CN108449270A - 机会网络中基于优先级的缓存管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于消息优先级的缓存调度策略，针对现有机会网络缓存资源受限以及消息副本冗余等问题，通过考虑对机会网络缓存进行管理，对消息的转发与删除进行优化。根据节点携带消息的传输成功能力、服务能力以及消息的剩余容忍延迟时间建立优先级函数，并根据优先级值队列进行数据分组的转发和丢弃策略。在节点间建立连接时，发送消息的节点优先转发消息优先级值较大的消息；当接收消息的节点缓存区已满无法接纳新到达的数据分组时，优先删除优先级值较小的消息。并根据节点所有消息的平均传输成功率设定阈值。优先级值小于阈值的消息在队列中的待删除区域，以减少低效的消息副本的传输，避免网络资源的浪费。本发明能够有效的缓解网络中消息的拥塞问题，同时也提高了网络的数据传输效率。

Description

机会网络中基于优先级的缓存管理方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种机会网络下缓存管理策略，作用是使机会网络中的数据包副本按照一定的优先级次序进行转发与删除。

背景技术

机会网络是一种无线自组织网络，在该网络中不存在一条端到端的完整的路径来进行双方之间的通信，只能通过节点之间高速移动带来的接触机会来实现信息的转发，采用的是“存储—携带—转发”的数据传输模式。

由于机会网络的传输特性，使得网络中进行传输的消息为了提高传输的成功率，往往会对该消息进行多次复制，使得一个消息在传输过程中具有多个数据分组副本。但是该方法会造成网络中存在大量的冗余消息副本，容易造成网络拥塞，导致网络中存在严重的丢包现象并且会占用较多的缓存资源，使得网络性能下降。在现实生活中节点的缓存大小往往有限，因此如何利用有效的缓存调度策略避免节点的拥塞，有效解决节点缓存不足等问题对机会网络的整体性能尤为重要。

当网络中节点缓存空间不足时，为了接受新的消息，节点需要进行缓存管理，从本地消息队列中选择部分消息丢地，腾出缓存空间接纳新的消息。但是，现有的缓存策略，如Drop-Random(随机丢弃数据包)、Drop-Oldest(丢弃剩余生命周期时间最短的数据包)、Drop-Front(丢弃最先到达的数据包)，这些策略没有充分的考虑网络的特性与数据包的相关信息，对网络的性能提高非常有限。

本发明基于消息优先级的缓存调度策略，针对现有机会网络缓存资源受限问题，通过考虑机会网络对数据分组传输成功能力、节点携带消息的服务能力、消息剩余容忍延迟时间等综合性能的需求，通过这些参数建立优先级函数，并根据优先级值序列进行数据分组的转发和丢弃策略。有效的实现对网络的缓存管理，提高网络的传输效率。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于能够克服现有算法的不足，提出一种机会网络下基于消息优先级的缓存调度策略。对机会网络中常见的洪泛方法导致的网络拥塞以及资源过度消耗问题，设计高效、实用的缓存管理策略，对消息的转发与删除进行优化。能够在保证传输成功率的同时减少路由开销。通过优先级划分实现数据包的转发和丢弃次序，达到管理缓存的目的。对于消息的优先级的确定，考虑多种因素。其中包括节点将消息传输至目的节点的能力，消息的服务能力以及消息的剩余容忍延迟时间。对节点所携带的消息进行多方考虑，提高节点的缓存利用率，优化网络性能。

本发明提供的基于数据分组优先级的缓存管理策略的实现主要从两方面进行考虑，即当两节点相遇时，优先转发哪个数据分组；以及当缓存溢出无法接纳新到达的数据分组时首先丢弃哪个数据包。

本发明解决上述问题的技术方案是：根据节点自身携带的相关信息计算消息优先级函数，并根据优先级值次序进行消息的转发与删除。

机会网络缓存中优先级的三个主要度量依据分别是节点传输成功能力、节点携带消息的服务能力、消息剩余容忍延迟时间。

更进一步的，消息的综合优先级函数(PF)与三者之间的关系为：节点将消息成功传送到目的节点的能力越高，消息优先级越高；节点携带消息的服务能力越高，消息的优先级越高；消息的剩余容忍延迟时间越长，消息的优先级越高。

根据计算得到的优先级值对节点缓存实施管理。按照优先级从大到小依次转发发送节点缓存内的消息副本。当节点缓存已满不能接收新到达的消息时，按照优先级从小到达丢弃缓存内的消息副本。

本发明根据优先级对消息进行排序，优化了消息转发和丢弃策略，提高了网络传输成功率、减少了网络中的路由开销，降低了传输延迟。表现出较好的性能。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明算法流程图。

图2为节点的连接状态图。

图3为消息管理队列图。

具体实施方式

为了更加详细的描述本发明提出的一种基于优先级的缓存管理算法,下面结合附图对本发明作进一步的描述。

关于优先级函数的三个评价指标，在以下分别给出计算过程。

节点将消息传输至目的地的能力即消息的传输成功率。本发明根据概率策略对传输成功概率进行计算。当网络开始运行时，网络中所有的节点间的传输成功初始值相同，设为P_init∈[0,1]，当两节点i，j相遇时，节点根据公式更新各自的传输预测值。

P_(i,j)＝P_(i,j)old+[1-P_(i,j)old]*P_init

由上述公式可知，两节点对之间的相遇次数越多，节点之间的传输预测概率值越大。因此节点的传输成功率与节点之间的频繁接触程度相关。

若两节点间长时间没有相遇，则其传输预测概率值将逐渐老化，如公式3所示：

P_(i,j)＝P_(i,j)old*β^k

其中β∈[0,1]是初始化常数，k表示经过的时间单元个数。该是根据给定节点与其他节点的相遇频繁程度判断两个节点对之间的连接紧密程度。若网络中节点i其缓存内存在消息m，消息m的目的节点为j。则可得到消息m到目的节点的传输成功率值为：

经过上述分析，我们可以得到网络中任何消息所对应目的节点的预测传输成功率值。且传输成功率大小与优先级(PF)的关系为：

表示到目的节点传输成功率越大，消息的优先级越高。

节点的活跃程度也是对节点服务能力的一个估计。活跃程度高的节点，与周围其他节点相比较，其在单位时间内转发与接收的消息数目，遇到的邻居节点数目都会比较高。能够加快传输的效率。

按照连接的通断状况，节点在网络中移动并转发消息，可将之分为连接间断时间与连接持续时间。连接持续时间内，节点将消息转发给其遇到的节点并接收其本身没有的消息，连接间断时间内，节点等待遇到其他节点然后建立连接。如图2所示。

若节点i在第n次通信的链路的持续时间为t_i(n)，成功转发的消息数量为a_n，成功接收的消息数量为b_n，则第n此链路持续时间内，单位时间内转发的消息数目为：

单位时间内接受的消息数目为：

由于节点间链路的持续时间具有不确定性，同时成功转发的消息数量具有较强的随机性，因此利用统计的单位时间内平均接收与转发消息数量进行衡量：

其中N_i表示连接总次数。表示单位时间内平均转发与接收的消息数量。该值越高表明节点单位时间内的接收与转发消息的效率越高，活跃程度越高。

携带节点的平均服务能力根据其活跃程度进行判定，如下公式所示：

其中Q_i(m)表示部分携带消息m的节点集合，n表示集合中的节点个数，Ser_m表示携带消息m的平均服务能力。平均服务能力与优先级的关系为：

PF∝Ser_m

在机会网络中，每个消息的产生都具有时间的设置，一直未能转发成功的消息不能一直占用系统资源。因此在网络中的每个节点都具有一个生存周期值。消息的剩余生存周期值越小，表明该消息可容忍的延时越小，因此该消息应当被转发出去的紧急性越高。同时若一个消息产生的时间越长，该消息被传送成功的概率越高，因此继续传递该消息的价值较低；反之，消息产生的时间越短，继续传递该消息的价值越高。因此将剩余容忍延迟时间作为缓存管理应该考虑的重要因素之一。其与优先级之间的关系为：

表示消息m的剩余生存周期TTL_M与优先级成正比关系，消息m产生的时间T_m与优先级成反比关系。剩余可容忍延迟越高，优先级越高。

在消息携带决策的过程中，所提出的发明通过比较消息优先级的大小决策消息是否继续携带。优先级可根据消息携带节点的传输成功能力、节点活跃程度、消息剩余容忍延迟时间货值，进而决定是否继续缓存该消息。

携带消息m的优先级计算公式如下：

α₁,α₂,α₃分别为消息传输成功率、消息服务能力、消息可容忍延迟时间的权重，且α₁+α₂+α₃＝1。

节点相遇之后，对消息的具体处理过程如图3所示。节点i缓存N个消息，按照其优先级进行排序，将以排序阈值前的消息m₁,m₂,...m_i划分为待转发区域。同时，排序在阈值后的消息为待删除部分。所设定的阈值为：

其中，N表示节点i中的消息总数。TF即为节点i携带消息的平均传输成功率值。以平均传输成功率作为阈值，能够有效的减少传输成功率值较小的数据包的传输，从而避免网络资源的浪费。

本发明根据优先级对消息进行排序，按优先级队列依次转发缓存内的数据分组副本，当缓存区溢出时，按优先级从小到大的次序丢弃缓存区内的数据分组副本。按照该方法优化了对网络中消息副本的转发与删除，提高了网络传输成功率，降低了网络传输延迟，减少了网络路由开销，具有较好的性能。

Claims (3)

1.一种机会网络中基于优先级的缓存管理办法，其特征在于，基于每个节点根据自身携带的相关信息。根据这些信息估计的传输成功能力、消息的服务能力以及消息的剩余容忍延迟时间。根据计算得到的这些网络性能评价指标确定数据分组的综合优先级函数。根据数据分组的综合优先级排序大小优化缓存管理。具体方法为，当两节点建立连接时，按综合优先级从大到小的排序转发数据分组副本；当节点的缓存已满无法接收新到达的消息时，按综合优先级从小到大的顺序依次丢弃数据分组副本。

2.根据权利要求1所述，其特征在于，计算得到每个消息的传输成功能力服务能力Ser_m、剩余容忍延迟时间最后调用公式以获得最后的优先级值：其中α₁,α₂,α₃分别为消息传输成功率、消息服务能力、消息可容忍延迟时间的权重。

3.根据权利要求1所述，其特征在于，节点中的每个消息能够携带一定的信息。如消息产生的时间，消息的剩余生命周期，节点间接触的次数，转发与接收的消息数目等信息。并能够根据这些信息计算得到消息传输成功能力、消息的服务能力以及消息的剩余容忍延迟时间。