機會網絡擁塞控制的研究

劉席開，劉桂開

機會網絡擁塞控制的研究

劉席開1，劉桂開2

（1．湖南省通信建設有限公司 研發(fā)部，湖南 長沙 410003；2. 湖南科技大學 計算機科學與工程學院，湖南 湘潭 411201）

機會網絡發(fā)生擁塞使結點的存儲空間處于持續(xù)耗盡狀態(tài)，將嚴重影響機會網絡的性能。機會網絡采用的是存儲-攜帶-轉發(fā)路由模式，通過利用節(jié)點移動所形成的相遇機會，逐跳轉發(fā)消息來實現(xiàn)節(jié)點之間的通信，這種與傳統(tǒng)網絡不相同的組網方式給擁塞控制機制帶來了新的挑戰(zhàn)。首先介紹了機會網絡路由與轉發(fā)機制，并分析了現(xiàn)有路由協(xié)議有可能導致?lián)砣a生的原因，然后闡述了機會網絡擁塞控制與延遲容忍網絡之間的聯(lián)系，簡要敘述了自適應擁塞控制方法更適合機會網絡，并對機會網絡自適應擁塞控制研究進展進行了討論，最后進行總結并展望了機會網絡擁塞控制技術未來的研究方向。

機會網絡；延遲容忍網絡；自適應擁塞控制；分流策略；限流策略

機會網絡(Opportunistic Network)是一種特殊的移動自組織網絡，利用結點移動帶來的相遇機會實現(xiàn)結點之間的通信。機會網絡的有些概念來自于延遲容忍網絡[1]的研究，目前還沒有一個嚴格的定義，文獻[2]對機會網絡是這樣描述的：機會網絡不要求源結點和目的結點之間存在完整的路徑，是一種利用結點移動所帶來的相遇機會實現(xiàn)通信和組網的自組織網絡。由于機會網絡對組網沒有全連通的要求，所以能夠更好地滿足實際的自組織網絡需求。機會網絡可以應用于網絡環(huán)境惡劣、缺乏通信基礎設施以及應對緊急突發(fā)事件的場合，因此在軍事和民用無線通信領域都具有非常重要的研究和應用價值，如普林斯頓大學的ZebraNet項目[3]、歐盟FP6的Haggle項目[4]等。值得一提的是，面對2011年發(fā)生在日本的大地震和海嘯，有學者提出在移動終端上設置災難模式的功能[5]，當網絡基礎設施遭到破壞而無法正常通信時，用戶可以啟動災難模式，通過移動終端之間建立機會網絡來進行緊急通信，這項研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。另外，從未來網絡的發(fā)展來看，在普適移動計算環(huán)境中，機會網絡也是一種很好的通信模式，可以充分利用各種計算資源和通信機會。

從近幾年對機會網絡的研究情況來看，人們關注的重點主要是機會網絡的轉發(fā)機制和路由協(xié)議，研究目標注重于在有限存儲和傳輸受限的條件下，提高機會網絡的性能，包括消息傳輸?shù)某晒β省r延、分組丟失率等方面，一般基于網絡中資源的無限性假定，即假定所有機會網絡結點都愿意參與到其他結點對消息的轉發(fā)，幫助其他結點達到更好的轉發(fā)成功率和更小的轉發(fā)時延，而對于結點或網絡資源的消耗、流量分布、全網資源的使用效能等方面卻不是其核心關注點。但是，當流量不受限制或者負載分布不均衡時就會引起單個結點或者網絡的擁塞，如果擁塞控制解決不好，文獻[6]指出，在機會網絡中發(fā)生擁塞所表現(xiàn)出來的情況是結點的存儲空間會處于持續(xù)耗盡的狀態(tài)，將嚴重影響機會網絡的性能。面對機會網絡的擁塞控制問題，一方面，傳統(tǒng)的擁塞控制協(xié)議在機會網絡中起不到任何作用，因為這些協(xié)議都假設網絡中存在端到端的連接，并且依賴于接收端返回的確認消息。由于機會網絡中沒有端到端的連接，使得一個消息的發(fā)送端在消息傳輸過程中獲取反饋信息并避免途經結點發(fā)生擁塞變得很困難。另一方面，國內外主要研究都是圍繞機會網絡路由，而針對機會網絡的擁塞控制研究則較少。所以，需要針對機會網絡的特點研究新的擁塞控制方法。合適的擁塞控制機制是機會網絡獲得網絡可靠性、網絡穩(wěn)定性和網絡可接受性能的關鍵技術，對機會網絡的發(fā)展有重大影響。本文對機會網絡擁塞控制研究進展進行分析。

1 機會網絡路由與轉發(fā)機制

在傳統(tǒng)的移動自組織網絡（MANET：Mobile Ad hoc Network）中，都假設任意兩個結點之間至少存在一條完整的端到端的通信路徑，如AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector)、DSR(Dynamic Source Routing)[7]、STR (Subarea Tree Routing)[8]等路由協(xié)議或路由算法的設計。不過，源結點與目的結點之間不存在端到端的通路并不能說明兩個無線網絡結點之間不能實現(xiàn)消息的傳遞，因為在無線網絡中，結點通過自由移動，可以相互到達彼此的信號覆蓋范圍，從而實現(xiàn)信息交互，機會網絡[9]就是利用這種兩個結點之間的相遇機會、并經過逐跳（hop-by-hop）傳輸將數(shù)據(jù)從源結點傳送到目的結點的網絡。傳統(tǒng)的移動自組網傳送數(shù)據(jù)包采用的是“存儲-轉發(fā)”模式，而機會網絡將消息存儲和路由轉發(fā)機制結合在一起，以“存儲-攜帶-轉發(fā)（Store-Carry-Forward）”模式傳輸數(shù)據(jù)，允許網絡結點在結點稀疏、高移動性、高延遲或者鏈路不穩(wěn)定的網絡環(huán)境中進行通信。當一個結點不知道去往目的結點的下一跳結點時，先將消息緩存，隨自己移動，并等待合適的轉發(fā)機會，當與其他結點相遇時，就將消息轉發(fā)給另一個結點，就這樣依靠結點的相遇來進行消息的轉發(fā)，直到轉發(fā)給目的結點。由于這種新興的組網方式與傳統(tǒng)網絡通信模式之間存在很大差別，所以引起了學術界非常大的興趣，網絡領域一些著名的會議還成立了專門的研討會，如 PERCOM 的 ICMAN、ICDCS的 DTMN、Mobicom的CHANTS以及MobiSys的MobiOPP等。在我國，對機會網絡的研究也已經逐步展開，許多科研人員對此進行了探索和研究[10-14]。

轉發(fā)和路由是任何組網技術的首要問題，在機會網絡中，首先要解決的就是針對每個消息如何選擇合適的轉發(fā)時機和確定最好的下一跳轉發(fā)節(jié)點。根據(jù)轉發(fā)策略的不同，可以將機會網絡轉發(fā)機制劃分為四種：第一種是基于冗余的轉發(fā)機制[15-16]，在這種機制中采用的是消息復制或編碼的方法，每個消息都有多個冗余的消息在網絡中傳播，這樣通過多條路徑并行傳輸可以達到提高消息傳輸可靠性的目的。第二種是基于效用值的轉發(fā)機制[17-19]，使用單路徑、單消息拷貝，利用一個估計函數(shù)給每個結點賦予轉發(fā)效用值(Utility)，根據(jù)網絡狀態(tài)信息來決定下一跳結點。第三種是冗余與效用混合轉發(fā)機制[20-22]，這種轉發(fā)機制綜合了基于冗余的轉發(fā)機制與基于效用的轉發(fā)機制，其中每個消息不僅會產生多個冗余消息在網絡中傳播，而且每個冗余消息還需要根據(jù)基于效用值（Utility）的轉發(fā)策略傳遞到目的結點。最后一種是基于結點主動運動的轉發(fā)機制[23-24]，這種轉發(fā)機制的特點是結點有目的地主動運動，因為一般情況下，機會網絡中的結點都是隨機移動的，是在被動地等待下一跳連接的機會。相比之下，當某些結點能夠在一定的范圍內經由主動運動來為其它機會結點提供數(shù)據(jù)轉發(fā)或數(shù)據(jù)傳輸服務時，網絡的傳輸效率無疑會得到提高。在機會網絡中，除了傳輸受到限制外，另外一個重要的方面是，由于機會網絡中需要有相遇機會才能傳輸數(shù)據(jù)，帶來的直接影響就是端到端的長時延，導致數(shù)據(jù)在傳送到目的結點之前要在網絡中滯留相當長的時間，這樣需要通過中繼結點攜帶的數(shù)據(jù)會越積越多，有可能很快就將中繼結點的存儲空間消耗盡，因此相比于傳統(tǒng)的移動自組織網絡（MANET）而言，機會網絡對緩存空間容量存在著更高的要求，文獻[10]、[25]對機會網絡緩存管理策略進行了研究。其他的研究還包括機會網絡結點移動模型[25]、基于機會通信的數(shù)據(jù)分發(fā)和檢索[27-28]等方面?，F(xiàn)有的機會網絡路由協(xié)議一般基于網絡中資源的無限性假定，對擁塞控制問題研究較少。如基于冗余的轉發(fā)機制，為了提高消息傳輸成功率和減小時延，建立了很多消息副本在網絡中傳送，以期至少有一個消息副本能夠盡快到達目的結點。但這么多的消息副本都需要其他結點的攜帶和轉發(fā)，在資源稀缺的機會網絡中，導致?lián)砣a生的可能性非常大。對于基于效用的轉發(fā)機制和基于結點主動運動的轉發(fā)機制，同樣存在擁塞產生的可能，因為流量會向連接狀態(tài)好的結點或網絡區(qū)域流動，達到一定的程度就會產生擁塞。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)利用社區(qū)概念可以優(yōu)化機會網絡的轉發(fā)性能[29]，但也有文獻指出基于社區(qū)的轉發(fā)機制會導致不均衡的流量分布[30]?？梢?，擁塞問題解決不好，將嚴重影響機會網絡的性能。

2 機會網絡擁塞控制

當網絡的流量過大，或者網絡中存在過多的報文集中流向某些結點或網絡區(qū)域，就會使網絡的可用資源無法滿足業(yè)務對網絡資源的需求，導致網絡性能的下降，這種現(xiàn)象就稱為擁塞。事實上，網絡擁塞的產生主要是因為網絡資源的使用和網絡流量的分布不均衡所造成的，如果網絡流量集中流向某些結點或網絡區(qū)域，就會造成網絡中局部流量過高而發(fā)生擁塞。如果對網絡資源的使用和流量的分布進行控制，就能保障網絡流量的暢通和網絡性能的平穩(wěn)，這種既能使用戶服務質量得到一定保障、又能使網絡吞吐量達到最大的機制就稱為擁塞控制。一般來說，擁塞控制包含擁塞檢測、信息反饋和擁塞處理三個環(huán)節(jié)。擁塞檢測就是監(jiān)控網絡資源使用情況和流量分布的過程，判斷網絡中是否出現(xiàn)了擁塞。但擁塞控制的代價和擁塞控制的性能評價因出發(fā)點不同則其所關注的重點也不盡相同，對用戶來說，主要考慮的是帶寬、時延、吞吐量等方面；從網絡的角度主要考慮網絡的吞吐量、流量分布的均衡性、網絡的穩(wěn)定性、全網收益等；從網絡結點如路由器的角度主要考慮鏈路利用率、分組丟失率、緩存區(qū)容量、隊列長度等。檢測網絡擁塞程度的指標主要有重傳超時時間、平均隊列長度、平均分組時延、丟棄分組的比例、緩沖區(qū)容量大小、信道利用率、負載強度等。擁塞控制機制可以分為開環(huán)和閉環(huán)兩種方式，其中不使用反饋信息對擁塞實施控制的是開環(huán)方式，它是一種主動的擁塞預防機制，其目的是采用靜態(tài)分配資源策略，主動避免網絡擁塞的產生，從而使網絡平穩(wěn)地運行在高吞吐量的狀態(tài)之下。閉環(huán)控制是使用反饋信息對擁塞實施控制，它是一種被動的擁塞恢復機制，采用的是流量控制、緩解擁塞的解決思路，源端可以通過獲取分組丟失、時延等信息來判斷網絡的擁塞程度，然后采取相應的控制措施把網絡從擁塞的狀態(tài)中恢復過來。擁塞處理就是對網絡擁塞進行控制，既要預防網絡出現(xiàn)擁塞，又要能在網絡發(fā)生擁塞后將網絡從擁塞中恢復過來。在Internet中進行擁塞控制可以追溯到1988年為TCP協(xié)議設計的控制機制[31]。在TCP協(xié)議中，發(fā)送結點從接收結點返回的確認消息判斷是否有分組丟失或時延太大，TCP的每個端點通過改變窗口大小來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送速率，以應對網絡擁塞。TCP擁塞控制機制包含了4個基本算法，即慢啟動、擁塞避免、快速重傳和快速恢復。其他用于Internet的擁塞控制方法還有RED (Random Early Detection)、ECN(Explicit Congestion Notification)等。對傳統(tǒng)移動自組織網絡擁塞控制的研究，主要考慮移動自組織網絡中有限的帶寬資源、結點能量的限制等因素，要求路由協(xié)議合理選擇路徑使網絡數(shù)據(jù)流快速地通過整個網絡，采用的方法包括多路徑均衡網絡負載、擁塞自適應協(xié)議等[32-34]。網絡擁塞的產生與網絡的設計密切相關，所以擁塞控制機制也是在一定前提下提出來的。如前面所述，Internet擁塞控制是由源端或目的端驅動、依賴傳遞確認消息的閉環(huán)控制。機會網絡由于與Internet相比，在路由機制、信道特性、端到端連接、可靠性、傳播時延等許多方面都有較大的不同，并且不符合TCP的基本假設條件，所以，機會網絡的擁塞控制適合使用開環(huán)控制。對于機會網絡的擁塞控制，要從延遲容忍網絡說起，因為機會網絡的部分概念來自于之前針對延遲容忍網絡的研究。延遲容忍網絡是具有間斷連接特性、信息在傳遞過程中會經歷長時延或可變時延和高誤碼率的新型無線網絡，其網絡特性導致其路由、擁塞控制和安全都面臨新的挑戰(zhàn)，因此IRTF（Internet Research Task Force）創(chuàng)建了一個新的研究組 DTNRG（DTN Research Group）來研究延遲容忍網絡，并引入一個新的協(xié)議層-Bundle層 。Bundle層通過建立存儲-轉發(fā)機制，使得延遲容忍網絡中的節(jié)點在間斷性的連接環(huán)境下可以通信。Bundle（有關文獻將其翻譯為“束”）是一種比IP包大很多的數(shù)據(jù)單元，為的是允許建立僅經過一次消息交換就能夠完成應用交互的獨立消息。對比機會網絡與延遲容忍網絡，二者的區(qū)別在于：延遲容忍網絡中兩個結點之間是否可以建立連接是已知的，只是連接不是一直存在，連接建立可以是定期進行，也可能是隨機建立，即連接的建立存在延遲。而機會網絡中兩個結點之間是否可以建立連接是未知的，完全依靠相遇機會來建立連接，Pelusi L等[8]認為機會網絡是一個更一般的概念，它包含了延遲容忍網絡?？梢?，機會網絡在路由、擁塞控制和安全方面更具挑戰(zhàn)性。但由于機會網絡和延遲容忍網絡都處于快速發(fā)展階段，加上二者都具有斷續(xù)連接的特性，所以很多研究工作并沒有將二者進行嚴格區(qū)分。在擁塞控制研究方面，人們首先研究的是延遲容忍網絡的擁塞控制，后來有了機會網絡的概念后，就將機會網絡納入到了研究的范疇。文獻[36]對延遲容忍網絡擁塞控制的研究進行了總結，文中根據(jù)擁塞的資源關注點不同將延遲容忍網絡擁塞控制分為結點級擁塞、鏈路級擁塞和區(qū)域級擁塞三種類型，并指出延遲容忍網絡仍然處在快速發(fā)展之中，其擁塞控制技術乃至傳輸控制協(xié)議需要進一步深入研究與實踐。機會網絡出現(xiàn)在延遲容忍網絡之后，有關機會網絡擁塞控制研究大多是基于之前對延遲容忍網絡的研究，近來關注的重點是機會網絡的自適應擁塞控制，因為在機會網絡中，由于消息的傳輸時間長、網絡狀態(tài)變化快，自適應的擁塞控制方法更適合機會網絡。

3 自適應擁塞控制

根據(jù)機會網絡的特點，高效的擁塞控制機制不應基于消息建立時的網絡條件，而是在消息傳輸過程中由消息途經結點自適應地做出擁塞控制的決定。

文獻[37]提出了算法DA-SW（Density-Aware Spray-and-Wait）， 是 Spray-and-Wait算 法 的 變形，Spray-and-Wait算法可以在一定時延下動態(tài)確定一個消息在網絡中分發(fā)的數(shù)量。DA-SW依賴當前平均的結點連通度，任何時候一個結點有一個Bundle需要發(fā)送，它就計算自己當前的連通度，根據(jù)計算確定導致預期時延的副本數(shù)量。但該算法沒有考慮處理資源受限的問題，如結點緩存、帶寬、能量消耗等。Nelson等[38]提出了算法EBR（Encounter based routing），一種基于配額（Quota）的復制協(xié)議，每個結點跟蹤記錄自己的相遇情況，以此來決定在一次相遇機會中要傳送一個消息的多少個副本以及交換消息副本的哪些內容，但不能自適應地設置每個消息的副本數(shù)量。文獻[39-40]開發(fā)了一種動態(tài)的本地方法，用于偵測擁塞并通過調整新消息的復制限定來對擁塞做出反應。其中，結點從與其他結點的連接中收集網絡測量值，使用固定的衡量指標來檢測是否發(fā)生擁塞。協(xié)議中每個結點都建立自己的擁塞視圖CV（Congestion View），并與擁塞門限值進行比較，根據(jù)比較結果由一個退避（back-off）算法來決定新消息的復制限定是降低還是上升。不過，該方法假設網絡具有一致的隨機位點移動性RWP（Random waypoint mobility），實際上，網絡不是一致的，擁塞程度在不同的網絡區(qū)域都不相同。文獻[41]提出了一種在傳統(tǒng)的傳染路由協(xié)議下基于復制率的擁塞控制算法，當節(jié)點接收新數(shù)據(jù)包緩存發(fā)生擁塞時，節(jié)點根據(jù)數(shù)據(jù)包的復制次數(shù)和經過的生命周期估算各數(shù)據(jù)包的復制率，并丟棄復制率最大的數(shù)據(jù)包，從而緩解擁塞。Radenkovic和Grundy在文獻[42]中提出了一種針對社區(qū)機會網絡的擁塞控制算法，將路由與擁塞避免相結合，使用啟發(fā)式方法從社區(qū)信息中獲取到達目的結點的最短路徑，并通過緩存信息避免經過擁塞的網絡區(qū)域。文獻[43]中，Radenkovic和Grundy在擁塞感知轉發(fā)協(xié)議基礎上，建立了一種興趣驅動的P2P內容分發(fā)方法，緩存和轉發(fā)策略的確定是基于興趣、結點可用性、社區(qū)關系以及興趣結點的數(shù)量等因素。Pujol等[30]考慮到僅憑連接歷史信息不能很好地平衡流量分布，提出通過評估結點的隊列長度來達到負載分布的公平性，消息將發(fā)給與接收目的結點具有較強社區(qū)關系的結點，但仍然不能避免一般結點出現(xiàn)擁塞、引起分組丟失。從當前的研究來看，機會網絡自適應路由和擁塞控制策略可以分為兩個方面：自適應分流策略和自適應限流策略。自適應分流策略是指當檢測到擁塞信號時，將負載從擁塞區(qū)域轉移到擁塞程度低的區(qū)域，如采用多徑路由對數(shù)據(jù)流進行分流處理。這類策略的主要不足是不能減少網絡流量，只能改變流量的分布，意味著當沒有分流的路由時必須承受嚴重擁塞所帶來的影響，如文獻[30,42-43]。自適應限流策略能夠檢測擁塞，并能減少網絡流量，但不能將擁塞區(qū)域部分流量轉移到流量少的區(qū)域，無法高效處理部分網絡持續(xù)擁塞而其他區(qū)域流量很少的情形，如文獻[37-41]。

4 結束語

機會網絡不要求網絡的全連通，能夠更好地滿足實際的自組織網絡需求，因此具有廣闊的應用前景，也得到了廣泛的研究。目前國內外主要研究都是圍繞機會網絡路由，而針對機會網絡的擁塞控制研究則較少，但發(fā)生擁塞會使結點存儲空間處于持續(xù)耗盡的狀態(tài)，嚴重影響機會網絡的性能，而傳統(tǒng)的擁塞控制協(xié)議又不適合在機會網絡中使用，所以，需要針對機會網絡的特點研究新的擁塞控制方法。從現(xiàn)有研究來看，機會網絡擁塞控制大多是針對結點緩存管理；對于機會網絡自適應擁塞控制，一般是基于分流策略或限流策略，少有文獻將兩種策略綜合起來考慮，而且所研究的機會網絡自適應分流與限流策略也還很不完善，有的還要基于一定的假設條件。所以，接下來的研究，不僅要繼續(xù)對機會網絡自適應分流策略和自適應限流策略進行研究，而且還要研究將兩種策略結合起來，建立一種融合自適應分流策略和自適應限流策略的擁塞控制機制，這樣，既能做到減輕網絡負載，又能均衡網絡流量的分布。現(xiàn)有擁塞問題研究大多局限于結點、機會連接，難以從網絡全局解決擁塞問題，為此需要重點探尋在網絡這個層次上，機會網絡中的結點以自組織的方式一起工作時，對擁塞進行檢測和處理的情況，以期在統(tǒng)一自適應分流與限流策略的擁塞控制機制下，根據(jù)綜合分析結果自適應地改變分流和限流的行為與狀態(tài)，使整個網絡更加穩(wěn)定、可靠。

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Study on congestion control for opportunistic network

LIU Xi-kai1, LIU Gui-kai2
(1. Research and Development Dept., Hunan Provincial Communications Construction Co. Ltd., Changsha 410003, Hunan, China;2.School of Computer Science and Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan, China)

Congestion in opportunistic networks may take the state of persistentstorage exhaustion and affects the network performance seriously. Opportunistic networks adopt “store-carry-forward” routing pattern to implement communications among nodes and take advantage of the nodes’ encounter opportunities to transfer messages in a hop-by-hop way. This networking approach, totally different from the traditional communication model, poses significant challenge for congestion control mechanism. The routing and forwarding mechanisms of opportunistic networks was firstly introduced and the reason that the existing routing protocols may result in congestion was analyzed. Thenthe relation between congestion control of opportunistic network and delay tolerant network (DTN) was expounds,and it was briefly described why the adaptive congestion control is more suitable for opportunistic networks. Also, dthe research progress of adaptive congestion control of opportunistic network was introduced. Finally, the possible research focuses for congestion control technique of opportunistic networks in the future were summarized and previewed.

opportunistic network; delay tolerant network; adaptive congestion control; diffluent policy; current limiting policy

TN915.142

A

1673-923X(2012)08-0159-06

2012-03-06

湖南省科技計劃項目基金（2010GK3045）；湖南省教育廳科研基金（10C0687）；湖南省教育廳青年項目基金（10B034）

劉席開（1974—），男，湖南益陽人，碩士，高級工程師，研究方向：無線網絡技術

劉桂開（1969—），男，湖南益陽人，工學博士，高級工程師，研究方向：寬帶IP技術與無線網絡技術

[本文編校：邱德勇]