基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由方法

摘要

本发明涉及容迟网络的路由方法，特别涉及一种基于亲密度转发的容迟网络路由方法，属于计算机网络技术领域。该方法包括以下步骤：1、每当携带数据报的节点遇到其他节点时，分别计算这两个节点与目的节点的直接亲密度和间接亲密度；2、根据第一步计算出的结果进行路由抉择；3、重复1、2两步，直到数据报传送到目的节点或数据报的TTL减小到0。本发明所提出的基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由方法，通过将泊松分布模型应用到容迟网络中，根据网络中节点相遇的历史信息结合泊松分布模型来刻画网络中两对节点之间的亲密度，当网络中两个节点相遇后通过比较其与目的节点的亲密度进行路由抉择，使网络的数据报传递成功率维持较高的水平。

说明书

技术领域

本发明涉及容迟网络的路由方法，特别涉及一种基于亲密度转发的容迟网络路由方法，属于计算机网络技术领域。

背景技术

容迟网络(Delay/Disruption Tolerant Networks，DTN)是一种基于存储-携带-转发的一种新型网络。它是指在一些特殊的网络环境之下(如节点可移动的无线传感器网络、车联网、星际、深空网络)，经常出现网络的分割等现象使得网络中节点到节点的连接呈间歇性变化，导致数据报在传输过程中要经历很长的时延。DTN可以应用于很多领域中，比如节点可移动的无线传感器网络、车联网、星际、深空网络以及其它一些连接受限的网络环境中。时延容忍网络的研究和发展将对星际通信、空间探测、灾难应对、军事战争等很多领域提供强有力的科学理论支持，它是当前国际上计算机领域内备受关注的新兴前沿研究热点之一，其具有广阔的研究前景。

容迟网络所独有的特性使得为Internet设计的路由协议不能直接适用，DTN有以下一些特点：

1、间歇性连接：由于节点移动导致节点间的连接状态改变、节点为节约能源暂时关闭电源等众多因素，造成容迟网络中端到端路径的间歇性连接。

2、节点资源有限：受节点体积和成本等因素的限制，容迟网络中每一个节点所携带的电源电量十分有限，节点消耗完自身的电能之后将无法继续工作。

3、较长的网络延时：容迟网络中节点与节点之间呈间歇性连接，通常从源节点到目的节点的数据传输会经过很长的时延。

4、低信噪比(高误码率)：容迟网络中，恶劣环境所导致的低信噪比使得节点间信号传递的高误码率。

5、不对称数据速率。

为了提高容迟网络的数据报转发成功率，其路由协议的设计十分关键。由于Internet网络协议不直接适用于容迟网络，所以必须根据容迟网络的特点为其设计专有的路由协议以提高网络中数据报转发成功率。近些年来，随着越来越多专家学者参与研究容迟网络，许多容迟网络路由协议被提出，他们大致可以分为以下几种：

(1)洪泛式的路由方法。在洪泛式的DTN路由方法中，最有代表性的就是Epidemic路由方法。它是由Vahdat和Becker于2000年在文献《Epidemic routing for partially connected ad hoc networks》中提出的，Epidemic路由方法主要解决了间歇性连接网络下的路由问题。它的基本思想是当携带数据报的节点遇到另外一个未携带该数据报的节点时，就将自己的数据报复制并转发给这个节点。Epidemic路由算法采取洪泛式策略，模拟传染性病毒的传播方式，将数据报复制并转发给中途所遇到的所有节点，从而最大化消息转发的成功率。但是随着整个容迟网络中数据报数的增加，节点的缓存空间可能会被这些数据报的副本占满，从而导致节点在之后转发过程中出现丢包的情况。另外，由于采取洪泛式的路由策略，网络中每个节点的能量消耗都会很大。为了克服Epidemic路由方法的一些弊端，Spyropoulos等人于2005年在文献《Spray and wait:an efficient routing scheme for intermittently connected mobile networks》中提出了Spray and wait路由算法来解决间歇性连接网络环境下的路由问题。它通过限制网络中数据报的最大副本数来减小数据报洪泛式转发时网络中节点的缓存占用。即便如此，洪泛式转发策略导致网络中节点能耗过大这一问题仍没有被解决。

(2)基于机会的路由方法。这类路由方法通常在携带数据报的节点遇到另外一个节点时，通过历史相遇信息预测未来数据报被成功转发给目的节点的可能性，从而做出决定是否将数据报转发给相遇的节点。Dubois-Ferriere等人在文献《Age matters:efficient route discovery in mobile ad hoc networks using encounter ages》中提出根据在移动ad hoc网络中某一节点与目的节点最近一次相遇的时间来预测数据报通过该节点传递到目的节点的可能性，并以此选择下一跳节点的Fresh路由方法。Erramilli等人在文献《Diversity of forwarding paths in pocket switched networks》中提出了Greedy-Total路由方法，它根据网络中某一节点与其它所有节点的相遇频率来预测数据报通过该节点传递到目的节点的可能性并做出下一跳选择。

(3)基于社交属性转发的路由方法。随着容迟网络中越来越多的移动通信设备被人类所携带，其行为可以很好地被其社会属性所刻画。基于社会属性转发的路由方法就是根据节点本身的社会属性或与其它节点的社交关系来判断节点将数据报成功转发给目的节点的可能性。Daly和Haahr于2007年在文献《Social network analysis for routing in disconnected delay-tolerant manets》中提出SimBet路由算法。它规定当携带数据报的节点遇到其它节点时，通过比较这两个节点的核心度(betweenness centrality)以及其与目的节点的相似度(similarity)来决定是否把数据报交给遇到的节点进行转发。Hui等人在文献《How small labels create big improvements》中提出Label路由算法，它根据节点的社会属性把其分为若干个社区，在数据报转发时首先考虑将数据报转发到一个与目的节点处于相同社区的节点。

本发明重点关注对于无线容迟网络中各个节点之间的关系的刻画，并且提出一种利用节点之间的关系决定路由转发策略的容迟网络路由算法，该算法能尽可能使网络中数据报传递成功率维持在一个较高的水平。

发明内容

本发明的目的是针对容迟网络的特点和现有容迟网络中对于网络中节点之间关系刻画的不足，提出了一种基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由方法CBR(CLOSENESS-BASED ROUTING)。

本发明的目的是是通过以下技术方案实现的。

首先，对于新生成的数据报从源节点到目的节点传递均需服从以下两点原则：

原则一：网络中数据报的转发均采用单副本的方式；

原则二：每一个新生成的数据报均有一个生存周期TTL字段，其初始值为一个预设的自然数n表示其还可以生存的时间，该字段会随着时间的推移而减小，当TTL值减小到0的时候节点就将该数据报丢弃；

在以上两个原则的基础上，本发明提出的基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由方法，对于新生成的数据报(假设该数据报的目的节点为v_d)按以下步骤进行路由：

步骤一、每当携带该数据报的节点(这里记作v_i)遇到其他节点(v_j)时，分别 计算节点v_i与节点v_d和节点v_j与节点v_d的直接亲密度Direct Closeness(DC)和间接亲密度Indirect Closeness(IC)。

步骤二、根据步骤一计算出来的节点v_i和v_j与目的节点v_d的直接亲密度和间接亲密度进行路由抉择；

步骤三、重复步骤一和步骤二，直到该数据报转发到目的节点v_d或者该数据报的TTL减小到0，算法结束。

假设容迟网络中的节点vi携带一个数据报的集合S＝{M₁,M₂,…}，在某个时刻遇到了节点vj，上述的容迟网络路由算法的三个步骤可以被详细划分为下面九步：

步骤一、如果v_i之前没有遇到过v_j，那么v_i和v_j交换他们的相遇频率表(contact rate tables)，继续步骤二；

步骤二、对于v_i数据报集合中的每一个数据报M_q，如果v_j就是该数据报的目的节点，那么将数据报M_q直接交付给v_j，方法结束；否则，转到步骤三；

步骤三、更新M_q的TTL值，如果M_q的TTL值为0，丢弃该数据报，方法结束；否则转到步骤四；

步骤四、节点v_i将数据报M_q的目的节点的相关信息发送给节点v_j，然后转到步骤五；

步骤五、节点v_i和节点v_j分别按照如下公式：计算其R_i和R_j，其中D_q是指数据报M_q所要转发到的目的节点，DC、IC分别是两个节点间的直接和间接亲密度，转到步骤六。

步骤六、节点v_j将计算得到的R_j送回给节点v_i，转到步骤七；

步骤七、在节点vi端比较R_j与R_i的大小，如果R_j大于R_i，转到步骤八；否则，转到步骤九；

步骤八、节点v_i将M_q转发给节点v_j，将来v_j遇到其他节点时再从步骤一开始进行路由选择；

步骤九、节点v_i继续携带M_q等待与其它节点相遇，当遇到其它节点时再从步骤一开始进行路由选择。

有益效果

本发明所提出的基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由方法，通过将泊松分布模型运用到容迟网络中，并根据网络中节点相遇的历史信息结合泊松 分布模型来刻画网络中两对节点之间的亲密度属性，当网络中两个节点相遇后通过比较其与目的节点的亲密度进行路由选择，使得网络中的节点数据报传递成功率维持一个较高的水平。

附图说明

图1为本发明的基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由方法(CBR)的流程图；

图2描述了CBR路由算法与其他DTN路由算法的Delivery Ratio性能分析；

图3描述了CBR路由算法与其他DTN路由算法的Average Delay性能分析；

图4描述了CBR路由算法与其他DTN路由算法的Average Hops性能分析；

图5描述了CBR路由算法与其他DTN路由算法的Number of Forwardings性能分析。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

本发明所提出的基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由方法就是根据容迟网络中每两对节点之间的亲密度和数据报生存时间的时间约束来选择中继节点进行消息转发的方法。

本发明提出的CBR容迟网络路由方法，包括以下步骤：

一、根据节点相遇的历史信息计算网络中每两个节点的直接亲密度(Direct Closeness)。

我们定义网络中每两个节点之间都有一个直接亲密度Direct Closeness(DC)，直观来讲，当两个节点之间的DC值越大，那么这两个节点在将来相遇的可能性就越大。在此，我们假设容迟网络中所有节点的相遇是服从泊松分布的，也就是在Δt时间内节点v_i和节点v_j相遇k次的概率可以用以下公式来计算：

$p=\frac{{\left({\lambda }_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Delta t}\right)}^k{e}^{-{\lambda }_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Delta t}}}{k!}$

节点v_i和节点v_j之间的直接亲密度DC定义为在Δt时间内这两个节点至少相遇一次的概率，于是通过简单的概率计算可以得到：

${\mathrm{DC}}_{i,j}\left(\mathrm{\Delta t}\right)=1-e^{-{\lambda }_{\mathrm{ij}}\mathrm{\Delta t}}$

其中λ_ij是节点v_i和节点v_j的相遇频率，它可以从历史信息中得到，并且根据不同的网络情况将其设定为定值或者动态更新的值。实际进行路由选择时，针对当前的数据报，将Δt的值设置为当前数据报的TTL字段，于是DC就是一个随Δt动态改变的量，通过这种方式将数据报的生存时间融入到节点间的关系中，使在实际的路由决策中可以考虑到当前数据报的生存时间，这样做可以增大生存时间已经很小的数据报在被丢弃之前传递到目的节点的机会。

二、根据节点相遇的历史信息计算网络中每两个节点的间接亲密度(Indirect Closeness)。

我们同样也定义了网络中每两个节点之间的间接亲密度Indirect Closeness(IC)，对于网络中的两个节点v_i和v_j，其间接亲密度IC结合了v_i和v_k的直接亲密度与v_k和v_j的直接亲密度(其中v_k是网络中除了v_i和v_j的其他所有节点)。假设节点v_k(k≠i,j)不在节点v_i的通信范围之内，经过t₁这么一个时间段，节点v_k与节点v_i相遇，然后经过t₂时间段，节点v_k与节点v_j相遇，那么节点v_i和节点v_j的经过节点v_k的间接亲密度可以按下面的公式进行计算：

其中f₁(x)和f₂(x)是随机变量t₁和t₂的概率密度函数，是卷积运算的符号。基于上述结论，节点v_i和节点v_j的间接亲密度的定义为：

${\mathrm{IC}}_{i,j}\left(\mathrm{\Delta t}\right)=\underset{k\ne i,j}{\max }{\mathrm{IC}}_{i,k,j}\left(\mathrm{\Delta t}\right).$

三、根据网络中节点之间的直接亲密度和间接亲密度做出路由选择。

CBR路由方法的基本思想如下：将泊松分布模型运用到容迟网络中，利用网络中节点相遇的历史信息并在实际路由时结合数据报的生存时间约束来计算每两个节点之间的直接亲密度和间接亲密度，在路由的过程中假设节点v_i有一 个数据报M_q想要发给目的节点D_q，在某个时刻它遇到了节点v_j并且该节点没有携带M_q。首先节点v_i和节点v_j会交换彼此的相遇频率表(contact rate table)，然后各自计算自己与目的节点的直接亲密度和间接亲密度，这样就得到了四个亲密度的数值，经过比较选出最大的那个值，从而决定节点v_i是否要将数据报M_q转发给节点v_j。

假设容迟网络中的节点v_i携带一个数据报的集合S＝{M₁,M₂,…}，在某个时刻遇到了节点v_j，本发明提出的基于亲密度和时间约束的容迟网络路由算法按照下面的步骤执行(算法流程图见附图1)：

1)、如果v_i之前没有遇到过v_j，那么v_i和v_j交换他们的相遇频率表(contact rate tables)，否则什么也不做。

2)、对于v_i数据报集合中的每一个数据报M_q，如果v_j就是该数据报的目的节点，方法结束；否则，进行下一步。

3)、更新M_q的TTL值，如果M_q的TTL值为0，丢弃该数据报，方法结束；否则进行下一步。

4)、节点v_i将数据报M_q的目的节点的相关信息发送给节点v_j。

5)、节点v_i和节点v_j分别按照如下公式：计算R_i和R_j，其中D_q是指数据报M_q所要转发到的目的节点，DC、IC分别是两个节点间的直接和间接亲密度。

6)、节点v_j将计算得到的R_j送回给节点v_i。

7)、在节点vi端比较R_j与R_i的大小，如果R_j大于R_i，那么进行下一步；否则，转到第9)步；

8)、节点v_i将M_q转发给节点v_j，将来v_j遇到其他节点时再从第1)步开始进行路由选择；

9)、节点v_i继续携带M_q等待与其它节点相遇，当遇到其它节点时再从第1)步开始进行路由选择。

10)、方法结束 

为了验证本发明提出的路由策略在容迟网络中能达到的提高数据报传送成功率，接下来的内容为在真实数据集的基础上通过仿真程序对本发明的路由策略进行模拟，最后与时延容忍网络中其它较为常用的路由方法进行比较。

为了能在真实的延迟容忍网络中测试本发明所提出的方法，本实验利用在 Crawdad上公开发表的Infocom 2006的追踪数据集。该数据集来源于参加2006年在西班牙Barcelona举行的Infocom会议的与会人员在大会期间连续四天携带具有蓝牙通信功能的iMotes进行交互的一些基本数据，包括每次交互双方的成员编号以及交互的起始时间和结束时间等。本实验从中选取78名会议成员在93小时内的相互交互信息作为模拟程序的训练与测试的数据集。

本模拟实验把数据集中从93600秒开始至180000秒之间的数据作为历史数据，用于训练得到网络中每两个节点之间的相遇频率等其他信息。将从180000秒开始至266400秒截止这段时间作为测试时间，对各个路由方法进行模拟。对于每种路由方法，我们尝试了网络中所有可能的路由对，即每一个节点尝试向网络中的其它节点发送一次数据报，这样就得到了6006个源节点到目的节点的待测节点对。本实验中除了传染病路由方法外，我们限定其余路由方法的消息副本数都为1。

本实验将CBR路由方法与以下四种路由方法进行对比：

1)Epidemic：当前节点将数据报复制并转发给它所遇到的所有未携带该数据报的节点。

2)SimBet：当前节点v_i将数据报转发给相遇的节点v_j，当且仅当节点v_j的SimBet值比v_i的SimBet值大。

3)PRoPHET：一种基于预测的容迟网络路由方法，每当网络中有两个节点相遇时，就更新这两个节点的相遇概率，并且利用更新后的这两个节点之间的相遇概率进行传递性更新，同时也将相遇概率随时间的衰减也考虑进来。该方法倾向于将数据报传送给与目的节点有更大相遇概率的节点。

4)Greedy-Total：当前节点v_i将数据报转发给相遇的节点v_j，当且仅当在历史过程中v_j遇到的节点数比v_i遇到的节点数多。

5)Greedy：当前节点v_i将数据报转发给相遇的节点v_j，当且仅当在历史过程中v_j与目的节点的相遇频率比v_i与目的节点的相遇频率大。

针对本实验模拟的所有路由方法，我们使用以下性能衡量标准来对每种路由方法的性能进行比较：

1)传递成功率：成功将数据报从源节点传送到目的节点的情况占测试总情况的百分比。

2)平均时延：对于成功传送到目的节点的所有数据报，它们从源节点到目 的节点的时延平均数，单位是秒。

3)平均跳数：对于成功传送到目的节点的所有数据报，它们从源节点到目的节点的平均跳数。

4)平均转发次数：网络中所有数据报跳数的平均值。

图2-图5比较了CBR路由方法和其它五种路由方法的各项性能指标。从图2可以看出由于Epidemic是一种多副本洪泛式的路由方法，所以其具有最高的数据报传输成功率，在其他五种单副本路由方法中CBR路由方法有着远高于SimBet、PRoPHET、Greedy、Greedy-Total的数据报传递成功率，这也证明了我们提出的基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由算法在每次相遇时通过之前训练出来的contact rate和泊松分布模型刻画出来的当前相遇的两个节点与目的节点之间的亲密度是较为可靠的，并且通过计算出来的亲密度来决定中继的策略可以提高无线容迟网络中数据报的传送成功率。从图3看出SimBet路由方法在模拟实验有着最高的数据传输延时，其他四种单副本路由方法的延迟大致处于同一水平，而Epidemic有着最小的传输延时，然而它是以很大的消息副本数和网络负载为代价的。图4和图5体现出CBR路由方法在平均跳数和平均转发次数这两个性能指标方面都处于中等水平。

综上所述，本发明所提出的基于亲密度和时间约束转发的容迟网络路由方法，通过将泊松分布模型运用到容迟网络中，并根据网络中节点相遇的历史信息结合泊松分布模型来刻画网络中两对节点之间的亲密度属性，当网络中两个节点相遇后通过比较其与目的节点的亲密度进行路由选择，使得网络中的节点数据报传递成功率维持一个较高的水平。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。