謝凌杰,韓學(xué)東
(中國航天科工集團(tuán)第二研究院706所,北京100854)
容遲容斷網(wǎng)絡(luò) (delay and disruption tolerant networks,DTN)是一種適應(yīng)較高延時(shí)、頻繁中斷、異構(gòu)互聯(lián)、端到端連接不能保證的新型網(wǎng)絡(luò)體系[1],作為MANET 和WSN的發(fā)展,在未來戰(zhàn)場中應(yīng)用將十分廣泛。
選路協(xié)議的設(shè)計(jì)是當(dāng)前DTN 研究的一個(gè)重難點(diǎn)問題,傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)選路協(xié)議不能有效地應(yīng)用于DTN,因此有必要結(jié)合不同應(yīng)用場景提出相應(yīng)的選路協(xié)議。DTN 最初于2003年在SIGCOMM 國際會議上提出,用于深空通信,后來很快推廣到游牧計(jì)算、車載網(wǎng)絡(luò)、戰(zhàn)場通信、野生動物保護(hù)和緊急救災(zāi)等領(lǐng)域。不同的領(lǐng)域和場景都有各自的特點(diǎn)和需求,目前針對戰(zhàn)場通信,尤其是戰(zhàn)場上VANET 通信的DTN路由算法較少,戰(zhàn)場上通信節(jié)點(diǎn)分布相對稀疏,信息量大且優(yōu)先級不同,本文將據(jù)此展開研究。
由于DTN 中連接是間斷的,因此一般采用存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳遞消息。傳統(tǒng)的DTN 路由算法,如基于洪泛的Epidemic算法和Spray-and-Wait算法,基于轉(zhuǎn)發(fā)的First Contact、Earlist Delivery 算 法,基 于 概 率 的MaxProp 和PRoPHET 算法,主要考慮依靠節(jié)點(diǎn)自身隨機(jī)或有目的的移動,但由于DTN 中節(jié)點(diǎn)的存儲空間、處理能力和能量都受限,很難保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量,尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大或分布較稀疏時(shí)。于是,出現(xiàn)了面向主動移動模型的路由算法,包括W.Zhao和M.Ammar提出的消息擺渡 (message ferry,MF)策略和R.Shah等人提出的數(shù)據(jù)騾子 (data mule)策略。由于Data Mule的移動是隨機(jī)的,難以保證效率,且考慮到戰(zhàn)場中不同作戰(zhàn)組內(nèi)部相對集中,相互之間較為分散的情況,本文采用無人機(jī)作為Message Ferry。采用Fer-ry節(jié)點(diǎn)可以從以下幾方面提高網(wǎng)絡(luò)性能:首先,使用Ferry節(jié)點(diǎn)可以滿足端到端的傳輸,提高網(wǎng)絡(luò)QoS。其次,F(xiàn)erry節(jié)點(diǎn)可以致力于消息轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),普通節(jié)點(diǎn)就不用考慮路由轉(zhuǎn)發(fā)問題,從而節(jié)約能量。最后,使用Ferry節(jié)點(diǎn)可以大大增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性的魯棒性[2]。
自從消息擺渡算法被提出后,學(xué)術(shù)界已經(jīng)產(chǎn)生了多種基于此的路由模型。文獻(xiàn) [3]提出了NIMF/FIMF兩種單Ferry路由算法,但是它們都不能很好地滿足網(wǎng)絡(luò)吞吐量和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)展,于是出現(xiàn)了多Ferry路由算法。消息擺渡路由算法研究主要集中于Ferry節(jié)點(diǎn)的選取和Ferry的移動策略兩個(gè)重點(diǎn)。本文針對戰(zhàn)場設(shè)計(jì),而戰(zhàn)場上的各節(jié)點(diǎn)一般按照各作戰(zhàn)小分隊(duì)部署并有組織的移動,故不考慮節(jié)點(diǎn)的區(qū)域劃分及其Ferry節(jié)點(diǎn)的選取,假設(shè)每個(gè)作戰(zhàn)小分隊(duì)為一自治區(qū)域,配備有滿足需要的無人機(jī)作為Ferry節(jié)點(diǎn),重點(diǎn)考慮Ferry的移動策略。文獻(xiàn) [4]提出了Ferry節(jié)點(diǎn)移動空間自定位路由算法 (MSSL),能較好的兼顧信息傳輸率、公平性和路徑節(jié)點(diǎn)效率,但其基于概率的決策不能充分發(fā)揮衛(wèi)星定位系統(tǒng)的優(yōu)勢;文獻(xiàn) [5]僅考慮了固定路徑的情況;文獻(xiàn) [6]提出了多約束目標(biāo)的選擇算法MCTSA,但單路由模式大大地增加了整體的傳輸延時(shí)。文獻(xiàn) [7]提出了橢圓區(qū)域轉(zhuǎn)發(fā) (EZF)算法,結(jié)合了區(qū)分服務(wù)策略和擺渡節(jié)點(diǎn),對本文工作有一定的指導(dǎo)意義。
戰(zhàn)場中的信息種類繁多,如作戰(zhàn)指令、作戰(zhàn)情報(bào)、戰(zhàn)場環(huán)境收集等,它們的重要性和對實(shí)時(shí)性的要求不盡相同。因此,必須對他們實(shí)行有區(qū)別的服務(wù)?,F(xiàn)有的DTN 路由算法中,基于優(yōu)先級區(qū)分服務(wù)的有以下幾種。文獻(xiàn) [8]把消息最大拷貝數(shù)表示為消息初始優(yōu)先級函數(shù),高優(yōu)先級消息復(fù)制更多的副本,而基于復(fù)制的策略僅適用于小型網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn) [9]提出為高優(yōu)先級消息預(yù)留緩存空間,適用于節(jié)點(diǎn)緩存空間較小的場景,且會嚴(yán)重影響低優(yōu)先級數(shù)據(jù)的傳輸。文獻(xiàn) [10]提出在網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí),優(yōu)先丟棄低優(yōu)先級數(shù)據(jù)包以保證高優(yōu)先級數(shù)據(jù)包的順利轉(zhuǎn)發(fā),并沒有考慮網(wǎng)絡(luò)未發(fā)生擁塞時(shí)服務(wù)的區(qū)分問題。文獻(xiàn) [11]結(jié)合傳染路由的優(yōu)缺點(diǎn),提出了MQAE算法,根據(jù)信息的優(yōu)先級,分隊(duì)列存儲管理并利用效用函數(shù)在隊(duì)列內(nèi)排序,整體上提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率并降低了時(shí)延,但數(shù)據(jù)并沒有根據(jù)優(yōu)先級的不同而進(jìn)行服務(wù)區(qū)分。文獻(xiàn) [12]提出的SDRP 算法重點(diǎn)考慮的是提高投遞率,而本文重點(diǎn)考慮根據(jù)優(yōu)先級不同決定傳輸路線,將最重要的信息盡快送達(dá),盡可能滿足戰(zhàn)場中準(zhǔn)實(shí)時(shí)的要求。
由DTNRG (DTN research group)提出的DTN 體系結(jié)構(gòu)中,bundle層的進(jìn)程控制標(biāo)識比特層通過第7 和第8兩個(gè)字節(jié)定義了數(shù)據(jù)的優(yōu)先級,每個(gè)bundle的優(yōu)先級共分為3個(gè)等級:00 (低優(yōu)先級),01 (中優(yōu)先級),10 (高優(yōu)先級)。本文的工作也是基于此定義實(shí)現(xiàn)區(qū)別優(yōu)先級的投遞策略,關(guān)于如何確定每個(gè)bundle的優(yōu)先級不在本文的討論范圍之內(nèi)。
現(xiàn)有的研究普遍沒有專門針對戰(zhàn)場情況而設(shè)計(jì),具體表現(xiàn)在:①沒有實(shí)際考慮對戰(zhàn)場情報(bào)信息的分級,進(jìn)而保證高優(yōu)先級消息的投遞;②沒有充分利用其它可以利用的條件,包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、無人機(jī)等;③在建模及仿真中沒有考慮真實(shí)戰(zhàn)場上部隊(duì)的分布,只是籠統(tǒng)地將所有部隊(duì)視為全部隨機(jī)移動的節(jié)點(diǎn),即使考慮了分簇也是根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量強(qiáng)行劃分,這些算法并非針對戰(zhàn)場環(huán)境,從而忽略了真實(shí)情況下不同作戰(zhàn)小分隊(duì)的存在。
在所有的MF路由算法中,節(jié)點(diǎn)分為普通節(jié)點(diǎn)和Ferry節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)的移動可根據(jù)其目的分為兩類:
(1)面向任務(wù)的移動:普通節(jié)點(diǎn)或者Ferry節(jié)點(diǎn)的移動是由各自的任務(wù)決定的。例如,一輛公交車作為Ferry節(jié)點(diǎn)傳遞消息,其移動軌跡是由既定線路確定的。
(2)面向消息的移動:普通節(jié)點(diǎn)或者Ferry節(jié)點(diǎn)的移動是為了更好的傳輸消息而決定的。
本文結(jié)合戰(zhàn)場實(shí)際情況,假定在每個(gè)作戰(zhàn)小分隊(duì)中的作戰(zhàn)車輛,移動傳感器和手持終端的移動是面向任務(wù)的,而各作戰(zhàn)小分隊(duì)中的信息發(fā)射車和作為Ferry節(jié)點(diǎn)的無人機(jī)的移動為面向消息的。每個(gè)自治區(qū)域中的消息傳遞采用Epidemic算法,作為Ferry接入點(diǎn)的信息發(fā)射車在區(qū)域內(nèi)不斷移動以收集和傳送信息。在本章后續(xù)討論中, “節(jié)點(diǎn)”表示Ferry接入點(diǎn),而非普通節(jié)點(diǎn)。
綜上所述,本文的設(shè)計(jì)基于以下場景:在一個(gè)較大的戰(zhàn)場中,稀疏分布著若干作戰(zhàn)小分隊(duì),各分隊(duì)為一自治區(qū)域,其內(nèi)部通信延時(shí)較小,不同自治區(qū)域間相距較遠(yuǎn),通信質(zhì)量難以保證。各區(qū)域內(nèi)的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行面向任務(wù)的移動,僅通過其接入點(diǎn)與外界進(jìn)行信息交換。各區(qū)域中有一輛信息發(fā)射車作為接入點(diǎn),各接入點(diǎn)和Ferry利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以確定相互間的地理位置信息。接入點(diǎn)具有長距離波通信功能,但僅用于對遠(yuǎn)處的Ferry 提出服務(wù)請求,在進(jìn)行普通數(shù)據(jù)傳輸時(shí)仍使用短距離波。另外,多Ferry節(jié)點(diǎn)路由算法需要考慮每個(gè)Ferry 節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動問題以及Ferry節(jié)點(diǎn)間的交互問題。由于本文考慮的是稀疏環(huán)境,暫時(shí)不考慮交互,方便集中解決Ferry節(jié)點(diǎn)的選路問題。
每個(gè)Ferry維持著兩個(gè)隊(duì)列,一個(gè)是待投遞節(jié)點(diǎn)隊(duì)列D,一個(gè)是待收集節(jié)點(diǎn)隊(duì)列C,給予D 隊(duì)列更高的優(yōu)先級(因?yàn)楫?dāng)某一bundle被Ferry收集后,它的發(fā)送者便信任此Ferry并假設(shè)bundle能被及時(shí)送達(dá);而當(dāng)某一bundle未被Ferry收集時(shí),發(fā)送者會不斷發(fā)送待收集請求。因此有理由給予已被收集的bundle更高的優(yōu)先級)。
假設(shè)某時(shí)刻D 隊(duì)列中依次有3個(gè)目的節(jié)點(diǎn)待訪問,分別設(shè)為Y1,Y2,Y3,F(xiàn)erry此時(shí)在X 點(diǎn),取X 和Y1為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn),以Ferry速度與Y1的剩余延時(shí)之積為長軸長度構(gòu)建一個(gè)橢圓,如圖1所示。
圖1 EZF橢圓
如果橢圓區(qū)域內(nèi)存在待收集節(jié)點(diǎn),記d (I,J)為I和J 之間的距離,驗(yàn)證d (X,Zi)+d (Zi,Y1)<d (A,B)是否成立。若成立,則訪問Zi;若同時(shí)存在多個(gè)Zi,選取d (X,Zi)+d (Zi,Y1)最小的訪問;若不存在,則繼續(xù)訪問Y1。
EZF的設(shè)計(jì)思想是在降低整體延遲的基礎(chǔ)上盡力滿足高優(yōu)先級,但它不能完全保證高優(yōu)先級消息的送達(dá),而且它認(rèn)為如果節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生消息的周期是一定的,就不用考慮在每個(gè)節(jié)點(diǎn)消耗的傳輸時(shí)間。但實(shí)際上,不同節(jié)點(diǎn)待投遞的消息數(shù)是不同的,這就導(dǎo)致投遞時(shí)間不同;而由于等待Ferry的到來,每個(gè)節(jié)點(diǎn)累積的消息數(shù)也是不同的,這也就意味著在每個(gè)節(jié)點(diǎn)的收集時(shí)間也不同。因此在選點(diǎn)計(jì)算時(shí),應(yīng)加以考慮。再對算法的具體步驟進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),在原文獻(xiàn)陳述的EZF算法中,若同時(shí)存在多個(gè)Zi,當(dāng)Ferry選取d (X,Zi)+d (Zi,Y1)最小的Zi訪問后,沒有說明是直接訪問Y1,還是再訪問其它Zi。
(1)如果是直接訪問Y1,那算法的效果將大打折扣,因?yàn)樵跈E圓內(nèi)可能分布著很多Zi節(jié)點(diǎn);
(2)如果是再依次訪問其它Zi節(jié)點(diǎn),可能會出現(xiàn) “饑餓”現(xiàn)象,使原本應(yīng)按時(shí)投遞給Y1的消息超時(shí),如圖2所示。
圖2 “饑餓”現(xiàn)象
綜上所述,本文提出了B-DTN 路由算法,由基于優(yōu)先級的多級隊(duì)列和改進(jìn)的EZF算法構(gòu)成。
每個(gè)Ferry同EZF 一樣維持兩個(gè)隊(duì)列,但每個(gè)隊(duì)列中再根據(jù)消息優(yōu)先級劃分為多級隊(duì)列,隊(duì)列中每個(gè)節(jié)點(diǎn)還包括其待送達(dá) (待收集)的bundle數(shù)Ndi(Nci)。緩存空間在DTN 節(jié)點(diǎn)中是寶貴的資源,本文把緩存空間優(yōu)先分配給高優(yōu)先級消息,當(dāng)空間不足時(shí),依次從低、中、高隊(duì)列的隊(duì)尾刪除消息,如表1所示。
表1 基于優(yōu)先級的多級隊(duì)列
在此橢圓內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn),如圖3中Z1,Z2,若其優(yōu)先級與Y1相同,則改變運(yùn)動路徑訪問它;若其優(yōu)先級低于Y1,則僅在經(jīng)過時(shí)與其進(jìn)行消息傳輸,而仍沿著Y1繼續(xù)前進(jìn)。
圖3 改進(jìn)的EZF橢圓
改進(jìn)的EZF尋徑算法如下:
記d (I,J)為I 和J 之間的距離,Vf表示Ferry的速度,w 為數(shù)據(jù)傳輸率,M 為每個(gè)bundle的大小,易得對Zi的訪問時(shí)間為Ti=M·N/w 。
初始化時(shí)將所有要訪問的接入點(diǎn)按照優(yōu)先級排出3個(gè)隊(duì)列,各隊(duì)列中按照距離由近及遠(yuǎn)排序。然后執(zhí)行以下步驟:
步驟1 從當(dāng)前D 隊(duì)列最高優(yōu)先級子隊(duì)列中選擇第一個(gè)接入點(diǎn)進(jìn)行訪問,若所有隊(duì)列為空則返回Ferry 所屬區(qū)域;
步驟2 構(gòu)造EZF 橢圓,如果橢圓區(qū)域內(nèi)存在待收集節(jié)點(diǎn),驗(yàn)證d (X,Zi)+d (Zi,Y1)+T·Vf<d (A,B)是否成立。若成立,分以下3種情況:
(1)Zi的優(yōu)先級高于Y1(只可能是待收集節(jié)點(diǎn)),則訪問Zi。
(2)Zi的優(yōu)先級與Y1相同 (只可能是待收集節(jié)點(diǎn)),不訪問Zi但對Zi進(jìn)行收集,具體策略為:以Zi為圓心,Zi的傳輸半徑為半徑作圓,若存在交點(diǎn)S1和S2,如圖2所示,從行進(jìn)至S1開始進(jìn)行傳輸,若到S2尚未完成,則等待至傳輸完畢再繼續(xù)行進(jìn)至Y1;若不存在交點(diǎn),則不對Zi進(jìn)行收集。
(3)Zi的優(yōu)先級低于Y1(可能是待收集節(jié)點(diǎn)也可能是待投遞節(jié)點(diǎn)),策略同 (2),但在S2處若未傳輸完畢,則終止傳輸,繼續(xù)行進(jìn)至Y1。
步驟3 回到步驟1。
需要說明的是,由于Ferry支持多播,可以同時(shí)與多個(gè)Ferry節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息傳輸,對于所有滿足步驟2 中 (2)和 (3)的Zi節(jié)點(diǎn),F(xiàn)erry沿著XY1行進(jìn),依次對進(jìn)入其傳輸半徑的進(jìn)行消息傳輸。
仿真的主要目的是考察算法是否適用于戰(zhàn)場環(huán)境,從而為進(jìn)一步研究以及真實(shí)場景的測試提供參考。針對戰(zhàn)場的實(shí)際需要,選取投遞率和總時(shí)延作為衡量指標(biāo)。采用由赫爾辛基科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)開發(fā)的基于代理的離散事件模擬器ONE (opportunity networking environment)進(jìn) 行 仿真,它支持DTN 協(xié)議,集運(yùn)動模型、路由仿真以及可視化和報(bào)告于一體。
300個(gè)普通節(jié)點(diǎn)中,高、中、低優(yōu)先級各100 個(gè),其TTL對應(yīng)為10min,30min,60min。各區(qū)域內(nèi)部使用Epidemic路由算法。仿真時(shí)間為6h,所有結(jié)果均是10次仿真的平均值,默認(rèn)仿真參數(shù)見表2。
表2 默認(rèn)仿真參數(shù)
(1)不同優(yōu)先級的投遞情況
本算法的核心思想是保證高優(yōu)先級的信息優(yōu)先送達(dá),故首先應(yīng)該分析得出不同優(yōu)先級的信息隨時(shí)間的送達(dá)情況分布。實(shí)際中不同優(yōu)先級的信息TTL 設(shè)置也不同,因此本文設(shè)定:TTL高=10min,TTL中=30min,TTL低=60min。
由圖4、圖5可以看出,EZF算法雖然盡力滿足高優(yōu)先級,但是對于設(shè)定的默認(rèn)TTL,高優(yōu)先級消息的投遞率仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于較低優(yōu)先級消息。相比之下,B-DTN 能保證高優(yōu)先級的消息的投遞率。在相同的場景下,使用EZF 算法,低優(yōu)先級的消息投遞率能達(dá)到接近0.9,而高優(yōu)先級的消息投遞率僅有0.5左右。而B-DTN 算法可使高優(yōu)先級的消息投遞率達(dá)到0.8左右。
雖然EZF算法考慮了不同優(yōu)先級,但該算法是在減少全局延時(shí)的思想下兼顧優(yōu)先級。實(shí)際應(yīng)用中,不同優(yōu)先級的消息TTL是不同的,由于高優(yōu)先級的TTL 較短,若橢圓區(qū)域中存在較多低級別的消息,高優(yōu)先級消息很容易因超時(shí)被丟棄,因此投遞率低于較低級別消息,由此可見其不能保證高優(yōu)先級消息的投遞率。而B-DTN 算法重點(diǎn)照顧了高優(yōu)先級消息,可以有效避免 “饑餓”現(xiàn)象。
圖6顯示了不同傳輸半徑對投遞率的影響,可以看出,不同的傳輸半徑對高優(yōu)先級消息的影響很小,對中、低優(yōu)先級影響較大。隨著半徑不斷擴(kuò)大,中、低優(yōu)先級的投遞率明顯改善,達(dá)到250米之后增勢趨于穩(wěn)定。
(2)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的比較
圖6 傳輸半徑對投遞率的影響
由圖7可以看出Epidemic算法在稀疏環(huán)境下的時(shí)延很大,而且波動很大。加入了Message Ferry后的MFS算法在一定程度上減少了傳輸時(shí)延,而且性能相對穩(wěn)定。EZF算法和B-DTN 算法的平均延時(shí)優(yōu)于傳統(tǒng)算法,而雖然有優(yōu)先滿足高優(yōu)先級消息這一條件,B-DTN 的延時(shí)也只是略高于EZF,約為8%~15%。
之所以B-DTN 算法的延時(shí)會略高于EZF 算法,是因?yàn)槲覀優(yōu)榱吮WC較高優(yōu)先級的消息的及時(shí)投遞,必然要在一定程度上影響原EZF算法對全局延時(shí)的縮減。
圖7 與現(xiàn)有算法的平均時(shí)延比較
圖8表明Ferry數(shù)量是影響B(tài)-DTN 算法性能的一個(gè)重要因素,在Ferry數(shù)量不足時(shí),平均時(shí)延最高可達(dá)到9000秒;當(dāng)Ferry數(shù)目達(dá)到30之后,逐漸接近飽和,延時(shí)低于2000秒。此外可以看出,隨著Ferry的增加,延時(shí)趨于穩(wěn)定,說明主要延時(shí)是飛行尋路延時(shí),由于報(bào)文較小,傳輸時(shí)延對整體時(shí)延的影響較低。
本文結(jié)合戰(zhàn)場實(shí)際情況,提出了B-DTN 路由算法。利用衛(wèi)星定位系統(tǒng)和無人機(jī)作為消息擺渡,提升了稀疏環(huán)境DTN 的性能和擴(kuò)展性。同時(shí),為了盡可能滿足戰(zhàn)場準(zhǔn)實(shí)時(shí)的要求,提出了基于優(yōu)先級的多級隊(duì)列,并改進(jìn)了EZF 選路算法。通過仿真驗(yàn)證了B-DTN 算法的有效性,算法保證了高優(yōu)先級消息優(yōu)先送達(dá),整體傳輸時(shí)延和投遞率相對于傳統(tǒng)路由算法也有較大改善。下一步將研究Ferry節(jié)點(diǎn)間的通信問題,bundle包的優(yōu)先級確定策略,擁塞控制和安全機(jī)制等。
圖8 不同F(xiàn)erry節(jié)點(diǎn)數(shù)的平均時(shí)延對比
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