CN112039802B - 一种基于机会网络缓存共享的协作小组资源调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于机会网络缓存共享的协作小组资源调度方法，以小组的缓存空间为单位，对于活跃度高的节点在缓存空间不够用的情况下可以借助同组活跃度低于自己的节点作为自身的副缓存空间。该方法能有效提升节点空间利用率和消息投递率并且降低了消息的投递延迟，为小组缓存的共享利用与资源的高效调度提供方法。

Description

一种基于机会网络缓存共享的协作小组资源调度方法

技术领域

本公开属于通信技术领域，特别涉及一种基于机会网络缓存共享的协作小组资源调度方法。

背景技术

近年来，基于地理位置特征的移动机会网络中机会路由与数据调度成为研究热点。在机会网络中，由于便携设备物理存储条件限制，便携设备的缓存空间往往受限，而缓存策略则是对各个节点缓存空间内的消息进行管理调度，如通过排序、删除等操作，对消息的留存或优先度进行调整，从而最大化节点缓存空间的使用效率。

在传统的机会网络应用场景中，对于节点缓存机制的考虑往往是基于单个节点的缓存空间，以节点为单位分别从消息的TTL、用户行为分析和信息上下文之间的联系等方面对机会网络中的缓存管理进行了分析与研究，而均未对以校园协作学习为背景形成的协作小组之间实现缓存共享进行研究。

在校园协作学习背景下，同一协作学习小组存在多个学习者节点且协作小组内部学习节点之间交流密切，因此可建立适当缓存互联管理机制对同一协作小组的缓存空间进行统一管理，使得同一协作小组之间的各个学习者节点进行适当协调，可有效降低消息的冗余程度并减少由于缓存空间较小而出现的种种限制，如在消息传递过程中当待传输节点要将消息传输至待接收节点时，若待接收节点的剩余缓存空间小于该消息的大小时，则不对该消息进行传输，从而导致消息的传输延时增大。对同一小组的缓存空间进行协调，可基于各个节点的缓存使用特征和所保持消息属性的不同，对不同的节点功能进行协调，增大缓存空间的使用效率。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提供了一种基于机会网络缓存共享的协作小组资源调度方法：其包括如下步骤：

S100：机会网络中的任意节点i与节点j相遇；

S200：判断节点i中的消息q是否在节点j中存在；如果存在，执行步骤S300；如果不存在，执行步骤S400；

S300：节点j不转发消息q，结束；

S400：判断节点j是否为目的节点；如果是，执行步骤S500；如果否，执行步骤S600；

S500：节点j转发消息q，结束；

S600：判断消息q源节点与目的节点是否为同一小组节点，如果是，执行步骤S700，如果否，执行步骤S800；

S700：判断节点j是否与消息q目的节点为同一小组节点，如果是，执行步骤S800；如果否，执行S900；

S800：判断节点j缓存空间是否满足转发消息q，如果满足，执行步骤S1000；如果不满足，执行步骤S1100；

S900：节点j不转发消息q，结束；

S1000：节点j转发消息q，结束；

S1100：判断节点j在可通讯范围内是否存在备用缓存节点，如果是，执行步骤S1200，如果否，执行步骤S1300；

S1200：备用缓存节点转发消息q，结束；

S1300：判断节点j消息列表中是否存在效用值低于消息q的消息，如果是，执行步骤S1400；如果否，执行步骤S1600；

S1400：删除效用值低于消息q的消息；

S1500：判断节点j缓存空间是否满足转发消息q，如果是，执行步骤S1700；如果否，执行步骤S1300；

S1600：j节点不转发消息q，结束；

S1700：j节点转发消息q，结束。

通过上述技术方案，节点活跃度描述了移动节点的空间利用率和参与消息转发积极性，消息树描述了消息在网络中的扩散程度。以协作小组为单位建立已送达消息链表，对已成功投递消息所占缓存空间及时进行释放。该方法能有效提升节点空间利用率和消息投递率并且降低了消息的投递延迟，为小组缓存的共享利用与资源的高效调度提供方法。

附图说明

图1是本公开一个实施例中所提供的一种基于机会网络缓存共享的协作小组资源调度方法的流程图。

图2是本公开一个实施例中消息产生的示意图。

图3是本公开一个实施例中消息扩散树相遇的示意图。

图4是本公开一个实施例中更新消息扩散树的示意图。

图5是本公开一个实施例中p1节点的已送达消息链表的示例图。

图6是本公开一个实施例中不同方法在不同缓存空间下的消息投递率的结果对照图。

图7是本公开一个实施例中不同方法在不同传输速率下的消息投递成功率的结果对照图。

图8是本公开一个实施例中不同方法在不同缓存空间下的平均延迟投递时间的结果对照图。

图9是本公开一个实施例中不同方法在不同缓存空间下的节点平均跳数的结果对照图。

图10是本公开一个实施例中不同方法在不同消息生存时间下的消息投递成功率的结果对照图。

图11是本公开一个实施例中不同方法在不同消息生存时间下的平均投递延迟时间的结果对照图。

具体实施方式

在一个实施例中，如图1所示，公开了提供了一种基于机会网络缓存共享的协作小组资源调度方法，其包括如下步骤：

S100：机会网络中的任意节点i与节点j相遇；

S200：判断节点i中的消息q是否在节点j中存在；如果存在，执行步骤S300；如果不存在，执行步骤S400；

S300：节点j不转发消息q，结束；

S400：判断节点j是否为目的节点；如果是，执行步骤S500；如果否，执行步骤S600；

S500：节点j转发消息q，结束；

S600：判断消息q源节点与目的节点是否为同一小组节点，如果是，执行步骤S700，如果否，执行步骤S800；

S700：判断节点j是否与消息q目的节点为同一小组节点，如果是，执行步骤S800；如果否，执行S900；

S800：判断节点j缓存空间是否满足转发消息q，如果满足，执行步骤S1000；如果不满足，执行步骤S1100；

S900：节点j不转发消息q，结束；

S1000：节点j转发消息q，结束；

S1100：判断节点j在可通讯范围内是否存在备用缓存节点，如果是，执行步骤S1200，如果否，执行步骤S1300；

S1200：备用缓存节点转发消息q，结束；

S1300：判断节点j消息列表中是否存在效用值低于消息q的消息，如果是，执行步骤S1400；如果否，执行步骤S1600；

S1400：删除效用值低于消息q的消息；

S1500：判断节点j缓存空间是否满足转发消息q，如果是，执行步骤S1700；如果否，执行步骤S1300；

S1600：j节点不转发消息q，结束；

S1700：j节点转发消息q，结束。

就该实施例而言，当机会网络中携带消息q的节点i与未携带消息q的节点j相遇时，判断消息q的转发类型是否为组内转发。如果消息q的转发类型为组内转发，节点j与q的目的节点为同一小组节点并且j的缓存空间充足，j转发消息q，否则，j不转发消息q。如果消息q的转发类型为非组内转发，当节点j的缓存空间充足时，j 转发消息q。当节点j的缓存空间不充足时，j在可通讯范围内寻找自身备用缓存节点，如果存在备用缓存节点，由备用缓存节点转发消息q。如果不存在备用缓存节点，由节点j计算q的效用值，查找并删除j缓存空间中消息效用值低于q的消息，j转发消息q。如果节点j缓存空间中不存在效用值低于q的消息，j不转发消息q。

为了使机会网络中节点的缓存空间得到充分利用，延长节点使用时间，提高消息的投递成功率，该方法以小组的缓存空间为单位，对于活跃度高的节点在缓存空间不够用的情况下可以借助同组活跃度低于自己的节点作为自身的副缓存空间；并且计算消息效用值时将消息的目的节点和源节点的活跃考虑在内，以此来激励节点积极地参与网络中消息的传递过程，提高节点的空间利用率。该方法能够均衡节点的空间利用率，有较高的消息投递成功率和较低的平均投递延迟，实现了节点缓存的合理配置，可为移动机会网络等相关研究领域提供理论与方法支撑。

在另一个实施例中，节点在转发消息的过程中，将消息的属性如消息的源节点ID、消息的目的节点ID，消息的生存时间和消息经过的路径等信息作为消息的一部分进行传递。为了对消息的扩散程度进行精确掌握，消息的转发方式用消息树进行记录，树的第一层记录消息扩散过程中经过的小组编号，树的第二层记录消息转发所经过的节点ID。通过消息树的记录，分组被作为单独的一层抽象出来，便于以小组为整体掌握消息在网络中的扩散情况，节点内存受限时可以根据消息在自身所属小组的扩散情况决定是否删除该信息，消息自身在被转发时也可以根据在小组间的扩散情况优先选择扩散较少的小组节点或者和目的节点处于同一小组的节点进行转发，减少全局缓存空间的浪费，提高消息传递率。维护消息树会造成一定存储空间的消耗，但是对于消息在全局的扩散程度可以进行掌握，便于节点有目的的对消息进行转发和删除操作，可进一步提高缓存空间的利用率以及减少盲目转发消息对节点能量的消耗。

可根据消息的扩散程度给出以下效用计算公式：

D_q是消息在全局的扩散程度，其中

表示消息在扩散过程中经过小组数之和，n表示小组数量，为自然数，

表示消息在扩散的过程中所经过节点数之和，m表示节点数量，为自然数，T_all表示分组总数，J_all表示节点总数。

消息树由消息自身维护，根节点存储产生消息的源节点和源节点所在分组，如图2所示。当共同携带消息q的两个节点相遇时，如图 3所示，需要对q的消息树进行更新，如图4所示：两个消息树查询双方共同存在的小组ID并对小组ID相同的叶子节点进行合并；在消息树中添加对方消息树中存在但是自身无记录的小组ID及其叶子节点。

在另一个实施例中，根据以上对消息扩散度的描述，可得到消息效用值的计算方法如下所示：

其中Act_q-from是消息q产生节点的活跃度，Act_q-to是消息q目的节点的活跃度，λ₁和λ₂的值分别为1/2。

每个节点在没有开始转发消息之前会有一个默认的节点活跃度，随着对消息的不断转发节点的活跃度和消息的效用值都会发生变化。消息效用值是活跃度的基础，因为一开始节点有一个默认的活跃度，消息的效用值是可以计算出来的，随着消息效用值的改变，节点的积极度也会随着改变。规定所有节点的活跃度初始值为1，随着节点对不同效用值消息的转发以及节点对自身缓存空间的利用率的计算，节点的活跃度会随之发生变化。

消息扩散度的计算方式在上面已经给出，消息效用值的计算方法也可表示为：

消息效用值描述了消息扩散度和产生消息节点及消息目的节点的活跃度，消息效用值越高的消息在节点转发过程中会优先被节点进行转发扩散。随着消息扩散度的增大，消息效用值会随之降低，节点会优先选择扩散度较低的消息进行转发，以提高总体的投递率；消息效用值的大小与消息产生节点与目的节点的活跃度密切相关，激励节点不断提高自身的活跃度，活跃度越高的节点产生的消息以及以自身为目的节点的消息也会被其他节点优先考虑转发。

在另一个实施例中，对于节点的缓存空间使用率CS_utilization可用如下公式进行计算；

其中CS_initially为任意节点在初始状态的缓存空间大小，CS_remaining为该节点在评估时的缓存空间大小，CS_releasing为该节点在该时间段内所释放的节点空间大小，Init_time为初始时间，Rema_time为评估时间，该公式可对节点在任意时间段内缓存空间的使用量进行表征。

在另一个实施例中，对于节点的缓存空间使用频率CS_idle可用如下方法进行计算：

其中n表示任意节点在任意时间段所进行连接的次数，Con_i-end为节点i连接的终止时间，Con_i-start为节点i连接初始时的时间，Time_all为该时间段的时间总长度。该公式可对任意节点的缓存空间使用频率进行表证。

在另一个实施例中，组内节点在随机移动过程中，若某一节点在自身缓存空间受限时，可以在可通讯范围内选取与自身处于同一小组且节点活跃度低于自身的节点，作为该节点的备用缓存节点，备用缓存节点的缓存空间称为副缓存空间。组内节点的活跃度在节点相遇且需要扩展自身缓存时进行区分，分为积极节点和消极节点。节点的区分标准由节点缓存空间的利用率和消息效用值共同决定，其中节点缓存空间的利用率由缓存空间使用率和缓存空间空闲率来计算。

节点缓存空间的利用率可用如下公式进行计算：

CS_i＝θ₁CS_utilization+θ₂CS_idle (公式6)

缓存空间使用率CS_utilization和缓存空间使用频率CS_idle对任意节点缓存空间的使用情况进行评估，其中θ₁和θ₂分别为基于对节点连接情况及节点所传输文件等影响因素进行整合后所做的控制系数。

结合以上对节点空间缓存利用率的消息效用值的计算，节点活跃度的计算公式如下所示：

其中α和β为指定参数，

为节点i所转发过的所有消息效用值之和。该公式也可表述为：

由于节点不断移动的特点以及减少作为副存储空间节点能量的消耗，规定作为积极节点的副缓存空间节点在与积极节点维持的可通讯范围内没有遇到自身需要的缓存空间不够的情况下，默认对之前作为副缓存空间保存的消息一直进行保留；作为副缓存空间的节点与积极节点超出可通讯范围时对其充当副缓存节点所存储的消息进行删除。

在另一个实施例中，为了减少节点缓存空间的浪费，充分体现协作小组的优势，可规定当节点在产生消息进行传输时，若产生消息的节点与消息的目的节点位于同一协作小组中，该消息只在组内节点之间进行转发，消息转发类型称为组内转发；若产生消息的节点与消息的目的节点不属于同一协作小组，消息在组内组外节点之间皆可转发，消息转发类型称为非组内转发。

消息自身维护的消息树在消息在被转发的过程中会不断完善，从而为我们掌握消息的扩散程度提供方便。随着消息不断转发，消息树会持续增大，节点转发消息所消耗的能量也会增大，因此当消息传输成功后及时通知存有该消息的节点删除有关该消息的所有信息对于提升节点的缓存的利用率来说也是必不可少的一部分。

在另一个实施例中，每个节点维护一个已送达消息链表

其中n表示节点名称，m表示节点n所在小组编号。链表中的节点元素为集合Sg{g，消息ID，消息ID，...}，其中g表示小组编号且默认为集合中第一个元素，其余元素为该小组节点所送达的消息ID。借助消息树分层的特点，规定最后一个节点将消息转发到目的节点时，根据节点所在小组编号将消息ID放入集合内。可通讯范围内节点相遇时，查询自身维护的链表中是否存在对方节点所在小组的集合，如果存在则节点间进行交互并更新各自的已送达消息链表；如果不存在则在链表中创建新的链表节点。节点通过对比链表中的消息ID和自身待转发消息中的消息ID，筛选出同时存在两个表中的消息并对该消息进行删除，及时释放节点缓存空间提高节点空间利用率。节点 p1的已送达消息链表如图5所示。

根据消息的平均送达时间，规定平均送达时间为一个周期，每个集合中的每个消息ID生存时间为两个周期，到达两个周期后，消息自动从集合中消亡。消息平均送达时间的计算公式为：

其中Ave_time表示消息的平均送达时间，也表示已送达消息集合中消息生存的一个周期时长，∑info_time表示已送达消息所花费的总时间， info_all表示已送达消息的总个数。

在另一个实施例中，为了验证本方法(CLGBRouter)的有效性，本部分采用机会网络的仿真环境ONE(Opportunistic Network Environment)进行仿真验证，并与DirectDeliveryRouter， EpidemicRouter，FirstContactRouter和SprayAndWaitRouter进行比较，ONE仿真环境中主要参数如表1所示：

表1：仿真参数设置

相同的实验环境下，分别统计5种策略在不同缓存空间，不同消息生存时间和不同传输速度下的性能指标，并进行分析比较。

将仿真环境中的消息生存设置为：3600s，仿真结果如图6和图 7所示。通过图6可以看出，CLGBRouter最开始的消息投递成功率低于SprayAndWaitRouter，在缓存空间为60MB时，CLGBRouter的消息投递成功率达到5个路由中最高；SprayAndWaitRouter在缓存空间小于40MB时消息投递成功率最高，在缓存空间为40MB-80MB时， SprayAndWaitRouter消息投递成功率低于CLGBRouter，缓存空间超过100MB时，其同时低于EpidemicRouter和CLGBRouter；缓存空间大小的变化对EpidemicRouter的影响最大，随着缓存空间的增大，EpidemicRouter的消息投递成功率增长了62％；FirstContactRouter 在缓存空间达到20MB的时候消息投递成功率有10％的提高，之后趋于平稳；DirectDeliveryRouter的投递成功率随着缓存空间的变化没有明显的改变。

通过图7可以看出，随着传输速率的不断增大，5种路由的消息投递成功率都有一个缓慢的提高。由于消息的生存时间较长，节点的缓存空间充足，EpidemicRouter和CLGBRouter在传输速度较低的情况下的消息投递成功率远高于其他三种路由。

将仿真环境中的传输速度设置为：500KB/s以及消息生存设置为： 3600s，仿真结果如图8和图9所示。通过图8和图9可以看出， CLGBRouter在判断消息转发的过程中由节点的活跃度和消息效用值共同决定，节点会选择活跃度高于自身的节点进行转发，在缓存空间不足的情况下也会根据消息的效用值来决定是否需要借助组内节点扩展缓存空间，并且消息在传递的过程中，组内消息只在组内节点之间进行转发，因此CLGBRouter和EpidemicRouter平均延迟投递时间基本持平，但其节点的平均跳数远远小于EpidemicRouter的节点的平均跳数。SprayAndWaitRouter的平均延迟投递时间比EpidemicRouter和CLGBRouter的平均延迟投递时间高大约7000s；由于SprayAndWaitRouter在路由中转发的消息副本数是有限的，因此缓存空间的改变对于节点平均跳数的影响较小。由于 EpidemicRouter对所有遇到的节点都进行消息转发，平均延迟投递时间是最短的，节点的平均跳数只低于FirstContactRouter。DirectDeliveryRouter，和FirstContactRouter都有较高的平均延迟投递时间。

将仿真环境中的传输速度设置为：500KB/s以及缓存空间设置为： 120MB，仿真结果如图10和图11所示。通过图10和图11可以看出，随着消息生存时间的增大，5个路由的消息投递成功率都有显著的提高。其中DirectDeliveryRouter增长了32％，EpidemicRouter增长了58％，FirstContactRouter增长了45％，SprayAndWaitRouter增长了60％以及CLGBRouter增长了70％。EpidemicRouter和CLGBRouter 的平均投递延迟是5种路由中最低的；FirstContactRouter的平均投递延迟随着消息生存时间延长到1000s，其平均投递延迟高于 DirectDeliveryRouter，由于FirstContactRouter只将消息转发给相遇的第一个节点，随着消息生存时间的增大，节点在转发消息的过程中会对消息造成堆积，消息的平均投递时间就会提高。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种基于机会网络缓存共享的协作小组资源调度方法，其包括如下步骤：

S100：机会网络中的任意节点i与节点j相遇；

S200：判断节点i中的消息q是否在节点j中存在；如果存在，执行步骤S300；如果不存在，执行步骤S400；

S300：节点j不转发消息q，结束；

S400：判断节点j是否为目的节点；如果是，执行步骤S500；如果否，执行步骤S600；

S500：节点j转发消息q，结束；

S600：判断消息q源节点与目的节点是否为同一小组节点，如果是，执行步骤S700，如果否，执行步骤S800；

S700：判断节点j是否与消息q目的节点为同一小组节点，如果是，执行步骤S800；如果否，执行S900；

S800：判断节点j缓存空间是否满足转发消息q，如果满足，执行步骤S1000；如果不满足，执行步骤S1100；

S900：节点j不转发消息q，结束；

S1000：节点j转发消息q，结束；

S1100：判断节点j在可通讯范围内是否存在备用缓存节点，如果是，执行步骤S1200，如果否，执行步骤S1300；

S1200：备用缓存节点转发消息q，结束；

S1300：判断节点j消息列表中是否存在效用值低于消息q的消息，如果是，执行步骤S1400；如果否，执行步骤S1600；

S1400：删除效用值低于消息q的消息；

S1500：判断节点j缓存空间是否满足转发消息q，如果是，执行步骤S1700；如果否，执行步骤S1300；

S1600：j节点不转发消息q，结束；

S1700：j节点转发消息q，结束；

步骤S1100中的判断节点j在可通讯范围内是否存在备用缓存节点具体为：

在可通讯范围内选取与自身处于同一小组且节点活跃度低于自身的节点，作为该节点的备用缓存节点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中节点活跃度_Acti具体计算如下：

其中α和β为指定参数，Vq为消息q效用值，

为节点i所转发过的所有消息效用值之和，CSi为节点i缓存空间的利用率。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述的消息q的效用值Vq具体计算如下：

其中Act_q-from是消息q产生节点的活跃度，Act_q-to是消息q目的节点的活跃度，λ₁和λ₂的值分别为1/2，D_q是消息q在全局的扩散程度。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述的消息q在全局的扩散程度D_q具体计算如下：

其中

表示消息在扩散过程中经过小组数之和，n表示小组数量，为自然数，

表示消息在扩散的过程中所经过节点数之和，m表示节点数量，为自然数，T_all表示分组总数，J_all表示节点总数。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述的节点i缓存空间的利用率CS_i具体计算如下：

CS_i＝θ₁CS_utilization+θ₂CS_idle

其中，CS_utilization表示该节点i的缓存空间使用率，CS_idle表示该节点i的缓存空间使用频率，θ₁和θ₂分别为控制系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述的节点i的缓存空间使用率CS_utilization具体计算如下：

其中CS_initially为任意节点在初始状态的缓存空间大小，CS_remaining为该节点在评估时的缓存空间大小，CS_releasing为该节点在从初始时间到评估时间这一时间段内所释放的节点空间大小，Init_time为初始时间，Rema_time为评估时间。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述节点i的缓存空间使用频率CS_idle具体计算如下：

其中n表示任意节点在任意时间段所进行连接的次数，Con_i-end为节点i连接的终止时间，Con_i-start为节点i连接初始时的时间，Time_all为该时间段的时间总长度。

8.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括当消息转发成功后及时通知存有该消息的节点删除有关该消息的所有信息。

9.根据权利要求1所述的方法，该方法中每个节点维护一个已送达消息链表。

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