大容量數(shù)據(jù)下基于DTN的鏈路中斷優(yōu)化傳輸技術(shù)*

石懷峰，龐衛(wèi)立，楊　力

（1.大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧　大連　116622；2.大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧　大連　116622）

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大容量數(shù)據(jù)下基于DTN的鏈路中斷優(yōu)化傳輸技術(shù)*

石懷峰1，龐衛(wèi)立2，楊力1

（1.大連大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116622；2.大連大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧大連116622）

摘要：激光或GHz以上的高頻鏈路的應(yīng)用將導(dǎo)致DTN(Delay Tolerant Network)網(wǎng)絡(luò)鏈路數(shù)據(jù)容量的增大，大容量數(shù)據(jù)鏈路的間歇性中斷將嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的傳輸效率。針對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)中大容量數(shù)據(jù)鏈路頻繁中斷和節(jié)點(diǎn)的剩余緩存空間劇烈變化的問(wèn)題，提出在DTN路由算法上增加擁塞狀態(tài)預(yù)測(cè)機(jī)制和易中斷鏈路判定機(jī)制，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的擁塞程度定義懲罰函數(shù)，緩解鏈路中斷和節(jié)點(diǎn)資源受限導(dǎo)致的擁塞。仿真結(jié)果表明，該機(jī)制可以有效提高DTN網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

關(guān)鍵詞：大容量數(shù)據(jù)，鏈路中斷，DTN網(wǎng)絡(luò)，懲罰函數(shù)

0　引言

為了緩解無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的間歇性中斷、傳輸時(shí)延長(zhǎng)的特點(diǎn)，2003年美國(guó)高級(jí)計(jì)劃研究局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）提出了DTN網(wǎng)絡(luò)的概念［1］。由于DTN網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢(shì)，該領(lǐng)域吸引了大量的研究工作。然而隨著DTN網(wǎng)絡(luò)鏈路容量需求的增大，鏈路的頻繁中斷將嚴(yán)重影響節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換和轉(zhuǎn)發(fā)，造成數(shù)據(jù)交付率下降，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷增加，致使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞。如電子對(duì)抗環(huán)境下，通信鏈路被強(qiáng)烈干擾，鏈路頻繁中斷導(dǎo)致消息不能成功傳輸［2］，從而消耗更多的鏈路帶寬資源，網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)銷也隨之增大。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的研究主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面主要集中于緩存中消息的調(diào)度管理，即通過(guò)對(duì)緩存中消息的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)順序的合理調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)擁塞控制［3］。如MaxProp算法［4］是基于節(jié)點(diǎn)相遇的歷史信息和源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑可能性調(diào)度消息，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，然而對(duì)于鏈路的頻繁中斷導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷并未減少；另一方面是主要集中于如何對(duì)緩存中的消息副本進(jìn)行合理的丟棄，如文獻(xiàn)［5］提到的Drop-Front （DF）和Drop-Oldest（DO）這兩種緩存區(qū)控制策略常被用于DTN網(wǎng)絡(luò)的路由策略中。DF策略的主要思想是首先丟棄節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)中排隊(duì)時(shí)間最長(zhǎng)的消息；而DO策略則是首先丟棄節(jié)點(diǎn)緩存區(qū)中剩余生命期最小的消息。然而隨著鏈路容量的增大，DF和DO只是選擇地丟棄過(guò)多的消息副本，使得本身資源并不豐富的DTN網(wǎng)絡(luò)的大量資源被浪費(fèi)掉［6-8］。文獻(xiàn)［9］提出了帶懲罰函數(shù)的最短路徑算法來(lái)解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的局部節(jié)點(diǎn)資源消耗過(guò)大的問(wèn)題，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的壽命，但該算法缺少相應(yīng)擁塞控制策略，因此，具有一定的局限性。

基于以上的擁塞控制策略和算法的不足，本文提出了一種基于懲罰函數(shù)的擁塞控制機(jī)制——PFCP （Penalty Function Congestion Policy，簡(jiǎn)稱PFCP）。在該機(jī)制下，節(jié)點(diǎn)通過(guò)判定易中斷鏈路和預(yù)測(cè)下一跳節(jié)點(diǎn)的的擁塞程度，動(dòng)態(tài)地調(diào)整消息的發(fā)送速率來(lái)避免擁塞的發(fā)生，能有效減少網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。

1　 PFCP機(jī)制的基本原理

為適應(yīng)這種大容量數(shù)據(jù)下的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，有必要對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)中鏈路的中斷次數(shù)和易中斷鏈路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和判定來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載。

本文提出的PFCP機(jī)制使每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期地更新自身的懲罰函數(shù)表，懲罰函數(shù)表保存了任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的鏈路信用度和懲罰函數(shù)值。通過(guò)懲罰函數(shù)表中的鏈路信用度進(jìn)行判斷，繞過(guò)那些給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)額外開(kāi)銷的易中斷鏈路，使得網(wǎng)絡(luò)的消息導(dǎo)向鏈路較穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)上。同時(shí)PFCP機(jī)制在傳輸消息的過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整消息的發(fā)送速率，防止保管傳輸節(jié)點(diǎn)的緩存空間過(guò)早溢出，有效緩解大容量鏈路下的頻繁中斷導(dǎo)致的擁塞。

1.1易中斷鏈路的判定

假定在定時(shí)器T內(nèi)，節(jié)點(diǎn)間鏈路的信用度為Cij，鏈路的信用度反應(yīng)了鏈路的可靠程度。i和j表示通信鏈路的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，定時(shí)器T的大小和Cij的初始值由網(wǎng)絡(luò)狀況而定。當(dāng)通信鏈路受到外界干擾，通信距離劇烈變化等原因使通信鏈路發(fā)生中斷，則將該鏈路的信用度Cij減1。

圖1局部網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

如圖1，CAB表示節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的鏈路信用度，當(dāng)節(jié)點(diǎn)A相遇節(jié)點(diǎn)B，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)建立通信鏈路，然后遍歷節(jié)點(diǎn)內(nèi)的懲罰函數(shù)表，判斷CAB的值是否為0。如果該鏈路在時(shí)間T內(nèi)中斷的次數(shù)超過(guò)Cij的初始值，即Cij的值變?yōu)?，則標(biāo)記節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間的鏈路為易中斷鏈路，并且對(duì)該鏈路做出一定的懲罰，即重啟定時(shí)器T，并且在之后的T時(shí)間內(nèi)使節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間不再進(jìn)行消息傳輸；否則允許節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B之間進(jìn)行消息傳輸，同時(shí)計(jì)算該鏈路的懲罰函數(shù)值，如1.2節(jié)中的式（1）所示。為了防止鏈路的信用度Cij長(zhǎng)時(shí)間累積，規(guī)定每當(dāng)定時(shí)器T溢出，將信用度Cij的值恢復(fù)至初始值。

1.2 PFCP機(jī)制的擁塞控制

DTN網(wǎng)絡(luò)的擁塞大多是由于節(jié)點(diǎn)的緩存空間溢出導(dǎo)致。避免擁塞的關(guān)鍵是在擁塞將要發(fā)生之前做出預(yù)測(cè)，及時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)送速率，同時(shí)在擁塞發(fā)生之后對(duì)擁塞節(jié)點(diǎn)做出一定的懲罰，直到擁塞節(jié)點(diǎn)有足夠的緩存空間后解除該懲罰。通過(guò)對(duì)上述擁塞原理的分析，在PFCP機(jī)制中添加懲罰函數(shù)f（B，k），如式（1）：

f（B，k）=1-B/Bm（1）

Bm表示節(jié)點(diǎn)緩存空間最大值，B是節(jié)點(diǎn)的剩余緩存空間大小。常數(shù)k為懲罰閾值，如式（1），當(dāng)B≥kBm，表示節(jié)點(diǎn)的剩余緩存空間受到限制。在節(jié)點(diǎn)A向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程中，為避免節(jié)點(diǎn)D過(guò)早發(fā)生擁塞，懲罰函數(shù)的值由于剩余緩存空間大小產(chǎn)生變化，根據(jù)懲罰函數(shù)f（B，k）的值，將節(jié)點(diǎn)A的發(fā)送速率減半。當(dāng)節(jié)點(diǎn)B的緩存空間溢出時(shí)，則f（B，k）= 1，將節(jié)點(diǎn)A的發(fā)送速率減為0，同時(shí)采用洪泛的方式通知其他的鄰居節(jié)點(diǎn)只允許接受節(jié)點(diǎn)B的消息，不再向節(jié)點(diǎn)D發(fā)送消息，如下頁(yè)圖2所示。

2　仿真與驗(yàn)證

為了客觀地對(duì)PFCP機(jī)制的性能進(jìn)行驗(yàn)證，本文采用開(kāi)源的仿真工具The ONE（The Opportunistic Network Environment Simulator）1.5.1版本軟件。仿真時(shí)間為86 400 s，數(shù)據(jù)傳輸速率為200 Mb/s。采用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的軌道參數(shù)見(jiàn)下頁(yè)表1所示。

圖2 PFCP機(jī)制流程圖

表1仿真平臺(tái)衛(wèi)星軌道參數(shù)

仿真使用的地圖參數(shù)來(lái)自衛(wèi)星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK），包含一顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星；3顆中高度地球軌道（MEO）衛(wèi)星；24顆低地球軌道衛(wèi)星；一個(gè)位于北京（北緯39°）的地球站；衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面之間都可以進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。

圖3投遞成功率隨時(shí)間變化圖

從圖3可以看出DF、MaxPropRouter、PFCP三種算法在大容量數(shù)據(jù)鏈路下的消息投遞成功率（Delivery_prob）隨仿真時(shí)間（Simulation Time）的增加而增長(zhǎng)。結(jié)果表明，PFCP算法在10個(gè)小時(shí)之前略低于MaxPropRouter算法。而在仿真10個(gè)小時(shí)之后，PFCP算法投遞成功率高于另外兩種算法。由于仿真初期網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涞淖兓?，?jié)點(diǎn)的懲罰函數(shù)表需要一定的時(shí)間進(jìn)行更新，仿真初期消息的投遞率增長(zhǎng)較慢，隨著仿真時(shí)間的增加懲罰機(jī)制的作用逐漸明顯，使得消息的成功投遞率較MaxPropRouter算法提高了10%。

圖4網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷率隨時(shí)間變化圖

由圖4可知，PFCP算法的網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷率（Overhead-Ratio）較MaxPropRouter算法降低了40%，較DF算法降低了58%。因此，表明PFCP算法的懲罰機(jī)制避免了節(jié)點(diǎn)過(guò)早的發(fā)生緩存空間溢出，同時(shí)過(guò)濾了給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的大量開(kāi)銷的易中斷鏈路。

圖5平均時(shí)延隨緩存大小變化圖

從圖5中看出，3種算法中DF算法平均時(shí)延（Average-Delay）性能最好，而PFCP算法的平均時(shí)延較MaxPropRouter算法增加了17%。說(shuō)明由于PFCP算法的擁塞避免機(jī)制，在節(jié)點(diǎn)的緩存空間還未溢出時(shí)能及時(shí)減少消息發(fā)送速率，使得在接受方還沒(méi)來(lái)得及轉(zhuǎn)發(fā)消息盡可能被轉(zhuǎn)發(fā)，而不是像DF算法被過(guò)早丟棄，由此帶來(lái)的代價(jià)是平均時(shí)延的增加。

通過(guò)分析比較，本文提出的擁塞控制算法在針對(duì)鏈路頻繁中斷的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下中具有較好表現(xiàn)，其投遞率較高，網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷低，時(shí)延略高，綜合性能優(yōu)于另外兩種算法。

3　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文提出了一種基于懲罰函數(shù)的擁

塞控制機(jī)制，該機(jī)制可以防止易中斷鏈路給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的巨大開(kāi)銷，同時(shí)使每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身的擁塞狀況動(dòng)態(tài)調(diào)整自己的發(fā)送速率，有效避免了DTN網(wǎng)絡(luò)在大容量數(shù)據(jù)下導(dǎo)致的擁塞。在降低節(jié)點(diǎn)擁塞的前提下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能影響較小，并且降低了網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)程度。

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Transmission Optimization Technology of Link Interrupt Based on DTN Network with Large Capacity Data

SHI Huai-feng1，PANG Wei-li2，YANG Li1（1.Dalian University Key Laboratory of Communication and Network，Dalian 116622，China；2. Dalian University School of Information Engineering，Dalian 116622，China）

Abstract：The link of the high -frequency above GHz or laser will lead to the data capacity increases of the link over DTN（Delay Tolerant Network），and the intermittent interruption of largecapacity data link will affect the data transmission efficiency seriously.To cope with the problems of that large-capacity data link occur interruption frequently and the remaining buffer space of nodes changes acutely，the congestion prediction mechanism and the interrupted node determination mechanism are added to DTN routing algorithms，and define the penalty function by the congestion degree and the result of the determination to relieve the congestion caused by link interruption. Simulation results show that this mechanism can improve the transmission performance of DTN network effectively.

Key words：large capacity data，link interrupt，DTN network，penalty function

作者簡(jiǎn)介：石懷峰（1988-），男，江蘇徐州人，碩士。研究方向：衛(wèi)星通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（61301151）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（91338104）

收稿日期：2015-01-04

文章編號(hào)：1002-0640（2016）02-0065-03

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

修回日期：2015-02-25