CN111654892A - 一种基于节点位置信息的受控传染路由方法 - Google Patents

一种基于节点位置信息的受控传染路由方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于节点位置信息的受控传染路由方法，每个节点通过建立位置信息表来判断节点是否朝向目的节点运动，以此作为消息转发的基本判断条件，可信度通过建立哈希表来更新维护，再结合节点自身的能力，由可信度、节点缓存空闲率、节点反拥塞率三者组合成综合因子的概念，消息由综合因子值低的节点转发给综合因子值高的节点。假若消息产生并且经过四分之一的生存周期后仍然没有转发出去，便启动优化消息扩散策略，将消息转发给向携带消息的节点的四周运动的节点。最后再用拥塞控制策略，清除缓存中已成功发送的消息的副本。本发明在保持了较低平均时延的情况下，在消息投递率和网络负载率指标上均取得了明显的进步。

Description

一种基于节点位置信息的受控传染路由方法
技术领域
本发明属于移动社会网络技术领域，尤其涉及一种基于节点位置信息的受控传染路由方法。
背景技术
移动机会网络是一种新型的移动自组织网络，其部分概念来源于容迟网络。该网络具有节点不断移动、拓扑变化频繁、节点之间链路时断时续的、时延高、资源有限、安全性差等特点。因而网络中的节点不能像传统网络那样，在传递消息前先建立完整的端到端传输路径。网络中节点之间通过使用“存储-携带-转发”的原理来传输消息。作为一种新型的网络体系结构，移动机会网络可以更好地适应某些特殊场景下的通信需求。
如何选择合适的节点进行消息转发，以及如何在设计算法时使消息有更高的投递率与更低的传输时延，是移动机会网络路由设计的一个重点研究方向。许多学者们尝试通过捕获额外的辅助信息，或是全局网络拓扑链路来增大数据包的投递成功率。但在移动机会网络中，节点的连接时断时续，很难实时更新和维护整个网络的拓扑结构，即使是获得其他辅助信息，这些信息也具有一定的时效性。捕获的辅助信息越多，意味着路由协议也变复杂了，需要节点有更强的处理能力，消耗更多的能量。但在通常情况下，节点的存储空间、能量、计算能力等都是受到严格控制的。因而该类算法不一定实用。近年来在对移动机会网络的研究中，诸多国际网络领域的会议提出了许多重要的研究成果。一些研究表明，移动机会网络中，地理路由由于其只需获取局部信息，不需要太多的额外信息，也不需要去更新维护整个链路情况，因此算法开销往往较小，所获得的信息也更加可靠。因此，研究地理路由算法具有很高的实用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于节点位置信息的受控传染路由方法，在保持低平均时延的前提下，在消息投递率和网络负载率指标上均取得了明显的进步。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于节点位置信息的受控传染路由方法，在移动机会网络中，节点间进行消息传递时，将消息传递给运动方向朝向目的节点，并且综合因子值比自己大的节点，将节点a携带的消息mi转发给目的节点d；包括以下策略：
判断节点是否朝向目的节点移动的策略，携带消息mi的节点a遇到节点b时，判断节点b是否朝向目的节点d运动，若不是则不会将消息mi转发给节点b。
基于综合因子的转发策略，若已经肯定节点b是朝着目的节点d运动，则计算并判断节点b的综合因子值ηb是否大于节点a的综合因子值ηa,若ηb＞ηa，则将消息mi转发给节点b，否则不转发。
优化消息扩散策略，当节点a携带的消息mi经过四分之一生存周期(TTL/4)仍未将消息转发出去，则执行该策略，将消息mi转发给通讯范围内，运动方向为自己四周的节点，以此来扩大消息的传播范围。
拥塞控制策略，消息发送成功后，删除网络中的该消息副本。
按上述技术方案，每个节点i可通过GPS获知自己在t时刻的地理坐标
Figure RE-GDA0002612222800000021
并且周期性更新位置信息为(xi′,yi′)，该节点的运动方向，即速度矢量的计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000022
按上述技术方案，每个节点都会建立一张位置信息表，当任意节点与目的节点直接或间接地接触后，都会更新位置信息表中的三个信息：目的节点的地理坐标、目的节点的运动方向、获取目的节点位置信息的时间。
按上述技术方案，携带消息mi的节点a遇到节点b后，会更新位置信息表和哈希表，然后判断节点b是不是目的节点，若是，则将消息mi转发给节点b，若不是，则判断节点 b是否已存储消息mi，若节点b已存储消息mi，则不再进行转发。
按上述技术方案，任意两节点相遇后，通过比较位置信息表中获取目的节点位置信息的时间，来更新自身位置信息表中的目的节点的地理坐标和目的节点的运动方向；再根据表中记录的最新的目的节点的地理坐标和运动方向，结合时间差来预测出目的节点此时可能所在的位置，计算公式如下所示：
Figure RE-GDA0002612222800000023
Figure RE-GDA0002612222800000024
其中current_time表示当前时间，last_time′表示两节点位置信息表中最新的获取目的节点位置信息的时间，
Figure RE-GDA0002612222800000031
表示目的节点d此时被预测的地理坐标。
按上述技术方案，节点b的速度矢量k1计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000037
节点b到
Figure RE-GDA0002612222800000032
的向量k2的计算公式为：
k2＝(xD-xM t′,yD t′+yD-yM t′)
其中xD、yD分别为
Figure RE-GDA0002612222800000033
的横坐标和纵坐标，
向量k1和向量k2的夹角的计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000034
按上述技术方案，判断节点是否朝向目的节点移动的方法为：
若θ值小于π/4，则说明节点b是朝着目的节点d移动，反之则不是。
按上述技术方案，每个节点都存有一张哈希表用来计算可信度，可信度表示该节点与目的节点的关系紧密度，其大小由距离目的节点的跳数以及该跳数的次数决定的，计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000035
其中τrel-i表示节点i的可信度值，r表示网络节点总数减一后的值，keyk表示跳数k， valuek表示跳数为k出现的总次数，kall表示哈希表中所有跳数的总集合。
所有节点的哈希表初始化都为0，可信度也为0，两个节点相遇时，判断对方的可信度是否为0，若为0，就保持自己所有的信息都不变；若可信度不为0，则遍历将对方哈希表中的所有跳数key加一后的哈希表用加法合并到自己的哈希表中。
再对可信度值进行归一化处理，使其最终取值范围为[0,1]，其计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000036
其中x为可信度的值，xmin和xmax分别为每个节点在与其他节点直接或间接相遇过程中遇到的最小可信度值和最大可信度值，x′为归一化处理后的结果。
按上述技术方案，综合因子的计算公式为：
ηi＝α*rel+β*buf+χ*jam
其中rel表示归一化处理后的可信度值；buf表示缓存空闲率，为节点此刻的剩余缓存空间占节点全部缓存空间的比例；jam表示反拥塞率，为节点近五次的缓存空闲率的平均值，α、β、χ为三者的权重比。
按上述技术方案，当携带消息mi的节点a遇到节点b，节点b不是目的节点也未存储消息mi，若节点b朝向目的节点运动并且ηb＞ηa，则将消息mi转发给节点b。
按上述技术方案，当节点a携带的消息mi经过四分之一生存周期仍未将消息转发出去，则执行优化消息扩散策略，其计算方法为：
将消息转发给节点a通信范围内，且移动方向与自己的移动方向的夹角为angleRange 内的节点；
Figure RE-GDA0002612222800000041
夹角的计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000042
其中(x1,y1)和(x2,y2)分别为两个节点的速度矢量。
按上述技术方案，拥塞控制策略的方法为：每个节点会维护一张ACK列表，目的节点成功接收到消息后，目的节点和成功投递该消息的节点都会将该消息的ID记录在自己的ACK列表中，节点与节点之间相遇时，会将二者的ACK表进行求并集并替换掉原先旧的ACK表，然后将自己所携带的消息ID与ACK表中的ID相匹配，若ID相同，则删除相同ID的消息。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于节点位置信息的受控传染移动机会网络路由方法，重新定义了如何判断节点是否朝向目的节点移动，创新性地提出了可信度的概念和计算公式，通过移动方向和综合因子的值作为消息转发的判断条件，并利用优化消息扩散策略使消息能更快地在网络中传播开来。本发明在保持低平均时延的前提下，在消息投递率和网络负载率指标上均取得了明显的进步。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例基于节点位置信息的受控传染移动机会网络路由方法的算法流程图；
图2是本发明实施例中优化消息扩散策略的流程图；
图3是本发明实施例中判断节点b是否朝着节点d运动的示例图；
图4是本发明实施例中六个方向的示意图；
图5是本发明实施例中消息转发策略的算法过程图；
图6是本发明实施例中优化消息扩散策略协议的算法过程图；
图7是本发明实施例中计算符合扩散条件的节点的算法过程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例基于节点位置信息的受控传染移动机会网络路由方法，每个节点i可通过GPS获知自己在t时刻的地理坐标
Figure RE-GDA0002612222800000051
并且周期性每隔0.1秒更新位置信息为 (xi′,yi′)，该节点的运动方向，即速度矢量的计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000052
每个节点都会建立一张位置信息表，当任意节点与目的节点直接或间接地接触后，都会更新位置信息表中的三个信息：目的节点的地理坐标、目的节点的运动方向、获取目的节点位置信息的时间。
携带消息mi的节点a遇到节点b后，会更新位置信息表和哈希表，然后判断节点b是不是目的节点，若是，则将消息mi转发给节点b，若不是，则判断节点b是否已存储消息mi，若节点b已存储消息mi，则不再进行转发
任意两节点相遇后，会通过比较位置信息表中获取目的节点位置信息的时间，来更新自身位置信息表中的目的节点的地理坐标和目的节点的运动方向。再根据表中记录的最新的目的节点的地理坐标和运动方向，结合时间差来预测出目的节点此时可能所在的位置，计算公式如下所示：
Figure RE-GDA0002612222800000061
Figure RE-GDA0002612222800000062
其中current_time表示当前时间，last_time′表示两节点位置信息表中最新的获取目的节点位置信息的时间，
Figure RE-GDA0002612222800000063
表示目的节点d此时被预测的地理坐标。
如图3所示，节点b的速度矢量k1计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000064
节点b到
Figure RE-GDA0002612222800000065
的向量k2的计算公式为：
k2＝(xD-xM t′,yD t′+yD-yM t′)
其中xD、yD分别为
Figure RE-GDA0002612222800000066
的横坐标和纵坐标。
向量k1和向量k2的夹角的计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000067
若θ值小于π/4，则说明节点b是朝着目的节点d移动，反之则不是。
每个节点都存有一张哈希表用来计算可信度，可信度表示该节点与目的节点的关系紧密度，其大小由距离目的节点的跳数以及该跳数的次数决定的，计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000068
其中τrel-i表示节点i的可信度值，r表示网络节点总数减一后的值，keyk表示跳数k， valuek表示跳数为k出现的总次数，kall表示哈希表中所有跳数的总集合。
所有节点的哈希表初始化都为0，可信度也为0。两个节点相遇时，会判断对方的可信度是否为0，若为0，就保持自己所有的信息都不变。若可信度不为0，则遍历将对方哈希表中的所有跳数key加一后的哈希表用加法合并到自己的哈希表中。
再对可信度值进行归一化处理，使其最终取值范围为[0,1]，其计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000069
其中x为可信度的值，xmin和xmax分别为每个节点在与其他节点直接或间接相遇过程中遇到的最小可信度值和最大可信度值，x′为归一化处理后的结果。
综合因子的计算公式为：
ηi＝α*rel+β*buf+χ*jam
其中rel表示归一化处理后的可信度值；buf表示缓存空闲率，为节点此刻的剩余缓存空间占节点全部缓存空间的比例；jam表示反拥塞率，为节点近五次的缓存空闲率的平均值，α、β、χ为三者的权重比。
如图1所示，当携带消息mi的节点a遇到节点b，节点b不是目的节点也未存储消息mi，若节点b朝向目的节点运动并且ηb＞ηa，则将消息mi转发给节点b。
如图6、图7所示，当节点a携带的消息mi经过TTL/4(四分之一生存周期)仍未将消息转发出去，则执行优化消息扩散策略，将消息转发给节点a通信范围内，且移动方向与自己的移动方向的夹角为angleRange内的节点，共六个方向如图4所示。
Figure RE-GDA0002612222800000071
夹角的计算公式为：
Figure RE-GDA0002612222800000072
其中(x1,y1)和(x2,y2)分别为两个节点的速度矢量。整个过程的流程图如图2所示。
最后，每个节点会维护一张ACK列表，目的节点成功接收到消息后，目的节点和成功投递该消息的节点都会将该消息的ID记录在自己的ACK列表中。节点与节点之间相遇时，会将二者的ACK表进行求并集并替换掉原先旧的ACK表。然后将自己所携带的消息 ID与ACK表中的ID相匹配，若ID相同，则删除相同ID的消息。
综上，本发明公开了一种基于节点位置信息的受控传染移动机会网络路由方法，重新定义了如何判断节点是否朝向目的节点移动，创新性地提出了可信度的概念和计算公式，通过移动方向和综合因子的值作为消息转发的判断条件，并利用优化消息扩散策略使消息能更快地在网络中传播开来。本发明在保持低平均时延的前提下，在消息投递率和网络负载率指标上均取得了明显的进步。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (12)

1.一种基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，在移动机会网络中，节点间进行消息传递时，将消息传递给运动方向朝向目的节点，并且综合因子值比自己大的节点，将节点a携带的消息mi转发给目的节点d；包括以下策略：
判断节点是否朝向目的节点移动的策略，携带消息mi的节点a遇到节点b时，判断节点b是否朝向目的节点d运动，若不是则不会将消息mi转发给节点b；
基于综合因子的转发策略，若已经肯定节点b是朝着目的节点d运动，则计算并判断节点b的综合因子值ηb是否大于节点a的综合因子值ηa,若ηb＞ηa，则将消息mi转发给节点b，否则不转发；
优化消息扩散策略，当节点a携带的消息mi经过四分之一生存周期仍未将消息转发出去，则执行该策略，将消息mi转发给通讯范围内，运动方向为自己四周的节点，以此来扩大消息的传播范围；
拥塞控制策略，消息发送成功后，删除网络中的该消息副本。
2.根据权利要求1所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，每个节点i可通过GPS获知自己在t时刻的地理坐标
Figure FDA0002268039150000011
并且周期性更新位置信息为(xi′,yi′)，该节点的运动方向，即速度矢量的计算公式为：
Figure FDA0002268039150000012
3.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，每个节点都会建立一张位置信息表，当任意节点与目的节点直接或间接地接触后，都会更新位置信息表中的三个信息：目的节点的地理坐标、目的节点的运动方向、获取目的节点位置信息的时间。
4.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，携带消息mi的节点a遇到节点b后，会更新位置信息表和哈希表，然后判断节点b是不是目的节点，若是，则将消息mi转发给节点b，若不是，则判断节点b是否已存储消息mi，若节点b已存储消息mi，则不再进行转发。
5.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，任意两节点相遇后，通过比较位置信息表中获取目的节点位置信息的时间，来更新自身位置信息表中的目的节点的地理坐标和目的节点的运动方向；再根据表中记录的最新的目的节点的地理坐标和运动方向，结合时间差来预测出目的节点此时可能所在的位置，计算公式如下所示：
Figure FDA0002268039150000021
其中current_time表示当前时间，last_time′表示两节点位置信息表中最新的获取目的节点位置信息的时间，
Figure FDA0002268039150000022
表示目的节点d此时被预测的地理坐标。
6.根据权利要求2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，节点b的速度矢量k1计算公式为：
Figure FDA0002268039150000023
节点b到
Figure FDA0002268039150000024
的向量k2的计算公式为：
k2＝(xD-xM t′,yD t′+yD-yM t′)
其中xD、yD分别为
Figure FDA0002268039150000025
的横坐标和纵坐标，
向量k1和向量k2的夹角的计算公式为：
Figure FDA0002268039150000026
7.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，判断节点是否朝向目的节点移动的方法为：
若θ值小于π/4，则说明节点b是朝着目的节点d移动，反之则不是。
8.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，每个节点都存有一张哈希表用来计算可信度，可信度表示该节点与目的节点的关系紧密度，其大小由距离目的节点的跳数以及该跳数的次数决定的，计算公式为：
Figure FDA0002268039150000027
其中τrel-i表示节点i的可信度值，r表示网络节点总数减一后的值，keyk表示跳数k，valuek表示跳数为k出现的总次数，kall表示哈希表中所有跳数的总集合；
所有节点的哈希表初始化都为0，可信度也为0，两个节点相遇时，判断对方的可信度是否为0，若为0，就保持自己所有的信息都不变；若可信度不为0，则遍历将对方哈希表中的所有跳数key加一后的哈希表用加法合并到自己的哈希表中；
再对可信度值进行归一化处理，使其最终取值范围为[0,1]，其计算公式为：
Figure FDA0002268039150000031
其中x为可信度的值，xmin和xmax分别为每个节点在与其他节点直接或间接相遇过程中遇到的最小可信度值和最大可信度值，x′为归一化处理后的结果。
9.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，综合因子的计算公式为：
ηi＝α*rel+β*buf+χ*jam
其中rel表示归一化处理后的可信度值；buf表示缓存空闲率，为节点此刻的剩余缓存空间占节点全部缓存空间的比例；jam表示反拥塞率，为节点近五次的缓存空闲率的平均值，α、β、χ为三者的权重比。
10.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，当携带消息mi的节点a遇到节点b，节点b不是目的节点也未存储消息mi，若节点b朝向目的节点运动并且ηb＞ηa，则将消息mi转发给节点b。
11.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，当节点a携带的消息mi经过四分之一生存周期仍未将消息转发出去，则执行优化消息扩散策略，其计算方法为：
将消息转发给节点a通信范围内，且移动方向与自己的移动方向的夹角为angleRange内的节点；
Figure FDA0002268039150000032
夹角的计算公式为：
Figure FDA0002268039150000033
其中(x1,y1)和(x2,y2)分别为两个节点的速度矢量。
12.根据权利要求1或2所述的基于节点位置信息的受控传染路由方法，其特征在于，拥塞控制策略的方法为：每个节点会维护一张ACK列表，目的节点成功接收到消息后，目的节点和成功投递该消息的节点都会将该消息的ID记录在自己的ACK列表中，节点与节点之间相遇时，会将二者的ACK表进行求并集并替换掉原先旧的ACK表，然后将自己所携带的消息ID与ACK表中的ID相匹配，若ID相同，则删除相同ID的消息。
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Assignee: Hubei Yanchu Heyi Network Technology Co.,Ltd.

Assignor: CENTRAL CHINA NORMAL University

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Denomination of invention: A Controlled Infection Routing Method Based on Node Location Information

Granted publication date: 20220408

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