命名數(shù)據(jù)移動自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)策略

張 棟，薛 錦

(福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350116)

命名數(shù)據(jù)移動自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)策略

張 棟，薛 錦

(福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350116)

設(shè)計了命名數(shù)據(jù)移動自組織網(wǎng)絡(luò)的全新轉(zhuǎn)發(fā)策略(LAFS). LAFS控制低能量節(jié)點對請求數(shù)據(jù)包的響應(yīng)，實現(xiàn)了在不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的前提下延長整網(wǎng)生命周期、降低網(wǎng)絡(luò)時延的效果. 通過將LAFS與命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中已有的兩個轉(zhuǎn)發(fā)策略在生命周期、跳數(shù)和時延三個方面進(jìn)行分析與比較，證實了LAFS轉(zhuǎn)發(fā)策略更高效節(jié)能.

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)； 移動自組織網(wǎng)絡(luò)； 轉(zhuǎn)發(fā)策略； 節(jié)能； 生命周期感知轉(zhuǎn)發(fā)策略

0 引言

隨著信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提升，無線移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量正以每年接近100%的速度增長，迫切需要新一代更加高效、智能的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)來支撐日益膨脹的用戶需求. 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(named-data network, NDN)[1]是一種全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，致力于將目前以主機(jī)為核心的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)演變成以內(nèi)容為中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從而滿足用戶對下一代互聯(lián)網(wǎng)高性能、高可靠性等需求[2].

將命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線自組織網(wǎng)絡(luò) (mobile ad hoc networking, MANET)相結(jié)合已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界關(guān)注的熱門課題. 無線自組織網(wǎng)絡(luò)適用于一些緊急場合的通信需要[3]，能夠快速、便捷、高效地部署，但是傳統(tǒng)的以IP為核心的架構(gòu)不能很好地適應(yīng)無線自組織網(wǎng)絡(luò)動態(tài)多變的特點. 通過命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基于命名的數(shù)據(jù)查找與傳輸方式，可以不再需要使用IP進(jìn)行主機(jī)定位，能夠很好解決無線自組織網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點密集、請求頻繁以及拓?fù)涠嘧兊惹闆r而引起的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量不佳等問題. 本研究就命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在無線自組織網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索，提出基于無線自組織網(wǎng)絡(luò)的命名數(shù)據(jù)節(jié)能發(fā)策略(lifetime-aware forwarding strategy, LAFS)，為提高無線自組織網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量提供了全新的思路. 實驗表明，與命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中已有的轉(zhuǎn)發(fā)策略相比較，LAFS綜合表現(xiàn)更佳，尤其在延長全網(wǎng)生命周期上取得了良好效果.

1 相關(guān)工作

作為一種以內(nèi)容為中心的全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中，內(nèi)容存儲位置不再是關(guān)注的重點，內(nèi)容本身才是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心所在. 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將傳統(tǒng)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中以IP為窄腰的沙漏模型變成以內(nèi)容為窄腰的新沙漏模型，網(wǎng)絡(luò)中的報文不再以IP作為標(biāo)識，而是以內(nèi)容名字作為標(biāo)識. 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)報文分為兩類，一種是請求報文(interest packet)，另一種是數(shù)據(jù)報文(data packet). 每個報文都含有一個內(nèi)容名字來標(biāo)識消費(fèi)者節(jié)點想要的內(nèi)容或者該數(shù)據(jù)報文所負(fù)載的數(shù)據(jù). 路由節(jié)點通過發(fā)送包含內(nèi)容名字的請求報文來請求具體內(nèi)容，若中間路由節(jié)點包含該內(nèi)容則發(fā)送包含內(nèi)容名字的Data包.

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)由于其自身架構(gòu)的特點，可以很好地支持無線自組織網(wǎng)絡(luò)[4]. 原因如下：

1) 以數(shù)據(jù)為中心的信息交互方式. 以數(shù)據(jù)為中心的信息交互方式，建立在與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無關(guān)的數(shù)據(jù)命名機(jī)制的基礎(chǔ)之上. 每個數(shù)據(jù)包都擁有可以唯一識別的命名，從而不再需要維持主機(jī)連接狀態(tài)信息，信息請求直接由消費(fèi)者節(jié)點通過發(fā)送帶有數(shù)據(jù)命名的Interest包來完成.

2) 命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中維持了記錄Interest包來源接口的待定請求表(pending interest table，PIT)，通過PIT表，Data包就可以沿著Interest包來時相反的路徑順利傳輸?shù)较M(fèi)者節(jié)點，從而使消費(fèi)者節(jié)點的物理位置等具體信息對生產(chǎn)者節(jié)點和路由策略來說都是透明的. 因此，消費(fèi)者節(jié)點發(fā)生了拓?fù)湮恢玫囊苿硬⒉挥绊慏ata包的順利傳送.

目前已有一些研究工作致力于將命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入無線自組織網(wǎng)絡(luò). 有的文獻(xiàn)提出通過中間媒介的映射(intermediate mapping)來尋找無線自組織網(wǎng)絡(luò)中移動的生產(chǎn)者節(jié)點，從而獲取到Data數(shù)據(jù)包. 例如在文[5]和文[6]中，每個節(jié)點都維持一個具體的定位器，并且在主代理中更新節(jié)點與位置的映射信息. 通過將該信息加入到Data數(shù)據(jù)包的頭部[6]或者把該信息作為單獨(dú)的字段插入到Interest包[5]中可以實現(xiàn)Interest包到移動節(jié)點的定位功能. 但是這樣操作的結(jié)果是，當(dāng)Producer移動時，就必須進(jìn)行一系列信息更新操作以確保映射仍然是有效的. 文[7]對此做出了改進(jìn)，提出了一種命名為Kite的針對命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與無線自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的解決方案. Kite對原有的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)框架進(jìn)行了改動，在Interest和PIT中分別添加了新的字段，從而充分利用命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中所記錄的轉(zhuǎn)發(fā)信息來跟蹤移動節(jié)點，不需要特別設(shè)立起到中間映射作用的媒介節(jié)點. 然而Kite也只適用于基礎(chǔ)設(shè)施相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，對于網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)多變并且對能量要求苛刻的無線自組織網(wǎng)絡(luò)等并不適用.

考慮到無線自組織網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能的問題，文[8]提出了命名為CHANET(content centric fashion mANET)的命名數(shù)據(jù)無線自組織網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu). CHANET在原有的命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上添加了pending request table(PRT)和content provider table(CPT)，致力于解決網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)多變的IEEE 802.11 無線自組織網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)容的獲取、緩存和傳輸問題，從而實現(xiàn)節(jié)能的效果. 文[9]中的ECHANET在CHANET的基礎(chǔ)做了進(jìn)一步改進(jìn)，對IEEE 802.11無線網(wǎng)絡(luò)的消息廣播、拓?fù)渥兓?、請求頻率控制以及節(jié)能等方面都做出了改進(jìn). 同樣是對CHANET架構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，文[10]提出了COCONET(content-centric communication in multi-hop NETworks)架構(gòu). COCONET建立在位于IEEE 802.11數(shù)據(jù)鏈路層之上的面向無連接的內(nèi)容中心層，它利用廣播包的形式，讓每個內(nèi)容接收節(jié)點根據(jù)路徑距離等因素來決定轉(zhuǎn)發(fā)端口，從而實現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo). COCONET主要考慮通過選擇信息傳播的最短路徑來減少能量的損耗，但是并沒有考慮到延長整網(wǎng)生命周期的節(jié)能方案.

以上工作都對基于命名數(shù)據(jù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)做了一定的探索，取得了階段性成果，但是并沒有給出能夠延長無線自組織網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)生命周期的節(jié)能方案. 本研究針對無線自組織網(wǎng)絡(luò)請求頻繁以及拓?fù)涠嘧兊忍攸c，提出了一種延長整網(wǎng)生命周期的轉(zhuǎn)發(fā)策略LAFS.

2 LAFS策略

2.1 基于命名數(shù)據(jù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)

設(shè)計一種命名數(shù)據(jù)無線自組織網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)策略(lifetime-aware forwarding strategy, LAFS). 在LAFS的設(shè)計方案中，對命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系框架做了改動. 圖1為命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)原有框架中PIT表的結(jié)構(gòu).

從圖1中可以看出，PIT表中記錄了請求報文所需要的內(nèi)容名字以及請求報文的來源接口. 所設(shè)計的命名數(shù)據(jù)無線自組織網(wǎng)絡(luò)中，為PIT表結(jié)構(gòu)增加了字段recCount(received count). 圖2為改動后的PIT表結(jié)構(gòu)示意圖. recCount代表該請求接收到的次數(shù). 當(dāng)請求報文第一次到達(dá)節(jié)點并且需要記錄在PIT中時，recCount初始化為1，此后每接收到一次該請求，就使recCount加1.

圖1 NDN原有框架中PIT表結(jié)構(gòu)Fig.1 PIT table structure in original NDN framework

圖2 改動后的PIT表結(jié)構(gòu)Fig.2 PIT table structure after modified

命名數(shù)據(jù)無線自組織網(wǎng)絡(luò)同時還保留了命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的其他關(guān)鍵組成部分，如轉(zhuǎn)發(fā)信息庫(forwarding interest base, FIB)，內(nèi)容存儲庫(content store, CS)等. LAFS致力于使命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)更高效地適用于無線自組織網(wǎng)絡(luò).

2.2 LAFS策略設(shè)計思想及其實現(xiàn)

LAFS的核心思想是控制網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)自身能量的剩余值對所收到的請求數(shù)據(jù)包做出不同響應(yīng)，降低低能量節(jié)點對請求數(shù)據(jù)包的響應(yīng)頻率，從而避免了關(guān)鍵節(jié)點由于頻繁使用而過早消亡.

每個節(jié)點設(shè)定兩個能量閾值： max，min. 通過兩個能量閾值，可以將一個節(jié)點的剩余能量狀態(tài)劃分為三個階段： 高于max的能量充足狀態(tài)，介于max與min之間的能量臨界狀態(tài)，低于min的能量匱乏狀態(tài). 當(dāng)節(jié)點收到Interest包時將根據(jù)剩余能量狀態(tài)進(jìn)行決策判斷，做出不同的響應(yīng).

下面對節(jié)點處于不同剩余能量階段時的響應(yīng)操作進(jìn)行詳細(xì)說明.

1) 剩余能量高于max. 當(dāng)節(jié)點的剩余能量狀態(tài)高于max，說明節(jié)點的能量充足，此時LAFS所做出的判斷與其他已有的轉(zhuǎn)發(fā)策略相同，進(jìn)行正常響應(yīng).

2) 剩余能量介于max與min之間. 此時，當(dāng)節(jié)點收到Interest包時，首先在PIT表中進(jìn)行查找. 若PIT表中無該Interest的記錄，則說明節(jié)點是第一次收到該Interest包，則直接將Interest包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā). 若PIT表中有該Interest的記錄，說明是多次收到該Interest，此時就先查看節(jié)點的CS. 如果節(jié)點CS中不含有滿足該Interest包請求內(nèi)容的Data包，則將該Interest包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā). 如果節(jié)點CS中含有滿足該Interest包請求內(nèi)容的Data包，則按照概率P決定是否將Data包直接通過請求接口返回給請求節(jié)點. 概率P的定義如下所示.

其中: RemainingEnergy代表節(jié)點的剩余能量. 隨著剩余能量減少，P的值也將下降，從而降低了低能量節(jié)點發(fā)送Data包的概率，實現(xiàn)了節(jié)能.

3) 剩余能量低于min. 當(dāng)節(jié)點的剩余能量值低于min時，為了防止該節(jié)點過早消亡，需要采取一定的措施. 此時，如果節(jié)點收到Interest請求包，先去PIT表中進(jìn)行查詢. 如果PIT表中已經(jīng)有對應(yīng)的記錄，則拋棄該Interest包，不做任何響應(yīng). 如果PIT表中沒有該Interest包記錄，則將Interest包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā). 表1給出了LAFS的算法描述.

表1 LAFS算法

endif endifelseif(RemainingEnergy

2.3 評價指標(biāo)

通過以下三個指標(biāo)對LAFS轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行評價：

1) 生命周期. 傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)發(fā)策略有可能會造成無線自組織網(wǎng)絡(luò)中部分關(guān)鍵節(jié)點由于頻繁使用而過早消亡，從而使整網(wǎng)過早分割，關(guān)鍵信息無法傳遞甚至造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓. 因此, 全網(wǎng)生命周期的長短對命名數(shù)據(jù)無線自組織網(wǎng)絡(luò)有著重要意義，也是對轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行評價的重要指標(biāo).

2) 平均時延. 網(wǎng)絡(luò)時延是評價網(wǎng)絡(luò)性能的重要指標(biāo)，一個請求的時延定義為該請求節(jié)點收到正確響應(yīng)數(shù)據(jù)包的時間與其第一次發(fā)出該請求的時間差. 網(wǎng)絡(luò)平均時延的計算如下式所示.

其中：N代表不同節(jié)點中不同請求數(shù)的總和； Delay_Interesti代表第i個請求的時延.

3) 平均跳數(shù). 跳數(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中興趣包以及數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中所經(jīng)過的跳數(shù)之和. 平均跳數(shù)(AveHop)的計算如下式所示.

其中: HopIi代表第i個請求(Interest)所經(jīng)過的跳數(shù)； HopDj代表第j個數(shù)據(jù)包(Data)所經(jīng)過的跳數(shù)；n代表興趣包的總數(shù)；k代表數(shù)據(jù)包的總數(shù).

3 仿真與實現(xiàn)

采用命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件ndnSIM[11]進(jìn)行仿真實驗. ndnSIM仿真軟件采用模塊化的設(shè)計方案，使用獨(dú)立的C++類來模擬命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)層中各個實體及操作. 此外，仿真軟件提供了可拓展的接口和幫助類來細(xì)致地追蹤命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)流中每一個組成部分.

3.1 實驗場景設(shè)定

在仿真實驗中，為了增加網(wǎng)絡(luò)鏈路通信壓力，以體現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)策略的優(yōu)劣，設(shè)定全網(wǎng)30個節(jié)點，其中15個消費(fèi)者節(jié)點，9個生產(chǎn)者節(jié)點，6個中間節(jié)點. 所有節(jié)點分布在1 600 m2(40 m×40 m)的區(qū)域之中. 其中消費(fèi)者節(jié)點每秒的請求數(shù)為100次. 節(jié)點隨機(jī)移動，以確保最大程度的模擬無線自組織網(wǎng)絡(luò)的真實場景. 節(jié)點間采用無線通信方式，無實際物理鏈路. 節(jié)點單次傳輸報文能量消耗為1.75 W，接收報文能量消耗為0.940 6 W，節(jié)點待機(jī)狀態(tài)下能量消耗為0.569 9 W. 實驗中, 將LAFS策略與命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中已有的轉(zhuǎn)發(fā)策略BestRoute和Flooding進(jìn)行了比較和分析.

3.2 實驗結(jié)果

1) 生命周期. 該實驗統(tǒng)計了不同轉(zhuǎn)發(fā)策略下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點生命周期的差異，分別記錄了20%、40%、60%、80%和100%節(jié)點數(shù)消亡的時間, 實驗結(jié)果如圖3所示. 可以看出采用Flooding策略的情況下，全網(wǎng)節(jié)點將消亡的最快，因為對Interest包進(jìn)行了洪泛轉(zhuǎn)發(fā)，浪費(fèi)了一定的能量. 采用LAFS策略后明顯延長了全網(wǎng)節(jié)點的消亡時間，起到了節(jié)能的作用.

2) 平均時延. 該實驗統(tǒng)計了不同轉(zhuǎn)發(fā)策略下網(wǎng)絡(luò)平均時延的差異，圖4給出了比較結(jié)果. 當(dāng)節(jié)點能量充足時，LAFS和BestRoute兩條曲線基本重合，而Flooding的時延較低是因為將請求進(jìn)行了洪泛轉(zhuǎn)發(fā)，能迅速得到正確的響應(yīng). 隨著實驗的進(jìn)行，LAFS控制了部分低能量節(jié)點的響應(yīng)，使時延變得相對較高. 實驗進(jìn)行到后期，采用BestRoute策略或Flooding策略的網(wǎng)絡(luò)中由于沒有采取節(jié)能方案而導(dǎo)致部分節(jié)點死亡，從而造成部分信息傳遞受阻，時延變長. 從曲線變化的趨勢可以看出，在運(yùn)行時間足夠長的情況下，LAFS策略可以有效降低網(wǎng)絡(luò)時延.

圖3 節(jié)點生命周期Fig.3 Nodes’ life-time

圖4 平均時延Fig.4 Average delay

圖5 平均跳數(shù)Fig.5 Average hops

3) 平均跳數(shù). 該實驗統(tǒng)計了不同轉(zhuǎn)發(fā)策略下網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)的差異，圖5是實驗所得到的平均跳數(shù)曲線圖. 對Flooding策略而言，將Interest包進(jìn)行了洪泛轉(zhuǎn)發(fā)必定造成了跳數(shù)的增加，而隨著實驗的進(jìn)行，部分中間節(jié)點的CS中緩存了Data包，使得Interest包所經(jīng)過的跳數(shù)有效減少.

對于LAFS與BestRoute策略而言，從圖中可以看出采用LAFS策略后，由于控制了部分低能量節(jié)點的請求響應(yīng)，所以跳數(shù)會相對較高. 但是隨著實驗的運(yùn)行，LAFS和BestRoute兩條曲線基本重合，說明LAFS在保證延長低能量節(jié)點生命周期的同時并沒有增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān).

4 結(jié)語

基于命名數(shù)據(jù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢在于不需要用IP來對終端進(jìn)行定位，改為以內(nèi)容名字進(jìn)行數(shù)據(jù)的請求和轉(zhuǎn)發(fā)，從而很好解決了無線自組織網(wǎng)絡(luò)節(jié)點拓?fù)浜玩溌穭討B(tài)多變的問題，但如何將二者高效結(jié)合是目前研究的熱點. 本研究通過對命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的改動，提出無線自組織網(wǎng)絡(luò)與命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)融合的解決方案，并設(shè)計了命名數(shù)據(jù)無線自組織網(wǎng)絡(luò)中延長整網(wǎng)生命周期的節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)策略LAFS. 實驗證明，LAFS通過控制節(jié)點收到請求報文時的響應(yīng)操作有效延長了節(jié)點的生命周期，避免了全網(wǎng)因為關(guān)鍵節(jié)點過早消亡而引起的網(wǎng)絡(luò)效率不佳、用戶體驗差等問題.

在下一步工作中，將繼續(xù)對命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在無線自組織網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的應(yīng)用進(jìn)行研究，設(shè)計更加節(jié)能高效的轉(zhuǎn)發(fā)策略，探討LAFS策略在延長整網(wǎng)生命周期的同時保證網(wǎng)絡(luò)通信效率的最佳平衡點，嘗試將LAFS策略運(yùn)用于更加復(fù)雜多變的無線自組織網(wǎng)絡(luò)場景中.

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(責(zé)任編輯： 沈蕓)

Energy-efficient named-data networking forwarding strategy in mobile ad hoc networking

ZHANG Dong, XUE Jin

(College of Mathematics and Computer Science，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China)

A novel forwarding strategy for named data mobile ad hoc, which is called LAFS, is proposed in this paper. Through the way of controlling low-energy nodes’ reaction to requests, LAFS can prolong the whole network lifetime and lower the network delay without increasing the network loading. Compared with two existent forwarding strategy in life-time, hop counts and delay, LAFS is proved to be more energy-efficient.

named-data network(NDN); mobile ad hoc network(MANET); forwarding strategy; energy efficient; lifetime-aware forwarding strategy

10.7631/issn.1000-2243.2017.01.0063

1000-2243(2017)01-0063-06

2015-07-10

張棟(1981-)，副教授，主要從事下一代互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等研究，zhangdong@fzu.edu.cn

福建省自然科學(xué)基金資助項目(2013J01231)

TP393

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