CN108462634B - 一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法。该方法首先提供了节点间的社交关系，并根据消息传输成功率的差异性给出消息公平性定义。然后通过消息转发的优先级来设置不同消息的副本数目，并根据节点间的社交关系大小来选择下一跳节点，从而解决消息的不公平性问题。仿真结果表明：该方法在消息成功率、平均时延、路由开销比现有的路由算法要好。

Description

一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法

技术领域

本发明属于机会社交网络的消息转发方法，尤其涉及一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法。

背景技术

机会社交网络因节点分布较为稀疏、网络拓扑结构不稳定，一般会采取“存储-携带-转发”的路由模式，将消息以多跳的方式传送给目标节点。如果没有找到合适的中间节点，消息将被保存在现有节点的缓存中，直到遇到合适的中间节点才转发给它。因此，如何寻找一条低延时、低能耗、高传输成功率的传输路径，是机会社交网络中一个极具挑战的关键性问题。

为了解决上述问题，已有学者提出了高效的消息转发路由机制。其基本思想是：对每个消息选择适合的转发节点和对消息转发的副本数目进行最优调整，以此来提高网络性能。例如：Spyropoulos等人提出了SAW(Spray And Wait)算法。在Spray阶段，源节点采用多副本散发机制，减少了消息分发过程中所需要的时间；但在Wait阶段，消息没有被继续转发，而是不断等待直到遇到目标节点，因此SAW算法存在时延偏高的问题。Lindgren等人提出PROPHET算法，该算法通过节点的相遇概率大小来选择转发节点，从而可以降低多副本数目转发所引发的网络拥塞。但该算法不适合运用于节点密度低的机会社交网络环境。

根据平等理论，人们通过比较整个系统中每个人贡献与收益的比例来评价公平性。因此，公平性会影响到机会社交网络的消息传输成功率。已有学者根据用户对公平的满意度需求，并通过网络吞吐量来衡量自己是否受到不公平对待，从而阐述公平性对网络性能的影响。Tuan Le等人提出了一种新的路由策略。在该路由策略中，是否转发取决于基于社交关系图的交互概率大小，并结合源节点消息的多拷贝控制和中介节点的单副本路由，从而实现低开销。但该策略并没有给出节点之间的社会关系。

发明内容

在机会社交网络中，由于现有的消息传输机制存在效率低、成功率低等问题，使得这些消息传输机制无法解决消息传输的公平性问题。本发明提出了一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法(Fairness-based Routing,FR)。该方法首先提供了节点间的社交关系，并根据消息传输成功率的差异性给出消息公平性定义。然后通过消息转发的优先级来设置不同消息的副本数目，并根据节点间的社交关系大小来选择下一跳节点，从而解决消息的不公平性问题。

本发明具体采用如下方式实现：

一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法，包括以下步骤：

S1.首先判断源节点s与目标节点d是否在同一个社区内,若s、d在同一个社区内，进入S2，若s、d不在同一个社区内，进入S3；

S2.采用社区内消息传输策略进行消息传输，包括消息散发阶段与消息转发阶段，具体包括S21-S23；

S21.节点s发送消息给目标节点d时，首先将消息m复制copy_s(m)份副本；

其中，copy_avg(m)表示网络中平均产生的消息副本，step_m表示消息转发时路由表中的当前跳数，step_max表示消息m到达目标节点的最大跳数，t_m表示消息产生时间；T_max表示消息生存时间；p_s(m)表示节点s的消息m的优先级，计算如下：

若节点r与节点l的社交关系大小、社交关系的最大值、最小值分别为a_rl、a_rl(max)、a_rl(min)，则P_r(m)为：

其中a_rl表示节点r与节点l之间的社交关系大小，计算如下：

其中α、β、γ为加权因子，α+β+γ＝1，并且加权因子会根据实际应用进行调整；

表示节点r与节点l在时间Δt内的归一化平均交互持续时间，

为Δt时间内节点r帮助节点l所得到的贡献值与节点r和节点l之间总贡献值的比值，

为节点的社交广度；

作为优选，所述S21中

计算如下：

其中δ表示高斯相似度函数的方差；

表示时间Δt内节点r和节点l平均交互持续时间；X_rl表示是节点r和节点l之间交互的状态，如果在t时刻有交互，X_rl＝1，否则X_rl＝0。

作为优选，所述S21中的

计算如下：

其中Cot_rl(t)表示t时刻节点r帮助节点l得到的贡献值，Cot_lr(t)表示t时刻节点l帮助节点r得到的贡献值。

作为优选，所述S21中的

计算如下：

其中SR_rl(t)表示节点r与l是否相遇，如果在t时刻相遇，SR_rl(t)＝1，否则SR_rl(t)＝0；SR_r(t)为t时刻节点r同时相遇其他节点的个数。

S22.节点s向目标节点d进行移动，在移动过程中遇到中间节点j时，若a_sd＜a_jd(其中a_sd表示节点s与节点d的社交关系大小，a_jd表示节点j与节点d的社交关系大小)，则将

份消息m副本转发给节点j；节点j在移动过程中遇到下一个中间节点k，若a_jd＜a_kd(其中a_kd表示节点k与节点d的社交关系大小)，则将自身剩余消息m副本的1/2转发给节点k；源节点s、中间节点j、中间节点k继续按照上述规则将自身剩余消息转发给其他节点；

S23.在消息转发过程中若遇到目标节点，则消息转发阶段结束；若遇到中间节点本身存储的消息m副本数目为1，则进入消息转发阶段S24；

S24.在消息转发阶段，把消息m直接转发给与目标节点d之间社交关系比自己大的其他节点；这些节点继续按照上述规则转发消息m，直到目标节点d收到该消息m；

S3.采用社区间消息传输策略，具体包括S31-S32；

S31.源节点s携带消息m在社区内移动，若遇到源节点社区的网桥节点c，则将所携带的消息全部转发给此节点，让此节点携带消息转发到目标节点所在社区的网桥节点；

S32.按照S2中所述的社区内消息传输策略继续转发消息m，直到目标节点d收到消息m。

本方法通过设置消息优先级，决定节点的消息副本数目，从而提高消息的公平性和网络性能。仿真结果表明，与传统路由方法相比，该方法在消息的成功率、平均时延及路由开销比率都有一定的改进。

附图说明

图1不同生存时间值(Time To Live，TTL)下消息传输成功率；

图2不同TTL下消息的平均时延；

图3不同TTL下路由的开销比率；

图4不同缓存条件下消息传输成功率；

图5不同缓存条件下消息传输平均时延；

图6不同缓存路由开销比率。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。

基于公平性的机会社交网络消息传输方法，包括如下步骤：

S1.首先判断源节点s与目标节点d是否在同一个社区内,若s、d在同一个社区内，进入S2，若s、d不在同一个社区内，进入S3；

S2.采用社区内消息传输策略进行消息传输，包括消息散发阶段与消息转发阶段，具体包括S21-S23；

S21.节点s发送消息给目标节点d时，首先将消息m复制copy_s(m)份副本；

其中，copy_avg(m)表示网络中平均产生的消息副本，step_m表示消息转发时路由表中的当前跳数，step_max表示消息m到达目标节点的最大跳数，t_m表示消息产生时间；T_max表示消息生存时间；p_s(m)表示节点s的消息m的优先级，计算如下：

假设节点r与节点l的社交关系大小、社交关系的最大值、最小值分别为a_rl、a_rl(max)、a_rl(min)，可得P_r(m)为：

其中a_rl表示节点r与节点l之间的社交关系大小，计算如下：

其中α、β、γ为加权因子，α+β+γ＝1，并且加权因子会根据实际应用进行调整；

表示节点r与节点l在时间Δt内的归一化平均交互持续时间，

为Δt时间内节点r帮助节点l所得到的贡献值与节点r和节点l之间总贡献值的比值，

为节点的社交广度；

本步骤中

计算如下：

其中δ表示高斯相似度函数的方差；

表示时间Δt内节点r和节点l平均交互持续时间；X_rl表示是节点r和节点l之间交互的状态，如果在t时刻有交互，X_rl＝1，否则X_rl＝0。

本步骤中

计算如下：

其中Cot_rl(t)表示t时刻节点r帮助节点l得到的贡献值，Cot_lr(t)表示t时刻节点l帮助节点r得到的贡献值。

本步骤中

计算如下：

其中SR_rl(t)表示节点r与l是否相遇，如果在t时刻相遇，SR_rl(t)＝1，否则SR_rl(t)＝0；SR_r(t)为t时刻节点r同时相遇其他节点的个数。

S22.节点s向目标节点d进行移动，在移动过程中遇到中间节点j时，若a_sd＜a_jd，则将

份消息m副本转发给节点j；节点j在移动过程中遇到下一个中间节点k，若a_jd＜a_kd，则将自身剩余消息m副本的1/2转发给节点k；源节点s、中间节点j、中间节点k继续按照上述规则将自身剩余消息转发给其他节点；

S23.在消息转发过程中若遇到目标节点，则消息转发阶段结束；若遇到中间节点本身存储的消息m副本数目为1，则进入消息转发阶段S24；

S24.在消息转发阶段，把消息m直接转发给与目标节点d之间社交关系比自己大的其他节点；这些节点继续按照上述规则转发消息m，直到目标节点d收到该消息m；

S3.采用社区间消息传输策略，具体包括S31-S32；

S31.源节点s携带消息m在社区内移动，若遇到源节点社区的网桥节点c，则将所携带的消息全部转发给此节点，让此节点携带消息转发到目标节点所在社区的网桥节点；

S32.按照S2中所述的社区内消息传输策略继续转发消息m，直到目标节点d收到消息m。

下面结合具体实施例说明书上述方法的技术效果。

实施例

为了验证本发明提出的一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法，发明人采用ONE(opportunistic network environment)网络仿真软件验证FR协议算法的网络性能。本发明提出基于公平性的机会社交网络路由协议，该协议首先提供了节点间的社交关系，并根据消息传输成功率的差异性给出消息公平性定义。然后通过消息转发的优先级来设置不同消息的副本数目，并根据节点间的社交关系大小来选择下一跳节点，从而解决消息的不公平性问题。具体如下：

1社交关系与消息公平性

1.1社交关系定义

定义1：定义任意的节点，称为用户终端(User Terminal，UT)。例如UT_r和UT_l分别表示标识为r、l的节点。

定义2：不同UT之间的社交关系大小可通过在一段时间内他们之间发生的交互次数和每次交互的持续时间来进行估算。假设σ_rl(t)表示UT_r和UT_l之间发生交互的持续时间，X_rl表示是UT_r和UT_l之间交互的状态。如果在t时刻有交互，X_rl＝1，否则X_rl＝0。在时间Δt内UT_r和UT_l平均交互持续时间为：

根据高斯相似度函数，可以推理出UT_r和UT_l归一化平均交互持续时间：

其中公式(2)中的δ表示高斯相似度函数的方差。

定义3：如果UT_r帮助UT_l，就可以从UT_l获得贡献值作为奖励。相反UT_l帮助UT_r同样也会获得贡献值。定义

为一段时间内UT_r帮助UT_l所得到的贡献值与UT_l和UT_r之间总贡献值的比值。假设Cot_rl(t)表示t时刻UT_r帮助UT_l得到的贡献值，Cot_lr(t)表示t时刻UT_l帮助UT_r得到的贡献值，则

定义4：定义节点的社交广度表示一段时间内节点相遇目标节点的次数与节点相遇其他节点总次数的比值。定义

为节点的社交广度，假设SR_rl(t)表示节点UT_r与UT_l是否相遇。如果在t时刻相遇，SR_rl(t)＝1，否则SR_rl(t)＝0。假设SR_r(t)为t时刻节点同时相遇其他节点的个数。则一段时间Δt内，

综合上面，可得UT_r与UT_l之间的社交关系大小a_rl为：

其中公式(5)中α、β、γ为加权因子，α+β+γ＝1，并且加权因子会根据实际应用进行调整。

1.2消息公平性定义

如果一个人受很多人欢迎，那么他与其他人的社交联系就很多，因此他的消息可以轻易到达目的节点。相反只有几个朋友的人，就很少有机会将消息成功传递到目的节点。根据消息的公平性，并使用其社交关系大小来衡量每个消息的优先级。根据社交关系定义，社交关系大的节点能够成功转发消息的概率大，即它的消息传输成功率高。由此可见，给出如下定义：

定义5：定义任意节点r的消息m的优先级为P_r(m)，假设节点r与节点l的社交关系大小、社交关系的最大值、最小值分别为a_rl、a_rl(max)、a_rl(min)，可得P_r(m)为：

2FR协议

FR协议采用分层级的社区间消息传输机制。如果源节点与目标节点处于同一个社区内，只需要利用社区内社交关系大的节点来进行消息传输。如果在不同的社区间进行消息转发时，选择各个社区内社交关系大的节点作为中间节点，送至目标节点所在社区，实现消息传输全过程。其详细过程如下：

2.1消息副本计算

根据公式(6)可知节点的社交关系越大，节点发送消息的优先级越低。按照消息优先级的大小来转发，那么大多数节点的消息传输成功率之间的差距会变小，但是社交关系大的节点的消息成功率也会随之降低。针对上述问题，采用对优先级低的消息产生较多的消息副本数，来提高其消息传输成功率。对优先级高的消息生成较少的消息副本数来减少网络资源的过多浪费。此外，考虑到消息的副本数目跟消息的生成时间、路由的跳数有直接相关。因此，源节点s的消息副本数目copy_s(m)为：

其中copy_avg(m)表示网络中平均产生的消息副本，step_m表示消息转发时路由表中的当前跳数，step_max表示消息m到达目的节点的最大跳数，t_m表示消息产生时间；T_max表示消息生存时间。

2.2社区内消息传输策略

社区内消息传输策略分为消息散发和消息转发阶段。其原理如下：

①在消息散发阶段，节点s发送消息给目标节点d时，首先将消息m复制copy_s(m)份副本；然后在移动过程中遇到中间节点j时，如果a_sd＜a_jd，则将

份消息m副本转发给节点j；同理，节点j在移动过程中遇到下一个中间节点k，如果a_jd＜a_kd，则将自身剩余消息m副本的1/2转发给节点k；接着，源节点s、节点j、k继续按照同样方法转发给其他中间节点，直到遇到目标节点或者节点本身存储的消息m副本数目为1，则进入消息转发阶段。

②在消息转发阶段，当源节点s或包含消息m的中间节点的副本数目为1时，这些节点在移动过程中把消息m转发给与目标节点d之间的社交关系比自己大的中间节点。然后中间节点继续转发消息m，直到目标节点d收到该消息m。2.3社区间消息传输策略

在社区间消息转发过程，首先将消息转发到目的节点所在的社区，然后根据社区内消息传输策略，完成整个消息的传输过程。其社区间消息传输过程如下：①首先源节点s判断目标节点d是否与自己在同一个社区，如果是，则按照社区内消息传输策略来进行消息的传递，否则源节点s携带消息在社区内移动。②如果遇到源节点社区的网桥节点c，则将所携带的消息转发给此节点，让此节点携带消息转发到与目标节点所在社区的网桥节点，然后按照社区内消息传输策略继续转发消息m，直到目标节点d收到消息m。

3仿真环境与实验结果分析

申请人在下述仿真参数设置与社区划下实现了本实施例的测试和验证，实施例的具体消息传输过程如S1～S3所述，不再赘述。ONE仿真器的模拟场景的区域大小为4500m×3500m，共包含160个移动节点，每40个节点为一个社区，每个社区内初始设置5个网桥节点，移动模型为基于地图最短路径，仿真时间为12小时，节点通信半径为10m，节点移动速度范围为[10,50]Km/h。同时发明人将本发明提出的FR方法与SAW方法、PROPHET方法在消息传输成功率、平均时延、开销比率等方面进行了对比。

本实施例结果显示：在不同的TTL条件下，三种算法的消息传输成功率如图1。FR曲线在SAW和PROPHET算法之上。其原因如下：①FR协议中为了解决节点间的消息成功率的差异，通过设置消息优先级使社交关系弱的节点发送消息的成功率得到提高；②FR协议采用分层次社区结构，在整个转发过程中，都是寻求与目标节点社交关系大的节点来作为路由的下一跳，从而提高成功率。

本实施例结果显示：在不同的TTL下，三种算法的消息平均时延如图2。在TTL值较低时，三种路由算法的消息平均时延都比较低。随着TTL不断增加，PROPHET算法消息平均时延增大速率最快使其网络性能降低。同时与SAW相比，FR的平均时延最低。其原因如下：①在整个转发过程中，FR协议的转发条件：寻求与目标节点社交关系大的节点来作为路由的下一跳，缩短了消息的平均时延。②FR协议根据节点发送消息的优先级来限制消息副本数目，使消息能够快速的传送至目标节点。

本实施例结果显示：在不同的TTL条件下，三种算法的路由开销比率如图3。在TTL不断增加的整个过程中，FR协议曲线在SAW算法和PROPHET算法曲线之下。其原因如下：FR协议根据节点发送消息的优先级来限制消息副本数目，优先级高的消息生成较少的消息副本数目，反之优先级低的消息生成较多的消息副本数目。相比SAW算法的消息副本数目都为一个常量，FR协议在消息副本数目限制方面更加合理，从而降低了路由开销。

本实施例结果显示：在不同的缓存空间条件下，三种算法的消息传输成功率如图4。在TTL不断增加的整个过程中，FR协议曲线在SAW算法和PROPHET算法曲线之下。FR协议曲线在SAW算法和PROPHET算法曲线之上。其中PROPHET算法曲线在最下面，SAW算法曲线位于中间。当缓存空间35M～50M时，三条曲线都趋于平稳，其中FR协议的消息成功率的最大值大约为0.85。其原因如下：FR协议采用分层次社区结构，在整个转发过程中，都是寻求与目标节点社交关系大的节点来作为路由的下一跳，从而提高成功率。

本实施例结果显示：在不同的缓存空间条件下，三种算法的消息平均时延如图5。由图可知：FR协议的平均时延比PROPHET、SAW都低。其原因如下：FR协议将网络中社交关系强的节点作为中间节点，使消息向着社交关系强的方向传递，最终保证了消息可以高效、可靠地被发送到目标节点。

本实施例结果显示：在不同的缓存空间条件下，三种算法的路由开销比率曲线如图6。FR协议在路由开销比率比PROPHET算法明显提高很多，但与SAW算法基本一致。其原因如下：FR协议根据节点发送消息的优先级来限制消息副本数目。相比SAW算法的消息副本数目都为一个常量，FR协议在消息副本数目限制方面更加合理，从而降低了路由开销。

由此看来，现有高效的路由算法因忽略了节点发送消息的优先级，会产生不同节点对消息副本数目处理方式的不公平对待。针对上述问题，FR协议通过设置消息优先级，决定节点的消息副本数目，从而提高消息的公平性和网络性能。仿真结果表明，与传统路由消息传输方法相比，该传输方法在消息的成功率、平均时延及路由开销比率都有一定的改进。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法，其特征在于包括如下步骤：

S1.首先判断源节点s与目标节点d是否在同一个社区内,若s、d在同一个社区内，进入S2；若s、d不在同一个社区内，进入S3；

S2.采用社区内消息传输策略进行消息传输，包括消息散发阶段与消息转发阶段，具体包括S21-S24；

S21.节点s发送消息给目标节点d时，首先将消息m复制copy_s(m)份副本；

其中，copy_avg(m)表示网络中平均产生的消息副本，step_m表示消息转发时路由表中的当前跳数，step_max表示消息m到达目标节点的最大跳数，t_m表示消息产生时间；T_max表示消息生存时间；p_s(m)表示节点s的消息m的优先级，对任意节点r的消息m的优先级p_r(m)计算如下：

若节点r与节点l的社交关系大小、社交关系的最大值、社交关系的最小值分别为a_rl、a_rl(max)、a_rl(min)，则P_r(m)为：

其中a_rl的计算公式如下：

其中α、β、γ为加权因子；

表示节点r与节点l在时间Δt内的归一化平均交互持续时间，

为Δt时间内节点r帮助节点l所得到的贡献值与节点r和节点l之间总贡献值的比值，

为节点的社交广度；

S22.节点s向目标节点d进行移动，在移动过程中遇到中间节点j时，若a_sd<a_jd，则将

份消息m副本转发给节点j；节点j在移动过程中遇到下一个中间节点k，若a_jd<a_kd，则将自身剩余消息m副本的1/2转发给节点k；源节点s、中间节点j、中间节点k继续按照相同规则将自身剩余消息转发给其他节点；

S23.在消息转发过程中若遇到目标节点，则消息转发阶段结束；若遇到中间节点本身存储的消息m副本数目为1，则进入消息转发阶段S24；

S24.在消息转发阶段，把消息m直接转发给与目标节点d之间社交关系比自己大的其他节点；这些节点继续按照S22中的规则转发消息m，直到目标节点d收到该消息m；

S3.采用社区间消息传输策略，具体包括S31-S32；

S31.源节点s携带消息m在社区内移动，若遇到源节点社区的网桥节点c，则将所携带的消息全部转发给此节点，让此节点携带消息转发到目标节点所在社区的网桥节点；

S32.按照S2中所述的社区内消息传输策略继续转发消息m，直到目标节点d收到消息m；

所述S21中所述的

的计算公式如下：

其中δ表示高斯相似度函数的方差；

表示时间Δt内节点r和节点l平均交互持续时间；X_rl表示是节点r和节点l之间交互的状态，如果在t时刻有交互，X_rl＝1，否则X_rl＝0；

所述S21中所述的

表示一段时间内节点r帮助节点l所得到的贡献值与节点r和节点l之间总贡献值的比值，计算如下：

其中Cot_rl(t)表示t时刻节点r帮助节点l得到的贡献值，Cot_lr(t)表示t时刻节点l帮助节点r得到的贡献值；

所述S21中所述的

的计算公式如下：

其中SR_rl(t)表示节点r与l是否相遇，如果在t时刻相遇，SR_rl(t)＝1，否则SR_rl(t)＝0；SR_r(t)为t时刻节点r同时相遇其他节点的个数。

2.根据权利要求1所述的一种基于公平性的机会社交网络消息传输方法，其特征在于，所述S21中所述的加权因子需满足α+β+γ＝1。

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