感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点和方法

摘要

一种感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点和方法，该网络节点包括路由执行和自治管理两个单元；前者有定位和寻址、邻居发现、链路选择、路由信息分发和路由计算五个模块；后者有上下文信息感知、上下文信息传输、信息存储和自治决策四个模块。该网络节点通过自治管理单元生成的自治行为AB来控制路由执行单元中的链路选择和路由计算两模块的操作，使其在运行过程中，能根据网络当前状况进行自适应调整，生成符合当前网络状况的路由转发表，实现自治化的路由控制，优化网络整体性能。只需在现有网络增添一个或多个本发明网络节点，使其能感知网络上下文信息，结合自治策略，自适应调整路由决策，选取较优路径来转发数据包，实现发明目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点及其工作方法，确切地说，涉及一种能够将其感知到的网络上下文信息进行传输，并利用这些网络上下文信息执行自治计算和相应控制操作，从而获得自治路由的网络节点及其工作方法；属于电信网与互联网的路由选址和结合上下文信息的自治计算的技术领域。

背景技术

随着网络的迅猛发展，移动设备、嵌入式设备和其它普适系统的加入，尤其是硬件、软件、通信和网络的计算系统分别具有的异构特征，使得网络规模变得越来越大，复杂性越来越高。为应对普遍存在的、不断增长的网络系统的复杂性，人们通过实施自治计算和自治通信来力图建立能够自感知、自配置、自优化、自愈合和自保护的通信系统，在没有人工干预或指导下，就能够执行最大可能的自治管理，提高网络和服务的能力，处理各种未知的变化，例如拓扑、负载、任务和网络能访问的物理及逻辑特征等。自治通信中的网络发展独立于端用户所需要的应用和服务，它有服务驱动、定位、自治控制、自组织、分布化、技术独立以及可扩展的特点。

自治网络是将自治计算、自治通信领域的研究思想延伸到计算机网络体系结构中发展而来的一种新型网络体系结构，它是通过在网络体系结构设计中引入自治化功能，从而自治形成适应网络节点及整个网络的各种网络操作策略，减少网络管理的人工操作的负担和复杂性，使网络具有自组织、自管理、自配置、自感知、自优化、自保护和自修复等自治能力，也是未来网络体系结构研究中的一个主要方向。

自治化网络的功能实体更灵活、适应性更强，可通过自感知获取更丰富的信息。自感知使得网络节点能够在网络的上下文发生变化的时候，自适应性地做出最优决策，执行自组织、自配置和性能自优化。

自治网络的各个自治特性(包括自组织等)的实现基于自治控制的循环过程，该循环过程分为收集、分析、决策和执行四个操作步骤。首先，从网络环境中的各种数据源收集信息；接着，分析这些信息并构建一个反映当前情况的面向网络及业务的模型，作为做出适应性改变决策的基础；然后，根据分析的结果进行行为决策；最后，通过网络执行这些决策，并将结果报告给用户或管理者，而且，执行结果的影响将在下一轮控制周期中被收集。

路由是网络互联的基础，也是网络必须提供的最基本的功能和其它网络功能的基础。最近，业内提出的一些新型路由方案都具有一定程度的自治属性，例如：“自治传感器网络中的可编程路由框架”(参见《A Programmable RoutingFramework for Autonomic Sensor Networks》刊于The Autonomic ComputingWorkshop IEEE AMS’03，2003)和论文《移动ad-hoc网络路由》、《感知分组网络中的自治智能路由》和《多约束的路径选择路由》等。但是，这些新型通信协议和方法往往只能应用于特定类型的网络系统中，又都采用唯一的自治算法，而且只是考虑单一固定的路由变量，大大限制了网络的自治能力管理。

因此，尽快研制一种能够感知网络上下文信息、实现自治路由控制的网络节点，更好地完成自治化网络相关功能的课题就成为业内科技人员关注的焦点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术局限的单一性，提供一种能够感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点及其工作方法，以便通过在现有网络系统中增添一个或多个本发明具有自治管理功能的网络节点(包括对原有模块进行的相应改进)，使得这些网络节点具有上下文感知能力，能够感知各种网络上下文信息，再结合自治策略，自适应地调整路由执行策略，综合选取较优的路径来转发数据包，最终实现优化网络性能的目的。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点，包括：由定位和寻址模块、邻居发现模块、链路选择模块、路由信息分发模块和路由计算模块组成的路由执行单元；其特征在于：所述网络节点还包括：增设的用于感知网络上下文信息实现自治路由控制的自治管理单元，该自治管理单元设有上下文信息感知、上下文信息传输、信息存储和自治决策共四个模块，并对所述路由执行单元中的链路选择模块和路由计算模块做了相应改进；该网络节点是通过自治管理单元生成的自治行为AB(automatic behavior)来控制路由执行单元中的链路选择模块和路由计算模块的相应操作，使得该网络节点在运行过程中，能够根据网络的当前状况进行自适应调整，生成符合当前网络状况的路由转发表，实现自治化的路由控制，从而优化网络的整体性能。

为了达到上述发明目的，本发明还提供了一种感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点的工作方法，其特征在于：包括下列操作步骤：

(1)接收数据：位于业务源端的网络节点不执行该步骤，直接跳转执行步骤(2)；位于业务目的端的网络节点仅执行该步骤(1)；位于中间节点的网络节点则顺序执行全部四项操作步骤；

(2)自治管理单元感知和存储自身网络节点和相关网络节点与链路的上下文信息，并发送给其他网络节点；同时对其它网络节点传送来的上下文信息进行存储处理；

(3)自治管理单元对所有的上下文信息进行统一存储和综合分析，生成自治行为AB；

(4)路由执行单元根据AB生成适应当前网络状况的路由表，综合选择较优路径发送数据，然后，返回执行步骤(1)。

本发明申请相对现有技术而言，所具有的优点和效果是：本发明通过为网络节点添加自治管理单元，以及对原有路由执行单元中的部分模块进行相应改造，使得网络节点具有自治管理功能。与原来的网络节点只具有比较原始的路由功能，本发明能够更好地根据当前的网络状态动态调整路由策略，选择传输能力更强、未出现拥塞的路径传输数据，优化网络的整体传输性能。

与现在已经提出的一些具有自治能力的路由协议相比较，本发明网络节点的路由自治管理方式更具有通用性和可扩展性。例如，网络中能够根据需要同时设置一个或多个本发明网络节点以及没有改造的原来的网络节点(其差异只是自治能力的强弱而已)，而且，也不针对某个特定的协议，就能够实现本发明网络节点的各种优异性能。本发明网络节点的结构组成非常简单，很容易构建，只要在现有网络节点的基础上，添加自治管理单元，并对原始路由执行单元中的链路选择模块和路由计算模块进行扩展，使它能够根据AB的调整执行策略就可以了。因此，本发明具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点结构组成示意图。

图2为本发明网络节点中的自治管理单元实现的操作流程示意图。

图3为由本发明感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点组成的实施例网络系统架构示意图。

图4(A)、(B)分别为本发明网络节点在实施例中传输网络上下文信息的分组报文的消息格式和内部详细格式的两个示意图。

图5为本发明网络节点在实施例中的OLSR协议链路选择模块的结构组成示意图。

图6为本发明网络节点在实施例中自治管理单元的自治决策模块的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，介绍本发明感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点的结构组成：由对现有网络节点中的链路选择模块和路由计算模块进行改进而形成的路由执行单元与新增的、用于感知网络上下文信息实现自治路由控制的自治管理单元两部分组成，两个单元者之间通过自治行为AB进行交互。其中，网络上下文信息是指通过网络节点中的自治管理单元的上下文信息感知模块感测而获得的针对网络链路和/或网络节点的、反映其当前性能、资源和处理能力的上下文信息。自治管理单元设有上下文信息感知、上下文信息传输、信息存储和自治决策共四个模块，路由执行单元设有定位和寻址、邻居发现、链路选择、路由信息分发和路由计算共五个模块，其中的链路选择模块和路由计算模块对生成网络拓扑和计算网络路由都有重要影响，因此，本发明对这两个模块进行相应改进，使得本发明网络节点通过自治管理单元生成的自治行为AB来控制路由执行单元中的链路选择模块和路由计算模块的相应操作。这样，该网络节点在运行过程中，能够根据网络的当前状况进行自适应调整，生成符合当前网络状况的路由转发表，实现自治化的路由控制，从而优化网络的整体性能。

所谓自治行为AB(automatic behavior)是本发明网络节点对获得的上下文信息进行自治的分析，为适应当前网络中的包括传输链路、节点资源与载荷的各种上下文动态变化状态，并根据预先设定的决策策略而自适应地生成的相应的路由自治调整操作指令，进而推动路由执行单元执行相应的操作，提高网络节点对当前状态的实时应对能力。路由执行单元是根据自治管理单元发送的自治行为AB对链路选择模块和/或路由计算模块进行控制，生成符合当前网络状况的路由转发表。

先介绍该网络节点中的自治管理单元四个模块的功能及其信息传递关系：

上下文信息感知模块，负责实时感测和收集该网络节点及其相关连接链路上包括当前链路状态与节点资源的上下文信息，然后分别转交给上下文信息传输模块和信息存储模块进行处理。

上下文信息传输模块，负责对上下文信息感知模块收集和转送来的上下文信息进行筛选和量化后，再发送给网络中需要利用这些上下文信息的其他网络节点，同时，接收来自其他网络节点的上下文信息后，传送给信息存储模块。

信息存储模块，负责将来自上下文信息感知模块和/或上下文信息传输模块的上下文信息进行统一存储，并管理和维护这些上下文信息，保存其中具有时效性的信息和删除冗余和没用的信息。

自治决策模块，作为该单元的核心模块，负责读取信息存储模块的内容，参照预设的规则对相关信息进行分析和决策，生成用于实现自治化的路由控制的自治行为AB后，发送给路由执行单元。

该自治管理单元执行的操作流程如图2所示。

再介绍该网络节点中的路由执行单元五个模块的功能及其信息传递关系：

定位和寻址模块，为原有模块，负责确定网络节点各自的命名信息并告知邻居发现模块。

邻居发现模块，为原有模块，负责发现该网络节点的邻居节点和链路的连通状态，并将相关的路由信息告知链路选择模块和路由信息分发模块。

链路选择模块，为改进的原有模块，负责执行按照设定规则的默认策略和来自自治管理单元的自治行为AB，根据该网络节点的路由信息，选择需要分发网络拓扑信息的其他网络节点，生成相应的网络拓扑信息，并将相关信息告知路由信息分发模块和路由计算模块。

路由信息分发模块，为原有模块，负责向链路选择模块选定的其他网络节点发送网络拓扑信息，同时，将接收到的、来自其他网络节点的网络拓扑信息，传送给路由计算模块。

路由计算模块，为改进的原有模块，负责执行默认策略或来自自治管理单元的自治行为AB，根据该网络节点存储的网络拓扑信息和来自链路选择模块和/或路由信息分发模块的实时信息做出路由决策：计算该网络节点分发数据包的路由表，并写入到转发表中。

本发明的网络节点既能彼此之间传递信息，也能与现有网络中的原来的网络节点正常通信，因此，只要根据实际需求和能力，选择安装一个或多个该网络节点，就能与原来网络中未改造的网络节点一起，共同构成能够感知网络上下文信息实现自治路由控制的系统。诚然，如果设有更多的本发明网络节点所构成的感知网络上下文信息实现自治路由控制的系统，其功效也会更加显著。

本发明感知网络上下文信息实现自治路由控制的网络节点在网络系统中可以分别设置在业务源端、中间节点或目的端，虽然它们各自的工作流程略有不同，但是，其基本操作步骤如下：

步骤1、接收数据：位于业务源端的网络节点不执行该步骤，直接跳转执行步骤2；位于业务目的端的网络节点仅执行该步骤1；唯有位于中间节点的网络节点执行全部四项操作步骤。

步骤2、自治管理单元感知和存储自身网络节点和相关网络节点与链路的上下文信息，并发送给其他网络节点；同时对其它网络节点传送来的上下文信息进行存储处理；该步骤2进一步包括下列两项操作内容：

(21)上下文信息感知模块不断地实时感测和收集该网络节点及其相关连接链路与节点资源的当前上下文信息，再分别转交给上下文信息传输模块和信息存储模块。

(22)上下文信息传输模块将收集到的上下文信息进行筛选和量化后，发送给网络中需要利用这些上下文信息的其他网络节点，同时接收来自其他网络节点的上下文信息后，传送给信息存储模块。

步骤3、自治管理单元对所有的上下文信息进行统一存储和综合分析，生成自治行为AB；该步骤3进一步包括下列两项操作内容：

(31)信息存储模块对来自其他网络节点和/或自身网络节点的上下文信息进行统一存储，并管理和维护这些上下文信息，保存其中具有时效性的信息，删除冗余和没用的信息。

(32)自治决策模块读取信息存储模块的内容，参照预设规则进行分析和决策，判定自治管理单元是否要影响路由执行单元中链路选择模块和路由计算模块的执行策略：如果需要，则生成用于实现自治化的路由控制的自治行为AB，并发送给路由执行单元中需要调整执行策略的链路选择模块和/或路由计算模块，使得该两个模块根据AB执行调整操作指令；否则，就不生成AB。

步骤4、路由执行单元根据AB生成适应当前网络状况的路由表，选择最优路径发送数据，然后，返回执行步骤1。该步骤4进一步包括下列三项操作内容：

(41)链路选择模块根据选择的路由执行策略，分析自身网络节点的路由信息，选择需要分发网络拓扑信息的其他网络节点，生成相应的网络拓扑信息，选择执行网络拓扑信息分发的邻接链路，并将相关信息告知路由信息分发模块和路由计算模块；

执行该步骤时，若没有接收到自治管理单元发送来的AB时，选择默认的路由执行策略；否则，根据AB的具体信息选择相应的路由执行策略。

(42)路由信息分发模块将网络拓扑信息按照链路选择模块确定的邻接链路向选定的其他网络节点发送网络拓扑信息，并将接收到的其他网络节点的网络拓扑信息传送给路由计算模块。

(43)路由计算模块选择执行策略，根据其自身网络节点所存储的网络拓扑信息和来自链路选择模块和/或路由信息分发模块的实时信息，计算得到网络当前的路由表，写入到转发表中；

在执行该步骤时，如果没有接收到自治管理单元发送来的AB时，选择默认的执行策略；否则，根据AB的具体信息选择相应的执行策略。

本发明已经进行了多次实施试验，下面结合一实例详细描述该实施例方案。

该实施例采用的网络系统拓扑架构如图3所示。其中业务源端和业务目的端所处的网络系统中共有四个中间网络节点，网络采用OLSR协议。

该实施例只是在拓扑架构图中的网络节点2采用本发明的网络节点，其他节点均为原来没有改造的节点。OLSR协议采用MPR集合的概念，只选取部分节点建立邻接关系，以减少网络负载。所以，OLSR协议的链路选择模块中的主要工作是MPR集合的计算。在实施时，主要是添加自治管理单元对链路选择模块进行决策控制。

实施例进行的前期改造工作如下：

1、先为网络节点2添加自治管理单元和改造路由执行单元中的两个模块。

2、将上下文信息分成两类：节点状态上下文信息NS和链路状态上下文信息LS。其中，节点状态上下文信息表示节点自身的状态信息，每个节点状态信息的当前指标通常只有一个数值与之对应，如：移动节点的地理位置信息、移动节点的当前剩余能量值、CUP占用率、无线接口的带宽等。链路状态上下文信息表示节点与其相邻某一节点之间感知到的信息，一般是每条同步链路对应一个数值，如链路的信号强度、链路的时延等。

3、在自治管理单元的上下文感知模块中对该两类信息分别进行归一化映射：归一化映射方式的具体内容参见《N3S-OLSR：Node-Status Self-SensingOptimized Link-State Routing Protocols for MANET》(刊于会议集the 2010International Conference on Communications and Mobile Computing(CMC 2010))。

4、添加新的分组报文消息，实现上下文信息的分发：本发明用于传输上下文信息的分组消息格式如图4所示。通过上下文信息分发模块将处理完的上下文信息分发传送给目标节点。在该实施例中只发送给邻居节点。

5、自治管理单元中的信息存储模块对自身节点感知、捕获的上下文信息进行统一存储、管理和维护，并存储相应的消息处理策略，包括对应的自治行为AB类型、NS上下界、LS上下界、优先选择等；

6、OLSR协议路由执行单元中的链路选择模块进行改进：为链路选择模块增添除了OLSR协议中的MPR集合算法外的其他算法，以便能够通过控制功能根据输入的AB选择需要执行的相应的算法。该链路选择模块的内部组成如图5所示。

其中一个非OLSR协议描述的MPR集合算法的介绍，参见《N3S-OLSR：Node-Status Self-Sensing Optimized Link-State Routing Protocols for MANET》(刊于会议集the 2010 International Conference on Communications and MobileComputing(CMC 2010))。

完成前期改造后，业务源端向业务目的端发送数据包的实施例流程如下：

(1)业务源端将数据包发向网络节点2。

(2)此时，网络节点2和网络节点3之间的链路产生了拥塞。网络节点2通过上下文信息感知模块收集到与自身直连的节点和链路状态信息，并进行归一化映射，将映射结果存入信息存储模块，再由自治决策模块读取后，进行分析和决策，生成相应的自治行为AB(自治决策模块的处理流程图如图6所示)后，再发送给链路选择模块。

(3)网络节点2中的链路选择模块根据接收到的AB，选择执行第一种非OLSR协议中的MPR集合算法进行处理和计算，并将结果发送给路由信息分发模块和路由计算模块，生成网络路由表。

(4)网络节点2接收到业务源端发来的数据包。根据默认链路选择策略(即OLSR协议使用的MPR集合算法)应转发的路径为网络节点2→网络节点3→业务目的端，但是，因为目前该路径拥塞，并已被网络节点2所感知(即步骤(2)的操作内容)。此时的路由表已变更为由第一种非OLSR协议中的MPR集合算法所计算出的结果(即步骤(3)的操作内容，因此，实际上，网络节点2选择的转发路径为：网络节点2→网络节点4→业务目的端。

(5)网络节点4接收到网络节点2发来的数据包，根据自身路由表转发给业务目的端。

(6)业务目的端接收到数据包。

该实施例中，由于路由执行单元针对自治管理单元给出的不同AB会相应采用不同的MPR集合算法来计算MPR集合，所以生成的路由表也就更加符合当前AB所代表的网络状态，从而使得该网络节点能够根据当前路由表进行数据的交互。

总之，本发明的实施例的试验是成功的，实现了发明目的。