機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)方法性能分析*

王益亮，姜?jiǎng)倜鳎?軍

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)方法性能分析*

王益亮，姜?jiǎng)倜?，?軍

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

差分隊(duì)列服務(wù)是一種以包為粒度的隊(duì)列調(diào)度算法，其剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)方法的好壞，將顯著影響其在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)這種鏈路連通性低、拓?fù)渥兓l繁環(huán)境下的性能。現(xiàn)有的剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)方法尚未驗(yàn)證其在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的性能。文章比較差分隊(duì)列服務(wù)與最早截止期優(yōu)先算法，通過(guò)仿真測(cè)試了一種基于歷史信息有效性的剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)方法在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中的性能。實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)用該方法能有效地提高傳輸成功率，也導(dǎo)致平均端到端時(shí)延的變化幅度更大。

差分隊(duì)列服務(wù)；機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)；剩余路徑投遞時(shí)間；最早截止期優(yōu)先

0 引言

在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中，為實(shí)現(xiàn)包粒度的服務(wù)質(zhì)量，文獻(xiàn)[1]提出差分隊(duì)列服務(wù)(Differentiated Queueing Service, DQS)算法。DQS的設(shè)計(jì)基于以下前提：網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)分組都來(lái)自于某種類型的應(yīng)用，每種類型的應(yīng)用都具有一個(gè)特定的最大端到端時(shí)延，即這種類型的應(yīng)用中所有數(shù)據(jù)分組在鏈路上的最長(zhǎng)生存時(shí)間，作為該數(shù)據(jù)分組的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)需求。所以，每當(dāng)節(jié)點(diǎn)新收到一個(gè)數(shù)據(jù)分組，首先需要檢查分組是否仍在其生存時(shí)間內(nèi)，如果不在，節(jié)點(diǎn)可立即丟棄該數(shù)據(jù)分組，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)據(jù)分組已經(jīng)無(wú)法滿足其自身的QoS需求，丟棄該分組可以節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。如果在，該算法就要估計(jì)該分組在剩余路徑上的傳播時(shí)延，即估計(jì)剩余路徑投遞時(shí)間，再結(jié)合數(shù)據(jù)分組自身生存時(shí)間的QoS需求，來(lái)決定該分組可容忍的最遲離開(kāi)本節(jié)點(diǎn)的時(shí)間。然后該時(shí)間將被視為DQS調(diào)度算法所參考轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)的指標(biāo)，根據(jù)最遲離開(kāi)時(shí)刻從早到晚的原則將數(shù)據(jù)分組插入到隊(duì)列中相應(yīng)位置。

因此，剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)方法的性能狀況對(duì)DQS有重要意義。文獻(xiàn)[2]提出了幾種應(yīng)用于DQS的方法，卻缺乏性能方面的驗(yàn)證，不能夠準(zhǔn)確衡量方法在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的性能表現(xiàn)。本文將文獻(xiàn)[2]提出的方法應(yīng)用于DQS，并對(duì)比改進(jìn)后的最早截止期優(yōu)先(Earliest Deadline First, EDF)算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證并分析其性能。

1 機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)與場(chǎng)景設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

文獻(xiàn)[3]中對(duì)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)給出了一個(gè)描述性的定義，認(rèn)為機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)是一種源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間不需要存在完整鏈路，而是利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)所帶來(lái)的相遇機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)通信的自組織網(wǎng)絡(luò)。具體表現(xiàn)形式就是，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)依靠移動(dòng)形成通信機(jī)會(huì)逐跳地傳輸消息，以“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”的路由模式實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通信。

而當(dāng)前在機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[4]方面的研究進(jìn)展緩慢，本文將使用AODV路由協(xié)議：以節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性以及節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化來(lái)模擬鏈路連通性低、拓?fù)渥兓l繁的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景。以節(jié)點(diǎn)自身的隊(duì)列存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包并攜帶數(shù)據(jù)包在移動(dòng)中尋找下一跳的方式來(lái)模擬機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”場(chǎng)景。以不同端到端時(shí)延的數(shù)據(jù)包來(lái)模擬機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中不同的應(yīng)用業(yè)務(wù)類型。

2 相關(guān)方法與實(shí)現(xiàn)介紹

2.1 差分隊(duì)列服務(wù)相關(guān)方法

2.1.1 基于半衰期的歷史信息有效性計(jì)算方法

該方法是根據(jù)一條信息的登記時(shí)間計(jì)算其在當(dāng)前時(shí)間的信息有效性，歷史信息有效性是指在當(dāng)前時(shí)間，一個(gè)歷史信息用于預(yù)測(cè)或估計(jì)時(shí)所具有的有用價(jià)值。信息有效性的數(shù)值范圍是(0,1)，自信息登記時(shí)刻起，其有效性每經(jīng)過(guò)一個(gè)半衰期時(shí)間減半。

設(shè)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景的面積為r,單位：m2,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均通信半徑為l,單位:m,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均移動(dòng)速度為s,單位:m/s,網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為n，半衰期時(shí)間λ的計(jì)算公式如下：

(1)

信息有效性v的計(jì)算公式如下：

(2)

其中，τn表示該信息的登記時(shí)間m距離當(dāng)前時(shí)間tn的時(shí)長(zhǎng)，即τn=tn-m。

在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)記錄當(dāng)前時(shí)間與數(shù)據(jù)分組在源節(jié)點(diǎn)的生成時(shí)間之差，作為一個(gè)歷史信息記錄，即該節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)間路徑上的歷史實(shí)際投遞時(shí)間，從源節(jié)點(diǎn)到當(dāng)前節(jié)點(diǎn)路徑的相反方向定義為反向路徑。那么當(dāng)有數(shù)據(jù)分組經(jīng)過(guò)該節(jié)點(diǎn)到達(dá)那個(gè)源節(jié)點(diǎn)時(shí)，此記錄可作為該分組的一次剩余路徑時(shí)間。

2.1.2 無(wú)需發(fā)送順向探測(cè)包的剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)

(3)

其中，τd,j代表保存在該節(jié)點(diǎn)上的從反向路徑d節(jié)點(diǎn)到本節(jié)點(diǎn)的第j個(gè)歷史實(shí)際投遞時(shí)間，vd,j代表反向路徑歷史實(shí)際投遞時(shí)間τd,j根據(jù)2.1.1節(jié)方法所計(jì)算的信息有效性。

在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)分組需在頭部攜帶兩個(gè)字段：該數(shù)據(jù)分組的最大端到端時(shí)延與在源節(jié)點(diǎn)的生成時(shí)間。數(shù)據(jù)分組離開(kāi)時(shí)間等于數(shù)據(jù)分組生成時(shí)間加上其最大端到端時(shí)延，并減去估計(jì)的剩余路徑時(shí)間，由此，DQS判斷數(shù)據(jù)分組的緊急程度考慮到了數(shù)據(jù)分組的端到端時(shí)延需求。節(jié)點(diǎn)依據(jù)數(shù)據(jù)分組的離開(kāi)時(shí)間進(jìn)入隊(duì)列，使得緊急的數(shù)據(jù)分組排在隊(duì)列前面，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 最早截止期優(yōu)先調(diào)度算法

EDF[5]是一種動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，基本原理是：將所有的業(yè)務(wù)分成不同的流，依據(jù)數(shù)據(jù)包所屬的業(yè)務(wù)類型，在每個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)間的基礎(chǔ)上增加一個(gè)靜態(tài)時(shí)間期限值，調(diào)度器則以此值作為依據(jù)，每次發(fā)送該值最小的數(shù)據(jù)包。業(yè)務(wù)流的優(yōu)先級(jí)越高，相應(yīng)的數(shù)據(jù)包的期限值越小，得到優(yōu)先服務(wù)的概率也就越大。

在本實(shí)驗(yàn)中，所有數(shù)據(jù)分組都包含了其最大端到端時(shí)延要求，為體現(xiàn)公平性，同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[6]，對(duì)EDF進(jìn)行有效的隊(duì)列管理，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的提升具有相當(dāng)大的作用。于是對(duì)EDF進(jìn)行改進(jìn)，添加了緩存準(zhǔn)入控制，丟棄超出時(shí)延的分組，提高了網(wǎng)絡(luò)利用率。

在實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，數(shù)據(jù)分組的本地存活時(shí)間為其端到端時(shí)延值的一半，這個(gè)本地存活時(shí)間即作為一個(gè)靜態(tài)時(shí)間期限，數(shù)據(jù)分組離開(kāi)時(shí)間等于當(dāng)前時(shí)間加上本地存活時(shí)間。節(jié)點(diǎn)依據(jù)數(shù)據(jù)分組離開(kāi)時(shí)間加入隊(duì)列。

需要說(shuō)明的是，這時(shí)數(shù)據(jù)分組的端到端時(shí)延值僅代表不同類型的業(yè)務(wù)流量，EDF并沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)分組的端到端時(shí)延需求，這也是與DQS相關(guān)方法差異明顯的地方。

3 仿真和結(jié)果分析

3.1 仿真場(chǎng)景及參數(shù)

本文所有實(shí)驗(yàn)使用的仿真平臺(tái)是SNT公司所開(kāi)發(fā)的EXATA。通過(guò)考察傳輸成功率、平均傳輸時(shí)延來(lái)測(cè)試DQS與EDF在不同場(chǎng)景下的性能表現(xiàn)。其中，傳輸成功率按如下公式計(jì)算：

(4)

平均傳輸時(shí)延按下式計(jì)算：

(5)

本文分3個(gè)場(chǎng)景，場(chǎng)景基本參數(shù)如表1所示。

表1 場(chǎng)景基本參數(shù)

場(chǎng)景1：考察DQS與EDF在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變化時(shí)，其速度與傳輸成功率和平均傳輸時(shí)延的關(guān)系。表2為節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變化參數(shù)表。

表2 節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度變化參數(shù)表

場(chǎng)景2：考察DQS與EDF在節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化時(shí)，其節(jié)點(diǎn)數(shù)量與傳輸成功率和平均傳輸時(shí)延的關(guān)系。節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化參數(shù)如表3。

表3 節(jié)點(diǎn)數(shù)量變化參數(shù)表

場(chǎng)景3：考察DQS與EDF在節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同端到端時(shí)延的數(shù)據(jù)包時(shí)，其端到端時(shí)延值與傳輸成功率和平均傳輸時(shí)延的關(guān)系。相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表4 節(jié)點(diǎn)發(fā)送不同端到端時(shí)延的數(shù)據(jù)包參數(shù)表

3.2 仿真結(jié)果

如圖1，在DQS與EDF策略下傳輸成功率都是先上升后下降的趨勢(shì)，DQS的傳輸成功率相對(duì)于EDF略有提升，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為2 m/s～6 m/s時(shí)，傳輸成功率處于上升階段，提升最為明顯。當(dāng)速度進(jìn)一步增加時(shí)，網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性增強(qiáng)，拓?fù)鋭×易兓?，DQS性能下降明顯，且性能優(yōu)勢(shì)不明顯。但相對(duì)于EDF，DQS依然有良好的性能。

圖1 移動(dòng)速度與傳輸成功率的關(guān)系

如圖2，DQS與EDF相比，DQS的平均傳輸時(shí)延變化范圍要略大一些，并且在多數(shù)情況下略高于EDF。這是由于DQS考慮數(shù)據(jù)分組端到端的時(shí)延特征，能夠?qū)Ωo急的數(shù)據(jù)分組提供優(yōu)先級(jí)更高的服務(wù)，從而相對(duì)緊急程度較低的分組可在隊(duì)列中停留更久一點(diǎn)。平均傳輸時(shí)延呈現(xiàn)出先增大再減小的特征，在速度較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)通信機(jī)會(huì)少，隨著速度的增加，通信機(jī)會(huì)增多，節(jié)點(diǎn)隊(duì)列中緩存的數(shù)據(jù)分組數(shù)增大，使得隊(duì)列時(shí)延增大，從而一定程度上增大了平均傳輸時(shí)延，但是速度進(jìn)一步增大，拓?fù)渥兓瘎×?，?duì)列中的分組無(wú)法在短暫的通信時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)，使得大量分組未能被目的節(jié)點(diǎn)成功接收。

圖2 移動(dòng)速度與平均傳輸時(shí)延的關(guān)系

如圖3，同樣大小的場(chǎng)景，隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加節(jié)點(diǎn)密度自然會(huì)增大，此時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸成功率提高。DQS與EDF相比傳輸成功率略有提高，節(jié)點(diǎn)數(shù)由少到多，DQS優(yōu)勢(shì)呈上升趨勢(shì)，在節(jié)點(diǎn)數(shù)為21個(gè)時(shí)，DQS與EDF相比優(yōu)勢(shì)最為明顯。但是當(dāng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)更多時(shí)，DQS優(yōu)勢(shì)開(kāi)始下降。最初節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少時(shí)，節(jié)點(diǎn)相遇機(jī)會(huì)較少，無(wú)法滿足數(shù)據(jù)分組的端到端時(shí)延需求。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多，通信質(zhì)量得到改善，傳輸成功率持續(xù)提高，但是在節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)，無(wú)線信道沖突加劇。由于使用的是AODV路由協(xié)議，路由變動(dòng)頻繁，這時(shí)難以體現(xiàn)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的場(chǎng)景。文獻(xiàn)[7]指出，如果在節(jié)點(diǎn)間不依賴完整的傳播路徑，而是機(jī)會(huì)性地選擇下一跳，能提升網(wǎng)絡(luò)分組最終到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的概率。

圖3 節(jié)點(diǎn)數(shù)量與傳輸成功率的關(guān)系

如圖4，節(jié)點(diǎn)數(shù)量與平均傳輸時(shí)延的關(guān)系不是特別明顯，總體而言，DQS平均傳輸時(shí)延的波動(dòng)范圍要大一些。結(jié)合圖3，大致上，傳輸成功率提高的同時(shí)，平均傳輸時(shí)延也在增大。節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加增大了節(jié)點(diǎn)的相遇機(jī)會(huì)，提高了通信質(zhì)量，隊(duì)列利用率逐步提高，當(dāng)節(jié)點(diǎn)較密集時(shí)，平均傳輸時(shí)延的增大幅度較小，而傳輸成功率增大幅度較大。

圖4 節(jié)點(diǎn)數(shù)量與平均傳輸時(shí)延的關(guān)系

如圖5，文獻(xiàn)[8]通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)證明了當(dāng)允許網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，在增加數(shù)據(jù)分組傳輸時(shí)延的前提下，可以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸成功率。當(dāng)數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延值為50 ms～200 ms時(shí)，其傳輸成功率顯著提高；當(dāng)數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延值繼續(xù)增大，其傳輸成功率提升幅度減??；數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延值為300 ms時(shí)，DQS相對(duì)于EDF取得最大優(yōu)勢(shì)。當(dāng)數(shù)據(jù)分組的平均端到端時(shí)延較小時(shí)，大量的分組因無(wú)法滿足其平均端到端時(shí)延需求而被中間節(jié)點(diǎn)丟棄，隨著數(shù)據(jù)分組平均端到端時(shí)延值增大，丟棄量下降，隊(duì)列利用率提高，提高了傳輸成功率。但是，不斷加大數(shù)據(jù)分組的平均端到端時(shí)延對(duì)傳輸成功率的提升作用，也會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)瓶頸的到來(lái)而受限。

圖5 平均端到端時(shí)延與傳輸成功率的關(guān)系

如圖6，增大數(shù)據(jù)分組的平均端到端時(shí)延，有更多的數(shù)據(jù)分組不再因其最大生存時(shí)間到期而被丟棄，會(huì)繼續(xù)等待轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會(huì)，因此網(wǎng)絡(luò)的平均傳輸時(shí)延增大了。DQS與EDF相比，其平均傳輸時(shí)延普遍較大，平均傳輸時(shí)延范圍要更大一些。DQS考慮到數(shù)據(jù)分組的端到端時(shí)延需求，對(duì)更緊急的數(shù)據(jù)分組提供更優(yōu)先的服務(wù)，比如，盡管有的數(shù)據(jù)分組其端到端時(shí)延值較小，但是其剩余路徑時(shí)間短，DQS并不一定為其提供優(yōu)先服務(wù)，可能使其在隊(duì)列中停留更久一點(diǎn)，以便為更緊急的數(shù)據(jù)分組提供服務(wù)，因此，DQS提高了傳輸成功率，也一定程度上增大了平均傳輸時(shí)延。

圖6 平均端到端時(shí)延與平均傳輸時(shí)延的關(guān)系

4 結(jié)論

通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用了基于半衰期的歷史信息有效性計(jì)算方法與無(wú)需發(fā)送順向探測(cè)包的剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)方法的DQS，對(duì)比改進(jìn)后的EDF，傳輸成功率有效提高，傳輸時(shí)延變化范圍更大，并有增大傳輸時(shí)延的趨勢(shì)。

本實(shí)驗(yàn)中，由于使用的是AODV路由協(xié)議，使得難以高效適應(yīng)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，DQS性能受到一定影響。實(shí)驗(yàn)中半衰期值是由場(chǎng)景全局參數(shù)計(jì)算得來(lái)，總體而言，有良好的表現(xiàn)，但是在仿真過(guò)程中發(fā)現(xiàn)場(chǎng)景中的節(jié)點(diǎn)時(shí)而密集在一起，時(shí)而分散造成鏈路斷開(kāi)，使得基于全局參數(shù)計(jì)算的半衰期值不能很好地體現(xiàn)場(chǎng)景的這種變化。所以，為進(jìn)一步提高DQS性能與精確度，一個(gè)可以基于場(chǎng)景自適應(yīng)的半衰期時(shí)間獲取方式應(yīng)是一個(gè)改進(jìn)的方向。

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The performance analysis of the estimating of the journey time over theremaining path in opportunistic network

Wang Yiliang, Jiang Shengming, Cao Jun

(School of Information Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Differentiated Queueing Service (DQS) is a kind of packet-granulared queue scheduling algorithm, how good of its way to estimate the journey time over the remaining path will have a significant impact in the opportunistic network in which the network communication opportunity is very scarce. The existing way to estimate the journey time over the remaining path has not tested the performance in opportunistic network. In this paper, by comparing DQS with the Earliest Deadline First (EDF), and test the performance of a way to estimate the journey time over the remaining path based on value of history information in the scene of opportunistic network. It is proved that the way can remarkably improve the delivery ratio meanwhile make the average delivery delay more volatile or larger.

Differentiated Queueing Service(DQS); opportunistic network; the journey time over the remaining path; Earliest Deadline First (EDF)

國(guó)家自然科學(xué)基金(61472237)

TP393

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.15.019

王益亮，姜?jiǎng)倜?，曹?機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)剩余路徑投遞時(shí)間估計(jì)方法性能分析[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(15)：65-68，72.

2017-02-08)

王益亮(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

姜?jiǎng)倜?1964-)，男，博士，教授，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、協(xié)議和算法等。

曹軍(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。