CN106506373B - 一种基于非合作博弈论的延迟容忍网络路由与缓存管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于非合作博弈论的延迟容忍网络路由与缓存管理策略。包括节点之间状态的转换、节点的路由选择及缓存管理。通过鼓励网络中的节点与其它节点建立连接，并为其他节点转发消息，来增加自身节点的效用贡献值，贡献值越大的节点所产生的消息的副本数越多，在路由阶段若节点的贡献值越大，则在选择下一跳节点并与之建立连接的成功率就越高。同时，当网络中节点缓存溢出时，贡献大的节点所产生的消息最后被删除。

Description

一种基于非合作博弈论的延迟容忍网络路由与缓存管理方法

技术领域

本发明属于延迟容忍网络(DTN)路由与缓存管理策略，主要涉及一种基于非合作博弈论的DTN路由与缓存管理策略。

背景技术

DTN概念最初来源于星际互联网(IPN)，星际互联网主要实现了如何在太空中进行通信，并且如何通过星际骨干网连接到互联网。随着时间推移，一系列的DTN应用也随之产生，这些应用能够适应地球上的各种环境。由于DTN中的节点具有移动性，间接连接性，资源极度有限等特性，并且消息在传递过程中会经历较长的时延，不能保证一定存在一条端到端完整路径，这些明显的网络特征给设计网络的一些核心功能时带来了巨大的挑战，例如路由机制和缓存管理机制等。因此，如何设计高效的DTN路由算法和缓存管理算法成为了DTN研究的重点问题之一。

目前针对DTN路由机制及缓存管理已有大量研究。其中路由方面，根据网络中消息副本的数量将路由协议分类为单副本路由和多副本路由。

在单副本路由协议中，同一个消息在网络中只有一个消息副本。单副本路由协议中最简单的是直接传输(Direct Transmission Routing)路由协议。另一种常见单副本路由协议是最先连接路由协议(First Contact Routing)。在多副本路由协议中，同一个消息在网络中可以有多个消息副本。其中，传染路由和概率路由是较为常见的路由算法。传染路由算法是一种基于洪泛的路由算法，网络中当两个节点相遇时交换对方没有的消息，经过足够多的消息交换后，理论上每个非孤立的节点都将收到所有的消息，从而实现消息的传输。概率性路由是基于预测的路由协议，根据节点之间历史相遇频率作为节点的传输预测值，将消息转发至到达目的节点的概率更大的节点。

目前大多缓存管理策略只考虑了局部网络范围内的节点或者单个节点的本地信息来制定合适的缓存调度或丢弃策略。最为典型的缓存丢弃策略有以下5种：DL(DropLast/Droptail): 当节点缓存被消息填满时，最后到达的消息将会被简单丢弃。DF(DropFront)：当节点缓存溢出时，排在缓存队列中最前端的消息将被丢弃。DO(Drop Oldest)：当节点缓存被消息填满时，丢弃节点缓存中产生时间最早即最老的消息。DY(DropYoungest)：与DO丢弃策略相对应，DY策略是在节点缓存被消息填满时丢弃最近时间产生的即最年轻的消息。DLA(Drop Largest)：考虑到小容量(size)消息比大容量消息有更多的转发机会，因此，当节点缓存发生拥塞时，大容量消息就会最先被选择丢弃。

DTN的性能受不同应用环境下的移动模型所影响，由于在城市环境中的节点具有社会性，自私等特性，并不愿消耗自己过多的资源，来接收其它节点所产生的消息。因此，现存的路由机制及缓存管理机制并不能使城市环境下的网络性能达到最优。为了解决网络中的节点具有自私性等问题，Yuxin Mao等人在文献《A Game Theoretical Model forEnergy-Aware DTN Routing in MANETs with Nodes’Selfishness》中作者提出了一个基于博弈论的能量感知路由算法，在基于能量感知的路由算法中，通过鼓励节点为其他节点转发更多的消息，来从其它节点获得更多的服务。在文献《A DTN Routing onNoncooperative Game Theory in a City Environment》中，Wenzao Li等人提出了在城市环境下的一个基于非合作博弈路由算法，算法主要思想是下一跳节点的选择以及消息的递交都是基于非合作博弈的过程和城市环境的特点进行的，当两个节点相遇有消息转发时，该算法在博弈的过程中鼓励其中一个节点转发消息另一个节点接收消息。以上两个算法都能使网络具有较好的性能，但这俩个算法仅仅在路由阶段考虑了有关节点的自私性等问题，并没在缓存管理过程中考虑有关节点自私性等问题，当节点缓存溢出时，很容易删除为网络贡献大的节点的消息，同时这两种算法也没考虑节点在建立连接时的博弈以及如何控制网络中消息的副本数。

发明内容

本发明的目的是针对网络中节点具有自私性，不愿意消耗自身的资源来接收其它节点的消息等问题而提出一种基于非合作博弈论的延迟容忍网络路由与缓存管理方法。

本发明的目的是这样实现的：包括节点之间状态的转换、节点的路由选择及缓存管理，

1.节点之间状态的转换

网络节点具有空闲状态、连接状态、接收状态三种状态，当两个空闲状态的节点相遇，彼此之间有发送消息的请求，便建立连接，从空闲状态变为连接状态，如建立连接后，发现没有满足的消息进行转发，则从连接状态变为空闲状态；若两个空闲状态的节点建立连接后彼此之间的消息满足转发条件，则进行消息转发，处于连接状态的节点接收彼此的消息，消息接收完成之后，处于连接状态的节点释放连接，重新转向空闲状态；

2.路由选择具体步骤

步骤1：设置节点的贡献效用值为U(x)，U(x)为非负常数；

步骤2：节点每产生一个消息Mes(i)为该消息设置一个副本数阈值Ni标记， Ni＝F(α)*U(x)，F(α)为调节系数；网络中任意时刻消息Mes(i)的副本数最多为Ni，当转发消息时转发给下一跳节点的副本数为NO1＝Nid*α1，其中α1为调节系数，此时当前节点的该消息副本数标记为Nid-NO1，接收该消息的节点中该消息的副本数标记为NO1，当节点中的消息数为1时，则直接递交给下一跳节点，其中，Nid为当前节点消息剩余数量；

步骤3：当节点A与1个或多个节点相遇时，若节点B为节点A中某个消息的目的节点，则节点A直接将B作为下一跳节点，将消息转发给目的节点B，否则执行步骤4；

步骤4：节点A在邻居节点中选择一个贡献效用值U(x)最小的节点，若有多个节点的贡献效用值最小则随机选择；

步骤5：计算节点A的连接函数Fnode，其中连接函数Bufv(x)为节点x缓存空闲的大小， Buft(x)为节点x缓存空间总的大小，Deld(x)为节点x递交给该消息目的节点的次数，β1+β2+β3＝1，β1,β2,β3为0到1之间的实数；

步骤6：若节点A的连接函数值小于节点B的连接函数值，则A向B发起连接A-B，执行步骤7，否则不连接；

步骤7：B以概率同意连接节点A向节点B建立的连接，其中_β为调节系数， U(a)为节点A的贡献效用值；

步骤8：若A与B连接建立，A的U(a)＝U(a)-ξ*U(a)，B的 U(b)＝U(b)+ξ*U(b)，反之，若B不同意连接则B连接失败，执行U(b)减小操作 U(b)＝U(b)-ξ*U(b)，其中ξ为任意常数；

3.缓存管理策略

节点缓存管理分为两个阶段，

阶段1：当节点A中的消息的源节点中最大的贡献效用值小于阈值η1，则节点A不进行消息转发请求，否则执行阶段2；

阶段2：当网络中两个节点A-B建立连接后，若节点A有多个消息需要发送，节点A发消息时先发送源节点贡献效用值大的节点的消息，节点B以的概率接收消息，其中ΔE为剩余缓存值，δ为调节系数，每接收一个消息自身贡献系数ΔC增加0.1，每拒绝接收一个消息自身的贡献系数ΔC减少0.1，当节点B为了接收其他贡献大的节点的消息而发生拥塞的时候，需对其节点中的消息进行删除，删除消息的时候，先删除消息的源节点贡献效用值小的节点的消息，自身节点的贡献系数不变；

节点B的缓存过程与节点A相同；

4.当两个节点建立连接后两个节点进行接收消息的博弈矩阵

当节点A和节点B建立连接后，若节点A和节点B同时接收了对方的消息，则节点A和节点B的收益分别为(U(a)λ1(1+ΔCA),U(b)λ1(1+ΔCB))；当节点A接收了节点B的消息，而节点B没接收节点A的消息则节点A的效用值增加到U(a)λ2(1+ΔCA)，节点B的效用值减少到U(b)λ(1-ΔCB)；节点B接收了节点A的消息，而节点A没接收节点B的消息节点A的效用值减少到U(a)λ(1-ΔCA)，节点B的效用值增加到U(b)λ2(1+ΔCB)，若节点A和节点B都没接收对方的消息，则节点A和节点B的效用值不变，其中，λ2>λ1>λ，λ,λ1,λ2为实数，ΔCX为节点X的贡献系数。

本发明针对网络中节点具有自私性，不愿意消耗自身的资源来接收其它节点的消息等问题，提出了一种基于博弈论的路由与缓存管理策略。在该策略中，鼓励网络中节点进行消耗自身的资源来为其它节点接收消息。节点通过接收其它节点的消息来增加自身的贡献值，从而使得其在路由过程中及其产生的消息在其它节点中消息调度时具有更大的优势,同时贡献值越大，节点所产生的消息副本数就越多。

本发明的策略通过鼓励网络中的节点与其它节点建立连接，并为其他节点转发消息，来增加自身节点的效用贡献值，贡献值越大的节点所产生的消息的副本数越多，在路由阶段若节点的贡献值越大，则在选择下一跳节点并与之建立连接的成功率就越高。同时，当网络中节点缓存溢出时，贡献大的节点所产生的消息最后被删除。

本发明所具有的优点：1.该方法同时针对路由和缓存管理两个方面来解决节点自私性的问题。2.通过鼓励网络中的节点与其它节点建立连接，并为其他节点转发消息，来增加自身节点的效用贡献值，贡献值越大的节点所产生的消息的副本数越多，并且在路由阶段若节点的贡献值越大，则在选择下一跳节点并与之建立连接的成功率就越高。3.当网络中节点缓存溢出时，贡献大的节点所产生的消息最后被删除。

附图说明

图1一种基于非合作博弈论的DTN路由与缓存管理策略的节点间状态转换图；

图2一种基于非合作博弈论的DTN路由与缓存管理策略的路由选择流程图；

图3一种基于非合作博弈论的DTN路由与缓存管理策略的缓存管理流程图；

图4一种基于非合作博弈论的DTN路由与缓存管理策略的博弈矩阵表。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明主要包括三部分内容，节点之间状态的转换，节点的路由选择及缓存管理两个阶段。

1.节点之间状态的转换

本发明中网络节点具有三种状态：空闲状态、连接状态、接收状态。当两个空闲状态的节点相遇，彼此之间有发送消息的请求，便会建立连接，节点就会从空闲状态变为连接状态。如节点建立连接后，发现没有满足的消息进行转发，节点便会从连接状态变为空闲状态。若两个空闲状态的节点建立连接后彼此之间的消息满足转发条件，则进行消息转发。处于连接状态的节点接收彼此的消息，消息接收完成之后，处于连接状态的节点释放连接，重新转向空闲状态。节点之间的状态转换如图1所示。

2.路由选择具体步骤

步骤1：设置节点的贡献效用值为U(x)(非负常数)。

步骤2：节点每产生一个消息Mes(i)为该消息设置一个副本数阈值Ni标记，其中Ni＝F(α)*U(x)，F(α)为调节系数。网络中任意时刻消息Mes(i)的副本数最多为Ni。当转发消息时转发给下一跳节点的副本数为NO1＝Nid*α1，其中α1为调节系数，此时当前节点的该消息副本数标记为Nid-NO1，接收该消息的节点中该消息的副本数标记为 NO1。当节点中的消息数为1时，则直接递交给下一跳节点。其中，Nid为当前节点消息剩余数量。

步骤3：当节点A与节点1个或多个节点相遇时，若节点B为节点A中某个消息的目的节点，则节点A直接将B作为下一跳节点，将消息转发给目的节点B。否则执行步骤4。

步骤4：节点A在邻居节点中选择一个贡献效用值U(x)最小的节点(若有多个节点的贡献效用值 最小，则随机选择)。

步骤5：计算节点A的连接函数Fnode，其中连接函数其中Bufv(x)为节点x缓存空闲的大小，Buft(x)为节点x缓存空间总的大小，Deld(x)为节点x递交给该消息目的节点的次数，β1+β2+β3＝1。

步骤6：若A的值小，则A向B发起连接(A-B)，执行步骤7，否则不连接。

步骤7：B以概率同意连接节点A向节点B建立的连接。其中β为调节系数。

步骤8：若A与B连接建立，A的U(a)＝U(a)-ξ*U(a)，B的U(b)＝U(b)+ξ*U(b)。反之，若B不同意连接则B连接失败，执行U(b)减小操作U(b)＝U(b)-ξ*U(b)。其中ξ为任意常数。

3.缓存管理策略

节点缓存管理分为两个阶段：

阶段1：当节点A中的消息的源节点中最大的贡献值小于阈值η1，则节点A不进行消息转发请求。否则执行阶段2。

阶段2：当网络中两个节点(A-B)建立连接后，若节点A有多个消息需要发送，节点A发消息时先发送贡献大的节点的消息，节点B以的概率接收消息，其中ΔE为剩余缓存值，δ为调节系数。每接收一个消息自身贡献系数ΔC(初始值＝0)增加0.1，每拒绝接收一个消息自身的贡献系数ΔC减少0.1。当节点B为了接收其他贡献大的节点的消息而发生拥塞的时候，需对其节点中的消息进行删除，删除消息的时候，先删除消息的源节点贡献小的节点的消息，自身节点的贡献系数不变。

节点B的缓存过程同理。

4.当两个节点建立连接后两个节点进行接收消息的博弈矩阵

DTN网络中节点的资源极其有限，这就导致节点不情愿消耗自身的资源来为其他节点转发消息，因此本发明提出了一种基于非合作博弈论的DTN路由与缓存管理策略，该策略通过鼓励节点接收其他节点的消息来增加自身的贡献值，节点的贡献值越高，其在建立路由阶段以及节点的缓存管理方面都占据更大的优势。在消息转发阶段，鼓励节点接收消息为网络做贡献，每执行一个连接过程其具体博弈矩阵如图4的表所示。当节点A和节点B建立连接后 (假设节点A所选择的策略不会对节点B选择的策略受到影响)，若节点A和节点B同时接收了对方的消息，则节点A和节点B的收益分别为(U(a)λ1(1+ΔCA),U(b)λ1(1+ΔCB))。当节点A接收了节点B的消息，而节点B没接收节点A的消息则节点A的效用值增加到 U(a)λ2(1+ΔCA)，节点B的效用值减少到U(b)λ(1-ΔCB)。同理节点B接收了节点A的消息，而节点A没接收节点B的消息节点A的效用值减少到U(a)λ(1-ΔCA)，节点B的效用值增加到U(b)λ2(1+ΔCB)，若节点A和节点B都没接收对方的消息，则节点A和节点B 的效用值不变。其中，λ2>λ1>λ，ΔCX为节点X的贡献系数。由图4的表可知，节点为了使自身的利益最大化，在建立连接后都会选择接收对方的消息。因此，此时节点A和节点B 符合纳什均衡博弈。

Claims (1)

1.一种基于非合作博弈论的延迟容忍网络路由与缓存管理方法，包括节点之间状态的转换、节点的路由选择及缓存管理，其特征是：

(1).节点之间状态的转换

网络节点具有空闲状态、连接状态、接收状态三种状态，当两个空闲状态的节点相遇，彼此之间有发送消息的请求，便建立连接，从空闲状态变为连接状态，如建立连接后，发现没有满足的消息进行转发，则从连接状态变为空闲状态；若两个空闲状态的节点建立连接后彼此之间的消息满足转发条件，则进行消息转发，处于连接状态的节点接收彼此的消息，消息接收完成之后，处于连接状态的节点释放连接，重新转向空闲状态；

(2).路由选择具体步骤

步骤1：设置节点的贡献效用值为U(x)，U(x)为非负常数；

步骤2：节点每产生一个消息Mes(i)为该消息设置一个副本数阈值Ni标记，Ni＝F(α)*U(x)，F(α)为调节系数；网络中任意时刻消息Mes(i)的副本数最多为Ni，当转发消息时转发给下一跳节点的副本数为NO1＝Nid*α1，其中α1为调节系数，此时当前节点的该消息副本数标记为Nid-NO1，接收该消息的节点中该消息的副本数标记为NO1，当节点中的消息数为1时，则直接递交给下一跳节点，其中，Nid为当前节点消息剩余数量；

步骤3：当节点A与1个或多个节点相遇时，若节点B为节点A中某个消息的目的节点，则节点A直接将B作为下一跳节点，将消息转发给目的节点B，否则执行步骤4；

步骤4：节点A在邻居节点中选择一个贡献效用值U(x)最小的节点，若有多个节点的贡献效用值最小则随机选择；

步骤5：计算节点A的连接函数Fnode，其中连接函数Bufv(x)为节点x缓存空闲的大小，Buft(x)为节点x缓存空间总的大小，Deld(x)为节点x递交给该消息目的节点的次数，β1+β2+β3＝1，β1,β2,β3为0到1之间的实数；

步骤6：若节点A的连接函数值小于节点B的连接函数值，则A向B发起连接，执行步骤7，否则不连接；

步骤7：B以概率同意连接节点A向节点B建立的连接，其中β为调节系数，U(a)为节点A的贡献效用值；

步骤8：若A与B连接建立，A的U(a)＝U(a)-ξ*U(a)，B的U(b)＝U(b)+ξ*U(b)，反之，若B不同意连接则B失败，执行U(b)减小操作U(b)＝U(b)-ξ*U(b)，其中ξ为任意常数；

(3).缓存管理策略

节点缓存管理分为两个阶段，

阶段1：当节点A中的消息的源节点中最大的贡献效用值小于阈值η1，则节点A不进行消息转发请求，否则执行阶段2；

阶段2：当网络中两个节点建立连接后，若节点A有多个消息需要发送，节点A发消息时先发送源节点贡献效用值大的节点的消息，节点B以的概率接收消息，其中ΔE为剩余缓存值，δ为调节系数，每接收一个消息自身贡献系数ΔC增加0.1，每拒绝接收一个消息自身的贡献系数ΔC减少0.1，当节点B为了接收其他贡献大的节点的消息而发生拥塞的时候，需对其节点中的消息进行删除，删除消息的时候，先删除消息的源节点贡献效用值小的节点的消息，自身节点的贡献系数不变；

节点B的缓存过程与节点A相同；

(4).当两个节点建立连接后两个节点进行接收消息的博弈矩阵

当节点A和节点B建立连接后，若节点A和节点B同时接收了对方的消息，则节点A和节点B的收益分别为(U(a)λ1(1+ΔCA),U(b)λ1(1+ΔCB))；当节点A接收了节点B的消息，而节点B没接收节点A的消息则节点A的效用值增加到U(a)λ2(1+ΔCA)，节点B的效用值减少到U(b)λ(1-ΔCB)；节点B接收了节点A的消息，而节点A没接收节点B的消息节点A的效用值减少到U(a)λ(1-ΔCA)，节点B的效用值增加到U(b)λ2(1+ΔCB)，若节点A和节点B都没接收对方的消息，则节点A和节点B的效用值不变，其中，λ2>λ1>λ，λ,λ1,λ2为实数，ΔCX为节点X的贡献系数。