基于馬爾可夫相遇時間間隔的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由策略論文

　　摘 要：在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的連接具有間斷性和未知性，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間不存在完整的通信路徑，使得節(jié)點(diǎn)僅能通過移動獲得的通信機(jī)會對待轉(zhuǎn)發(fā)消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，易導(dǎo)致其轉(zhuǎn)發(fā)成功率較低。對此，本文提出了基于馬爾可夫相遇時間間隔預(yù)測的擁塞控制策略(CCSMP)主要是通過規(guī)定節(jié)點(diǎn)緩存的排隊方式和丟棄機(jī)制，將預(yù)測得到的較早與目的節(jié)點(diǎn)相遇的報文排于隊首，盡可能丟棄效用值較低的報文，進(jìn)而解決由于節(jié)點(diǎn)緩存有限而帶來的擁塞問題。

　　關(guān)鍵詞：延遲容忍網(wǎng)絡(luò) CCSMP 通信路徑

　　隨著延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的興起，以存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的方式轉(zhuǎn)發(fā)消息的方式通常被利用在此種網(wǎng)絡(luò)之中。當(dāng)節(jié)點(diǎn)擁有待轉(zhuǎn)發(fā)消息，但節(jié)點(diǎn)并沒有和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接時，將消息暫時存儲在本地緩存當(dāng)中，直到節(jié)點(diǎn)和其他并未存儲該消息的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接;若所遇節(jié)點(diǎn)有利于將該消息轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，則將該消息轉(zhuǎn)發(fā)給所遇節(jié)點(diǎn)[1]。利用此種方式的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)策略有單副本、多副本和編碼副本等。以往的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由策略，如Epidemic路由機(jī)制，利用節(jié)點(diǎn)的相遇機(jī)會泛洪消息副本。雖然這種泛洪機(jī)制可以使消息在最短的時間內(nèi)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，但是產(chǎn)生的消息副本數(shù)量大，網(wǎng)絡(luò)易發(fā)生擁塞，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)[2]。而利用相遇概率的有選擇性的類單副本轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，如PRoPHET路由機(jī)制[3]，利用統(tǒng)計節(jié)點(diǎn)相遇概率的方法，有選擇性的發(fā)送消息副本，減少網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。但可能錯失一些轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會，增大了傳輸時延。

　　利用節(jié)點(diǎn)相遇機(jī)會與相遇概率的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，為設(shè)計延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由提供了一個新思路。本文提出了基于馬爾可夫[4]相遇時間間隔預(yù)測的擁塞控制策略，該策略應(yīng)用馬爾可夫模型對攜帶報文的源節(jié)點(diǎn)和該報文的目的節(jié)點(diǎn)之間的相遇時間間隔序列進(jìn)行預(yù)測，在預(yù)測出緩存的報文中哪一個最有可能最早遇到其目的節(jié)點(diǎn)之后，通過模型將這種可能性量化，進(jìn)而通過量化值結(jié)合報文剩余生命期(TTL)對其進(jìn)行緩存排序，提出一種新的擁塞控制方法中的排隊策略。根據(jù)報文在網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)復(fù)制或者傳遞的次數(shù)確定該報文已經(jīng)交付到目的節(jié)點(diǎn)的可能性，根據(jù)剩余TTL值確定該報文未來可能交付到目的節(jié)點(diǎn)的可能性，再根據(jù)馬爾可夫模型預(yù)測到的時間間隔即可確定報文下幾跳到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的可能性，結(jié)合這三種可能性確定報文在緩存中的丟棄策略，最后將排隊策略和丟棄策略結(jié)合應(yīng)用到節(jié)點(diǎn)緩存的管理中，即得到本文所述的基于馬爾可夫相遇時間間隔預(yù)測的擁塞控制策略。

　　1 馬爾可夫模型統(tǒng)計條件相遇時間間隔

　　在某些含有興趣節(jié)點(diǎn)的場景中，比如校園網(wǎng)絡(luò)中學(xué)生經(jīng)常出現(xiàn)在教學(xué)樓，食堂和宿舍，這些節(jié)點(diǎn)間的相遇并不是偶然的，或者說節(jié)點(diǎn)之間相遇的時間間隔存在著一種內(nèi)在規(guī)律，因此他們可以通過馬爾可夫模型統(tǒng)計以往的時間間隔序列來預(yù)測下一個時間間隔的大致范圍，這樣就能夠盡可能準(zhǔn)確地找到緩存中有可能最早交付的報文。

　　節(jié)點(diǎn)間的相關(guān)性不僅體現(xiàn)在直接相遇次數(shù)和相遇時間上。節(jié)點(diǎn)的移動行為往往受其他因素的影響。例如：在現(xiàn)實(shí)生活中，人與人之間的交往，使得每個人都不是孤立存在的，必然與其他人產(chǎn)生相關(guān)性。這種相關(guān)性，可通過節(jié)點(diǎn)間的條件相遇歷史信息估測。以下給出利用節(jié)點(diǎn)間的條件相遇歷史信息預(yù)測節(jié)點(diǎn)相遇情況的理論依據(jù)。已有的估計方法中，大多數(shù)通過相遇頻率、總的或者平均接觸時間和平均斷開時間來評估節(jié)點(diǎn)對間的鏈路質(zhì)量，然而這些參數(shù)都不能夠準(zhǔn)確的表示節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)概率。

　　圖1中的陰影區(qū)域表示在節(jié)點(diǎn)i和j時間間隔T內(nèi)的相遇持續(xù)時間。在a和b兩種情況下，相遇頻率相同而b中相遇持續(xù)時間明顯高于a。因此，b情況能夠提供更好的通信服務(wù)。相比較b與c，相遇持續(xù)時間相同而頻率不同，顯然頻率更高的c具有更高的轉(zhuǎn)發(fā)概率。因此，進(jìn)根據(jù)相遇頻率和總的持續(xù)時間來評估節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)能力是不科學(xué)的。在c和d情況下的相遇頻率和總的持續(xù)時間都相同，然而c因?yàn)楦�加均勻的接觸，使其比d更加勝任消息的轉(zhuǎn)發(fā)。總之，僅僅依靠這些參數(shù)難以全面的估計節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能力，因此需要設(shè)計更好的度量指標(biāo)來準(zhǔn)確估計節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)能力[5]。

　　2 相應(yīng)路徑計算方法

　　傳統(tǒng)的最短路徑策略僅憑借節(jié)點(diǎn)之間的通信距離選擇最佳通信路徑;但此種方法僅適用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)變化的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中，最佳通信路徑受限于節(jié)點(diǎn)連接時間，節(jié)點(diǎn)移動速度等客觀因素。選擇合適的通信路徑是延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)。由于馬爾可夫相遇時間間隔可較為準(zhǔn)確的體現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的相關(guān)性，因此，利用該相遇時間間隔作為選擇最短路徑的依據(jù)，從而動態(tài)選擇中繼節(jié)點(diǎn)，組成最優(yōu)通信路徑。

　　其中， 表示兩節(jié)點(diǎn)的連接緊密程度，連接緊密程度越大，其轉(zhuǎn)發(fā)消息的成功率越大。

　　由公式可選出節(jié)點(diǎn)間的最短路徑，待轉(zhuǎn)發(fā)消息通過分布式的轉(zhuǎn)發(fā)模式，逐步轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)延遲容忍網(wǎng)絡(luò)中的通信，從而減少不必要的中繼轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，降低網(wǎng)絡(luò)中冗余副本的數(shù)量和傳輸時延。

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