CN105791053B - 一种不连续连通网络的连通性测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不连续连通网络的连通性测量方法。不连续连通网络的特性在于其连通的不稳定性，这给节点的路由选择带来了极大困难。不连续连通网络的连通性测量方法通过动态调整探测包发送频率，结合收、发包之间的关系计算出某一时间段内的网络连通状态，同时采用目的节点与非目的节点混合应答方法，解决了因网络断链而使得源节点无法得到应答的问题。本发明可以有效地判断网络连通状态，同时能够为网络中的路由选择、数据传输策略提供有效参考。

Description

一种不连续连通网络的连通性测量方法

技术领域

本发明是关于一种网络连通状态测量方法，更具体地说是一种自组织网络中不连续连通的网络连通性测量方法。

背景技术

不连续连通网络表示网络链路的连通是不连续的、未知的，典型的有机会网络(OPNET，Opportunistic Network)。到目前为止，机会网络尚无统一的定义，“机会网络是一种通信连接经常中断的移动自组织网络”，“机会网络(Opportunistic Network)是一种特殊的无线自组织网络”，对机会网络的描述大体诸如此类，比较完整的描述来自于熊永平《机会网络》一文，“机会网络是一种不需要源节点和目标节点之间存在完整链路，利用节点移动带来的相遇机会实现通信的自组织网络。”。

机会网络源于容忍延迟网络DTN(Delay Tolerant Network)和移动自组网络MANET(Mobile Ad hoc network)。它是一种特殊的移动自组网络，其节点稀疏、移动频繁，以致链路时常断裂，因而机会网络的路由大都不需要在源节点和目的节点之间建立完整的端到端链路，转而通过节点的机会相遇来完成通信。相较于传统网络，机会网络的重要特点还在于它不需要搭建固定的通信基础设施，因此机会网络被研究者们应用于无法建立完整链路的场景中，例如野生动物研究、偏远地区通信、震后灾区通信等等。

机会网络的路由算法不需要在源节点和目的节点之间建立完整的端到端链路使得它能够更好的应对极端网络状况，可以说，对于任意一个自组网络，如果没有一种机会网络路由方法能够成功传输信息，那么传统自组网路由方法同样不可行，甚至有学者预言机会网络对推动未来的普适计算有重要意义。然而时常断链使得机会网络的数据传输成功率、安全性都较低，并有较高的时延。在真实的环境中，网络往往是混合的，不同时刻，不同的源点和目的点之间的链路存在与否都是不同的。因此，如果能通过某种方式知道在某一时刻的网络的连通状态，将能很好的辅助路由选择，提高数据传输效率。

国内外学者对机会网络的研究大都集中在应用、路由算法、拥塞控制以及安全等问题，网络状态测量研究屈指可数，但在移动自组网研究中，连通性测量、路径优劣度量等一直是热门的研究课题。Douglas S.J.De Couto等人在其“A High-Throughput PathMetric for Multi-Hop Wireless Routing”一文中提出使用ETX(expected transmissioncount metric)在多跳无线网络中寻找一条高吞吐量的路径，其实质也是通过发送探测包来度量哪条路径最优。

所以本发明提出一种不连续连通网络的连通性测量方法，源节点通过向目的节点发送探测包并根据所收到的应答包来估算网络连通性。

发明内容

本发明是一种不连续连通网络的连通性测量方法，不连续连通网络，如机会网络，其特点在于网络的连通性未知，因此本发明——一种不连续连通网络的连通性测量方法通过源节点向目的节点发送探测包并根据所收到的应答包来估算网络连通性，其包括以下三个方法：方法1，屏蔽断链的混合应答方法；方法2，基于发、收包关系的探测包发送频率动态调整方法；方法3，源节点基于探测包发送频率量化网络连通状态的方法。

方法1、非目的节点，即除源节点和目的节点以外的节点，通过判断数据包能否被送往目的节点来选择是否向源节点回复应答包，并与目的节点形成混合应答方法，以此来解决不连续连通网络中时常因出现断链而导致源节点无法得到应答的问题，其包括以下步骤：

步骤11、目的节点收到来自源节点的探测包后首先判断是不是首次收到该条探测包，如果是，则立即向源节点回复连通应答包，否则直接丢弃该探测包，所述探测包携带的信息包括源地址、目的地址、消息号、消息类型、发包频率、生存期，所述应答包携带的信息包括源地址、目的地址、消息号、消息类型、生存期以及确认号；

步骤12、当探测包被转发至一非目的节点A时，A首先判断是否是首次收到该探测包，如果是，则以广播方式转发该探测包并设置一时长为Δt₁的定时器，Δt₁内侦听到其它节点转发该探测包，则取消定时器，否则定时器触发时将向源节点回复不连通应答包；

步骤13、Δt₁值取源节点探测包发送时间间隔，当源节点在时间T内发送num个探测包，则

方法2、基于发、收包关系的探测包频率动态调整方法，主要解决如何有效发送数据包问题，该方法中源节点根据发送探测包与接收应答包的关系动态调整探测包发送频率。其包括以下步骤：

步骤21、源节点读取探测包发送数值范围[initialValue,threshold]，并在探测包发送活动开始后的第一个时间段T内向目的节点发送initialValue个探测包，记num₁＝initialValue，则频率同时源节点统计接收到的连通包个数，记为numRcv₁，并在T时段结束后计算连通概率

步骤22、第二个时间段T内，取探测包数num₂＝min{2*num₁,threshold}，则此时段源节点的探测包发送频率同样，源节点统计接收到的连通包个数，记为numRcv₂，时间段T结束后求得连通概率

步骤23、在其后的网络生存期内，源节点将根据前两时段T内的收、发包关系确定下一时段T内发送的探测包数，记为num_i，其计算方法为：

其中，threshold为一固定值作为探测包数的门限值，σ为非负数，取值范围[0,0.1]，此外，当P_i-1-P_i-2<-σ时，将在其后的网络生存期内使用二分查找法求最优探测包发送数且最优探测包发送数区间为[num_i-2,num_i-1]，取num_i＝(num_i-1+num_i-2)/2，i时段结束后，若|P_i-P_i-2|≤σ，则最优探测包发送值为num_i-2，其后其后的网络生存期内探测包发送数值为均为num_i-2，若P_i-P_i-2>σ或P_i-P_i-2<-σ，则对应缩小最优探测包发送数区间至[num_i,num_i-1]、[num_i-2,num_i]，num_i+1对应取值(num_i+num_i-1)/2、(num_i+num_i-2)/2并继续发送；

步骤24、源节点根据发、收包关系选择停止发送至等待模式，当第i个时段接收到的连通应答包数numRcv_i＝0，则等待一个时间间隔T后再发送探测包。

方法3、基于探测包发送频率量化网络连通状态的方法，该方法用来解决源节点如何评估网络状态，其方法如下：

当源节点S在时间段T内以频率f_s向目的节点D发送探测包num个，收到来自目的节点D的n个连通应答包，则确定源节点S至目的节点D在该时间段T内的连通概率为

本发明特点如下：首次提出根据发送探测包频率来量化网络；其次，提出了一种网络状态测量方法，通过动态调整发包频率来避免网络拥塞以及过度的能量消耗，并使用目的节点与非目的节点混合应答的方式解决不连续连通网络中因时常断链而无法应答的问题；最后，量化的网络状可以为网络路由选择以及数据包发送提供有效参考依据。

附图说明

图1为连通性测量方法流程图

图2为探测包格式主要内容

图3为应答包格式主要内容

图4为节点处理消息的流程图

图5为目的节点应答示例图

图6为非目的节点应答示例图

具体实施方案

为使本发明的目的和技术方案更加清晰，下面结合实施例对本发明技术方案进行具体说明。所举实例只是为了解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种不连续连通网络的连通性测量方法主要通过源节点发送探测包、目的节点和中间节点应答探测包以及最终源节点量化网络状态三个方法，如图1流程图所示。

1、源节点动态发送探测包方法(探测包主要格式见图2)，采用动态调整探测包发送频率的方式可以尽可能的节省能量消耗以及带宽，其包括以下步骤：

步骤11、当一节点A需要将一数据分组需要送往另一节点B时，那么A节点将是源节点，B则为目的节点，网络中的其它节点都将作为这一数据分组传输过程中的中间节点；

步骤12、源节点读取设定的探测包发送数值范围[initialValue,threshold],并在探测包发送活动开始后的第一个时间段T内首先向目的节点发送initialValue个探测包，记num₁＝initialValue，则频率同时源节点统计接收到的连通包个数，记为numRcv₁，并在T时段结束后计算连通概率

步骤13、第二个时间段T内，取探测包数num₂＝min{2*num₁,threshold}，则此时段源节点的探测包发送频率同样，源节点统计接收到的连通包个数，记为numRcv₂，时间段T结束后求得连通概率

步骤14、比较P₁与P₂的大小，若P₂-P₁>σ，σ为非负数，则在其后的一个T时间段内，增加探测包数，且第3个T时段探测包数num₃与前一T时段探测包发送数num₂满足关系式num₃＝min{2*num₂,threshold}，则发包频率的为若P₂-P₁<-σ，则第3个T时段探测包数num₃将减少，且与前两个T时段探测包发送数num₁、num₂满足关系式若|P₂-P₁|≤σ，则其后的时间段T内探测包发送数保持在f₁，即f₁为最佳发送频率；

步骤15、在其后的网络生存期内，若源节点已经找到最佳探测包发送频率，则以最佳发送频率发送探测包，如果尚未找到，则源节点将继续根据前两个T时段内的连通概率决定下一时段T内发送的探测包数，其计算公式如下：

其中，threshold为一固定值作为探测包数的最大值，当探测包发送数达到或者超过threshold值时，则最佳探测包发送值为threshold，σ为非负数，取值范围[0,0.1]，此外，当P_i-1-P_i-2<-σ时，将在其后的网络生存期内使用二分查找法求最优探测包发送数且最优探测包发送数区间为[num_i-2,num_i-1]，取num_i＝(num_i-1+num_i-2)/2，i时段结束后，若|P_i-P_i-2|≤σ，则最优探测包发送值为num_i-2，若P_i-P_i-2>σ或P_i-P_i-2<-σ，则对应缩小最优探测包发送数区间至[num_i,num_i-1]、[num_i-2,num_i]，num_i+1对应取值(num_i+num_i-1)/2、(num_i+num_i-2)/2并继续发送；

步骤16、源节点还将根据发、收包关系选择停止发送至等待模式，当第i个时段接收到的连通应答包数numRcv_i＝0，则等待一个时间间隔T后再发送探测包。

2、应答接收到的探测包方法(探测包主要格式为)，该方法采用目的节点与非目的节点混合应答方式，非目的节点通过判断数据包能否被送往目的节点来选择是否向源节点回复应答包，以此来解决不连续连通网络中时常因出现断链而导致源节点无法得到应答的问题，如图4所示，其包括以下步骤：

步骤21、目的节点收到来自源节点的探测包后首先判断是不是首次收到该条探测包，如果是，则立即向源节点回复连通应答包，如图5所示，否则直接丢弃该探测包；

步骤22、当探测包被转发至一非目的节点A时，A首先判断是否是首次收到该探测包，如果是，则以广播方式转发该探测包并设置一时长为Δt₂的定时器，Δt₂内侦听到其它节点转发该探测包，则取消定时器，否则定时器触发时将向源节点回复不连通应答包，如图6所示；

步骤23、Δt₁值取源节点探测包发送时间间隔，当源节点在时间T内发送num个探测包，则

3、源节点基于探测包发送频率量化网络状态，其包括以下步骤：

步骤31、当源节点收到来自一个目的节点的连通应答包和一个或多个其它中间节点发送的不连通应答包时，取连通应答包，当源节点收到关于一条探测包的多个应答包时，取首次收到的，其余丢弃；

步骤32、源节点S在时间段T内以频率f_s向目的节点D发送探测包num个，收到来自目的节点D的n个连通应答包，则确定源节点S至目的节点D在该时间段T内的连通概率

Claims (1)

1.一种不连续连通网络的连通性测量方法，源节点通过向目的节点发送探测包并根据所收到的应答包来估算网络连通性，其特征在于包括方法1.1，屏蔽断链的混合应答方法，方法1.2，基于收、发包关系的探测包发送频率动态调整方法，方法1.3，源节点基于探测包发送频率量化网络连通状态的方法：

方法1.1、非目的节点，即除源节点和目的节点以外的节点，通过判断探测包能否被送往目的节点来选择是否向源节点回复应答包，并与目的节点形成混合应答方法，其包括以下步骤：

步骤1、目的节点收到来自源节点的探测包后首先判断是不是首次收到该条探测包，如果是，则立即向源节点回复连通应答包，否则直接丢弃该探测包，所述探测包包括源地址、目的地址、消息号、消息类型、发包频率、生存期，所述应答包包括源地址、目的地址、消息号、消息类型、生存期以及确认号；

步骤2、当探测包被转发至一非目的节点A时，A首先判断是否是首次收到该探测包，如果是，则以广播方式转发该探测包并设置一时长为Δt₁的定时器，Δt₁内侦听到其它节点转发该探测包，则取消定时器，否则定时器触发时将向源节点回复不连通应答包；

步骤3、Δt₁值取源节点探测包发送时间间隔，当源节点在时间T内发送num个探测包，则

方法1.2、基于收、发包关系的探测包频率动态调整方法，该方法中源节点根据发送探测包与接收应答包的关系动态调整探测包发送频率，其包括步骤a、步骤b、步骤c以及步骤d：

步骤a、源节点读取探测包发送个数数值范围[initialValue,threshold]，并在探测包发送活动开始后的第一个时间段T内向目的节点发送initialValue个探测包，记num₁＝initialValue，则频率同时源节点统计接收到的连通包个数，记为numRcv₁，并在T时段结束后计算连通概率

步骤b、第二个时间段T内，取探测包数num₂＝min{2*num₁,threshold}，则此时段源节点的探测包发送频率同样，源节点统计接收到的连通包个数，记为numRcv₂，时间段T结束后求得连通概率

步骤c、在其后的网络生存期内，若源节点已经找到最佳探测包发送频率，则以最佳发送频率发送探测包，如果尚未找到，则源节点将根据前两时段T内的收、发包关系确定下一时段T内发送的探测包数，记为num_i，其计算方法为：

其中，threshold为一固定值作为探测包数的门限值，σ为非负数，取值范围[0,0.1]，此外，当P_i-1-P_i-2<-σ时，将在其后的网络生存期内使用二分查找法求最优探测包发送数且最优探测包发送数区间为[num_i-2,num_i-1]，取num_i＝(num_i-1+num_i-2)/2，i时段结束后，若|P_i-P_i-2|≤σ，则最优探测包发送值为num_i-2，若P_i-P_i-2>σ或P_i-P_i-2<-σ，则对应缩小最优探测包发送数区间至[num_i,num_i-1]、[num_i-2,num_i]，num_i+1对应取值(num_i+num_i-1)/2、(num_i+num_i-2)/2并继续发送；

步骤d、源节点根据发、收包关系选择停止发送至等待模式，当第i个时段接收到的连通应答包数numRcv_i＝0，则等待一个时间间隔T后再发送探测包；

方法1.3、源节点基于探测包发送频率量化网络连通状态的方法，当源节点S在时间段T内以频率f_s向目的节点D发送探测包num个，收到来自目的节点D的n个首次连通应答包，则确定源节点S至目的节点D在该时间段T内的连通概率为