CN108901041B - 一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法及系统，其中，该方法在每次执行丢弃操作时，首先确定新束可用存储空间(包括剩余存储空间和低于新束效用值的束的总占用空间)是否足以存储新束：如果不足，则直接丢弃新束以避免“无效丢弃”；如果充足，则以更高效用值、更多束为原则，在丢弃的束中选择合适的束进行保留，以避免“无效丢弃”。本发明工作在被动式延迟中断容忍网络拥塞控制算法中可以有效提升束的平均投递概率。

Description

一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法及系统
技术领域
本发明涉及本发明涉及卫星通信网络链路控制技术领域，特别涉及一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法及系统。
背景技术
在移动通信网络中，拥塞控制算法是网络中必不可少的部分之一。而在卫星延迟中断容忍网络中，由于网络资源严重受限，拥塞现象更加严重。但由于不存在稳定的端到端链接，无法将拥塞进行及时反馈，因此常采用被动式拥塞控制算法，即在拥塞发生时选取合适的束进行丢弃以缓解拥塞。
效用函数是被动式拥塞控制算法中用来量化丢弃该束对网络的影响，通常情况下效用函数越大代表丢弃该束对网络的影响越大，在拥塞控制时优先选择效用函数较小的束进行丢弃。如丢弃剩余生存时间最少算法算法中效用函数U(Bi)＝TTLi，其中Bi为节点中存储的第i个束，TTLi为Bi的剩余生存时间。
文献“Krifa A，Barakat C，Spyropoulos T.Message Drop and Scheduling inDTNs:Theory and Practice[J].IEEE Transactions on Mobile Computing，2012，11(9):1470-1483.”根据束生成的时间、持有或曾经持有束的节点数、当前节点与束目的节点的平均相遇速率、束的剩余生命周期、束在网络中的副本数，分别定义了以最大化平均传递数据速率和最小化平均传递时延为目的的效用值。
文献“Sepehr Keykhaie，Maryam Rostaei.Congestion-and Selfishness-awareSocial Routing in Delay Tolerant Networks[C]//7th International Conference onComputer and Knowledge Engineering.IEEE，2017.”使用相遇次数和剩余生命周期来定义效用函数。
文献“王贵竹，王炳庭，张家勇.DTN中基于二分散发和等待路由的自适应拥塞控制策略[J].计算机应用研究，2010.”提出束在网络中的副本数代表了束被接收的概率，副本数越多，被收到的概率越大，因此在拥塞时优先丢弃副本数更高的束。
这些算法仅关注了效用函数的选取，根据各自的理论确定了丢弃后对网络影响最小的束，但在丢弃束时并未加以关注，通常是按照效用值大小顺序，依次进行丢弃。如果延迟中断容忍网络中束的大小不一，则可能出现多余丢弃现象。
假设在某时刻，延迟中断容忍网络中的某节点的束存储空间如图1所示，其中剩余存储空间为SR，Bi代表存储的第i个束，对应占用的存储空间为Si，束按照某效用函数U(·)从小到大排序，即当i>j时，必有U(Bi)≥U(Bj)。此时，节点收到了新的束B0，对应占用的存储空间为S0，其效用函数U(B0)，满足U(B4)>U(B0)≥U(B5)。
由于S0>Sre，将依次丢弃效用值低的束B1～B4，此时满足：
Figure BDA0001704970770000021
将B0存储在节点的束存储空间中。然而，从图1中可以看出，虽然B1～B3的效用值低于B4，但丢弃了B1～B3后，存储空间依旧不足以存储B0；若只丢弃B4，剩余存储空间便足以存储B0，即在本次丢弃束操作中对B1～B3的丢弃是多余的。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法及系统，在每次执行丢弃操作时，首先确定新束可用存储空间(包括剩余存储空间和低于新束效用值的束的总占用空间)是否足以存储新束：如果不足，则直接丢弃新束以避免“无效丢弃”；如果充足，则以更高效用值、更多束为原则，在丢弃的束中选择合适的束进行保留，以避免“无效丢弃”。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法，所述方法包括如下步骤：步骤(1)：当前时刻，按效用函数由小到大排序存储束序列、占用空间序列、效用函数序列和剩余存储空间SR；步骤(2)：延迟中断容忍网络中某节点新收到束B0，其对应的占用空间为S0、效用函数为U(B0)，若SR≥S0转步骤(3)，否则转步骤(4)；步骤(3)：将束B0存储在束存储空间中；步骤(4)：计算B0的可用存储空间SB0，若SB0<S0转步骤(5)，SB0>S0转步骤(6)，SB0＝S0转步骤(9)；步骤(5)：丢弃B0；步骤(6)：预设DB＝{Bj|j＝1,2,…,n}，在DB中选择效用函数最大的束Bj|j＝n；步骤(7)：预设
Figure BDA0001704970770000031
计算新的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000032
若
Figure BDA0001704970770000033
更新
Figure BDA0001704970770000034
转步骤(8)；若
Figure BDA0001704970770000035
更新
Figure BDA0001704970770000036
转步骤(9)；若
Figure BDA0001704970770000037
转步骤(8)；步骤(8)：若j＝1，转步骤(9)，否则，令j＝j-1，转步骤(7)；步骤(9)：删除DB中所有的束，将B0存储在束存储空间内。
上述卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法中，在步骤(1)中，存储束序列
Figure BDA0001704970770000038
占用空间序列
Figure BDA0001704970770000039
效用函数序列UB＝{U(Bi)|i＝1,2,…,k}，其中，Bi为节点中存储空间存储的束，Si为Bi占用的存储空间，i为Bi在
Figure BDA00017049707700000310
中的序号，k为节点中存储束的总数，U(Bi)为使用效用函数U(·)计算出Bi对应的效用值。
上述卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法中，在步骤(4)中，可用存储空间
Figure BDA00017049707700000311
的计算公式如下：
Figure BDA00017049707700000312
其中，DB＝{Bj|U(B0)>U(Bj)}，DB为节点中所有效用值低于B0的束集合，
Figure BDA00017049707700000313
为节点中所有效用值低于B0的束所占据的总空间，Bj为DB集合中的元素，满足Bj效用值低于B0，U(Bj)为使用效用函数U(·)计算出Bj对应的效用值。
上述卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法中，在步骤(7)中，新的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000041
的计算公式如下：
Figure BDA0001704970770000042
其中，
Figure BDA0001704970770000043
为暂时去除Bj的待删除束集合，{Bj}为仅包含Bj一个元素的集合。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束系统，包括：第一模块，用于当前时刻，按效用函数由小到大排序存储束序列、占用空间序列、效用函数序列和剩余存储空间SR；第二模块，用于延迟中断容忍网络节点新收到的束B0，对应的占用空间S0，效用函数U(B0)；第三模块，用于将束B0存储在束存储空间中；第四模块，用于计算B0的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000044
第五模块，用于丢弃B0；第六模块，用于预设DB＝{Bj|j＝1,2,…,n}，在DB中选择效用函数最大的束Bj|j＝n；第七模块，用于预设
Figure BDA0001704970770000045
计算新的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000046
第八模块，用于删除DB中所有的束，将B0存储在束存储空间内。
上述卫星延迟中断容忍网络中丢弃束系统中，存储束序列
Figure BDA0001704970770000047
占用空间序列
Figure BDA0001704970770000048
效用函数序列UB＝{U(Bi)|i＝1,2,…,k}，其中，Bi为节点中存储空间存储的束，Si为Bi占用的存储空间，i为Bi在
Figure BDA0001704970770000049
中的序号，k为节点中存储束的总数，U(Bi)为使用效用函数U(·)计算出Bi对应的效用值。
上述卫星延迟中断容忍网络中丢弃束系统中，可用存储空间
Figure BDA00017049707700000410
的计算公式如下：
Figure BDA00017049707700000411
其中，DB＝{Bj|U(B0)>U(Bj)}，DB为节点中所有效用值低于B0的束集合，
Figure BDA0001704970770000051
为节点中所有效用值低于B0的束所占据的总空间，Bj为DB集合中的元素，满足Bj效用值低于B0，U(Bj)为使用效用函数U(·)计算出Bj对应的效用值。
上述卫星延迟中断容忍网络中丢弃束系统中，新的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000052
的计算公式如下：
Figure BDA0001704970770000053
其中，
Figure BDA0001704970770000054
为暂时去除Bj的待删除束集合，{Bj}为仅包含Bj一个元素的集合。
根据本发明的又一个方面，提供了一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行本发明的一个方面的一个或多个的方法。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明适用于任意一种被动式延迟中断容忍网络拥塞控制算法，相对于传统方法可以避免多余丢弃现象；
(2)本发明在丢弃束操作时，在不影响新束存储的情况下，尽量保留了原本存储的束，提高存储空间利用率；
(3)本发明延长了束在延迟中断容忍网络中的存在时间，提高束平均投递概率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的针对的多余丢弃现象示意图；
图2是本发明实施例提供的卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的方法与丢弃剩余生存时间最少算法联合使用性能的示意图；
图4是本发明实施例提供的方法与丢弃被转发次数最多算法联合使用性能的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例提供一种在延迟中断容忍网络拥塞控制的丢弃束方法，该方法作用在被动式延迟中断容忍网络拥塞控制算法之后，在由拥塞控制算法的效用函数确定可丢弃的束集合后，将集合中可保留的束从集合中去除。该方法工作在被动式延迟中断容忍网络拥塞控制算法中可以有效提升束的平均投递概率。
图2是本发明实施例提供的卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法的流程图。如图2所示，该卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法包括如下步骤：
步骤(1)：当前时刻，按效用函数由小到大排序存储束序列
Figure BDA0001704970770000061
占用空间序列
Figure BDA0001704970770000062
效用函数序列UB＝{U(Bi)i＝1,2,…,k}，剩余存储空间为SR；
步骤(2)：延迟中断容忍网络节点新收到的束B0，对应的占用空间S0，效用函数U(B0)，若SR≥S0转步骤(3)，否则转步骤(4)；
步骤(3)：直接将束B0存储在束存储空间中；
步骤(4)：计算B0的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000063
Figure BDA0001704970770000071
其中，DB为节点中所有效用值低于B0的束集合，若
Figure BDA0001704970770000072
转步骤(5)，
Figure BDA0001704970770000073
转步骤(6)，
Figure BDA0001704970770000074
转步骤(9)；
步骤(5)：丢弃B0；
步骤(6)：设DB＝{Bj|j＝1,2,…,n}，在DB中选择效用函数最大的束Bj|j＝n；
步骤(7)：令
Figure BDA0001704970770000075
计算新的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000076
Figure BDA0001704970770000077
若
Figure BDA0001704970770000078
更新
Figure BDA0001704970770000079
转步骤(8)，若
Figure BDA00017049707700000710
更新
Figure BDA00017049707700000711
转步骤(9)，若
Figure BDA00017049707700000712
转步骤(8)；
步骤(8)：若j＝1，转步骤(9)，否则，令j＝j-1，转步骤(7)；
步骤(9)：删除DB中所有的束，将B0存储在束存储空间内。
本实施例在每次执行丢弃操作时，首先确定新束可用存储空间(包括剩余存储空间和低于新束效用值的束的总占用空间)是否足以存储新束：如果不足，则直接丢弃新束以避免“无效丢弃”；如果充足，则以更高效用值、更多束为原则，在丢弃的束中选择合适的束进行保留，以避免“无效丢弃”。
图3是本发明实施例提供的方法与丢弃剩余生存时间最少算法联合使用性能的示意图。如图3所示，将本实施例的卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法与丢弃剩余生存时间最少算法(DO)联合使用效果与单独使用丢弃剩余生存时间最少算法进行比较。
延迟中断容忍网络中，束的平均投递概率从61.15％(2774/4536)提升到75.55％(3427/4536)，提升率为14.40％。
图4是本发明实施例提供的方法与丢弃被转发次数最多算法联合使用性能的示意图。如图4所示，将本实施例卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法与丢弃被转发次数最多算法(DT)联合使用效果与单独使用丢弃被转发次数最多算法进行比较。
延迟中断容忍网络中，束的平均投递概率从59.63％(2705/4536)提升到68.36％(3101/4536)，提升率为8.73％。
本实施例还提供了一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束系统，包括：第一模块，用于当前时刻，按效用函数由小到大排序存储束序列、占用空间序列、效用函数序列和剩余存储空间SR；第二模块，用于延迟中断容忍网络节点新收到的束B0，对应的占用空间S0，效用函数U(B0)；第三模块，用于将束B0存储在束存储空间中；第四模块，用于计算B0的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000081
第五模块，用于丢弃B0；第六模块，用于预设DB＝{Bj|j＝1,2,…,n}，在DB中选择效用函数最大的束Bj|j＝n；第七模块，用于预设
Figure BDA0001704970770000082
计算新的可用存储空间
Figure BDA0001704970770000083
第八模块，用于删除DB中所有的束，将B0存储在束存储空间内。
本实施例适用于任意一种被动式延迟中断容忍网络拥塞控制算法，相对于传统方法可以避免多余丢弃现象；本实施例在丢弃束操作时，在不影响新束存储的情况下，尽量保留了原本存储的束，提高存储空间利用率；本实施例延长了束在延迟中断容忍网络中的存在时间，提高束平均投递概率。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤(1)：按效用函数由小到大排序存储束序列、占用空间序列、效用函数序列和剩余存储空间SR；
步骤(2)：延迟中断容忍网络中指定节点新收到束B0，其对应的占用空间为S0、效用函数为U(B0)，若SR≥S0转步骤(3)，否则转步骤(4)；
步骤(3)：将束B0存储在束存储空间中；
步骤(4)：计算B0的可用存储空间
Figure FDA0003231807280000011
若
Figure FDA0003231807280000012
转步骤(5)，
Figure FDA0003231807280000013
转步骤(6)，
Figure FDA0003231807280000014
转步骤(9)；
步骤(5)：丢弃B0；
步骤(6)：预设DB＝{Bj|j＝1,2,…,n}，在DB中选择效用函数最大的束Bj|j＝n；
步骤(7)：预设
Figure FDA0003231807280000015
计算新的可用存储空间
Figure FDA0003231807280000016
若
Figure FDA0003231807280000017
更新
Figure FDA0003231807280000018
转步骤(8)；若
Figure FDA0003231807280000019
更新
Figure FDA00032318072800000110
转步骤(9)；若
Figure FDA00032318072800000111
转步骤(8)；
步骤(8)：若j＝1，转步骤(9)，否则，令j＝j-1，转步骤(7)；
步骤(9)：删除DB中所有的束，将B0存储在束存储空间内。
2.根据权利要求1所述的卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法，其特征在于：在步骤(1)中，存储束序列
Figure FDA00032318072800000112
占用空间序列
Figure FDA00032318072800000113
效用函数序列UB＝{U(Bi)|i＝1,2,…,k}，其中，Bi为节点中存储空间存储的束，Si为Bi占用的存储空间，i为Bi在
Figure FDA00032318072800000114
中的序号，k为节点中存储束的总数，U(Bi)为使用效用函数U(·)计算出Bi对应的效用值。
3.根据权利要求2所述的卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法，其特征在于：在步骤(4)中，可用存储空间
Figure FDA0003231807280000021
的计算公式如下：
Figure FDA0003231807280000022
其中，DB＝{Bj|U(B0)>U(Bj)}，DB为节点中所有效用值低于B0的束集合，
Figure FDA0003231807280000023
为节点中所有效用值低于B0的束所占据的总空间，Bj为DB集合中的元素，U(Bj)为使用效用函数U(·)计算出Bj对应的效用值。
4.根据权利要求3所述的卫星延迟中断容忍网络中丢弃束方法，其特征在于：在步骤(7)中，新的可用存储空间
Figure FDA0003231807280000024
的计算公式如下：
Figure FDA0003231807280000025
其中，
Figure FDA0003231807280000026
为暂时去除Bj的待删除束集合，{Bj}为仅包含Bj一个元素的集合。
5.一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行如权利要求1-4中的一个或多个的方法。
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