基于概率有效广播系数的洪泛方法

摘要

本发明涉及基于概率有效广播系数的洪泛方法，属于无线自组织网络路由技术领域。它包含以下步骤：1)定义节点的有效广播增量的概念；2)计算各节点的有效广播增量B；3)根据节点的有效广播增量计算出节点的有效广播系数P；4)若节点的有效广播系数P大于设置的阈值Pval，则节点将接收到的消息广播，否则对此消息不做转发处理。本发明有效降低了路由开销，而且实现简单，在获得高可靠性的同时有效地减少了网络负载，并在大规模自组织网络中有较好的可扩展性。

说明书

技术领域

本发明涉及基于概率有效广播系数的洪泛方法，属于ad hoc路由技术领域。

背景技术

ad hoc网络(无线自组织网络)是由带有无线收发设备的节点组成的多跳、自治系统，其移动节点同时具有路由功能。由于其不依赖于网络基础设施，易于建网、便于扩充、可移动、生存性强，所以在军事、信息采集、抢险救灾、突发事件、野外科考、个人通信等需要迅速构造通信网络或不便预先架设网络设施的场合具有广阔的应用前景。

Flooding算法和Gossiping算法，是两个最为经典和简单的传统网络路由协议，可应用到ad hoc网络中。

现行的洪泛算法规定了几条消息传播规则：1)根据消息在网络中的时间是否太长而应被丢弃，TTL(Time to live即生存时间)是IP协议包中的一个值，用来标志消息的生存时间，TTL值减为零时停止转发消息；2)丢弃已处理过的消息；3)响应消息沿原路径返回。以上三条规则可以保证消息不会在网络中无限循环，并有效地减少了传播消息的数量。但因网络中采用洪泛机制传播消息，不可避免地会在网络中产生大量冗余消息，特别是当网络规模比较大、节点之间的连通度比较高的时候。以图1所示网络为例，图中包括A、B、C、D四个节点，假设四个节点互相连通。如果采用洪泛机制，A把消息发送给B、C、D，B收到消息后转发给C、D，C收到消息后转发给B、D，D收到消息后转发给B、C，以上假设B、C、D首先接收到A发送的消息。可以看出在该网络中传递的消息有9条，其中冗余消息为6条，占消息总数的2/3。在实际的P2P网络中，冗余消息增加了节点处理负担，占用了大量的网络带宽。

Flooding算法是一种传统的路由技术，不要求维护网络的拓扑结构，也不要求进行路由计算，接收到消息的节点以广播形式转发分组。对于自组织的传感器网络，洪泛路由是一种较直接的实现方法，节点产生或收到数据后向所有邻居节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播，因此，每一个请求消息被指数级放大。该协议存在以下严重缺陷：

内爆：节点几乎同时从邻居节点收到多份相同数据；

交叠：节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据；

资源利用盲目：节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据。

Gossiping算法是对Flooding的改进，在该方法中，节点将产生或收到的数据随机转发。该方法虽然避免了内爆，但增加了延时。

这两个协议都不需要维护路由信息，也不需要任何算法，虽然简单但扩展性很差。随着大规模无线网络的盛行，迫切需要一种有效的通讯方法。

发明内容

为此，本发明提出一种基于概率有效广播系数的洪泛方法，在这种方法中，节点在其所有相邻节点中按一定比例(一般为一较小值)随机选择一部分节点，将搜索请求转发给它们。和普通洪泛方法相比，这种方法大大降低了消息的产生数量，降低了网络流量，但依然覆盖了几乎全部的节点，效率会得到极大的改善。

本发明采用以下技术方案：

一种基于概率有效广播系数的洪泛方法，其包括以下步骤：

1)定义节点的有效广播增量的概念；

2)计算各节点的有效广播增量B；

3)根据节点的有效广播增量计算出节点的有效广播系数P；

4)若节点的有效广播系数P大于设置的阈值Pval，则节点将接收到的消息广播，否则对此消息不做转发处理。

所述节点的有效广播增量是指该节点收到一条广播消息后可以广播到的新的邻居节点的数量。

所述步骤2)进一步包括以下子步骤：

2.1)节点v从本地存储的邻居节点信息列表中获得自己的一跳邻居节点信息；

2.2)通过和一跳邻居节点之间周期性地交换自己的一跳邻居节点信息，节点v得到自己的两跳邻居节点信息；

2.3)从节点v的某个一跳邻居节点a的一跳邻居节点中，除去邻居节点a本身以及节点v和该邻居节点a共同覆盖的邻居节点数，得出由邻居节点a得到的有效广播增量；

2.4)依次计算节点v的由所有邻居节点得到的有效广播增量，取其中最大值作为节点v的有效广播增量Bv。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

设计了一种基于概率有效广播系数的洪泛方法，定义节点有效广播增量的概念，运用局部化算法计算各节点的有效广播增量，根据节点有效广播增量计算出节点有效广播系数，也即节点的消息转发概率值。该方法有效地避免了洪泛传播的无方向性、盲目性，又保证了洪泛的效率，传播具有较高的覆盖度。理论分析和仿真结果都表明，与传统的洪泛算法相比，本方法有效地减少了多余请求报文的转发，而且算法简单易于实现，具有较好的路由性能，本方法在减少网络负载、延长网络寿命等方面能很好地提高其性能，并在大规模移动自组织网络中有较好的可扩展性。

分析和模拟结果表明，在获得比较大查询命中率的条件下，本发明的资源定位消息开销约为洪泛查询的25％，查询的时延为洪泛查询的30％～50％，并且也低于gossiping。本发明性能有较大提高，能够在低消息开销和低查询时延的条件下，获得与洪泛查询接近的查询结果。

附图说明

图1是洪泛举例；

图2是一跳邻居通告报文；

图3是节点保存的邻居列表。

具体实施方式

基于ad hoc网络的特点，其路由算法要求实现简单、占用资源少，以提高网络的生存周期。因此本发明提出了一种基于概率有效广播系数的洪泛方法，每个节点以一定的概率随机转发消息包，以减少路由消息的开销。考虑到每个节点的转发所影响到的网络中的节点数不同，我们收集节点的影响能力(有效广播增量)，定义节点的有效广播增量为节点收到一条广播消息后可以广播到的新的邻居节点的数量，根据节点的影响能力，为节点设置相应的转发概率。

本发明所涉及的基于概率有效广播系数的洪泛方法，可以划分为三个步骤：1)有效广播增量和有效广播系数的概念及定义；2)运用局部化算法计算各节点的有效广播增量和有效广播系数(也即节点的消息转发概率值)；3)基于概率转发的策略。

以下分别对这三方面内容进行说明。

1有效广播增量和有效广播系数的概念及定义

1.1算法前提

假设网络中节点集合为N，Neighbor(n_i)是节点n_i的邻居节点集合。BroadcastEffect(n_i)代表节点n_i的有效广播增量。

1.2有效广播增量

节点的转发概率与节点可以广播到的新的邻居节点的数量有关，这样能使参与转发的节点发挥最大的广播影响，使相对比较多的未收到消息的节点接收到网络上广播的消息。在本发明中我们定义节点的有效广播增量反应节点对周围节点的影响能力，有效广播增量的概念定义如下：

定义有效广播增量为节点收到一条广播消息后可以广播到的新的邻居节点的数量。即：BroadcastEffct(n_i)＝max{|neighbor(n_i)|-|neighbor(n_i)∩neighbor(n_k)|-1，n_k∈neighbor(n_i)}  (1)

1.3基于有效广播增量的有效广播系数

有效广播系数P：标准洪泛是从一个源节点给其所有相邻节点广播一个分组开始，每个相邻节点又将这个分组重播给自己的所有相邻节点(只重播一次)，也即每个节点第一次接收消息后以概率P＝1进行转发，之后转发的概率都为0。本发明中涉及的算法中，网络中节点第一次接受消息后根据一定的概率值(概率P＜1)广播转发，之后接收相同消息转发概率为0。并不要求网络中每个节点都以概率1转发该消息。

节点可以根据接收到的重复信息次数来动态协商调整概率P，还可以根据局部信息计算得到的有效广播增量来动态协商调整概率P。

2有效广播增量和有效广播系数的计算

ad hoc网络是一个不断动态变化的系统，在运行过程中节点动态地加入和退出系统，下面对这些行为进行分别说明。

2.1节点加入、退出系统

节点初始化：首先得到自己的一跳邻居信息，然后周期性发送自己的邻居节点信息列表，并接收其邻居节点周期性发送的一跳邻居通告报文，建立起本节点维护的一跳邻居及两跳邻居的对应列表。

节点意外退出系统：由于节点意外退出，这种失效只有在该节点被访问时才能够检测到，本方法对这种失效不进行特别处理，当检测到这种情况时，删除列表中失效节点的信息。

节点正常退出系统：在正常退出的情况下，为了维护列表的覆盖率，节点执行退出操作，随机分发本地缓存的表项给邻居节点，并通知邻居节点删除退出节点的表项。

2.2有效广播增量的计算

首先节点要得到相应的一跳邻居信息，并同其一跳邻居交换一跳邻居通告报文，这样就得到其一跳邻居及经过此节点可达的两跳邻居信息。然后将此信息保存于本地，根据此信息，计算节点的有效广播增量。

邻居节点信息列表的获取

通过有效广播增量来确定转发概率，首先要使节点计算出自己的有效广播增量，每个节点除了存储消息，还需要保存一跳邻居节点的信息和两跳邻居节点的信息。两跳邻居节点的信息通过邻居之间周期性地交换自己的一跳邻居节点的信息来得到。

相邻转发节点表内容的获取和更新无需额外的控制开销，节点周期性向自己的邻居节点发送其1跳邻居节点信息，发送报文格式如图2所示：

其中，字段的解释如下：

Packet Length：整个数据包的长度。

Validate Time：从此报文中得到的信息有效时间，若超过时限没有更新的话，则该邻居节点信息应被删除。

Message Type：标识消息类型，根据不同类型的消息有不同的取值，分别表示不同的通告报文。

Source Node ID：源节点的节点ID。

NeighborNum：邻居节点的数量。

NeighboursSeq：依次给出邻居节点的标志ID，NodeID。

利用图2所示的周期性1跳邻居通告报文局部广播发送的特点。收到“join reply”报文的转发节点时，根据报文信息建立或者更新相应的两跳邻居节点列表。此消息的TTL值为1，节点周期性主动发起自己的邻居列表信息，其邻居接收到此消息后，对自己维持的列表做更新。Validate Time则根据网络中普通节点作为邻居的一般生命值来确定。

每个节点所缓存的节点列表，用以保证共享信息的最大覆盖率。根据所获得的资源分布模式，资源定位能够通过2跳洪泛查询达到对共享资源节点的较大覆盖率，提高资源定位的性能。节点的数据结构如图3所示，每个节点分配一个缓存空间，用于存放其一跳邻居节点的信息和其一跳邻居节点的邻居节点，即通过某个邻居节点2跳能够到达的节点。

计算有效广播增量

根据公式(1)，结合自己本地存储的邻居信息列表，如图3所示，图中左竖列为节点v的一跳邻居节点，由一跳邻居节点个数中除去邻居节点1与本节点v共同覆盖的邻居节点数再除去邻居节点1本身，即可得到由邻居节点1得到的有效广播增量。其中邻居节点1的邻居节点即为右侧第一行数组。邻居节点1与本节点v共同覆盖的邻居节点也即左竖列和右上行的相同数组元素。

依次对自己的所有一跳邻居节点进行计算，便得出对应不同邻居节点的有效广播增量值。取其中的最大值作为该节点v的有效广播增量值。

2.3有效广播系数的计算

设图G表示无结构ad hoc网络，G中任意两个节点之间经过有限跳数均可达。v为图G中任一节点，M为某次广播所传送的消息。在网络中，任意节点v在收到消息M时，根据概率Pv决定是否向其邻居节点传递消息M，其中：Pv＝Bv/H    (2)

式中：H为某一常量系数，且H＞1，Bv表示节点v的有效广播增量，如果Bv大于H则Pv的值取1，也即节点v必然转发消息M。

H值的选取根据网络拓扑的具体情况而定，一般选取网络中节点度平均值的1.618倍作为参考值。

3基于概率转发的策略

设图G中任意节点只可能处于两种状态，即广播态B和静止态S。节点(包括广播节点)收到消息M时，计算本节点的有效广播系数P，如果P大于设置的阈值Pval，则由S态转入B态，将接收到的消息M广播；如果P小于设置的阈值Pval，则对此消息不做转发处理。

另外可以根据网络拓扑的具体情况，适当调整阈值Pval，如选取Pval＝a，当资源的覆盖率比较大，且每个节点接收到消息的次数比较多时，可以适当增大Pval的值，使用a＝a+0.01作为阈值；反之，资源的覆盖率不够则用a＝a-0.01作为阈值。如此直至调整到比较合适的阈值基准。

下面的伪代码说明了本发明协议中每个节点转发消息的步骤：

Procedure probabilistic_forwarding( )

{

//概率转发过程

BroadcastEffect(n_i)＝max{|neighbor(n_i)|-|neighbor(n_i)∩neighbor(n_k)|-1，n_k∈neighbor(n_i)}

//计算节点有效广播增量

P＝probability(BroadcastEffeet(n_i)；

//根据节点的有效广播增量确定节点转发概率

forward_or_no＝whether(P＞Pval)；

//判断是否大于转发的概率阈值，如果大于，则转发，如果小于阈值，则不做处理

Node_do_send(forward_or_no)；//发送

}

本发明采用有效广播系数驱动的概率转发的方法，根据每个节点的有效广播系数信息为每个节点设置相应的转发投递概率。模拟结果显示，有效广播系数驱动的ad hoc概率组播路由协议在投递率满足需求的情况下，网络的控制开销大大减小，增加了网络寿命，协议的综合性能有明显提高。

以上所述仅是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的学者来说，在不脱离本发明基于概率有效广播系数的洪泛方法原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。