基于馬爾可夫相遇時(shí)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(guò)移動(dòng)獲得的通信機(jī)會(huì)對(duì)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(duì)此，本文提出了基于馬爾可夫相遇時(shí)間間隔預(yù)測(cè)的擁塞控制策略(CCSMP)主要是通過(guò)規(guī)定節(jié)點(diǎn)緩存的排隊(duì)方式和丟棄機(jī)制，將預(yù)測(cè)得到的較早與目的節(jié)點(diǎn)相遇的報(bào)文排于隊(duì)首，盡可能丟棄效用值較低的報(bào)文，進(jìn)而解決由于節(jié)點(diǎn)緩存有限而帶來(lái)的擁塞問(wèn)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(chǔ)-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(méi)有和其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接時(shí)，將消息暫時(shí)存儲(chǔ)在本地緩存當(dāng)中，直到節(jié)點(diǎn)和其他并未存儲(chǔ)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(huì)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(shí)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(jì)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(cuò)失一些轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會(huì)，增大了傳輸時(shí)延。
利用節(jié)點(diǎn)相遇機(jī)會(huì)與相遇概率的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，為設(shè)計(jì)延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由提供了一個(gè)新思路。本文提出了基于馬爾可夫[4]相遇時(shí)間間隔預(yù)測(cè)的擁塞控制策略，該策略應(yīng)用馬爾可夫模型對(duì)攜帶報(bào)文的源節(jié)點(diǎn)和該報(bào)文的目的節(jié)點(diǎn)之間的相遇時(shí)間間隔序列進(jìn)行預(yù)測(cè)，在預(yù)測(cè)出緩存的報(bào)文中哪一個(gè)最有可能最早遇到其目的節(jié)點(diǎn)之后，通過(guò)模型將這種可能性量化，進(jìn)而通過(guò)量化值結(jié)合報(bào)文剩余生命期(TTL)對(duì)其進(jìn)行緩存排序，提出一種新的擁塞控制方法中的排隊(duì)策略。根據(jù)報(bào)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(bào)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(bào)文未來(lái)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(cè)到的時(shí)間間隔即可確定報(bào)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(bào)文在緩存中的丟棄策略，最后將排隊(duì)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(shí)間間隔預(yù)測(cè)的擁塞控制策略。
1 馬爾可夫模型統(tǒng)計(jì)條件相遇時(shí)間間隔
在某些含有興趣節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)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(shuō)節(jié)點(diǎn)之間相遇的時(shí)間間隔存在著一種內(nèi)在規(guī)律，因此他們可以通過(guò)馬爾可夫模型統(tǒng)計(jì)以往的時(shí)間間隔序列來(lái)預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)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(bào)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(shí)間上。節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)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(gè)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(guò)節(jié)點(diǎn)間的條件相遇歷史信息估測(cè)。以下給出利用節(jié)點(diǎn)間的條件相遇歷史信息預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)相遇情況的理論依據(jù)。已有的估計(jì)方法中，大多數(shù)通過(guò)相遇頻率、總的或者平均接觸時(shí)間和平均斷開時(shí)間來(lái)評(píng)估節(jié)點(diǎn)對(duì)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(shí)間間隔T內(nèi)的相遇持續(xù)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間來(lái)評(píng)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(shí)間都相同，然而c因?yàn)楦泳鶆虻慕佑|，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(jì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的能力，因此需要設(shè)計(jì)更好的度量指標(biāo)來(lái)準(zhǔn)確估計(jì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)能力[5]。
2 相應(yīng)路徑計(jì)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?dòng)態(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(shí)間，節(jié)點(diǎn)移動(dòng)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(shí)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(shí)間間隔作為選擇最短路徑的依據(jù)，從而動(dòng)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(guò)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(shí)延。
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