移動(dòng)P2P中多次網(wǎng)絡(luò)編碼反饋調(diào)節(jié)方案

張國印，樊旭，高偉，王向輝

(哈爾濱工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001)

隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展和移動(dòng)終端處理能力的逐漸增強(qiáng)，為滿足日益增大的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)需求，出現(xiàn)了結(jié)合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與P2P系統(tǒng)的移動(dòng)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)(mobile peer-to-peer network，MP2P)［1］。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷變化及節(jié)點(diǎn)自身資源受限的特點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)分發(fā)成為MP2P網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容［2］.

多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與異步分塊數(shù)據(jù)分發(fā)機(jī)制可有效抵制MP2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的快速移動(dòng)與頻繁的加入退出所帶來的數(shù)據(jù)塊分布不斷變化［3］。異步分塊數(shù)據(jù)分發(fā)方案無須在源節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)間建立直接連接，源節(jié)點(diǎn)只需將數(shù)據(jù)片段緩存給中間節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)再從中間節(jié)點(diǎn)下載請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。但數(shù)據(jù)分塊在降低網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)帶來負(fù)面影響的同時(shí)也帶來稀缺數(shù)據(jù)問題。

隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼中，中間節(jié)點(diǎn)不僅可以進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)操作還可以用隨機(jī)生成的編碼向量對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性組合，隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)編碼最大化了有向無環(huán)網(wǎng)絡(luò)中組播會(huì)話的網(wǎng)絡(luò)信息流速率［4］。由于編碼過程混合了不同數(shù)據(jù)流使數(shù)據(jù)間差異變小，因此網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)又可以改善稀缺數(shù)據(jù)帶來的負(fù)面影響，已被廣泛的應(yīng)用于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)或P2P系統(tǒng)中［5-7］。王蕾等將改進(jìn)的部分網(wǎng)絡(luò)編碼方案應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中用來提高網(wǎng)絡(luò)效率并減少能量消耗［5］;GUO B等提出了多跳網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的編碼條件，并以此找出信源和信宿節(jié)點(diǎn)之間的潛在路徑和潛在網(wǎng)絡(luò)編碼機(jī)會(huì)［6］。LI Baochun等的研究表明在P2P系統(tǒng)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)編碼會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)各方面性能均有提升［7］。

移動(dòng)P2P拓?fù)涞牟粩嘧兓黾恿讼螺d節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求次數(shù)，現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)采用完全的網(wǎng)絡(luò)編碼方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單次編碼，每一次網(wǎng)絡(luò)編碼操作均將多個(gè)源數(shù)據(jù)塊編碼成一個(gè)編碼塊，因此單次編碼不可避免地減少了流經(jīng)編碼節(jié)點(diǎn)的線性無關(guān)數(shù)據(jù)的數(shù)量，所以在移動(dòng)P2P這種高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)延遲。在移動(dòng)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了一種多次網(wǎng)絡(luò)編碼反饋調(diào)節(jié)(feedback adjustment for multiple network coding，F(xiàn)AMNC)數(shù)據(jù)傳輸方案。

1 多次網(wǎng)絡(luò)編碼

1.1 網(wǎng)絡(luò)編碼過程

設(shè)單源組播網(wǎng)絡(luò)用有向無環(huán)圖G=(V，E)表示，其中V為節(jié)點(diǎn)集，E?V×V×Z為有向邊集。s∈V為源節(jié)點(diǎn)，T?V為宿點(diǎn)集，T={t1，t2，…，tN}。節(jié)點(diǎn)v∈V的輸入信道集為ΓIn(v)={d:head(d)=v}，輸出信道集為ΓOut(v)={e:tail(e)=v}，其中d，e∈E。

在P2P文件分發(fā)系統(tǒng)中，源節(jié)點(diǎn)將大小為F字節(jié)的文件廣播給每一個(gè)參與節(jié)點(diǎn)。源節(jié)點(diǎn)在廣播前將文件分割成M塊，每塊的大小為k=F/Mbyte。參與文件分發(fā)的節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)的組織成一個(gè)對(duì)等覆蓋網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)塊交換。每個(gè)節(jié)點(diǎn)與周圍一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)建立連接，稱這些節(jié)點(diǎn)為鄰居。假設(shè)每個(gè)節(jié)點(diǎn)建立連接的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)滿足統(tǒng)一分布，并可以隨著時(shí)間改變。數(shù)據(jù)傳輸只發(fā)生在節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間。

應(yīng)用基于分段的網(wǎng)絡(luò)編碼中，初始的M個(gè)數(shù)據(jù)塊被劃分成G段，每段包含m塊，稱為段大小。僅對(duì)段內(nèi)數(shù)據(jù)塊應(yīng)用隨機(jī)線性網(wǎng)絡(luò)編碼。假設(shè)第i段有原始?jí)K，那么從這個(gè)段得到的一個(gè)編碼塊b是在有限域GF(2q)上的線性組合。編碼操作并不限于源節(jié)點(diǎn)，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)(包括源節(jié)點(diǎn))有第i段中的l(l≤m)個(gè)編碼塊，當(dāng)這個(gè)節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它在GF(2q)隨機(jī)地選擇一組數(shù)構(gòu)成局部編碼向量，并對(duì)它所擁有的第i段內(nèi)的所有數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，生成大小仍為k字節(jié)的編碼塊x，x=編碼原始數(shù)據(jù)塊生成x的全局編碼向量嵌在每一個(gè)編碼塊的頭部。只要一個(gè)節(jié)點(diǎn)收到第i段中的m個(gè)線性無關(guān)的編碼塊，便可利用高斯消去法將第i段解碼。

1.2 多次網(wǎng)絡(luò)編碼

下載節(jié)點(diǎn)所接收到的同一段內(nèi)線性無關(guān)的編碼塊的數(shù)量決定了節(jié)點(diǎn)能否對(duì)該段解碼，鄰居節(jié)點(diǎn)間交換編碼塊的速度決定了節(jié)點(diǎn)的下載時(shí)間。為增加編碼機(jī)會(huì)，編碼節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行編碼操作之前會(huì)進(jìn)行等待，只有在節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)數(shù)據(jù)量滿足一定條件時(shí)才會(huì)進(jìn)行編碼。等待編碼的過程對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)編碼提供了機(jī)會(huì)，為了增加編碼節(jié)點(diǎn)下游網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)量，減少下載時(shí)間，所以在已有單次編碼基礎(chǔ)上提出多次網(wǎng)絡(luò)編碼。

定義1 基于分段的網(wǎng)絡(luò)編碼中，編碼節(jié)點(diǎn)v∈V隨機(jī)生成k組局部編碼向量m1，m2，…，mk，將已有的l個(gè)屬于同一代的數(shù)據(jù)塊，編碼成k(2≤k＜l)個(gè)線性無關(guān)的編碼塊轉(zhuǎn)發(fā)給下游節(jié)點(diǎn)的過程稱為多次網(wǎng)絡(luò)編碼。

由定義1，編碼節(jié)點(diǎn)v生成k組局部編碼向量，對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次編碼，因此有

定理1 節(jié)點(diǎn)v的下游節(jié)點(diǎn)集Λout(v)中，若存在i(i＞2) 個(gè)節(jié)點(diǎn)v1，v2，…，vi滿足c(vi)＜h，則節(jié)點(diǎn)v進(jìn)行多次網(wǎng)絡(luò)編碼可減少轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。

證明:若存在節(jié)點(diǎn)vi∈Λout(v)，使得c(vi)＜h，則其上游節(jié)點(diǎn)必須多次轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)vi才能達(dá)到解碼條件，且轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)不小于h－c(vi)。

不采用多次網(wǎng)絡(luò)編碼時(shí)，當(dāng)Λout(v)中有i個(gè)節(jié)點(diǎn)滿足c(vi)＜h時(shí)，其上游節(jié)點(diǎn)要轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù) α∈

多次網(wǎng)絡(luò)編碼節(jié)點(diǎn)生成的編碼塊線性無關(guān)，因此轉(zhuǎn)發(fā) β=max{h－c(vi)}次可使vi達(dá)到解碼條件，因此α＞β。

2 MNC反饋調(diào)節(jié)方案

2.1 編碼節(jié)點(diǎn)模型

為實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下編碼方案的轉(zhuǎn)換，本文采用的編碼節(jié)點(diǎn)模型如圖1所示，該圖所表示的是三輸入單輸出編碼節(jié)點(diǎn)。圖中實(shí)線代表數(shù)據(jù)傳輸鏈路，是上游節(jié)點(diǎn)發(fā)送給下游節(jié)點(diǎn)的通路。虛線代表控制信息鏈路，是超級(jí)節(jié)點(diǎn)與編碼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交換與調(diào)節(jié)控制的通路。3個(gè)數(shù)據(jù)緩存區(qū)b1、b2、b3分別存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)輸入鏈路發(fā)送來的數(shù)據(jù)塊。用⊕表示網(wǎng)絡(luò)編碼操作，此處雖然用⊕表示操作但并不意味著必須使用異或方式進(jìn)行編碼，可使用任一種滿足假設(shè)的編碼方案。b0表示輸出緩存，用于存儲(chǔ)待發(fā)送的編碼數(shù)據(jù)塊。

圖1 編碼節(jié)點(diǎn)模型Fig.1 Model of encoding node

2.2 網(wǎng)絡(luò)模型

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是提高內(nèi)容分發(fā)效率的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是否合理將會(huì)直接影響網(wǎng)絡(luò)效率。常見P2P網(wǎng)絡(luò)模型有3種:集中式P2P網(wǎng)絡(luò)模型、純P2P網(wǎng)絡(luò)模型和分層式P2P網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)具有高動(dòng)態(tài)性的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)而言，松散的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)框架設(shè)計(jì)會(huì)降低信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確率;而結(jié)構(gòu)化的框架設(shè)計(jì)又會(huì)因節(jié)點(diǎn)頻繁的加入、離開導(dǎo)致巨大的路由更新開銷。分層式P2P網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合了前2種模型的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)處理能力的分配都進(jìn)行了優(yōu)化。本文將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)劃分為由超級(jí)節(jié)點(diǎn)層與普通節(jié)點(diǎn)層組成的2層網(wǎng)絡(luò)，以超級(jí)節(jié)點(diǎn)為中心將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)子網(wǎng)，各子網(wǎng)相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入網(wǎng)絡(luò)、完成下載或者能量耗盡動(dòng)態(tài)離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只對(duì)其所在子網(wǎng)的路由表有影響，不會(huì)對(duì)其他子網(wǎng)產(chǎn)生影響。

用計(jì)算能力(C)、內(nèi)存大小(M)、剩余能量(P)、在網(wǎng)時(shí)間(T)4項(xiàng)指標(biāo)表示將節(jié)點(diǎn)的綜合能力(A)，記A=α1C+α2M+α3P+α4T，其中。根據(jù)A值的大小將節(jié)點(diǎn)分為超級(jí)節(jié)點(diǎn)Si和普通節(jié)點(diǎn)層中的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)Oi與編碼節(jié)點(diǎn)Ci。

超級(jí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)子網(wǎng)內(nèi)成員的管理和子網(wǎng)間的查詢?nèi)蝿?wù)，在資源共享方面所有節(jié)點(diǎn)地位相同，超級(jí)節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)了同一子網(wǎng)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)的信息，當(dāng)請(qǐng)求在同子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)間得不到響應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)算法會(huì)在超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求，超級(jí)節(jié)點(diǎn)再將查詢請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)給適當(dāng)?shù)钠胀ü?jié)點(diǎn)，這樣在超級(jí)節(jié)點(diǎn)之間就構(gòu)成了一個(gè)高速轉(zhuǎn)發(fā)層。編碼節(jié)點(diǎn)主要是對(duì)接收到的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，增加系統(tǒng)中編碼塊的分布，從而促進(jìn)塊的多樣性，避免稀缺塊問題。轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)。普通節(jié)點(diǎn)層不區(qū)分普通節(jié)點(diǎn)與編碼節(jié)點(diǎn)，默認(rèn)為普通節(jié)點(diǎn)為進(jìn)行0次編碼的編碼節(jié)點(diǎn)，即超級(jí)節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)普通節(jié)點(diǎn)的編碼次數(shù)由0到多次。

當(dāng)有新的節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以先按請(qǐng)求資源的類型進(jìn)行分類查找，即找到含有這類資源的最近的超級(jí)節(jié)點(diǎn)，然后加入該超級(jí)節(jié)點(diǎn)所管理的子網(wǎng)，并隨即選擇其鄰居節(jié)點(diǎn)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)也會(huì)根據(jù)新加入節(jié)點(diǎn)的信息更新其管理的路由表。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)由于完成下載任務(wù)或者生存期耗盡而離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)會(huì)通知其鄰居節(jié)點(diǎn)，并更新其路由表。

2.3 反饋調(diào)節(jié)方案

移動(dòng)P2P網(wǎng)絡(luò)中的編碼節(jié)點(diǎn)不能及時(shí)獲得鄰居節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)情況，所以無法確定恰當(dāng)?shù)木幋a次數(shù)。過多或過少的編碼次數(shù)都會(huì)因增加能量消耗或增加轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)而降低網(wǎng)絡(luò)效率。為使編碼節(jié)點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)木幋a次數(shù)，采用反饋機(jī)制對(duì)節(jié)點(diǎn)的編碼狀態(tài)進(jìn)行即時(shí)調(diào)節(jié)。編碼節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)將運(yùn)行情況反饋給超級(jí)節(jié)點(diǎn)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)做出判斷，對(duì)編碼節(jié)點(diǎn)所采用的編碼方案進(jìn)行調(diào)整，保證整個(gè)系統(tǒng)處于最優(yōu)狀態(tài)。編碼節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。此外，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和編碼節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)化與節(jié)點(diǎn)編碼次數(shù)是由超級(jí)節(jié)點(diǎn)觸發(fā)的，超級(jí)節(jié)點(diǎn)會(huì)周期性的檢查子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)分發(fā)效率較低時(shí)，就會(huì)選擇性能較強(qiáng)的普通節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為編碼節(jié)點(diǎn)。

定義2 網(wǎng)絡(luò)中編碼節(jié)點(diǎn)v執(zhí)行編碼操作次數(shù)與收到的數(shù)據(jù)塊總數(shù)的比值稱為該節(jié)點(diǎn)的編碼容忍率，記為，全局編碼容忍率則記為

圖2 編碼節(jié)點(diǎn)信息處理流程Fig.2 Data processing flow of encoding node

定義3 網(wǎng)絡(luò)中下載節(jié)點(diǎn)成功下載網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)塊的次數(shù)與請(qǐng)求下載數(shù)據(jù)塊總數(shù)的比值稱為成功請(qǐng)求率，記為

定理2 成功請(qǐng)求率與編碼容忍率成負(fù)相關(guān)。

證明:節(jié)點(diǎn)成功接收到的數(shù)據(jù)塊總量由發(fā)送次數(shù)與接收節(jié)點(diǎn)數(shù)量決定，即

由式(1)、(3)可以得出:

由式(2)、(4)可以得出:

由式(5)可以得出結(jié)論:在其他條件不變的情況下，編碼容忍率降低則網(wǎng)絡(luò)的成功請(qǐng)求率升高，反之，編碼容忍率升高則網(wǎng)絡(luò)的成功請(qǐng)求率降低。

定理3 采用負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制可以使成功請(qǐng)求率D在閾值D0附近一個(gè)狹小范圍內(nèi)變動(dòng)，且當(dāng)D=D0時(shí)，方案?jìng)鬏斞舆t最低。

證明:基于FAMNC的循環(huán)性，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中成功請(qǐng)求率D≥D0時(shí)，將減少編碼次數(shù)。一旦成功請(qǐng)求率D≤D0時(shí)，將增加編碼次數(shù)。循環(huán)執(zhí)行一段時(shí)間后，網(wǎng)絡(luò)中塊的分布將達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定且均衡的狀態(tài)，成功請(qǐng)求率D在閾值D0附近一個(gè)狹小范圍內(nèi)變動(dòng)，并且全網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)最少。

下面證明當(dāng)D=D0時(shí)，方案?jìng)鬏斞舆t最低。在數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)中采用網(wǎng)絡(luò)編碼方法，方案?jìng)鬏斞舆t包括請(qǐng)求延遲與編碼延遲2部分。

請(qǐng)求延遲為分發(fā)率的函數(shù)DR=f(D)且，編碼延遲為編碼容忍率的函數(shù)DC=g(R)且，根據(jù)定理2可知

因此，隨著網(wǎng)絡(luò)中編碼次數(shù)的增加，成功請(qǐng)求率D會(huì)得到提高，反之成功請(qǐng)求會(huì)降低。而網(wǎng)絡(luò)編碼次數(shù)的增加會(huì)帶來更多的傳輸延遲，因此隨著成功請(qǐng)求率D的提高，傳輸延遲也會(huì)增加。

根據(jù)定理2、3可以構(gòu)建負(fù)反饋模型。調(diào)節(jié)功能因子T設(shè)計(jì)為

反饋調(diào)節(jié)的多次網(wǎng)絡(luò)編碼策略可具體描述如下:

1)設(shè)成功請(qǐng)求率理想閾值為D0。

2)初始狀態(tài)下，全部節(jié)點(diǎn)均處于單次編碼狀態(tài)，則可以根據(jù)式(2)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的成功請(qǐng)求率D。

當(dāng)實(shí)際成功請(qǐng)求率較低時(shí)即D≤D0，此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)請(qǐng)求成功率過低。子網(wǎng)內(nèi)接收數(shù)據(jù)量較多且沒有進(jìn)行多次編碼節(jié)點(diǎn)將被超級(jí)節(jié)點(diǎn)開啟多次編碼功能，超級(jí)節(jié)點(diǎn)增加子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的編碼次數(shù)，子網(wǎng)內(nèi)線性響應(yīng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)量升高，網(wǎng)絡(luò)的成功請(qǐng)求率將升高。

當(dāng)實(shí)際成功請(qǐng)求率較高時(shí)即D≥D0，此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)編碼次數(shù)過高。超級(jí)節(jié)點(diǎn)降低子網(wǎng)內(nèi)編碼次數(shù)過多節(jié)點(diǎn)的編碼次數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的成功請(qǐng)求率將降低。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文提出的方案在移動(dòng)P2P中的性能，通過Matlab實(shí)現(xiàn)了一個(gè)由離散事件驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境并與分段網(wǎng)絡(luò)編碼方案和基準(zhǔn)方案泛洪(flooding)方案進(jìn)行性能比較。3種方案均采用同步方式運(yùn)行，通過最常用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分發(fā)所需的周期數(shù)的方法來評(píng)價(jià)不同方案的下載時(shí)間。只對(duì)比方案的數(shù)據(jù)分發(fā)效率而不考慮其他代價(jià)是不全面的，因此本文進(jìn)一步比較了不同方案所產(chǎn)生的能量消耗。

3.1 數(shù)據(jù)分發(fā)效率

3種方案均在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行操作，因此忽略鏈路層和物理層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，覆蓋層為分層的移動(dòng)P2P。節(jié)點(diǎn)數(shù)定為200。節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型為 Random Waypoint［8］。部分實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

本文提出的FAMNC方案，與NC方案與Flooding方案的數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)間對(duì)比曲線如圖3所示。

從圖3可知，3種方案數(shù)據(jù)分發(fā)進(jìn)度基本保持線性增長趨勢(shì)。Flooding方案初期效率明顯，中期穩(wěn)定，后期速度有放緩趨勢(shì)。FAMNC在整個(gè)數(shù)據(jù)分發(fā)過程基本保持一定分發(fā)速率，網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)對(duì)其影響不大;最終完成數(shù)據(jù)分發(fā)的時(shí)間比Flooding方案稍長。NC方案一開始就明顯慢于Flooding方案與FAMNC方案，在數(shù)據(jù)分發(fā)完成50%后又受網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)影響，分發(fā)效率再次減緩。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

圖3 數(shù)據(jù)分發(fā)效率對(duì)比Fig.3 Data distribution rate comparison

3.2 能量消耗

本節(jié)通過統(tǒng)計(jì)來比較3種方案所帶來的能量消耗。設(shè)定節(jié)點(diǎn)發(fā)送功率為0.6 W，接收0.2 W，編碼功率為0.05 W［9-10］，其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)與表1參數(shù)值相同。參量消耗對(duì)比圖如圖4所示。

圖4 能量消耗對(duì)比Fig.4 Energy consumption comparison

從圖4可知，3種方案所帶來的能量消耗差異明顯。NC方案能量消耗前期增長緩慢，穩(wěn)定狀態(tài)能量消耗較低。FAMNC方案前期增長迅速，并以較大的波動(dòng)穩(wěn)定在均值，比NC方案略低處。Flooding方案快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，以較小的波動(dòng)在高能量消耗狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)。

3.3 實(shí)驗(yàn)分析

綜合對(duì)比數(shù)據(jù)分發(fā)率與能量消耗2個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，F(xiàn)AMNC方案在移動(dòng)P2P數(shù)據(jù)分發(fā)中表現(xiàn)出了良好的性能。以低于Flooding方案15%左右的能量消耗達(dá)到了相接近的數(shù)據(jù)分發(fā)效率。由于FAMNC是在網(wǎng)絡(luò)編碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，使數(shù)據(jù)塊間的線性相關(guān)概率極低，保證了每次轉(zhuǎn)發(fā)的有效性。而Flooding方案的轉(zhuǎn)發(fā)方式使鄰居節(jié)點(diǎn)間存儲(chǔ)了大量的線性相關(guān)的數(shù)據(jù)塊，導(dǎo)致后期無法進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交換。

此外，F(xiàn)AMNC方案的數(shù)據(jù)分發(fā)效率與能量消耗兩個(gè)指標(biāo)均優(yōu)于NC方案。NC方案中編碼節(jié)點(diǎn)沒有根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，而是以固定的方式進(jìn)行單次編碼，浪費(fèi)了為下游節(jié)點(diǎn)提供更多數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)，降低了網(wǎng)絡(luò)整體的數(shù)據(jù)分發(fā)速度。

4 結(jié)束語

為提高移動(dòng)對(duì)等網(wǎng)數(shù)據(jù)分發(fā)效率，提出了FAMNC數(shù)據(jù)分發(fā)方案。該方案通過超級(jí)節(jié)點(diǎn)分析反饋信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)編碼節(jié)點(diǎn)的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，F(xiàn)AMNC方案的數(shù)據(jù)分發(fā)效率明優(yōu)于NC方案，接近了Flooding方案的分發(fā)效率。FAMNC的能量消耗始終低于Flooding方案，并略優(yōu)于現(xiàn)有NC方案。在以后的研究中，需要考慮編碼節(jié)點(diǎn)間的配合以減少重復(fù)編碼現(xiàn)象，進(jìn)一步降低能量消耗。

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