CN113709036B - 一种基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法，该方法包括以下步骤：S1、在Spray阶段，当节点N_i产生消息m_d时，通过基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略对消息副本进行动态分配；S2、在Wait阶段，当节点N_i产生消息m_d时，通过基于节点转发度的消息转发策略，判断节点N_j转发度和节点转发度的大小，当节点N_j的转发度高于节点N_i的转发度，则将消息m_d转发给节点N_j；S3、重复执行基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略和向节点转发度更高的节点传递的策略，直到消息m_d被传递到目的节点d。本发明在投递率以及平均时延指标上取得了明显的进步。

Description

一种基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进 方法

技术领域

本发明涉及机会网络领域，尤其涉及一种基于节点历史相遇信息的Spray andWait的路由改进方法。

背景技术

不同于传统网络，在容迟网络中，携带消息的源节点和消息的目的节点不一定存在完整的或稳定的通讯链路，主要时逐跳数转发，采用不同于传统网络的“存储-携带-转发”的消息交换机制，当节点从别的节点收到消息后，将消息保存在缓存中，等到合适的时机去转发给其它的中继节点。为了提高机会网络中消息的投递率、降低网络延迟和负载，常见的路由算法是根据消息的副本数量分为单副本路由算法和多副本路由算法。单副本路由是指网络中一个消息只有一个副本，优点是网络负载低，缺点是消息被传输到目的节点的概率小，多副本路由是指一个消息有多个副本在网络中传输，缺点是大量的消息副本会加重网络负载，优点是消息被传输到目的节点的概率大。Epidemic是基于洪范的多副本路由算法，通过频繁的将消息复制给相遇的节点来实现消息的转发，这种传递方式虽然能取得高的投递率，但同时也会造成较大的消息冗余和网络拥塞，从而造成较大的网络负载。Spray and Wait路由算法虽然也是多副本路由算法，但是该算法不仅继承了多副本高投递率的优点，同时通过限制消息在网络中的副本数，大大降低了网络负载。Binary Spray andWait路由算法是对消息副本分配的另一种改进算法，该算法在Spray阶段进行消息副本分配时，不再沿用传统的Spray阶段分配一个副本的分配方法，而是将缓存中该消息副本数的一半分给相遇的节点，当该消息的副本数为1时，则进入Wait阶段，此阶段内节点则不再向其他中继节点转发消息，而是等待与目的节点的相遇，并将消息传递给目的节点。这种算法在节点移动区域较小的情况下能得到较好的效果，但是当节点可运动的网络范围较大时，在Wait阶段如果只是被动等待直到遇到目标节点才进行消息转发，则忽略了转发节点与目标节点可能相遇概率极低，从而影响了消息投递率情况的出现。Spray and Focus路由算法针对这一问题提出了新的改进策略，该算法在Spray阶段的消息转发策略还是采用折半转发策略，唯一不同的是将传统的Wait阶段改变为Focus阶段，Focus阶段就是在传统的Wait阶段的基础上，不是一直在等待目的节点，而是在路由过程中将消息转发给更优的中继节点，从而提高将消息成功转发到目的节点的可能性。现在很多学者都开始研究如何改进这些经典算法，有的学者提出了一种基于节点质量度的Spray and Focus路由改进算法。该算法通过评估节点转发消息的能力以及节点历史相遇信息定义了节点质量度，在Spray阶段，通过节点质量度来动态分配转发的消息副本，在Focus阶段，节点只会将消息转发给质量度比自身大的中继节点。还有的学者结合了Spray and Focus算法和Prophet算法，提出了一种基于最近相遇节点树的路由算法。该算法通过对两者算法进行约束，提出了一种基于最近相遇节点树的路由算法。该算法通过对两者算法进行约束，当两种算法同时满足约束条件时，节点才会向遇到的节点转发消息，在Focus阶段，充分考虑了Prophet算法中计算的节点投递预测值，节点只会将消息转发给投递预测值比身大的中继节点。综上所述，对于Spray and Wait路由算法的改进策略都是从Spray阶段和Wait阶段进行改进，对于Spray阶段主要从三个方面进行改进：一是选择合理的中继节点，根据网络知识或节点自身属性等将消息转发给更优的节点，不仅可以提高消息到达目的节点的概率，同时也避免了盲目转发消息给目的节点，降低了网络负载；二是根据节点在网络中将该消息直接或间接传递到目的节点的效用，动态喷射消息副本给相遇的节点，这样就能更有效的、实时的利用各个节点在网络中性能，是消息能快速扩散到整个网络中，增加与目的节点相遇概率；三是在网络中根据节点的实时状态信息动态调整其携带的消息副本数量，使节点自身属性可以被最大化利用。对于Wait阶段的改进主要体现在是否等待目的节点才能转发消息副本，选择更优的中继节点转发剩余的一个消息副本，从而提升与目的节点在网络中的相遇概率。从而在源节点和目的节点之间没有稳定的固定传输路径，节点的能量、缓存大小有限的情况下，提高消息的投递率，降低网络的时延和负载率。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法，在移动机会网络中，在Spray阶段，通过节点在网络中与其他节点的相遇次数以及节点在网络中与其他节点相遇持续时间定义稳定性，通过定义的稳定性和二分法实现消息副本的动态分配；在Wait阶段，通过prophet路由算法中节点将消息转发到目的节点的概率以及网络中节点和消息的目的节点的相遇信息定义转发度，通过定义的转发度控制消息的转发；该方法包括以下步骤：

S1、在Spray阶段，当节点N_i产生消息m_d时，通过基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略对消息副本进行动态分配；

S2、在Wait阶段，当节点N_i产生消息m_d时，通过基于节点转发度的消息转发策略，判断节点N_j转发度和节点N_i转发度的大小，当节点N_j的转发度高于节点N_i的转发度，则将消息m_d转发给节点N_j；

S3、重复执行基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略和向节点转发度更高的节点传递的策略，直到消息m_d被传递到目的节点d。

进一步地，本发明的该方法中节点稳定性的计算方法为：

收集节点间的历史相遇持续时间、相遇的总次数，将相遇持续时间、相遇总次数加入到稳定性的计算中；具体的计算公式如下：

其中，NMC_all表示节点在历史运动的过程中遇到的节点总次数，反应了节点与网络中其他节点的相遇能力，DV_a表示节点与历史相遇节点之间相遇次数的方差，反映了节点与历史相遇节点之间相遇次数的离散情况，ECT_all表示节点与历史相遇节点之间的总连接时间，反映了节点转发消息给其他节点的能力，TV_all表示节点与历史相遇节点之间连接时间的方差，反映了节点与历史相遇节点之间连接时间的离散情况；α是调整参数，α越大表明节点与其他节点稳定性的能力对稳定性值的影响越大，α越小表明节点与其他节点进行消息传输的能力对稳定性值的影响越大，取值范围[0，1]。

进一步地，本发明的所述步骤1中基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略，具体为：

基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略的动态消息副本控制中，每个节点都建立一张节点稳定性表，该表中记录了该节点与其他节点历史相遇信息，包括相遇节点的ID，与每个节点的总相遇次数，与每个节点的总相遇持续时间以及节点稳定性；通过节点稳定性去动态分配消息的副本。

进一步地，本发明的所述步骤1中对消息副本进行动态分配的具体方法为：

在路由过程中，当节点N_i携带消息m_k和节点N_j相遇时，节点N_i首先会判断节点N_j中是否已经存在了消息m_k的副本，如果存在则两节点间不进行消息m_k的转发，否则进一步判断节点N_i和节点N_j的稳定性是否为零，如果其中任意节点的稳定性为零，表示还没有遇到其他节点，节点N_i就采用二分法分配副本策略，将消息m_k的副本分配一半给节点N_j，否则按照稳定性计算节点N_i和相遇节点N_j此时应该携带的副本数；按照节点稳定性动态分配副本的计算公式如下所示：

其中，N_{stability_i}、N_{stability_j}分别表示相遇节点N_i和N_j的稳定性，

表示节点N_i将消息传递到下一跳节点之前的副本数量，

L_{j_new}分别表示节点N_i和N_j分配以后得到的副本数。

进一步地，本发明的所述步骤2中计算节点转发度具体方法为：

每个节点N_i和其他相遇节点N_j的转发度大小

其中

计算分为两个部分：节点自身的转发预测概率，节点历史相遇节点的转发预测概率之和；计算公式如下所示：

其中，γ表示节点N_i历史相遇节点的转发预测概率之和的权重，

为节点转发预测概率。

进一步地，本发明的该方法中转发预测概率的计算公式为：

其中，节点转发预测概率

综合考虑了节点的历史重合率和投递预测值，更加准确的预测节点将消息传递到目的节点的可能性，β为加权系数。

进一步地，本发明的该方法中节点重合率计算公示为：

其中，式中

表示节点N_i、N_j的历史相遇集合，

为两节点的重合率。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法，在投递率和时延指标上取得了明显的进步。其中，在Spray阶段依据节点稳定性进行动态进行副本分配，有助于将消息更多的分配给更有可能遇到目的节点的中继节点，从而提高了投递率，降低了网络时延；在Wait阶段，依据节点转发度将消息转发给节点转发度高于自身的节点，在一定程度上减少了消息成功转发到目的节点的时间和提高了投递率。

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是本发明的基于节点稳定性的喷射策略算法流程图；

图2是本发明的基于节点稳定性的喷射策略的伪代码；

图3是本发明的基于节点转发度的等待策略算法流程图；

图4是本发明的基于节点转发度的等待策略算法伪代码。

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。

如图1、图3所示，本发明实施例的基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法，在移动机会网络中，在Spray阶段，通过节点在网络中与其他节点的相遇次数以及节点在网络中与其他节点相遇持续时间定义稳定性，通过定义的稳定性和二分法实现消息副本的动态分配；在Wait阶段，通过prophet路由算法中节点将消息转发到目的节点的概率以及网络中节点和消息的目的节点的相遇信息定义转发度，通过定义的转发度控制消息的转发；该方法包括以下步骤：

S1、在Spray阶段，当节点N_i产生消息m_d时，通过基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略对消息副本进行动态分配；

S2、在Wait阶段，当节点N_i产生消息m_d时，通过基于节点转发度的消息转发策略，判断节点N_j转发度和节点N_i转发度的大小，当节点N_j的转发度高于节点N_i的转发度，则将消息m_d转发给节点N_j；

S3、重复执行基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略和向节点转发度更高的节点传递的策略，直到消息m_d被传递到目的节点d。

步骤S1中通过基于节点稳定性的动态分配副本策略，具体为：

基于节点稳定性动态分配消息数中，每个节点都建立一种节点稳定性表。当节点携带消息和节点相遇时，节点首先会判断节点中是否已经存在了消息的副本，如果存在则两节点间不进行消息的转发，否则进一步判断节点和节点的稳定性是否为零，如果其中任意节点的稳定性为零(也就是还没有遇到其他节点)，节点就采用二分法分配副本策略，将消息的副本分配一半给节点，否则通过节点稳定性动态进行消息副本的分配。

步骤S1中动态分配副本的具体计算公式如下：

其中，N_{stability_i}、N_{stability_j}分别表示相遇节点N_i和N_j的稳定性，

表示节点N_i将消息传递到下一跳节点之前的副本数量，

L_{j_new}分别表示节点N_i和N_j分配以后得到的副本数。

该方法中计算节点稳定性的具体方法为：

其中，NMC_all表示节点在历史运动的过程中遇到的节点总次数，反应了节点与网络中其他节点的相遇能力，DV_a表示节点与历史相遇节点之间相遇次数的方差，反映了节点与历史相遇节点之间相遇次数的离散情况，ECT_all表示节点与历史相遇节点之间的总连接时间，反映了节点转发消息给其他节点的能力，TV_all表示节点与历史相遇节点之间连接时间的方差，反映了节点与历史相遇节点之间连接时间的离散情况。α是调整参数，α越大表明节点与其他节点稳定性和能力对效用值的影响越大，α越小表明节点与其他节点进行消息传输的能力对效用值的影响越大，取值范围[0，1]。

步骤S2中通过基于节点转发度的转发策略，具体为：

基于节点转发度的转发策略，每个节点都会维护自身到目的节点到目的节点的转发度，同时每个节点也会维护自身遇到过的节点及其对应到目的节点的转发度。从而根据节点转发度转发消息的副本。

步骤S2中转发消息的副本的具体方法为：

其中，γ表示节点N_i历史相遇节点的转发预测概率之和的权重。

进一步地本发明的转发预测概率的计算方法为：

其中节点转发预测概率

综合考虑了节点的历史重合率、投递预测值，可以更加准确的预测节点将消息传递到目的节点的可能性，β为加权系数。节点重合率的计算公式为：

其中，式中

表示节点N_i、N_j的历史相遇集合，

为两节点的重合率。

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 (3)

1.一种基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法，其特征在于，在移动机会网络中，在Spray阶段，通过节点在网络中与其他节点的相遇次数以及节点在网络中与其他节点相遇持续时间定义稳定性，通过定义的稳定性和二分法实现消息副本的动态分配；在Wait阶段，通过prophet路由算法中节点将消息转发到目的节点的概率以及网络中节点和消息的目的节点的相遇信息定义转发度，通过定义的转发度控制消息的转发；该方法包括以下步骤：

S1、在Spray阶段，当节点N_i产生消息m_d时，通过基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略对消息副本进行动态分配；

S2、在Wait阶段，通过基于节点转发度的消息转发策略，判断节点N_j转发度和节点N_i转发度的大小，当节点N_j的转发度高于节点N_i的转发度，则将消息m_d转发给节点N_j；

S3、重复执行基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略和向节点转发度更高的节点传递的策略，直到消息m_d被传递到目的节点d；

该方法中节点稳定性的计算方法为：

收集节点间的历史相遇持续时间、相遇的总次数，将相遇持续时间、相遇总次数加入到稳定性的计算中；具体的计算公式如下：

其中，NMC_all表示节点在历史运动的过程中遇到的节点总次数，反应了节点与网络中其他节点的相遇能力，DV_a表示节点与历史相遇节点之间相遇次数的方差，反映了节点与历史相遇节点之间相遇次数的离散情况，ECT_all表示节点与历史相遇节点之间的总连接时间，反映了节点转发消息给其他节点的能力，TV_all表示节点与历史相遇节点之间连接时间的方差，反映了节点与历史相遇节点之间连接时间的离散情况；α是调整参数，α越大表明节点与其他节点稳定性的能力对稳定性值的影响越大，α越小表明节点与其他节点进行消息传输的能力对稳定性值的影响越大，取值范围[0，1]；

所述步骤S2中计算节点转发度具体方法为：

每个节点N_i和其他相遇节点N_j的转发度大小

其中

计算分为两个部分：节点自身的转发预测概率，节点历史相遇节点的转发预测概率之和；计算公式如下所示：

其中，γ表示节点N_i历史相遇节点的转发预测概率之和的权重，

为节点转发预测概率；

该方法中转发预测概率的计算公式为：

其中，节点转发预测概率

综合考虑了节点的历史重合率和投递预测值

更加准确的预测节点将消息传递到目的节点的可能性，β为加权系数；

该方法中节点重合率计算公示为：

其中，式中

表示节点N_i、N_j的历史相遇集合，

为两节点的重合率。

2.根据权利要求1所述的基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法，其特征在于，所述步骤S1中基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略，具体为：

基于节点稳定性和二分法的动态消息副本策略的动态消息副本控制中，每个节点都建立一张节点稳定性表，该表中记录了该节点与其他节点历史相遇信息，包括相遇节点的ID，与每个节点的总相遇次数，与每个节点的总相遇持续时间以及节点稳定性；通过节点稳定性去动态分配消息的副本。

3.根据权利要求1所述的基于节点历史相遇信息的Spray and Wait的路由改进方法，其特征在于，所述步骤S1中对消息副本进行动态分配的具体方法为：

在路由过程中，当节点N_i携带消息m_k和节点N_j相遇时，节点N_i首先会判断节点N_j中是否已经存在了消息m_k的副本，如果存在则两节点间不进行消息m_k的转发，否则进一步判断节点N_i和节点N_j的稳定性是否为零，如果其中任意节点的稳定性为零，表示还没有遇到其他节点，节点N_i就采用二分法分配副本策略，将消息m_k的副本分配一半给节点N_j，否则按照稳定性计算节点N_i和相遇节点N_j此时应该携带的副本数；按照节点稳定性动态分配副本的计算公式如下所示：

其中，N_{stability_i}、N_{stability_j}分别表示相遇节点N_i和N_j的稳定性，

表示节点N_i将消息传递到下一跳节点之前的副本数量，

分别表示节点N_i和N_j分配以后得到的副本数。

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