基于馬爾可夫相遇時(shí)間間隔的延遲容忍網(wǎng)絡(luò )路由策略論文

　　摘 要：在延遲容忍網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)間的連接具有間斷性和未知性，源節點(diǎn)和目的節點(diǎn)間不存在完整的通信路徑，使得節點(diǎn)僅能通過(guò)移動(dòng)獲得的通信機會(huì )對待轉發(fā)消息進(jìn)行轉發(fā)，易導致其轉發(fā)成功率較低。對此，本文提出了基于馬爾可夫相遇時(shí)間間隔預測的擁塞控制策略(CCSMP)主要是通過(guò)規定節點(diǎn)緩存的排隊方式和丟棄機制，將預測得到的較早與目的節點(diǎn)相遇的報文排于隊首，盡可能丟棄效用值較低的報文，進(jìn)而解決由于節點(diǎn)緩存有限而帶來(lái)的擁塞問(wèn)題。

　　關(guān)鍵詞：延遲容忍網(wǎng)絡(luò ) CCSMP 通信路徑

　　隨著(zhù)延遲容忍網(wǎng)絡(luò )的興起，以存儲-攜帶-轉發(fā)的方式轉發(fā)消息的方式通常被利用在此種網(wǎng)絡(luò )之中。當節點(diǎn)擁有待轉發(fā)消息，但節點(diǎn)并沒(méi)有和其他節點(diǎn)進(jìn)行連接時(shí)，將消息暫時(shí)存儲在本地緩存當中，直到節點(diǎn)和其他并未存儲該消息的節點(diǎn)進(jìn)行連接;若所遇節點(diǎn)有利于將該消息轉發(fā)到目的節點(diǎn)，則將該消息轉發(fā)給所遇節點(diǎn)[1]。利用此種方式的基礎轉發(fā)策略有單副本、多副本和編碼副本等。以往的延遲容忍網(wǎng)絡(luò )路由策略，如Epidemic路由機制，利用節點(diǎn)的相遇機會(huì )泛洪消息副本。雖然這種泛洪機制可以使消息在最短的時(shí)間內到達目標節點(diǎn)，但是產(chǎn)生的消息副本數量大，網(wǎng)絡(luò )易發(fā)生擁塞，導致網(wǎng)絡(luò )資源的浪費[2]。而利用相遇概率的有選擇性的類(lèi)單副本轉發(fā)機制，如PRoPHET路由機制[3]，利用統計節點(diǎn)相遇概率的方法，有選擇性的發(fā)送消息副本，減少網(wǎng)絡(luò )資源的浪費。但可能錯失一些轉發(fā)機會(huì )，增大了傳輸時(shí)延。

　　利用節點(diǎn)相遇機會(huì )與相遇概率的轉發(fā)機制，為設計延遲容忍網(wǎng)絡(luò )路由提供了一個(gè)新思路。本文提出了基于馬爾可夫[4]相遇時(shí)間間隔預測的擁塞控制策略，該策略應用馬爾可夫模型對攜帶報文的源節點(diǎn)和該報文的目的節點(diǎn)之間的相遇時(shí)間間隔序列進(jìn)行預測，在預測出緩存的報文中哪一個(gè)最有可能最早遇到其目的節點(diǎn)之后，通過(guò)模型將這種可能性量化，進(jìn)而通過(guò)量化值結合報文剩余生命期(TTL)對其進(jìn)行緩存排序，提出一種新的擁塞控制方法中的排隊策略。根據報文在網(wǎng)絡(luò )中已經(jīng)復制或者傳遞的次數確定該報文已經(jīng)交付到目的節點(diǎn)的可能性，根據剩余TTL值確定該報文未來(lái)可能交付到目的節點(diǎn)的可能性，再根據馬爾可夫模型預測到的時(shí)間間隔即可確定報文下幾跳到達目的節點(diǎn)的可能性，結合這三種可能性確定報文在緩存中的丟棄策略，最后將排隊策略和丟棄策略結合應用到節點(diǎn)緩存的管理中，即得到本文所述的基于馬爾可夫相遇時(shí)間間隔預測的擁塞控制策略。

　　1 馬爾可夫模型統計條件相遇時(shí)間間隔

　　在某些含有興趣節點(diǎn)的場(chǎng)景中，比如校園網(wǎng)絡(luò )中學(xué)生經(jīng)常出現在教學(xué)樓，食堂和宿舍，這些節點(diǎn)間的相遇并不是偶然的，或者說(shuō)節點(diǎn)之間相遇的時(shí)間間隔存在著(zhù)一種內在規律，因此他們可以通過(guò)馬爾可夫模型統計以往的時(shí)間間隔序列來(lái)預測下一個(gè)時(shí)間間隔的大致范圍，這樣就能夠盡可能準確地找到緩存中有可能最早交付的報文。

　　節點(diǎn)間的相關(guān)性不僅體現在直接相遇次數和相遇時(shí)間上。節點(diǎn)的移動(dòng)行為往往受其他因素的影響。例如：在現實(shí)生活中，人與人之間的交往，使得每個(gè)人都不是孤立存在的，必然與其他人產(chǎn)生相關(guān)性。這種相關(guān)性，可通過(guò)節點(diǎn)間的條件相遇歷史信息估測。以下給出利用節點(diǎn)間的條件相遇歷史信息預測節點(diǎn)相遇情況的理論依據。已有的估計方法中，大多數通過(guò)相遇頻率、總的或者平均接觸時(shí)間和平均斷開(kāi)時(shí)間來(lái)評估節點(diǎn)對間的鏈路質(zhì)量，然而這些參數都不能夠準確的表示節點(diǎn)間的轉發(fā)概率。

　　圖1中的陰影區域表示在節點(diǎn)i和j時(shí)間間隔T內的相遇持續時(shí)間。在a和b兩種情況下，相遇頻率相同而b中相遇持續時(shí)間明顯高于a。因此，b情況能夠提供更好的通信服務(wù)。相比較b與c，相遇持續時(shí)間相同而頻率不同，顯然頻率更高的c具有更高的轉發(fā)概率。因此，進(jìn)根據相遇頻率和總的持續時(shí)間來(lái)評估節點(diǎn)轉發(fā)能力是不科學(xué)的。在c和d情況下的相遇頻率和總的持續時(shí)間都相同，然而c因為更加均勻的接觸，使其比d更加勝任消息的轉發(fā)�？傊�，僅僅依靠這些參數難以全面的估計節點(diǎn)轉發(fā)數據的能力，因此需要設計更好的度量指標來(lái)準確估計節點(diǎn)轉發(fā)數據能力[5]。

　　2 相應路徑計算方法

　　傳統的最短路徑策略?xún)H憑借節點(diǎn)之間的通信距離選擇最佳通信路徑;但此種方法僅適用于傳統網(wǎng)絡(luò )。在網(wǎng)絡(luò )拓撲動(dòng)態(tài)變化的延遲容忍網(wǎng)絡(luò )中，最佳通信路徑受限于節點(diǎn)連接時(shí)間，節點(diǎn)移動(dòng)速度等客觀(guān)因素。選擇合適的通信路徑是延遲容忍網(wǎng)絡(luò )的研究重點(diǎn)。由于馬爾可夫相遇時(shí)間間隔可較為準確的體現節點(diǎn)之間的相關(guān)性，因此，利用該相遇時(shí)間間隔作為選擇最短路徑的依據，從而動(dòng)態(tài)選擇中繼節點(diǎn)，組成最優(yōu)通信路徑。

　　其中， 表示兩節點(diǎn)的連接緊密程度，連接緊密程度越大，其轉發(fā)消息的成功率越大。

　　由公式可選出節點(diǎn)間的最短路徑，待轉發(fā)消息通過(guò)分布式的轉發(fā)模式，逐步轉發(fā)到目的節點(diǎn)，實(shí)現延遲容忍網(wǎng)絡(luò )中的通信，從而減少不必要的中繼轉發(fā)次數，降低網(wǎng)絡(luò )中冗余副本的數量和傳輸時(shí)延。

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