CN110971523B

CN110971523B - 基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法

Info

Publication number: CN110971523B
Application number: CN201911243919.2A
Authority: CN
Inventors: 张大鹏; 许子涵; 王爱华
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT; Beijing Space Technology Research and Test Center
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT; Beijing Space Technology Research and Test Center
Priority date: 2019-12-06
Filing date: 2019-12-06
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2039-12-06
Also published as: CN110971523A

Abstract

本发明涉及一种基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法，包括步骤：a.在创建节点的过程中，如果节点总数为N，则为每个节点设置N‑1个递交概率值P分别标定本节点对其他节点的递交概率；b.为每个捆绑层报文头部增加数据表以存储本捆绑层报文转发路径，当某个节点参与到该捆绑层报文中继转发时，将此节点编号存储到捆绑层报文头部数据表中；c.当某个捆绑层报文到达目的节点，则对路径上所有节点应用激励机制；d.当节点中某个捆绑层报文因为超时而需要删除时，则对本节点应用剥夺机制；e.当两节点相遇时，提取双方对捆绑层报文目的节点的递交概率值并比较其大小；f.重复所述a步骤～e步骤，实现捆绑层报文的递交。

Description

基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，尤其涉及一种基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法。

背景技术

在深空网络中，由于节点的运动，网络拓扑结构呈现动态变化，具有长时延、高误码率和间歇性连接等特性。因此，传统的基于端到端连接的TCP/IP协议(TransmissionControl Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/因特网互联协议)在深空网络数据传输服务中无法表现出优良的性能。

为克服这一问题，深空网络采用延时容忍网络(Delay Tolerant Network，DTN)进行数据传输。DTN通过在传输层或其他底层上引入捆绑层(Bundle Layer，BP)，为潜在的异构网络提供数据传输服务。捆绑层通过汇聚层适配器(Convergence Layer Adapter，CLA)接入下层协议，其主要协议包括捆绑层的BP协议及汇聚层的LTP协议(licklidertransmission protocol)。DTN采用“存储-携带-转发”机制对数据进行逐跳转发，以解决深空网络中链路间歇性连接问题，保证数据的可靠传输。

路由算法是DTN中首先需要解决的问题，一个好的路由算法不仅可以提高数据包转发效率，还可以降低网络复杂度，防止网络风暴造成严重后果。因此研究DTN路由算法具有重要的实用价值。不同于传统TCP/IP网络，DTN中节点能源受限、链路频繁中断、延时过长等问题导致了网络拓扑的动态变化，互相发送消息的两个节点之间没有稳定可靠的端到端连接。相较于传统网络中路由算法以寻求最短路径作为主要目标，DTN路由算法更多考虑的是最大化递交率和最小化网络开销的问题。

虽然近期针对深空延时容忍网络的路由问题提出了各式各样的算法，但由于DTN网络拓扑变化的动态特性，链路中断的随机性以及网络中存在的大延时等，路由算法设计依然存在诸多问题和挑战，例如算法应用场景的差异比较大，现有路由算法数据转发效率低，节点不能很好的结合自身特性和网络状态进行数据转发，洪泛式的转发会造成资源浪费，固定式的转发又可能造成转发的失败，算法可靠性和有效性是必须考虑的问题。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法，包括以下步骤：

a.在创建通信节点的过程中，如果节点总数为N，则为每个节点设置N-1个递交概率值P分别标定本节点对其他节点的递交概率，将所有递交概率值均初始化为P_init；

b.为每个捆绑层报文头部增加数据表以存储本捆绑层报文转发路径，当某个节点参与到该捆绑层报文中继转发时，将此节点编号存储到捆绑层报文头部数据表中；

c.当某个捆绑层报文顺利到达目的节点，则对本捆绑层报文转发路径上所有节点应用激励机制；

激励机制，当某个捆绑层报文顺利到达目的节点，则对本捆绑层报文转发路径上所有节点应用激励机制。设转发路径上有一节点A，目的节点为D，则A对D的递交概率值更新为：P_(A,D)＝P_(A,D)old+γP_init；

d.当节点中某个捆绑层报文因为超时而需要删除时，本节点对于转发该类型捆绑层报文是没有帮助的，则对本节点应用剥夺机制；

剥夺机制，当节点中某个捆绑层报文因为超时而需要删除时，本节点对于转发该类型捆绑层报文是没有帮助的，则对本节点应用剥夺机制。设一节点B中某个目的节点为D的捆绑层报文超时，B对D的递交概率值更新为：P_(B,D)＝P_(B,D)old-γP_init；

e.当两节点相遇时，提取双方对捆绑层报文目的节点的递交概率值并比较其大小；

f.重复所述a步骤～e步骤，实现捆绑层报文的递交。

根据本发明的一个方面，在所述a步骤中，在全局中建立20*20的递交概率二维数组用于节点之间递交概率值的存储以及后续的判断，并赋初值P_init。

根据本发明的一个方面，在所述b步骤中，在捆绑层报文头部中增加32位无符号整型变量作为当前路径字段的索引，中继节点在接收到某捆绑层报文后，更新捆绑层报文头部相关信息时将本节点编号存入该捆绑层报文的当前路径字段中，然后将捆绑层报文放入发送队列等待发送。

根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，当目的节点接收到完整报文，根据报文头部的当前路径字段中的信息，将路径上所有中继节点对本节点的投递预测值增加γP_init。

根据本发明的一个方面，在所述d步骤中，当某节点中捆绑层报文超时删除时，将本节点对于报文目的节点的投递预测值减少γP_init。

根据本发明的一个方面，在所述e步骤中，根据具体深空网络环境设置转发阈值Δ(转发阈值越大，转发条件越苛刻，即数据包只有在遇到更可靠的中继节点时才进行转发，网络数据包冗余副本较少)，中继节点在接收到某捆绑层报文后，判断本节点的投递预测值是否大于等于对方节点的投递预测值减去转发阈值Δ的数值，如果是则接收，如果不是则丢弃。

根据本发明的方法，能够取得以下有益效果：

第一，在适用性上，本发明能够应用于不同延时容忍网络中，尤其适用于资源受限的深空延时容忍网络应用场景。

第二，在资源占用上，相比传统的DTN路由方法，本发明有效的降低了网络中节点的资源占用，在业务数据模型规模不断扩大，网络资源受限的环境中，可以有效缓解节点存储压力。

第三，在性能上，与传统的DTN路由方法相比，本发明有效的提高了捆绑层报文的转发效率，增强了信息传输的可靠性，改善了网络的整体性能。

第四，在计算复杂度上，本发明只涉及简单的加法和乘法计算，因此该技术实现手段对单个节点的计算量要求低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示根据本发明的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法的流程图；

图2为月表勘测区域通信场景示意图；

图3为月表勘测区域网络拓扑模型示意图；

图4为本发明的一种实施方式的流程图；

图5为不同DTN路由算法缓存占用随业务数据规模变化情况图；

图6为不同DTN路由算法递交率随业务数据规模变化情况图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

图1示意性表示根据本发明的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法的流程图。如图1所示，根据本发明的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法包括以下步骤：

一、递交概率值的初始化

a.在创建节点的过程中，如果节点总数为N，则为每个节点设置N-1个递交概率值P分别标定本节点对其他节点的递交概率，例如A对D的递交概率值为P_(A,D)。将所有递交概率值均初始化为P_init；

二、递交概率值的更新

c.激励机制，当某个捆绑层报文顺利到达目的节点，则对本捆绑层报文转发路径上所有节点应用激励机制。设转发路径上有一节点A，目的节点为D，则A对D的递交概率值更新为：P_(A,D)＝P_(A,D)old+γP_init；

d.剥夺机制，当节点中某个捆绑层报文因为超时而需要删除时，本节点对于转发该类型捆绑层报文是没有帮助的，则对本节点应用剥夺机制。设一节点B中某个目的节点为D的捆绑层报文超时，B对D的递交概率值更新为：P_(B,D)＝P_(B,D)old-γP_init；

三、捆绑层报文的转发判断

e.当两节点相遇时，提取双方对捆绑层报文目的节点的递交概率值并比较其大小。设置一个阈值Δ，当P_(A,D)≥P_(B,D)-Δ时，对于目的节点为D的捆绑层报文，节点B应当向节点A进行转发。否则捆绑层报文继续留在节点B的缓存内随之移动。

f.重复b步骤至e步骤，实现捆绑层报文的递交。

根据本发明的一种实施方式，如图2所示，月表勘测区域通信场景划分为现场勘测，固定点勘测、远距离勘测三种。共分布有载人月球车(LSCA_01～04)、无人巡视器(LSCA_05～12)和固定探测器(LSCA_13～15)三种不同类型的月表通信节点。不同类型的月表通信节点移动特性不同。为了尽可能的扩大探测范围，月表通信节点应大致均匀的分布在整个探测区域，某小块区域在特定时间段内包含一个月表通信节点较为合理。且月表通信节点由于功率、天线尺寸受限等原因，通信半径限制在一定范围之内。虚线表示节点间时断时续的通信连接，月表通信节点之间互相交换科学数据与操控指令。据此，可抽象包含15个节点的月表勘测区域网络拓扑模型如图3所示。

根据本发明的一种实施方式，如图4所示，本发明上述方法包括以下具体步骤：

在上述a步骤中，在全局中建立20*20的递交概率二维数组用于节点之间递交概率值的存储以及后续的判断，并赋初值P_init。

在上述b步骤中，在捆绑层报文头部中增加32位无符号整型变量作为当前路径字段的索引。中继节点在接收到某捆绑层报文后，更新捆绑层报文头部相关信息时将本节点编号存入该捆绑层报文的当前路径字段中，然后将捆绑层报文放入发送队列等待发送。

在上述c步骤中，当目的节点接收到完整报文，根据报文头部的当前路径字段中的信息，将路径上所有中继节点对本节点的投递预测值增加γP_init。

在上述d步骤中，当某节点中捆绑层报文超时删除时，将本节点对于报文目的节点的投递预测值减少γP_init。

在上述e步骤中，根据具体深空网络环境设置转发阈值Δ(转发阈值越大，转发条件越苛刻，即数据包只有在遇到更可靠的中继节点时才进行转发，网络数据包冗余副本较少)，中继节点接收到某捆绑层报文后，判断本节点的投递预测值是否大于等于对方节点的投递预测值减去阈值Δ的数值，如果是则接收，如果不是则丢弃。

根据本发明的上述方法，以下基于NS-3网络仿真平台具体说明本发明的上述方法。

仿真实验基础参量配置如表1所示：

表1

网络仿真程序架构：DTN网络的程序架构主要包括网络参数配置模块和仿真运行模块两部分。网络参数配置模块包括种子、节点数、仿真时间等参数以及是否输出路由选择表、是否抓取全部报文等控制信息的默认值设置。

仿真运行模块的运行流程包括以下八个步骤。

步骤一：生成节点，创建15个网络的节点，并利用节点轨迹文件配置节点的运动模型。

步骤二：生成网络设备，配置DTN网络的无线信道，并且设置是否抓取全部报文。

步骤三：装载协议栈，配置路由协议，为每个节点分配IP地址，同时设置是否输出路由选择表。

步骤四：装载DTN网络应用，创建UDP套接字，为每个节点创建应用，并在应用中初始化若干关键参量。设置Hello报文的发送时间和接收方式，设置Bundle报文的发送数量、包长大小、发送时间、目的节点以及接收方式。

步骤五：建立本地Arp缓存。

步骤六：设置仿真结束时间，仿真结束时会自动调用结束应用函数，以释放仿真所占用的网络资源。

步骤七：运行仿真软件，仿真程序自动调用开始应用函数，该函数设置了DTN网络容纳分组的队列大小，并且检查缓存、输出缓存信息。

步骤八：执行报文处理流程。

其中，设置递交概率值初值P_init为1000,设置系数γ为1/1000，设置转发阈值Δ为1。

根据以上仿真实例，调节业务数据规模的大小，选择传统的Epidemic算法作为参考，与本发明设计的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由算法(称之为PHDE)进行性能比较，仿真结果如图5以及图6所示。

从仿真结果中可以看到：

(1)在图5中，相比于Epidemic算法，PHDE算法的平均缓存占用最高降低了43.03％，平均降低了31.39％，有效的缓解了节点压力。随着业务规模的不断扩大，节点平均缓存占用削减的比例大致呈下降态势，这是由于节点的缓存资源不断逼近极限，能够下降的空间不多所导致的。在最大缓存占用方面，PHDE算法与Epidemic算法相比，延缓了到达极大值的进程，在所示7种不同的业务数据规模中，最多降低了35.14％，平均降低了16.93％。在SCEN_05业务数据模型规模后，由于PHDE算法下最大缓存占用也逼近极限，所以与Epidemic算法趋于相同。

(2)在图6中，在最初SCEN_01、SCEN_02这样小规模的业务数据模型下，PHDE算法相比于Epidemic算法投递率略微有所下降，这是由于资源充足时Epidemic算法可以更为充分的寻路投递导致的；随着业务数据模型规模的不断扩大，PHDE算法的优势不断显现，且愈加明显。由于PHDE算法使得节点的缓存占用有效削减，更多的节点可以参与到捆绑层报文的转发过程中，递交率相比于Epidemic算法不断攀升，最多提高了13.66个百分点，将SCEN_07业务数据模型38.67％的递交率一举提升到了52.33％，取得了有效增益。

根据本发明的上述方法，能够取得以下有益效果：

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法，包括以下步骤：

激励机制，当某个捆绑层报文顺利到达目的节点，则对本捆绑层报文转发路径上所有节点应用激励机制；设转发路径上有一节点A，目的节点为D，则A对D的递交概率值更新为：

剥夺机制，当节点中某个捆绑层报文因为超时而需要删除时，本节点对于转发该类型捆绑层报文是没有帮助的，则对本节点应用剥夺机制；设一节点B中某个目的节点为D的捆绑层报文超时，B对D的递交概率值更新为：

f.重复所述a步骤～e步骤，实现捆绑层报文的递交。

2.根据权利要求1所述的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法，其特征在于，在所述a步骤中，在全局中建立20*20的递交概率二维数组-用于节点之间递交概率值的存储以及后续的判断，并赋初值P_init。

3.根据权利要求1所述的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法，其特征在于，在所述b步骤中，在捆绑层报文头部中增加32位无符号整型变量作为当前路径字段的索引，中继节点在接收到某捆绑层报文后，更新捆绑层报文头部相关信息时将本节点编号存入该捆绑层报文的当前路径字段中，然后将捆绑层报文放入发送队列等待发送。

4.根据权利要求1所述的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法，其特征在于，在所述c步骤中，当目的节点接收到完整报文，根据报文头部的当前路径字段中的信息，将路径上所有中继节点对本节点的投递预测值增加γP_init。

5.根据权利要求1所述的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法，其特征在于，在所述d步骤中，当某节点中捆绑层报文超时删除时，将本节点对于报文目的节点的投递预测值减少γP_init。

6.根据权利要求1所述的基于历史递交事件的深空延时容忍网络路由方法，其特征在于，在所述e步骤中，根据具体深空网络环境设置转发阈值Δ，中继节点在接收到某捆绑层报文后，判断本节点的投递预测值是否大于等于对方节点的投递预测值减去转发阈值Δ的数值，如果是则接收，如果不是则丢弃。