方法和拥塞避免方法。拥塞控制方法主要采用丢弃报文策略或者转移报文来解决拥塞问题。其中丢弃报文策略主要包括:(1)DROP FRONT，该方法的核心思想是优先丢弃缓存空间中排队时间最长的报文；(2)DROP LAST，该方法的核心思想是优先丢弃缓存空间中最新接收到的报文；(3)DROP OLDST，该方法的核心思想是优先丢弃缓存空间中剩余生命周期(TTL)最短的报文；(4)DROP YOUNGEST，该方法的核心思想是优先丢弃缓存空间中剩余生命期最长的报文；(5)N-DROP，该方法的核心思想是首先丢弃转发次数(跳数)大于等于阈值的报文，如果仍不能满足新报文的存储需求，则再逐一丢弃转发次数最大的报文，直至缓存足以存储新的报文。然而上述几种算法没有考虑数据包在网络中的副本数，很有可能把缓存中副本数最少的数据包丢弃，使这些数据包不能达到目的节点，从而发生数据包的丢失；同时都是仅从删除节点缓存数据包出发，没有考虑节点接收的新数据包在网络中存在的副本数可能比节点中现有的数据包在网络中副本数多。

拥塞避免方法主要是通过一定的手段控制网络中的数据传输，防止拥塞的发生。目前针对DTN的拥塞避免相关研究工作主要有C.Raghavendra等人提出的Token Based CongestionControl for DTN方法，这个方法的主要思想是在网络中令牌数目固定不变的情况下，均匀分布初始令牌给每个节点，使每个节点获得相同数目的令牌，节点须拥有令牌才可以发送数据，如果节点没有令牌可以借用邻居节点的令牌发送数据。这个方法可以有效地避免网络拥塞，但此算法并没有考虑节点传输数据成功率的问题。

基于以上分析，针对现有的拥塞控制方法和拥塞避免方法所拥有的缺陷：拥塞控制方法没有考虑数据包在网络中的副本数，很有可能把缓存中副本数最少的数据包丢弃，使这些数据包不能达到目的节点，从而发生数据包的丢失；同时都是仅从删除节点缓存数据包出发，没有考虑节点接收的新数据包在网络中存在的副本数可能比节点中现有的数据包在网络中副本数多。拥塞避免方法所拥有的问题是只考虑网络拥塞而没有考虑传输数据的成功率，而传统的DTN概率路由协议虽然保障了消息的转发成功率，但在网络中存在着大量的报文副本，随着复制转发的进行，越来越多的报文副本会存储于节点缓存中，当副本数量增加到一定数量并超过缓存有限的空间时，网络中的节点就产生了拥塞。本文提出一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法。该方法主要思想：通过综合考虑源节点所发消息的大小、消息的生命周期、源节点到达目的节点的概率对消息进行优先级的划分，根据已经确定好的优先级对消息进行副本数阈值的设置。在数据转发过程中，节点H(i)与H(j)相遇(假设H(j)到目的节点的概率大于H(i))，如果中继节点H(i)要转发的消息M在转发过程中没有达到单个消息的副本数阈值，则将消息M复制给下一跳中继节点H(j),中继节点H(i)的消息M的副本数加一，此时节点H(j)所携带的消息M的副本数为0；如果单个消息M的副本数达到阈值，则将消息转发给下一跳中继节点H(j)，然后删除本地节点H(i)的消息M，此时H(j)所携带消息M的副本数为阈值。本发明具有的优点：(1)通过综合考虑源节点所发消息的大小、消息的生命周期及源节点到达目的节点的概率对消息设置副本数阈值，可以有效的限制网络中的消息的副本数，从而实现网络中拥塞现象的避免。(2)和传统拥塞避免方法相比，该方法在有效的限制了网络的副本数的同时，还考虑了消息的交付率，从而使网络在不降低消息的交付率的同时还实现了网络中拥塞现象的避免。(3)通过使用副本数阈值，可以有效的避免到达目的节点概率较低的中继节点在数据转发过程中产生的无效的消息副本。

发明内容

本发明的主要目的是提出了一种针对概率路由在传输消息过程中具有较高的传递率的基础上，根据节点要发送的消息大小、消息的生命周期、节点到目的节点的历史概率设定消息的优先级，根据消息的优先级，确定单个消息能够产生的副本数的阈值，通过消息副本数阈值限制采用概率路由时网络中消息的副本数的面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法。

本发明的目的是这样实现的：

面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法：

(1)源节点S有消息M发送给目的节点D，根据消息优先级划分方法对消息进行优先级划分；

(2)对已经确定好优先级的消息，采用消息副本数阈值分配方法，设置单个消息能够产生的副本数阈值Q；

(3)判断任意有消息转发的节点L是否与任意节点N正在相遇，如果是，则执行步骤(4)；否则，执行步骤(8)；

(4)判断N到目的节点D的概率是否大于L，如果是，则执行步骤(5)；否则，返回步骤(3)；

(5)判断发送消息节点L的消息M的副本数K是否等于阈值Q，如果不是，则执行步骤(6)；否则，执行步骤(7)；

(6)L将消息复制给相遇节点N，将节点N单个消息M副本数设置为0，发消息节点L中消息M的副本数加1；

(7)L将消息M复制给相遇节点N，发送数据节点L删除消息M；

(8)判断消息是否到目的节点，如果是，则结束；否则，返回步骤(3)；

在所述步骤(1)中所提到的消息优先级划分方法还包括：通过判断Pr的大小来设置优先级，其中Si为消息M的大小，Max代表网络中最大消息的大小、Li为消息M的生命周期0＜Li＜60、Ph为源节点S到目的节点D的概率，并且α+β+γ＝1，当时，此消息为一级消息；当时，此消息为二级消息；当时，此消息为三级消息，其中一级优先级最高，三级优先级最低。

本发明的有益效果在于：通过综合考虑源节点所发消息的大小、消息的生命周期及源节点到达目的节点的概率对消息设置副本数阈值，可以有效的限制网络中的消息的副本数，从而实现网络中拥塞现象的避免。和传统拥塞避免方法相比，该方法在有效的限制了网络的副本数的同时，还考虑了消息的交付率，从而使网络在不降低消息的交付率的同时还实现了网络中拥塞现象的避免。通过使用副本数阈值，可以有效的避免到达目的节点概率较低的中继节点在数据转发过程中产生的无效的消息副本。

附图说明

图1一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法流程图；

图2一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法具体实施的框架图；

图3一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法网络节点相遇概率表。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

步骤一：源节点S有消息M发送给目的节点D。根据消息优先级划分方法对消息进行优先级划分。

步骤二：对已经确定好优先级的消息，采用消息副本数阈值分配方法，设置单个消息能够产生的副本数阈值Q。

步骤三：判断任意有消息转发的节点L是否与任意节点N正在相遇，如果是，则执行步骤四；否则，执行步骤八。

步骤四：判断N到目的节点D的概率是否大于L，如果是，则执行步骤五；否则，返回步骤三。

步骤五：判断发送消息节点L的消息M的副本数K是否等于阈值Q，如果不是，则执行步骤六；否则，执行步骤七。

步骤六：L将消息复制给相遇节点N，将节点N单个消息M副本数设置为0，发消息节点L中消息M的副本数加1。

步骤七：L将消息M复制给相遇节点N，发送数据节点L删除消息M。

步骤八：判断消息是否到目的节点。如果是，则结束；否则，返回步骤三。

在步骤一中所提到的消息优先级划分方法还包括：通过判断Pr的大小来设置优先级，其中(Si为消息M的大小，Max代表网络中最大消息的大小、Li为消息M的生命周期(0＜Li＜60)、Ph为源节点S到目的节点D的概率，并且α+β+γ＝1)。当时，此消息为一级消息；当时，此消息为二级消息；当时，此消息为三级消息。其中一级优先级最高，三级优先级最低。

在步骤二中所提到的消息副本数阈值分配方法还包括：一级消息的副本数阈值为3、二级消息的副本数阈值为2、三级消息的副本数阈值为1。

以图2所示为例，假设网络中有18个节点，其中S为要发送消息的源节点，D为要接收消息的目的节点，其余节点编号为1-16。网络中任意节点到目的节点D的概率如表1所示，其中P(i-j)表示i节点到j节点的概率。

假设源节点S有消息M要发送给目的节点D。首先根据消息M的大小、M的生命周期、源节点S到目的节点D的概率，采用消息优先级划分方法对消息进行优先级的划分。根据此优先级确定单个消息M的副本数阈值，在此例中消息M的副本数阈值为2，消息M的副本数为初始值0。

当源节点S分别与1号，2号节点相遇时，确定源节点S分别和1号节点、2号节点到目的节点的概率，由表1可知，1号和2号节点到目的节点D的概率都大于源节点S，由于此时S所要发送的消息M的副本数为0小于副本数阈值2，所以此时源节点S将消息分别复制给1号节点和2号节点，此时源节点S仍保留消息M,并且源节点S的消息M的副本数由0变为2，1号和2号节点所携带的消息M的副本数为0。此时源节点S的消息M已经达到单个消息M的副本数的阈值。

当源节点S与4号节点相遇，4号节点到达目的节点D的概率大于源节点S。但由于此时源节点S的消息M的副本数已经达到其阈值数，所以此时源节点S将消息复制给4号节点后，源节点S删除自身消息M。4号节点接收的消息M的副本阈值数为2。1号节点分别与5号和6号节点相遇后，由表1可知，5号和6号节点到达目的节点D的概率大于1号节点，由于1号节点所携带消息M的副本数为0，所1号节点将消息M复制给5号和6号节点，此时1号节点的消息M的副本数由0变为2。

此后，当1号节点遇到3号节点，由于3号节点到目的节点D的概率大于1号节点，所以判断1号节点所携带消息M的副本数是否达到阈值，由于1号节点所携带消息M的副本数已达到阈值2，所以1号节点将消息复制给3号节点后，1号节点删除自身的消息M。此时3号节点所接收的消息M的副本数为2。同样3号节点遇到10号节点后，由于10号节点到达目的节点D的概率大于3号节点，而3号节点所携带的消息M的副本数已达到阈值2，所以3号节点将消息M复制给10号节点，3号节点删除自身所携带的消息M。此时10号节点所携带消息M的副本数为2。

当10号节点遇到11号节点后，由于11号节点到达目的节点D的概率大于10号节点，而10号节点所携带的消息M的副本数已达到阈值2，所以10号节点将消息M复制给11号节点，10号节点删除自身所携带的消息M。此时11号节点所携带消息M的副本数为2。当11号节点和目的节点相遇后将消息M转发给节点D。由图可知在使用概率路由的情况下，如果不采用此拥塞避免方法当目的节点D收到消息M后网络中存在11个消息M的副本，在使用面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法后目的节点D成功接收消息时网络中存在5个M消息的副本。由此可见在不影响消息交付率的情况下，本方法大大减少了网络中同一个消息副本数。

本发明具有的优点：(1)通过综合考虑源节点所发消息的大小、消息的生命周期及源节点到达目的节点的概率对消息设置副本数阈值，可以有效的限制网络中的消息的副本数，从而实现网络中拥塞现象的避免。(2)和传统拥塞避免方法相比，该方法在有效的限制了网络的副本数的同时，还考虑了消息的交付率，从而使网络在不降低消息的交付率的同时还实现了网络中拥塞现象的避免。(3)通过使用副本数阈值，可以有效的避免到达目的节点概率较低的中继节点在数据转发过程中产生的无效的消息副本。

Claims (1)

1.一种面向概率路由的延迟容忍网络拥塞避免方法，其特征在于：

(1)源节点S有消息M发送给目的节点D，根据消息优先级划分方法对消息进行优先级划分；

(2)对已经确定好优先级的消息，采用消息副本数阈值分配方法，设置单个消息能够产生的副本数阈值Q；

(3)判断任意有消息转发的节点L是否与任意节点N正在相遇，如果是，则执行步骤(4)；否则，执行步骤(8)；

(4)判断N到目的节点D的概率是否大于L，如果是，则执行步骤(5)；否则，返回步骤(3)；

(5)判断发送消息节点L的消息M的副本数K是否等于阈值Q，如果不是，则执行步骤(6)；否则，执行步骤(7)；

(6)L将消息复制给相遇节点N，将节点N单个消息M副本数设置为0，发消息节点L中消息M的副本数加1；

(7)L将消息M复制给相遇节点N，发送数据节点L删除消息M；

(8)判断消息是否到目的节点，如果是，则结束；否则，返回步骤(3)；

在所述步骤(1)中所提到的消息优先级划分方法还包括：通过判断Pr的大小来设置优先级，其中Si为消息M的大小，Max代表网络中最大消息的大小、Li为消息M的生命周期0＜Li＜60、Ph为源节点S到目的节点D的概率，并且α+β+γ＝1，当时，此消息为一级消息；当时，此消息为二级消息；当时，此消息为三级消息，其中一级优先级最高，三级优先级最低。