基于超网络构架的移动协作下载机制研究

摘要

随着视频、音乐等网络应用的涌现，文件下载已经成为用户主要使用的网络服务。与此同时，以物联网、车载网为载体的无线设备的不断增加，移动环境中的下载需求日益迫切。但现有网络基础设施还无法满足这一需求：一方面，设备随时可能因为移动速度过快而无法得到稳定的网络连接；另一方面，大量的下载需求使得现有的移动网络基础设施不堪重负。协作下载将移动设备组成的临时网络与现有的网络基础设施结合，能够提高网络带宽利用率，是解决移动环境下用户下载需求与基础设施服务能力之间矛盾的一种重要方法。现有协作下载方面的研究缺乏与移动环境的有效结合，难以适应网络拓扑快速变化和数据传输不可靠等移动网络特征。超网络是一种以自主管理思想为核心的新型泛在网络体系结构，能够融合异构网络，提高应用的适变性服务能力。在超网络体系结构下研究协作下载能够有效提高协作下载系统对移动环境的适变性。
　　协作下载涉及到节点簇构建、文件数据块编码方法、数据调度、激励机制、安全机制等多个问题。本文在超网络构架的基础上，重点研究移动环境下协作下载中的前三个主要问题。首先以超网络构架中采用的自主管理思想为指导，研究协作节点选择方法，然后在此基础上研究协作下载数据块编码方法和数据调度方法，重点提升协作下载应对节点快速移动和不可靠网络环境的能力，提升协作下载的服务体验。主要内容如下：
　　（1）在协作节点簇构建方面，针对城市交通场景复杂性的特点，以超网络中采用的自主管理模型为指导提出一种协作节点选择方法。先在超网络模型的基础上，提出一种安全路径比对方法，解决路径广播中的隐私泄露问题，增强节点的环境感知能力；再结合超网络构架的环境感知能力，综合考虑车辆跟随、行驶变道等城市车辆行驶特性完成协作节点选择。实验结果表明，提出的协作节点选择方法能够有效提高协作下载底层网络拓扑的稳定性。
　　（2）在文件数据块编码方面，考虑到移动设备计算资源有限的特点，应在协作下载的数据块编码中采用分代网络编码。然而，与密集网络编码相比，分代网络编码会增加协作下载的通信周期数，且增加量与分代大小相关，因此提出网络编码分代大小设置方法，进行系统性能整体优化对协作下载的实际应用具有重要意义。据此，提出一种协作下载分代网络编码性能分析与优化方法。针对节点的文件块收集过程，结合流行内容协作下载无固定中心广播节点的特点，以Markov过程为基础，建立系统性能分析模型；在系统分析模型的基础上，再结合排队论，提出面向协作下载系统性能最优化的网络编码分代大小设置方法。实验结果表明，提出的分代大小设置方法能够有效降低协作下载的完成时间和目标文件的使用时延。
　　（3）当协作下载的文件较大时（例如高清电影），分代网络编码会产生大量通信，因此亟需对分代网络编码改进以应对用户逐渐提升的大文件下载需求。据此，提出一种基于局部信息的协作下载层次化网络编码方法，利用节点之间的反馈信息，通过在分代网络编码层的基础上增加即时可解编码层（IDNC，Instance Decodable Network Coding）降低分代网络编码的通信周期数；进一步考虑IDNC层分代选择决策的复杂性，提出一种以遗传算法为基础的即时可解集计算方法。由于IDNC具有解码简单的特点，层次化网络编码保留了分代网络编码解码复杂度低的优点。实验结果表明，层次化网络编码方法能够有效降低大文件协作下载的通信周期数和数据平均解码时延。
　　（4）针对非流行内容协作下载中协作用户的差异性导致的文件分块乱序问题，提出一种协作下载乱序避免任务调度方法。先使用排队论分析协作节点下载文件分块的任务时延，再提出一种在理论上最小化下载乱序影响的计算方法并给予证明，进一步考虑无线网络的动态特性，结合动态任务时延预测机制提出自适应任务调度方法，提高调度方法应对协作节点移动性和动态下载速率的能力。实验结果表明，调度方法能够有效降低（由文件分块乱序引起的）文件块使用时延，并有效防止下载速率过低的协作节点造成的下载时间长尾效应，降低协作下载所需的时间。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 相关研究现状

1.3 研究现状总结

1.4 研究目标与研究意义

1.5 本文研究内容与组织结构

第2章 基于超网络模型的协作节点发现方法

2.1 引言

2.2 超网络模型

2.3 基于超网络模型的协作节点发现框架

2.4 协作节点发现策略与优化

2.5 实验与分析

2.6 本章小结

第3章 协作下载分代网络编码性能分析与优化方法

3.1 引言

3.2 系统性能分析模型

3.3 性能分析模型求解

3.4 基于性能分析模型的协作下载分代优化设置方法

3.5 实验与分析

3.6 本章小结

第4章 基于局部信息的协作下载层次化网络编码方法

4.1 引言

4.2 分代网络编码在大文件协作下载时存在的问题

4.3 层次化网络编码方法

4.4 基于遗传算法的即时可解集求解算法

4.5 实验与分析

4.6 本章小结

第5章 协作下载乱序避免任务调度方法

5.1 引言

5.2 任务的基本构成

5.3 乱序避免任务调度原理

5.4 乱序避免任务调度方法

5.5 实验与分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢