CN104955075B - 一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理系统及管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理系统及管理方法。节点历史移动记录模块向地址匹配模块发送节点移动记录及消息m；地址匹配模块计算节点移动记录与收到消息m的目的地址之间的匹配概率，如果匹配概率大于阈值，将消息m传送给缓存替换模块；缓存替换模块判断消息m的长度是否小于节点的剩余缓存，如果是，将消息m存储至相应队列，如果不是，当消息m是为整片消息并且节点的剩余缓存大于1/2消息m的长度时，将消息m交给消息分片模块，否则对消息m执行缓存替换；消息分片模块对消息m进行分片；消息重组模块用于对所有分片后的消息进行重组。本发明能够有效地利用节点的缓存，提高消息传输的效率。

Description

一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理系统 及管理方法

技术领域

本发明属于无线移动网络领域，尤其涉及应用于缓存受限环境下的，一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理系统及管理方法。

背景技术

延迟容忍网络(DTN,Delay/Disruption Tolerant Network)是一种新型网络，它不具有传统网络低延迟、高传输率以及可靠性连接等特性。延迟容忍网络的连通间歇性、拓扑时变性、高延迟、高错误率、低传输率等特点决定其无法使用传统网络中“存储-转发”的路由协议，只能采用“存储-携带-转发”的路由模式，依靠网络中节点的移动实现消息的转发。因此，如何设计缓存管理方法来充分利用节点有限的缓存资源，已成为目前延迟容忍网络一个重点研究方向。

目前，延迟容忍网络中对节点的缓存管理大多基于缓存替换方法，当节点缓存不足时，FIFO(First in first out)、MOFO(Evict most forwarded first)、SHIL(Evictshortest life time first)等缓存管理方法根据消息的接收时间、消息在网络中的副本数、消息的剩余生存时间等因素进行缓存替换。但是这类缓存管理策略仅仅考虑消息的某种单一特性，适用场景有限。EBMP(Enhanced buffer management policy)缓存管理方法对消息在网络中的副本数进行估计，并对估计的最多副本数的消息进行替换。虽然EBMP能较好地估计消息的副本数，但是其在估计消息副本数的过程中会带来额外的时间开销及资源开销。目前在延迟容忍网络缓存管理策略方面，专利“一种延迟容忍网络中高效的传染路由缓存管理策略”(CN103236984A)，利用节点相遇记录，评估节点对各个消息的传染能力，在节点缓存不足时，首先丢弃相对该节点分布更密集的消息。专利“Efficient epidemicrouting cache management strategy in delay tolerant network”(CN103236984(A))，利用节点的相遇历史、节点的分布信息、节点的历史缓存消息等评估消息的影响力，首先丢弃影响力小的消息。专利“APPARATUS AND METHOD FOR MEMORY MANAGEMENT IN DELAYTOLERANT NETWORK”(KR20140054731(A))，根据各个消息的转发次数，首先丢弃转发次数多的消息。以上专利分别根据估计的消息分布情况、消息影响力、消息转发次数等对消息进行丢弃，与本发明采用的方法和针对的问题均不同。

综上所述，目前缓存管理方案大多依靠消息的某些固有特性或者估计的特性进行缓存替换，主要缺点表现在：

(1)当节点缓存不足时，仅仅依靠消息的某些特性进行替换，不考虑消息携带节点的移动轨迹与消息目的地址的匹配程度，将会降低消息成功交付的概率。

(2)在网络中具有大块消息的环境下，不进行消息分片无法对其存储。

发明内容

本发明的目的是体统一种能够有效利用节点缓存的，一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理系统。本发明的目的还包括提供一种能够有效进行消息分片的，一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理方法。

一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理系统，包括节点历史移动记录模块、地址匹配模块、缓存替换模块、消息分片模块和消息重组模块，

节点历史移动记录模块在节点收到消息m后，向地址匹配模块发送节点移动记录及消息m；

地址匹配模块接收来自节点历史移动记录模块的信息，计算节点移动记录与收到消息m的目的地址之间的匹配概率p^des，如果匹配概率p^des大于设定的阈值α，地址匹配模块将消息m传送给缓存替换模块，否则不进行操作；

缓存替换模块接收来自地址匹配模块的消息m，判断消息m的长度是否小于节点的剩余缓存，如果小于，将消息m存储至相应队列；如果大于，当消息m为整片消息并且节点的剩余缓存大于1/2消息m的长度时，将消息m交给消息分片模块，否则对消息m执行缓存替换；

消息分片模块接收来自缓存替换模块的消息m，对消息m进行分片；

消息重组模块用于对所有分片后的消息进行重组。

一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理方法，包括以下几个步骤，

步骤一：节点历史移动记录模块在节点收到消息m时，向地址匹配模块发送节点移动记录及消息m；

步骤二：地址匹配模块接收来自节点移动记录模块的信息，计算节点移动记录与消息m的目的地址之间的匹配概率p^des，如果匹配概率p^des大于设定的阈值α，地址匹配模块将消息m传送给缓存替换模块，否则不进行操作，结束缓存管理；

步骤三：缓存替换模块接收地址匹配模块提交的消息m，判断消息m的长度是否小于节点剩余缓存，如果小于，执行步骤八；否则进行下一步；

步骤四：判断消息m是否为分片后的消息，如果是，则执行下一步；否则执行步骤六；

步骤五：缓存替换模块向整片消息队列及分片消息队列发送控制信息，替换整片消息队列中与当前节点匹配概率p^des最小的消息，如果整片消息队列中无消息，则替换分片消息队列中与当前节点匹配概率p^des最小的消息，转到步骤八；

步骤六：判断节点剩余缓存是否大于消息m长度的1/2，如果大于，将消息m传送给消息分片模块，执行下一步；否则执行步骤五；

步骤七：消息分片模块接收来自缓存替换模块的消息m，将消息m进行分片后执行下一步；步骤八：如果消息m是分片后的消息，则存储消息至分片消息队列；否则存储消息m至整片消息队列。

有益效果：

本发明在节点的剩余缓存不足以存储目的地址与其移动轨迹匹配的大块消息时，对消息进行分片，利用具有相似移动轨迹节点间的协作完成消息的传输。这种传输方式能够有效地利用节点的缓存，增大消息传输的机会，提高消息传输的效率。

本发明在对消息进行分片时，首先判断节点的剩余缓存是否大于消息长度的1/2，从而使得消息最多被分为两片，降低分片消息的重组难度。

本发明的缓存替换方法利用节点移动轨迹与消息目的地址的匹配概率p^des，首先替换整片消息队列中匹配概率p^des最小的消息，其次替换分片消息队列中匹配概率p^des最小的消息。该方法可以有效降低节点的存储压力，优先存储分片消息，从而提高分片消息的重组概率以及消息成功交付至目的节点的概率。

附图说明

图1一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理方法的总体框图；

图2一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理方法包括节点历史移动记录模块、地址匹配模块、缓存替换模块、消息分片模块、消息重组模块五个部分，如图1～图2所示。

(1)节点历史移动记录模块用于记录节点的历史移动轨迹，当节点收到其它节点的消息m时，其将节点移动记录及消息m交给地址匹配模块。

(2)地址匹配模块接收来自历史移动记录模块的信息，计算节点移动记录与其收到消息m的目的地址之间的匹配概率p^des，若匹配概率p^des大于设定的阈值α(0≤α≤1)，则消息m的具体缓存工作交由缓存替换模块负责；否则，拒绝消息m。

(3)缓存替换模块用于实现具体的缓存替换工作。缓存替换模块接收来自地址匹配模块消息m，判断m的长度是否小于节点的剩余缓存，若是，则将消息m存储至相应队列；否则，如果消息m是整片消息，并且节点的剩余缓存大于1/2消息m的长度，则将消息m交给消息分片模块，否则执行缓存替换，替换整片消息队列中匹配概率最小的消息。

(4)消息分片模块用于对消息进行分片。当消息分片模块接收到来自缓存替换模块的消息m时，对消息m进行分片。

(5)消息重组模块用于对消息进行重组。当消息的目的节点成功接收到消息的所有分片后，则将消息进行重组。

当节点剩余缓存大于消息长度的1/2时，结合实施例1本发明通过以下步骤来实施具体的缓存管理：

步骤1节点历史移动记录模块在节点收到任意消息m时，向地址匹配模块发送节点移动记录及消息m。

步骤2地址匹配模块接收来自节点移动记录模块的信息，计算节点移动记录与消息m的目的地址之间的匹配概率p^des，且判断匹配概率p^des是否大于设定的阈值α(0≤α≤1)。如果上述条件成立(匹配概率p^des大于参数α)，则向缓存替换模块提交消息m，并执行步骤3；否则，拒绝消息m，结束缓存管理。

步骤3缓存替换模块接收地址匹配模块提交的消息m，判断消息m的长度是否小于节点剩余缓存。如果上述条件成立(消息m的长度小于节点剩余缓存)，则执行步骤4，否则，执行步骤5。

步骤4如果消息m是分片后的消息，则存储消息至分片消息队列；否则，存储消息至整片消息队列。

步骤5判断消息m是否是分片后的消息，若是，则执行步骤6；否则，将消息m交给消息分片模块，执行步骤7。

步骤6缓存替换模块向整片消息队列及分片消息队列发送控制信息，首先替换整片消息队列中与此节点匹配概率p^des最小的消息，若整片消息队列中无消息，则替换分片消息队列中与此节点匹配概率p^des最小的消息，然后执行步骤4。

步骤7消息分片模块接收来自缓存替换模块的消息m，将消息m进行分片，然后执行步骤4。

当节点剩余缓存小于等于消息长度的1/2时，结合实施例2本发明通过以下步骤来实施具体的缓存管理：

步骤1节点历史移动记录模块在节点收到任意消息m时，向地址匹配模块发送节点移动记录及消息m。

步骤2地址匹配模块接收来自节点移动记录模块的信息，计算节点移动记录与消息m的目的地址之间的匹配概率p^des，且判断匹配概率p^des是否大于设定的阈值α(0≤α≤1)。如果上述条件成立(匹配概率p^des大于参数α)，则向缓存替换模块提交消息m，并执行步骤4；否则，拒绝消息m，结束缓存管理。

步骤3如果消息m是分片后的消息，则存储消息至分片消息队列；否则，存储消息至整片消息队列。

步骤4缓存替换模块向整片消息队列及分片消息队列发送控制信息，首先替换整片消息队列中与此节点匹配概率p^des最小的消息，若整片消息队列中无消息，则替换分片消息队列中与此节点匹配概率p^des最小的消息，然后执行步骤3。

本发明的一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理方法将节点缓存分为整片消息队列和分片消息队列，当节点剩余缓存不足以存储目的地址与其移动轨迹匹配的大块消息时，对消息进行分片处理并存储至分片消息队列，利用具有相似移动轨迹节点间的协作完成消息的传输。这种传输方式能够有效地利用节点的缓存，增大消息传输的机会。当节点无剩余缓存时，本发明的缓存替换方法利用节点移动轨迹与消息目的地址的匹配概率p^des，首先替换整片消息队列中匹配概率p^des最小的消息，其次替换分片消息队列中匹配概率p^des最小的消息。该方法可以有效降低节点的存储压力，提高消息被成功交付至目的节点的概率。

Claims (2)

1.一种基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理系统，其特征在于：包括节点历史移动记录模块、地址匹配模块、缓存替换模块、消息分片模块和消息重组模块，

节点历史移动记录模块在节点收到消息m后，向地址匹配模块发送节点移动记录及消息m；

地址匹配模块接收来自节点历史移动记录模块的信息，计算节点移动记录与收到消息m的目的地址之间的匹配概率p^des，如果匹配概率p^des大于设定的阈值α，地址匹配模块将消息m传送给缓存替换模块，否则不进行操作；

缓存替换模块接收来自地址匹配模块的消息m，判断消息m的长度是否小于节点的剩余缓存，如果小于，将消息m存储至相应队列；如果大于，判断消息m是否为分片后的消息，当消息m为未分片消息并且节点的剩余缓存大于消息m长度的1/2时，将消息m交给消息分片模块，否则对消息m执行缓存替换，缓存替换模块向整片消息队列及分片消息队列发送控制信息，替换整片消息队列中与当前节点匹配概率p^des最小的消息，如果整片消息队列中无消息，则替换分片消息队列中与当前节点匹配概率p^des最小的消息；

消息分片模块接收来自缓存替换模块的消息m，对消息m进行分片；

消息重组模块用于对所有分片后的消息进行重组。

2.一种基于权利要求1所述的基于消息分片和节点协作的延迟容忍网络缓存管理系统的管理方法，其特征在于：包括以下几个步骤，

步骤一：节点历史移动记录模块在节点收到消息m时，向地址匹配模块发送节点移动记录及消息m；

步骤二：地址匹配模块接收来自节点移动记录模块的信息，计算节点移动记录与消息m的目的地址之间的匹配概率p^des，如果匹配概率p^des大于设定的阈值α，地址匹配模块将消息m传送给缓存替换模块，否则不进行操作，结束缓存管理；

步骤三：缓存替换模块接收地址匹配模块提交的消息m，判断消息m的长度是否小于节点剩余缓存，如果小于，执行步骤八；否则进行下一步；

步骤四：判断消息m是否为分片后的消息，如果是，则执行下一步；否则执行步骤六；

步骤五：缓存替换模块向整片消息队列及分片消息队列发送控制信息，替换整片消息队列中与当前节点匹配概率p^des最小的消息，如果整片消息队列中无消息，则替换分片消息队列中与当前节点匹配概率p^des最小的消息，转到步骤八；

步骤六：判断节点剩余缓存是否大于消息m长度的1/2，如果大于，将消息m传送给消息分片模块，执行下一步；否则执行步骤五；

步骤七：消息分片模块接收来自缓存替换模块的消息m，将消息m进行分片后执行下一步；

步骤八：如果消息m是分片后的消息，则存储消息至分片消息队列；否则存储消息m至整片消息队列。