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        機會網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)機制的研究

        2011-12-22 10:47:42龔丁海
        河池學(xué)院學(xué)報 2011年2期

        龔丁海

        (1.廣西師范大學(xué) 計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.河池學(xué)院 數(shù)學(xué)系,廣西 宜州 546300)

        機會網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)機制的研究

        龔丁海1,2

        (1.廣西師范大學(xué) 計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.河池學(xué)院 數(shù)學(xué)系,廣西 宜州 546300)

        通過詳細(xì)描述路由轉(zhuǎn)發(fā)算法-傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法的轉(zhuǎn)發(fā)過程,分析此種算法存在的不足,提出一種基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法,并對該算法進(jìn)行簡要評價。

        機會網(wǎng)路;轉(zhuǎn)發(fā)機制;傳染轉(zhuǎn)發(fā)

        傳統(tǒng)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的路由協(xié)議通常隱含以下假設(shè):即網(wǎng)絡(luò)大部分時候是連通的,任一節(jié)點對之間存在至少一條完整的端到端的路由。機會網(wǎng)絡(luò)[1-2]是利用節(jié)點移動帶來的相遇機會實現(xiàn)通信的一種新型無線自組織網(wǎng)絡(luò)模型,其目的是為了解決頻繁間斷網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通訊問題。在機會網(wǎng)絡(luò)中,由于節(jié)點移動不可預(yù)測、稀疏、能量和存儲受限等因素導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涑霈F(xiàn)割裂,使源和目標(biāo)節(jié)點位于不同的連通域,導(dǎo)致傳統(tǒng)的無線自組網(wǎng)路由通信協(xié)議無法有效運行。機會網(wǎng)絡(luò)中這種節(jié)點間接觸率的不一致性,節(jié)點移動的隨機性和網(wǎng)絡(luò)信息的匱乏,導(dǎo)致通信必須依靠節(jié)點移動和多跳實現(xiàn)。因此,在機會網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計中,常采用“存儲—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)”模式。近幾年來,很多學(xué)者對機會網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)機制做了大量的研究工作,并取得了一定的成果,其中,傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法(Epidemic Forwarding,EF)[3]是比較經(jīng)典的路由算法。本文主要對該算法進(jìn)行評價分析,并針對傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法存在的問題,提出一種基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法(Epidemic Based on Forwarding Metric,EFM),最后對該算法進(jìn)行簡單的評價。

        1 傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法的轉(zhuǎn)發(fā)機制

        傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法是為了解決部分連通的Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由通信而提出,其設(shè)計目的:(1)提高消息的投遞率;(2)減少消息的傳輸延遲;(3)減少消息傳遞的總資源消耗[3]。為完成以上的設(shè)計目的,傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法試圖通過洪泛將消息轉(zhuǎn)發(fā)給所有鄰居節(jié)點,直到消息過期或最終到達(dá)目的節(jié)點。圖1為消息源節(jié)點到目的節(jié)點的消息路由示意圖。(a)圖表示是在t1時刻,源節(jié)點S試圖將消息m發(fā)送給目的節(jié)點D,但不存在連接的路徑,S將消息m轉(zhuǎn)發(fā)給在其直接傳輸范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點N1和N2;(b)圖表示在某時刻t2>t1,節(jié)點N2移動到節(jié)點N4的直接通信范圍內(nèi),將消息m轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點N4,N4再將消息轉(zhuǎn)發(fā)給在其通信范圍內(nèi)的目的節(jié)點D。

        圖1 源節(jié)點到目的節(jié)點傳遞消息示意圖

        傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法的工作原理具體描述如下:網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都有一個存儲消息的緩存,每個消息有一個網(wǎng)絡(luò)中唯一的標(biāo)識ID,節(jié)點以該標(biāo)識為索引建立一個哈希索引表。同時節(jié)點維持一個向量表SV(Summary Vector),用于記錄節(jié)點緩存中存儲的消息。當(dāng)節(jié)點i和節(jié)點j相遇時,其轉(zhuǎn)發(fā)步驟如下:

        Step1:節(jié)點i向節(jié)點j發(fā)送向量表SVi;

        Step2:節(jié)點j收到i發(fā)送的SVi后,與SVj相比較,找出在SVi中有,而在SVj中沒有的項,構(gòu)成另一個向量SV1,向量SV1記錄節(jié)點i緩存中有而節(jié)點j沒有的消息,并將SV1發(fā)送給節(jié)點i;

        Step3:節(jié)點i收到SV1后,將向量SVi中標(biāo)識的消息逐條發(fā)送;

        Step4:節(jié)點j收到i發(fā)送的消息,更新SVj

        通過以上四個步驟完成了節(jié)點i向j的消息傳送,圖2為傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法中消息轉(zhuǎn)發(fā)的工作原理。同樣,節(jié)點j也通過以上步驟向節(jié)點i完成消息的傳送。當(dāng)操作完成后,兩個節(jié)點的緩存里有同樣的消息。當(dāng)碰到其他鄰居節(jié)點時,繼續(xù)重復(fù)以上步驟,直到消息過期(TTL過期或超出最大傳遞跳數(shù))或消息到達(dá)目的節(jié)點。

        圖2 消息轉(zhuǎn)發(fā)原理

        2 傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法的性能

        傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法的主要思想是“存儲—攜帶—轉(zhuǎn)發(fā)”,以洪泛的方式將消息轉(zhuǎn)發(fā)給相遇的節(jié)點,以期望能有更多的節(jié)點參與消息的轉(zhuǎn)發(fā),最終以較高的成功傳達(dá)率到達(dá)目的節(jié)點。在傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法中,實際上隱含有一個條件,即越多的節(jié)點參與消息的轉(zhuǎn)發(fā),消息成功到達(dá)目的節(jié)點的可能性就越大。但以上隱含的條件忽略了一個事實,即并不是所有的節(jié)點,都是“好”的消息轉(zhuǎn)發(fā)者,如源節(jié)點S,將消息轉(zhuǎn)發(fā)給相遇節(jié)點A,但是節(jié)點A卻很少與其他節(jié)點相遇,很少有機會將來自源節(jié)點的消息成功轉(zhuǎn)發(fā)。這種情況下,源節(jié)點S到節(jié)點A的消息轉(zhuǎn)發(fā)造成了網(wǎng)絡(luò)帶寬的浪費,消息副本的產(chǎn)生也提高了消息轉(zhuǎn)發(fā)的成本。節(jié)點無限制的轉(zhuǎn)發(fā)消息,使網(wǎng)絡(luò)中存在大量的無用的消息副本,易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。另外一種情況是,當(dāng)節(jié)點的緩存空間有限時,由于消息的洪泛,易造成節(jié)點緩沖的溢出,節(jié)點就會選擇將存儲時間較長的消息刪除。因此,在傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法中,高傳達(dá)率的條件是要求網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)帶寬和緩存等網(wǎng)絡(luò)資源充足。而在機會網(wǎng)絡(luò)中,實際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點帶寬和緩存等資源是受限的,因此隨著網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)的增大,其性能由于廣播導(dǎo)致的擁塞會急劇下降[2]。

        3 基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法

        從上面分析可知,傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法實際上是一種洪泛算法,存在一定的缺陷,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)資源受限時,會由于無限制的洪泛,造成網(wǎng)絡(luò)擁塞,大大影響該算法的性能。改善該算法性能的一個方法就是通過某種方法限制洪泛,減少消息轉(zhuǎn)發(fā)過程中消息副本的數(shù)量。此外,網(wǎng)絡(luò)中一個活躍的節(jié)點會經(jīng)常與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點相遇,也會不時地與目的節(jié)點相遇。因此,可根據(jù)這一特征設(shè)置一個轉(zhuǎn)發(fā)度量,作為轉(zhuǎn)發(fā)消息的依據(jù),消息持有者只將消息轉(zhuǎn)發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)度量值比自己高的節(jié)點,限制網(wǎng)絡(luò)中的洪泛。

        3.1 基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法轉(zhuǎn)發(fā)度量的估算

        基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法在估算轉(zhuǎn)發(fā)度量時,同時考慮節(jié)點與其他節(jié)點的接觸率和與消息的目的節(jié)點最后相遇時間。設(shè)定時間窗口T,轉(zhuǎn)發(fā)度量x定義如下:

        其中α是權(quán)重常量(α∈[0,1]),r為消息持有者與其他節(jié)點的接觸率,即單位時間內(nèi),與其他節(jié)點的接觸次數(shù);t為當(dāng)前時間減去節(jié)點與目的節(jié)點最近接觸的時間,時間單位與窗口值T相同。α為零時,轉(zhuǎn)發(fā)度量只考慮與目的節(jié)點最后相遇的時間;α為1時,轉(zhuǎn)發(fā)度量只考慮節(jié)點與其他節(jié)點的接觸率。

        由公式(1)可知,當(dāng)節(jié)點與其他節(jié)點的接觸次數(shù)越多,且距離與目的節(jié)點最近相遇的時間越短,其轉(zhuǎn)發(fā)度量越高,則會有更多的消息轉(zhuǎn)發(fā)給該節(jié)點;當(dāng)節(jié)點與其他節(jié)點長時間沒有接觸時,接觸率降低,則轉(zhuǎn)發(fā)度量值低,消息持有者不會將消息轉(zhuǎn)發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)度量值低于自己的節(jié)點。長時間沒有與其他節(jié)點或目的節(jié)點接觸的節(jié)點,其轉(zhuǎn)發(fā)度量隨時間不斷下降,當(dāng)持有消息時,會在偶爾的與其他節(jié)點相遇時,將消息轉(zhuǎn)發(fā)給度量值高的節(jié)點。

        3.2 基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法的轉(zhuǎn)發(fā)步驟

        初始化:任意節(jié)點i和j分配有轉(zhuǎn)發(fā)度量值x,每個節(jié)點維持一個向量表SV,SV中含有該緩存區(qū)存儲的消息及轉(zhuǎn)發(fā)度量x。

        假設(shè)節(jié)點i攜帶消息,目標(biāo)節(jié)點為d,當(dāng)節(jié)點i與j相遇時,i執(zhí)行的消息轉(zhuǎn)發(fā)流程如下:

        Step1:向j發(fā)送目標(biāo)節(jié)點為j的消息,記錄其ID并將消息副本從緩存中刪除。

        Step2:與j交換消息向量表SV,挑選出符合xi<xj的消息,將其ID匯總成一個向量表SV1向j發(fā)送。

        Step3:節(jié)點j接收到SV1后,從SV1中刪除其已經(jīng)緩存消息對應(yīng)的ID,并發(fā)回i。

        Step4:節(jié)點i接收到j(luò)返回的SV1后,將SV1表中的消息按照xj從大到小排隊,組成消息轉(zhuǎn)發(fā)隊列L。

        Step5:若L為空,則轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束,退出。否則取隊首消息,將消息轉(zhuǎn)發(fā)給j,并將其從L和緩存中刪除,轉(zhuǎn)Step5。

        3.3 基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法的評價

        基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法相對于傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法,主要改進(jìn)了消息無限制的洪泛,通過比較節(jié)點對某個消息的轉(zhuǎn)發(fā)度量,選擇是否進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā),從而限制了消息無限制的轉(zhuǎn)發(fā),控制消息轉(zhuǎn)發(fā)過程中消息副本的數(shù)量,減少了轉(zhuǎn)發(fā)成本,即減少了網(wǎng)絡(luò)消息副本的數(shù)量,避免了網(wǎng)絡(luò)中由于消息廣播而引起的網(wǎng)絡(luò)擁塞。

        4 結(jié)束語

        機會網(wǎng)絡(luò)是最近引起廣泛關(guān)注的一種新興無線自組網(wǎng),由于其網(wǎng)絡(luò)特性,傳統(tǒng)無線自組網(wǎng)中的路由轉(zhuǎn)發(fā)算法大多不適用于機會網(wǎng)絡(luò),其轉(zhuǎn)發(fā)機制還有待進(jìn)一步研究。傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法是一種具有代表性的機會轉(zhuǎn)發(fā)機制,本文提出的基于轉(zhuǎn)發(fā)度量的傳染算法改進(jìn)了傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法的性能,較好的解決了傳染轉(zhuǎn)發(fā)算法中存在的問題。

        [1]Hunag C H,Lan K C,Tsai C Z.A survey of opportunistic networks[C]//Proceeding of the22nd International Conference on Advanced Information Networking and Applications.Ginowan:IEEE Press,2008:1 672 - 1 677.

        [2]熊永平,孫利民,牛建偉,等.機會網(wǎng)絡(luò)[J].軟件學(xué)報,2009,20(1):124 -137.

        [3]Vahdat A,Becker D.Epidemic routing for partially connected ad hoc networks,CS-2000-06[R].Durham Nc:Department of Computer Science,Duke University,2000.

        Research on Forwarding Mechanism in Opportunistic Networks

        GONG Ding-hai1,2
        (1.School of Computer Science and Information Engineering,Guangxi Normal University,Guilin,Guangxi 541004;2.Department of Mathematics,Hechi University,Yizhou,Guangxi 546300,China)

        This paper describes the forwarding process of a routing forwarding algorithm,epidemic forwarding algorithm in detail and analyzes its deficiency.Then it proposes a new epidemic algorithm that is based on forwarding metric,and briefly evaluates this algorithm.

        opportunistic network;forwarding mechanism;epidemic forwarding

        TP393.0

        A

        1672-9021(2011)02-0049-03

        龔丁海(1979-),男,湖南郴州人,河池學(xué)院數(shù)學(xué)系講師,主要研究方向:計算機軟件與理論。

        2011-03-10

        [責(zé)任編輯 劉景平]

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