一種基于聯(lián)絡(luò)歷史的車(chē)載容遲網(wǎng)絡(luò)路由算法

宋志華,暴建民,謝元發(fā),周 雅

(南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210023)

一種基于聯(lián)絡(luò)歷史的車(chē)載容遲網(wǎng)絡(luò)路由算法

宋志華,暴建民,謝元發(fā),周 雅

(南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210023)

移動(dòng)車(chē)載容遲網(wǎng)絡(luò)(VDTN)是一種特殊的容忍延遲網(wǎng)絡(luò)，其消息從一端到另一端由移動(dòng)的車(chē)輛節(jié)點(diǎn)攜帶轉(zhuǎn)發(fā)。由于不同源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間端到端通信路徑不存在，因此，移動(dòng)車(chē)載容遲網(wǎng)絡(luò)中端到端的聯(lián)系是松散的，且導(dǎo)致傳遞消息至目的節(jié)點(diǎn)的可能性大幅度減小。因此，在移動(dòng)車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)下應(yīng)用的一系列路由算法不能很好地應(yīng)用于VDTN。所以在VDTN中，路由算法成為一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。文中提出了一種基于節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)絡(luò)歷史的路由算法(CONHR)，指的是通過(guò)已有聯(lián)絡(luò)歷史記錄的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，比較中繼計(jì)數(shù)區(qū)域中數(shù)值的大小，選擇出最佳的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，讓其攜帶并轉(zhuǎn)發(fā)消息至目的節(jié)點(diǎn)。這種歷史記錄包含每個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)過(guò)去遇到的中繼節(jié)點(diǎn)的信息。結(jié)果顯示，基于節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)絡(luò)歷史的路由算法(CONHR)與其他算法在消息投遞率、平均時(shí)延、開(kāi)銷(xiāo)比上具有更好的表現(xiàn)。

移動(dòng)車(chē)載容遲網(wǎng)絡(luò)；聯(lián)絡(luò)歷史；CONHR算法；容忍延遲網(wǎng)絡(luò)

0 引 言

DTN網(wǎng)絡(luò)是一種在其生存周期內(nèi)不需要端到端聯(lián)系的特殊網(wǎng)絡(luò)，但該類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)表現(xiàn)在較窄的傳輸范圍、無(wú)線(xiàn)通信時(shí)的能耗限制、不同的網(wǎng)絡(luò)分割等方面。但可以通過(guò)不均勻的數(shù)據(jù)傳輸率，間歇長(zhǎng)短，較長(zhǎng)或變化復(fù)雜的延遲以及傳輸過(guò)程中較高的出錯(cuò)率區(qū)別這些網(wǎng)絡(luò)，比如星際網(wǎng)絡(luò)[1](IPN)、水下傳感器網(wǎng)[2]、無(wú)線(xiàn)移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WMSN)、手持設(shè)備網(wǎng)絡(luò)、戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)[3]、移動(dòng)車(chē)載容遲網(wǎng)絡(luò)[4](VDTN)等。

VDTN作為新型的車(chē)輛通信網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛與車(chē)輛之間(Vehicle to Vehicle,V2V)、車(chē)輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間(Vehicle to Infrastructure,V2I)的多跳無(wú)線(xiàn)通信。其中，車(chē)輛將被視為可移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間利用中繼節(jié)點(diǎn)相互傳遞消息，而中繼節(jié)點(diǎn)是一種存儲(chǔ)更多消息記錄的緩存空間區(qū)域，并且散布在車(chē)輛行駛路徑的道路交叉處，接收或發(fā)送消息給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。

DSDV[5],DSR[6]以及AODV[7]是車(chē)載自組織網(wǎng)絡(luò)(MANET)針對(duì)路由數(shù)據(jù)包的幾個(gè)常見(jiàn)的路由協(xié)議。它們是通過(guò)在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間建立端到端的路徑來(lái)傳送數(shù)據(jù)。這一類(lèi)協(xié)議都是為了找到最短傳輸路徑，并在此路徑基礎(chǔ)上路由數(shù)據(jù)包。但在DTN網(wǎng)絡(luò)中，不能直接找到源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑，只有通過(guò)一段時(shí)間不同網(wǎng)絡(luò)分區(qū)中的子路徑的疊加方式找到較優(yōu)路徑。正因如此，使得VDTN網(wǎng)絡(luò)路由算法變得富有挑戰(zhàn)性。所以在VDTN網(wǎng)絡(luò)中，不是為了找到最短路徑，更多的是確保消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

DTN路由算法是大量的節(jié)點(diǎn)以存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制進(jìn)行的，基本的路由算法是基于洪泛策略，有First Contact[8]算法、Spray-and-Wait算法[9]，以及基于節(jié)點(diǎn)歷史的路由算法，比如Prophet[10]算法，節(jié)點(diǎn)利用節(jié)點(diǎn)間相遇的歷史信息和傳遞性來(lái)估計(jì)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的概率選擇下一跳節(jié)點(diǎn)。

針對(duì)VDTN，文中提出一種路由算法—基于節(jié)點(diǎn)之間聯(lián)絡(luò)歷史的路由算法(Contact History Routing)。

1 基于節(jié)點(diǎn)聯(lián)絡(luò)歷史的路由算法-CONHR算法

1.1 算法背景

(1)視作移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的車(chē)輛高速運(yùn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)在很短的時(shí)間內(nèi)彼此相遇，節(jié)點(diǎn)之間交換信息的時(shí)間非常短暫，所以傳遞的消息數(shù)目非常少。

(2)當(dāng)節(jié)點(diǎn)以預(yù)計(jì)路線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間相遇的頻率增加，比如出租車(chē)司機(jī)。節(jié)點(diǎn)會(huì)多次移動(dòng)到同一位置，比如去公司的職員。與特定中繼節(jié)點(diǎn)有相遇歷史的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)以后轉(zhuǎn)發(fā)消息的決策產(chǎn)生重大影響，例如一個(gè)節(jié)點(diǎn)在過(guò)去已經(jīng)遇到該中繼節(jié)點(diǎn)，在未來(lái)的時(shí)間點(diǎn)就有較大的概率會(huì)再次遇到。

針對(duì)上述VDTN移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的特征，文中提出了CONHR算法。它是基于聯(lián)絡(luò)歷史的一種算法，該聯(lián)絡(luò)歷史是由源節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的，是關(guān)于在網(wǎng)絡(luò)中與不同的中繼節(jié)點(diǎn)相遇的聯(lián)絡(luò)歷史記錄。在該算法中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生并存儲(chǔ)這一相遇聯(lián)絡(luò)歷史記錄，并轉(zhuǎn)發(fā)消息給網(wǎng)絡(luò)中有較大可能與更多的中繼節(jié)點(diǎn)相遇的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(即中繼計(jì)數(shù)較大的節(jié)點(diǎn))，直至到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

1.2 算法假設(shè)

1.2.1 總體假設(shè)

(1)網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有獨(dú)特的識(shí)別標(biāo)志，以至于網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)都能夠識(shí)別。

(2)假定網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)兩種終止節(jié)點(diǎn)：源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。它們作為網(wǎng)絡(luò)中的固定節(jié)點(diǎn)并且被安置在兩個(gè)不同的終端上。

(3)具有手持設(shè)備的車(chē)輛(同構(gòu)或異構(gòu))作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)攜帶信息。移動(dòng)模型[11]設(shè)置為基于地圖的模型 MapBasedMovement。

(4)中繼節(jié)點(diǎn)是固定節(jié)點(diǎn)，也稱(chēng)為路邊單元，利用存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，分布在網(wǎng)絡(luò)中不同的道路交叉處來(lái)提高消息投遞率。與ONE中所說(shuō)的中繼節(jié)點(diǎn)不同在于是否有中繼計(jì)數(shù)區(qū)域。

1.2.2 消息生成與復(fù)制策略

消息只能由源節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生；源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)秘密進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)，即雙方通信時(shí)只有對(duì)方才能獲知彼此的消息。

1.2.3 調(diào)度與丟棄策略

(1)調(diào)度策略是對(duì)隊(duì)列中的隨機(jī)消息進(jìn)行調(diào)度。

(2)終止策略考慮到消息的生存周期TTL。如果消息時(shí)間達(dá)到了生存周期，將從隊(duì)列中丟棄。

1.2.4 轉(zhuǎn)發(fā)/限制的洪泛策略

基于限制的洪泛策略的消息轉(zhuǎn)發(fā)：利用節(jié)點(diǎn)間的相遇進(jìn)行消息的復(fù)制，然后通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)，直至目的節(jié)點(diǎn)。

1.3 算法過(guò)程

CONHR遵循兩個(gè)過(guò)程：一是關(guān)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歷史創(chuàng)建與更新；二是消息的轉(zhuǎn)發(fā)與傳遞。

1.3.1 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歷史創(chuàng)建或更新

表1顯示歷史記錄存儲(chǔ)在VDTN不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)中。

表1 不同節(jié)點(diǎn)的歷史存儲(chǔ)

首先，源節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的歷史記錄設(shè)置為NULL。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與中繼節(jié)點(diǎn)第一次相遇時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的中繼計(jì)數(shù)區(qū)域存儲(chǔ)這次相遇的歷史記錄。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M與源節(jié)點(diǎn)S相遇，源節(jié)點(diǎn)S從移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M傳遞的信息中尋找與中繼節(jié)點(diǎn)相遇的信息，并存儲(chǔ)這些記錄：移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為該移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相遇到的中繼節(jié)點(diǎn)編號(hào)及其相遇過(guò)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相遇時(shí)，它們創(chuàng)建類(lèi)似于與源節(jié)點(diǎn)相遇時(shí)的歷史記錄信息，并交換之間存儲(chǔ)的信息。

當(dāng)源節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)節(jié)點(diǎn)再次相遇時(shí)，便會(huì)更新相應(yīng)的歷史記錄，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間再次相遇時(shí)，亦是如此。

1.3.2 消息轉(zhuǎn)發(fā)與傳遞

無(wú)論何時(shí)源節(jié)點(diǎn)S相遇移動(dòng)節(jié)點(diǎn)M，S都會(huì)檢查M存儲(chǔ)的歷史信息是否已經(jīng)存在于S的歷史記錄中。如果該歷史記錄對(duì)S通信范圍內(nèi)的所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)有效，S節(jié)點(diǎn)則選擇該范圍內(nèi)中繼計(jì)數(shù)最高的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間相遇時(shí)，也會(huì)檢查彼此的歷史記錄信息，選擇中繼計(jì)數(shù)最高的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)。

在以下出現(xiàn)的兩個(gè)場(chǎng)景中，如果移動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間具有相同的中繼計(jì)數(shù)或中繼計(jì)數(shù)均為0，那么隨機(jī)選取范圍內(nèi)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為下一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 模擬器

對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬主要靠網(wǎng)絡(luò)模擬器。文中實(shí)驗(yàn)采用的是機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)模擬器(Opportunistic Networks Environment，ONE)[12]。ONE仿真系統(tǒng)是在SINDTN和CATDTN項(xiàng)目資助下由芬蘭Nokia研究中心開(kāi)發(fā)的用于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)研究的仿真平臺(tái)，專(zhuān)門(mén)用于研究DYN網(wǎng)絡(luò)。它基于離散事件的模擬引擎，其擴(kuò)展功能強(qiáng)大。

2.2 仿真環(huán)境與配置

文中將利用ONE[13]仿真平臺(tái)對(duì)CONHR路由算法進(jìn)行大量的仿真實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)將要進(jìn)行的場(chǎng)景參數(shù)進(jìn)行設(shè)置(見(jiàn)表2)，中繼節(jié)點(diǎn)設(shè)置為10，源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)均在模擬場(chǎng)景中。

表2 環(huán)境模擬參數(shù)表

仿真中采用的評(píng)估指標(biāo)有：消息投遞率、平均時(shí)延、開(kāi)銷(xiāo)比。具體含義見(jiàn)表3。

表3 ONE仿真器評(píng)估指標(biāo)

將CONHR算法與Prophet算法、Spray-and-Wait算法以及First Contact算法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于Spray-and-Wait[14]算法，設(shè)置其最大副本數(shù)量為6。

2.3 模擬結(jié)果與分析

首先，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)數(shù)量，比較各個(gè)算法的消息投遞率，評(píng)價(jià)CONHR的穩(wěn)定性。

如圖1所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量由50到250變化時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有算法的消息投遞率都增加了。其中，CONHR算法消息投遞率增長(zhǎng)的最快。原因如下：

當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增加時(shí)，節(jié)點(diǎn)之間與中繼節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系增加，因此中繼計(jì)數(shù)增加。CONHR算法的核心在于計(jì)算中繼計(jì)數(shù)區(qū)域中的數(shù)值大小，從而決定消息的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。因此，中繼計(jì)數(shù)越大，消息投遞率越大。

圖1 消息投遞率vs節(jié)點(diǎn)數(shù)量

其次，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，比較各個(gè)算法的平均時(shí)延，評(píng)價(jià)其性能。

如圖2所示，對(duì)于所有的算法，當(dāng)越來(lái)越多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)與傳遞時(shí)，其平均時(shí)延會(huì)降低。相比較而言，CONHR算法較為穩(wěn)定。

從圖2中看到，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量在50～90范圍內(nèi)變化時(shí)，其平均時(shí)延降低；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量在90～130范圍內(nèi)變化時(shí)，其平均時(shí)延上升；當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量在130～170范圍內(nèi)變化時(shí)，平均時(shí)延又降低。這是由于越來(lái)越多的消息投遞率并未增加的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了消息轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)越來(lái)越多的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)將會(huì)變得擁塞，以及花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)消息，因此傳遞時(shí)延也相應(yīng)地增加，這也是CONHR算法在節(jié)點(diǎn)數(shù)量90～130范圍變化時(shí)平均時(shí)延上升的原因。

圖2 平均時(shí)延vs節(jié)點(diǎn)數(shù)量

最后，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，比較各個(gè)算法的開(kāi)銷(xiāo)比，評(píng)價(jià)其性能。

CONHR算法在開(kāi)銷(xiāo)比上優(yōu)于Prophet算法和First Contact算法。相比之下，它具有更高的消息投遞率和中繼較少的信息。但Spray-and-Wait算法具有中繼更少數(shù)量的消息，由于在Spray-and-Wait算法中，其中繼節(jié)點(diǎn)直到遇見(jiàn)目的節(jié)點(diǎn)才會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)與傳遞消息，故導(dǎo)致其路由開(kāi)銷(xiāo)比比CONHR算法更小。

如圖3所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多，CONHR算法的路由開(kāi)銷(xiāo)比略有增加。這是由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量越來(lái)越多，其中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)發(fā)。

3 結(jié) 論

通過(guò)ONE模擬器的模擬結(jié)果顯示，CONHR算法在消息投遞率、平均時(shí)延、開(kāi)銷(xiāo)比上的確比Prophet算法、First Contact算法效果好，盡管在開(kāi)銷(xiāo)比上比Spray-and-Wait算法略低。這是由于找到中繼計(jì)數(shù)較大的節(jié)點(diǎn)時(shí)其增加了路由開(kāi)銷(xiāo)，但在另外兩個(gè)方面上還是勝于Spray-and-Wait算法。因此CONHR算法在移動(dòng)車(chē)載容遲網(wǎng)絡(luò)中具有較好的性能表現(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在使用CONHR算法時(shí)，首先利用有限制的洪泛策略傳遞消息給具有歷史記錄的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，被選擇的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的中繼計(jì)數(shù)較高的優(yōu)先，這樣可能會(huì)導(dǎo)致額外的路由開(kāi)銷(xiāo)比，這點(diǎn)還是需要深入研究。

CONHR算法將中繼節(jié)點(diǎn)視為儲(chǔ)存歷史記錄的變量，在未來(lái)將包含與目的節(jié)點(diǎn)相遇計(jì)數(shù)，聯(lián)系時(shí)間間隔以及剩余緩存空間，這樣也會(huì)增加更多的變量來(lái)儲(chǔ)存歷史記錄，也會(huì)導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)需要額外的存儲(chǔ)空間、額外的路由開(kāi)銷(xiāo)。今后，將基于這些變量找到一種更加高效的路由算法。

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A Routing Algorithm of Vehicular Delay Tolerant Network Based on Contact History

SONG Zhi-hua，BAO Jian-min，XIE Yuan-fa，ZHOU Ya

(Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210023，China)

VDTN is a special delayed tolerant network,where messages are carried by moving vehicles from one end to another.Because there is no existence in the communication path from end to end between different source nodes and destination nodes,the relation from end to end is loose,and the possibilities of transferring messages to destination nodes decreases at a large scale.So a series of routing algorithms applied in the vehicle Ad-Hoc network cannot apply in VDTN greatly,routing algorithm in VDTN has become a challenging task.A routing algorithm based on contact history of nodes is proposed,which chooses the best moving nodes by nodes with contact history,and makes moving nodes whose relayed count is the biggest carry messages to destination nodes.The contact history contains information of relayed nodes which met with each node.The result suggests the routing algorithm based on contact history performs better in delivery ratio,average latency,overhead ratio than other algorithms.

VDTN;contact history;CONHR;delayed tolerant network

2015-11-03

2016-02-23

時(shí)間：2016-06-22

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(SZDG2015043)

宋志華(1995-)，女，研究方向?yàn)槿葸t容斷網(wǎng)絡(luò)；暴建民，正高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160622.0844.038.html

TP301.6

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1673-629X(2016)07-0196-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.07.042