延迟容忍网络中基于流间网络编码的传输策略研究

摘要

延迟容忍网络是一种由于节点的移动、节点无线通信距离短、节点的间歇性睡眠等因素造成的链接间歇性断开的多跳无线网络，这个网络通常具有稀疏的特点，而且网络的平均延时、负载率比较大，投递率较低。延迟容忍网络能够满足一些特殊环境下的应用要求，例如应急通信、车载自组网络等等。近些年来，大量的研究围绕如何提高延迟容忍网络中的传输效率展开，这些研究工作主要分布在两个方向上：一，如何实现一种适用于延迟容忍网络的高效路由协议，使得数据在转发的过程中能够选择更优的转发节点，并能够控制网络中数据包副本数量以减少网络负载量；二，如何更高效的管理各个节点上的缓存数据，以使节点的缓存溢出对路由性能影响最小化。而近些年比较流行的网络编码技术在提高传输的可靠性、降低延时和提高吞吐率方面有着天然的优势，特别适用于丢包率较高的无线网络。本文从网络编码应用特点出发，提出了将流间网络编码技术应用到延迟容忍网络路由方案，并针对基于流间网络编码的路由提出了相应的缓存管理策略。
　　本文第一部分所设计的基于流间网络编码的路由方案不同于现有研究中基于流内的随机线性网络编码方案：流间网络编码是不同信息流之间的编码，编码机会可能存在于网络中的任何节点，它是充分利用网络中的广播信息来提高传输的效率，而流内的随机线性网络编码是相同信息流中的数据包之间的编码，编码机会存在于源节点，该方案是通过编码系数的冗余来提高传输的可靠性。流间网络编码的路由方案是基于网络拓扑结构的编码方案，适用于无线网络。然而，无线 mesh网络中的流间网络编码方案 COPE并不能直接移植到延迟容忍网络，因为延迟容忍网络的拓扑结构是动态变化，不利于编码机会的探测。本文基于流间网络编码的延迟容忍网络路由是通过借鉴无线传感器网络的分簇技术，使分簇后延迟容忍网络中的簇代替COPE编码结构中的节点，从而为流间网络编码技术在延迟容忍网络提供基础。以此，本文设计了COPE中链式编码结构、X型编码结构在延迟容忍网络中的扩展编码结构，并通过微分方程模型分析了基于网络编码的路由算法在数据包的平均投递延时上的性能，matlab仿真和 The ONE模拟器的实验结果表明基于网络编码在延迟容忍网络中具有较低的平均延时。
　　本文接着又提出了针对网络编码包的缓存管理算法，以弥补现有缓存管理算法在处理网络编码包这样的特殊数据包的不足。网络编码数据包在网络上传输分为传输延时和编码延时，传输延时和网络的整体特性相关，而编码延时则与参与编码的原始数据包个数θ相关，通常θ越大时，其他条件一定的情况下编码包的解码概率越大但是解码延时却越高，这是由于高θ值编码包需要更多的编码联合求解原始数据包。因此本文提出了优先丢弃高θ值、低剩余生存时间的编码包缓存管理算法，即优先丢弃低剩余生存时间与θ值的比值最小的数据包。最后通过The ONE模拟器的对比实验，表明本文针对网络编码包的缓存管理算法能够在不提高网络负载率的前提下，有效降低数据投递延时，因此该算法更适用于基于网络编码延迟容忍网络中。

目录

第1章 绪 论

1.1 本课题的研究背景及意义

1.2 本课题的国内外研究现状

1.3 本文主要研究工作

1.4 本文的结构

第2章 延迟容忍网络与网络编码

2.1 延迟容忍网络基础

2.2 网络编码基础

2.3 网络编码在延迟容忍网络中的应用

2.4 本章小结

第3章 基于流间网络编码的传输策略设计

3.1 流间网络编码方案分析与设计

3.2分簇算法分析与设计

3.3 流间网络编码下路由延时分析

3.4本章小结

第4章 针对编码包的缓存管理方法设计

4.1 延迟容忍网络中数据包丢弃方法研究

4.2 针对网络编码数据包丢弃方法实现

4.3 本章小结

第5章 流间网络编码的传输策略模拟实验

5.1 模拟工具介绍

5.2 模拟环境的设定

5.3 模拟结果及其分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢