命名数据无线移动自组织网络中数据转发与存储机制的研究

摘要

命名数据网络(Named Data Networking，NDN)是一种新的革命式的网络体系结构，目前在学术界和工业界受到了越来越多的关注，是下一代互联网络的研究热点。NDN在无线移动自组织网络上的应用研究也逐渐开展，并体现出了多方面的优势。然而，NDN应用于无线移动自组织网络的研究刚刚起步，很多问题亟待解决。内容获取是NDN设计的初衷，将NDN应用于无线移动自组织网络中实现高获取成功率、低延迟和小开销的高效内容获取极具挑战。数据转发和存储机制是命名数据无线移动自组织网络实现高效内容获取的两个关键问题。如何设计有效的数据转发协议和存储机制，更好的为命名数据无线移动自组织网络中的内容获取提供服务，面临着许多新的挑战。
　　NDN应用在无线移动自组织网络中有两种典型的网络环境，一种以连通为主要特征，网络有时会分割成不同子网的移动自组织网络(Mobile Adhoc Networks，MANET);另一种以间断为主要特征，节点因移动偶尔接触的延迟容忍网络（Delay Tolerant Networks，DTN）。本文研究命名数据MANET(NDMANET)和命名数据延迟容忍网络(NDDTN)下的数据转发协议，以及NDMANET下的存储机制。因此，本文首先考虑NDMANET中，节点分布和移动不受限的环境下数据转发协议的设计问题;然后，进一步考虑节点随机移动的NDDTN下数据转发协议的设计问题;最后，考虑NDMANET中节点存储空间有限的环境下，NDMANET存储机制的设计问题，最终在命名数据无线移动自组织网络中实现高效的内容获取。
　　论文的创新性成果包括以下几个方面:
　　1.提出了NDMANET中基于贪婪和邻居感知的数据转发协议(GNA)。利用节点的位置信息，采用贪婪的方法选择距离上一跳转发节点最远的节点作为下一个转发节点，以最大化单跳传输距离、减少转发次数;采用邻居感知的方法有选择地增加转发节点的数量，扩大信息的传输范围，提高内容获取的成功率;采用基于布隆过滤器的映射方法，压缩节点间用于交换的邻居信息表的大小，简化邻居信息的传输。仿真实验结果表明，和贪婪转发协议相比，在节点任意移动的环境中，在较低的节点密度下，GNA协议最大可以提高50％左右的内容获取成功率，并具有相似的传输延迟。GNA协议付出的代价是增加了一定的网络开销，优势在于适用于节点任意移动的环境并能大幅提高内容获取成功率。
　　2.提出了NDDTN中基于活跃度的数据转发协议(ADF)。采用周期性的一跳广播消息，维护节点的邻居信息和本地的活跃度表;考虑到节点在不同时间遇到节点的数量，给出了节点活跃度的增强和衰减算法，保证了活跃度的有效性;给出了转发节点的选择机制，选择活跃度较高的节点转发兴趣包或数据包，有效减少了网络开销。仿真实验结果表明，采用真实的移动轨迹数据，和Epidemic协议相比，在网络负载重的情况下，ADF协议在取得和Epidemic协议相似内容获取成功率的同时，可以有效降低传输延迟，以及有效减少网络开销。
　　3.提出了有限空间下的NDMANET优化存储协议(SLAMS)。采用为每个数据维护K个副本的机制，实现数据冗余，提高数据的可用性;考虑NDMANET网络拓扑的频繁变化，采用分布式的方法维护网络中数据的副本;采用基于随机等待时钟的方法选择要维护的数据，实现数据副本维护的异步性;考虑移动节点存储空间的有限性，将数据副本按需的存放在空闲空间比较大的节点中，避免了由于空间已满的节点接收新数据而删除旧数据导致的数据丢失问题，同时降低了副本的收敛时间。仿真实验结果表明，相对于Phoenix协议，SLAMS协议在节点空间有限的情况下，具有较低的数据丢失率，最大可降低50％左右;较短的收敛时间;以及较少的数据块存储开销;而且，SLAMS协议中数据块维持K个副本的概率明显提高。

目录

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摘要

图目录

表目录

缩略词目录

第一章 引言

1．1．1 NDN应用于无线移动自组织网络中的优势

1．1．2 命名数据无线移动自组织网络高效内容获取的关键问题

1．1．3 命名数据无线移动自组织网络中数据转发与存储机制面临的挑战

1．2 本文的工作与贡献

1．3 论文的组织

第二章 国内外研究现状及分析

2．1 NDMANET中数据转发协议的研究现状

2．2 NDDTN中数据转发协议的研究现状

2．3 NDMANET数据存储机制的研窕现状

2．4 本文的研究问题

2．5 本章小结

第三章 NDMANET中基于贪婪和邻居感知的数据转发协议

3．1 问题的提出

3．1．1 贪婪转发协议分析

3．2 GNA协议的设计

3．2．3 转发节点的选择

3．3 协议中的包类型

3．4 协议的工作机制

3．4．2 主要处理流程

3．5 开销分析

3．6 仿真实验与性能分析

3．6．1 仿真场景设置

3．6．2 评价指标

3．6．3 实验结果与分析

3．7 本章小结

第四章 NDDTN中基于活跃度的数据转发协议

4．2 ADF协议设计

4．2．2 相关定义

4．2．4 兴趣包和数据包的转发

4．3 ADF协议中的包类型

4．4 ADF协议的实现机制

4．4．1 主要的数据结构

4．4．2 主要的处理流程

4．5 仿真实验与性能分析

4．5．1 仿真场景设置

4．5．2 评价指标

4．5．3 实验结果与分析

4．6 本章小结

第五章 有限空间下的NDMANET优化存储协议

5．1．1 Phoenix协议分析

5．1．2 评价指标

5．2 面向有限空间的优化存储协议

5．2．1 副本维护机制

5．2．2 数据结构与算法

5．2．3 协议的详细设计

5．3 仿真实验

5．3．1 实验环境和参数

5．3．2 实验结果与分析

5．4 本章小结

第六章 结束语

6．2 下一步研究工作

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间科研和获奖情况