一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及容遲網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于資源受限條件下的自適應(yīng)dtn路由算法。

二、

背景技術(shù)：

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，internet網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)極大改變了人類社會的生產(chǎn)生活方式。internet網(wǎng)絡(luò)節(jié)點始終保持著端到端連接路徑，且丟包率小、傳輸時延低。這類網(wǎng)絡(luò)是以tcp/ip協(xié)議簇作為基礎(chǔ)的，適用于大部分的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。然而，隨著信息技術(shù)的不斷深入發(fā)展，常常需要在一些極端環(huán)境中部署網(wǎng)絡(luò)。由此出現(xiàn)了眾多不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)特征的場景。這些網(wǎng)絡(luò)具有鏈接頻繁中斷、傳輸時延高、丟包率高、上行和下行數(shù)據(jù)率不對稱等特點。例如，在衛(wèi)星通信中，由于經(jīng)濟和技術(shù)方面的原因?qū)е戮W(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量較少，且衛(wèi)星時常移動，導(dǎo)致衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)連接時常中斷；海洋、湖泊、山川等極端環(huán)境下為了節(jié)約節(jié)點能量消耗，在節(jié)點不工作時，采取待機或者關(guān)閉措施，造成網(wǎng)絡(luò)連接中斷。

具有上述連接時常中斷、傳輸時延高等特點的網(wǎng)絡(luò)稱為容遲容斷網(wǎng)絡(luò)(delaytolerantnetwork,dtn)。這類網(wǎng)絡(luò)特點使得傳統(tǒng)的基于tpc/ip協(xié)議簇的路由算法不再適用。dtn網(wǎng)絡(luò)傳遞信息采用的是“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”的模式。路由算法作為信息傳遞的關(guān)鍵，隨著dtn網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景越來越多，各類dtn路由算法被相繼提出。

基于網(wǎng)絡(luò)拓撲是否先驗，可將路由算法分為確定性路由算法和隨機路由算法。確定性路由假設(shè)網(wǎng)絡(luò)拓撲在進行數(shù)據(jù)傳輸之前就已經(jīng)確定。隨機路由算法適用于網(wǎng)絡(luò)拓撲未知的場景。此類算法通?；诰W(wǎng)絡(luò)動態(tài)拓撲傳遞數(shù)據(jù)，并且記錄各節(jié)點參量選擇下一跳。

根據(jù)路由算法制定路由規(guī)則依賴的指標(biāo)不同，可以將dtn路由算法分為基于社交屬性的路由算法和非基于社交屬性的路由算法?；谏缃粚傩月酚伤惴ㄓ挚煞譃榛诜e極社交屬性和基于消極社交屬性。積極社交屬性主要指網(wǎng)絡(luò)的中心度、相關(guān)度、度分布等指標(biāo)，消極社交屬性主要指網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點“自私”程度，即有些節(jié)點可能由于能耗、隱私等原因不愿作為中繼節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)。典型的基于積極社交屬性的路由算法包括multi-simbet,bubblerap,levelrouting等算法；基于消極社交屬性的路由算法包括tit-for-tat,smart,mobicent等算法。

根據(jù)算法優(yōu)先于哪個服務(wù)指標(biāo)又可將路由算法分為flood-based,historyandencounter-based,socialbehavior-based,knowledge-based等。其中flood-based算法以泛洪為基礎(chǔ)思想，傳輸成功率較高，典型的flood-based算法有epidemicrouting,sprayandwait,rapid，multi-simbet算法等；historyandencounter-based算法以相遇概率推算為基礎(chǔ)思想，性能開銷較小，典型的historyandencounter-based算法有prophet,singlerecent,sprayandfocus算法等；socialbehavior-based算法類似于前文提到的基于社交屬性的算法，主要通過計算節(jié)點社交屬性選擇下一跳，成功率較高，典型的socialbehavior-based算法有bubble-rap,simbet等算法；knowledge-based算法則與前文提到的確定性路由算法相似，適用于網(wǎng)絡(luò)拓撲先驗的場景。

根據(jù)算法路由策略可以將dtn路由算法分為泛洪路由算法和轉(zhuǎn)發(fā)路由算法。泛洪路由算法允許網(wǎng)絡(luò)中包含多個信息副本以便提高網(wǎng)絡(luò)傳輸成功率，適用于網(wǎng)絡(luò)資源較為豐富的場景，典型的泛洪路由算法有epidemic,sprayandwait,sprayandfocus,multi-simbet等；轉(zhuǎn)發(fā)路由算法則只允許同一時刻網(wǎng)絡(luò)中最多存在信息的一個副本，此類算法成功率不如泛洪路由算法，但適用于資源緊缺的場景。典型的轉(zhuǎn)發(fā)路由算法有singlerecent,directtransmission,onehopencounterprediction算法。

三、

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，針對上述各類典型dtn路由算法存在的優(yōu)缺點，提出一種基于資源受限條件下的自適應(yīng)dtn路由算法。該算法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實時資源負載消耗情況選擇合適的典型dtn路由算法。旨在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，達到提高傳輸成功率的同時降低平均時延的效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種基于資源受限條件下的自適應(yīng)dtn(容遲容斷網(wǎng)絡(luò))路由算法即基于節(jié)點負載的自適應(yīng)路由算法，合理利用泛洪路由算法傳輸成功率高、轉(zhuǎn)發(fā)路由算法資源消耗低的優(yōu)點，根據(jù)節(jié)點當(dāng)前負載選擇適用的路由算法。算法分為兩個階段：訓(xùn)練階段和傳輸階段。

1)訓(xùn)練階段，主要任務(wù)為根據(jù)所選擇的路由算法確定節(jié)點負載和網(wǎng)絡(luò)負載計算參數(shù)，并確定各個算法適用的負載區(qū)間；

2)傳輸階段，主要任務(wù)為對未過期的數(shù)據(jù)根據(jù)訓(xùn)練階段定義的節(jié)點負載計算公式計算得到節(jié)點負載，判斷節(jié)點負載所在的負載區(qū)間及負載區(qū)間對應(yīng)的路由算法。然后根據(jù)這個路由算法進行路由。同時根據(jù)這一跳路由情況更新訓(xùn)練階段定義的節(jié)點負載計算所需參數(shù)，以及對應(yīng)負載區(qū)間的更新。

通過對路由算法的靈活選擇，達到提高網(wǎng)絡(luò)傳輸成功率和降低資源消耗的目的。

如附圖1所示，訓(xùn)練階段1)過程具體為：

步驟1.1：根據(jù)實際應(yīng)用場景選取幾個典型的dtn路由算法，需要包含轉(zhuǎn)發(fā)路由算法和泛洪路由算法；

步驟1.2：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況按照選取的典型路由算法分別進行路由傳輸，并統(tǒng)計這段時間算法的傳輸成功率、網(wǎng)絡(luò)平均時延、網(wǎng)絡(luò)平均路由資源消耗、性能資源消耗比隨著時間的變化情況。同時統(tǒng)計路由傳輸過程中每個節(jié)點接收到的消息總數(shù)按照消息來源上次與當(dāng)前節(jié)點接觸時間差的分布情況；

步驟1.3：定義并計算每個節(jié)點負載情況以及網(wǎng)絡(luò)平均負載；

步驟1.4：根據(jù)步驟1.3計算得到的負載情況確定各個典型路由算法適用的負載區(qū)間；

如附圖2所示，傳輸階段2)具體為：

步驟2.1：當(dāng)前節(jié)點向目的節(jié)點發(fā)送消息；

步驟2.2：判斷消息是否已經(jīng)過期，如果過期則直接廢棄消息；

步驟2.3：查看當(dāng)前節(jié)點所有鄰居，首先驗證鄰居節(jié)點中是否有目的節(jié)點，如果有，則直接將消息傳送到目的節(jié)點；

步驟2.4：對于當(dāng)前節(jié)點的每個鄰居，根據(jù)步驟1.3定義的公式計算每個鄰居的節(jié)點負載情況；

步驟2.5：判斷各個鄰居節(jié)點適用于哪種典型路由算法，并用此算法進行路由；

步驟2.6：更新步驟1.3節(jié)點負載計算公式中的參數(shù)以及步驟1.4各個路由算法使用的負載區(qū)間；返回步驟2.1。

以上步驟只表述一個數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸情況。多個數(shù)據(jù)的情況類似。

網(wǎng)絡(luò)傳輸成功率計算如下：

其中，n代表網(wǎng)絡(luò)中總傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量，當(dāng)信息mk最終成功傳輸時dk＝1，否則dk＝0。

網(wǎng)絡(luò)平均時延計算如下：

其中，n代表網(wǎng)絡(luò)中成功傳輸?shù)南?shù)量，receivetimek以及createtimek代表消息k產(chǎn)生和最終成功傳輸?shù)臅r間。

網(wǎng)絡(luò)傳輸資源消耗計算如下：

其中，n代表網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中產(chǎn)生的所有消息數(shù)量，ck指消息mk在網(wǎng)絡(luò)中副本個數(shù)。網(wǎng)絡(luò)平均路由資源消耗代表每傳遞一份消息，需要伴隨多少消息副本散布在網(wǎng)絡(luò)中。

性能消耗比計算如下：

其中，deliveryratio指網(wǎng)絡(luò)傳輸成功率；averageoverhead指網(wǎng)絡(luò)傳輸資源消耗。

路由傳輸過程中每個節(jié)點接收到的消息總數(shù)按照消息來源上次與當(dāng)前節(jié)點接觸時間差的分布情況具體計算方式如下：

對于每個鄰居節(jié)點，當(dāng)要接收當(dāng)前節(jié)點傳來的消息時，記錄下這個鄰居節(jié)點與當(dāng)前節(jié)點上次相遇時間與當(dāng)前時間的差值。最后統(tǒng)計整個網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，消息接收過程中接收消息總量隨著相鄰節(jié)點上次相遇時間差的分布情況。進行這項統(tǒng)計是為了后續(xù)計算節(jié)點負載的權(quán)重。

節(jié)點負載情況計算如下：

其中，指節(jié)點i的平均負載情況，ηi指節(jié)點i當(dāng)前需要處理的消息總數(shù)，li指節(jié)點i的緩存大小，這是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況確定的。βj指節(jié)點j當(dāng)前負載情況權(quán)重大小，是節(jié)點i與節(jié)點j上次相遇時間差的函數(shù)。t指當(dāng)前時間，tij指節(jié)點i與節(jié)點j上次相遇時間。q是根據(jù)消息總量對數(shù)隨相遇時間差分布進行線性回歸得到的衰減因子。

衰減因子q計算如下：

按照每個節(jié)點接收到的消息總數(shù)按照消息來源上次與當(dāng)前節(jié)點接觸時間差的分布情況能夠得到如下幾個公式：

z＝k(t-tij)+b

z＝lny

其中y指接收消息數(shù)量，t指當(dāng)前時間，tij指節(jié)點i與節(jié)點j上次相遇時間。k與b是按照線性回歸方程計算得到的。

整理上面兩個公式可以得到如下關(guān)系：

q＝e^k

網(wǎng)絡(luò)負載按照如下公式進行計算：

其中，n是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量，指節(jié)點i的平均負載情況。

在路由傳輸過程中，每過一個時間間隔，按照上式計算網(wǎng)絡(luò)負載。

各個典型算法適用的負載區(qū)間計算如下：

步驟1：根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載隨時間分布以及傳輸成功率隨時間分布的數(shù)據(jù)，得到各個路由算法傳輸成功率差分隨網(wǎng)絡(luò)負載變化的數(shù)據(jù)；

步驟2：對于每一個網(wǎng)絡(luò)負載，根據(jù)步驟1得到的數(shù)據(jù)，存在一個算法在這個負載下對成功率增長變化最大。自適應(yīng)算法在這個負載下將選擇此算法進行路由；

步驟3：總結(jié)步驟2得到的每個網(wǎng)絡(luò)負載對應(yīng)選擇的路由算法，得到每個路由算法適用的負載區(qū)間。

傳輸階段更新權(quán)重大小主要是重新統(tǒng)計接收消息數(shù)量隨著相遇時間差分布情況，同時更新衰減因子q進而更新網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，最后達到更新算法適用區(qū)間的目的。

本發(fā)明的有益效果，本發(fā)明自適應(yīng)算法能夠通過少量的訓(xùn)練自適應(yīng)的根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負載情況合理選擇路由算法進行數(shù)據(jù)傳輸。能夠根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境選擇成功率最高的路由算法進行路由，同時避免網(wǎng)絡(luò)由于過度泛洪而發(fā)生擁塞。進而降低網(wǎng)絡(luò)資源消耗。

四、附圖說明

圖1是訓(xùn)練階段算法流程圖

圖2是傳輸階段算法流程圖

圖3是自適應(yīng)算法和典型路由算法傳輸成功率對比

圖4是自適應(yīng)算法和典型路由算法平均路由資源消耗對比

圖5是路由傳輸過程中每個節(jié)點接收到的消息總數(shù)按照消息來源上次與當(dāng)前節(jié)點接觸時間差的分布情況。

圖6是訓(xùn)練階段結(jié)束各算法適用區(qū)間分布情況。

五、具體實施方式

下面通過具體實施方式結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。

首先，本實例是在mit移動用戶數(shù)據(jù)集下選取epidemic、multi-simbet、sprayandwait、singlerecent、directtransmission五個算法作為典型算法進行仿真。其中，mit移動用戶數(shù)據(jù)集包含94個移動用戶。這94個用戶中，75人為mit數(shù)字實驗室的學(xué)生和工作人員，其余用戶為mitsloanbusiness實驗室學(xué)生。組成數(shù)據(jù)集的包括這94個用戶在2004年9月到2005年3月期間的電話，短信，位置等信息。此數(shù)據(jù)集符合dtn網(wǎng)絡(luò)節(jié)點動態(tài)移動、網(wǎng)絡(luò)連接斷開頻繁的特性；在以上五個典型路由算法中，epidemic、multi-simbet、sprayandwait是泛洪路由算法，singlerecent、directtransmission是轉(zhuǎn)發(fā)路由算法。

其次，訓(xùn)練階段測試各個算法性能指標(biāo)及消息總數(shù)分布情況并計算負載區(qū)間。圖3和圖4表明上面五個路由算法進行路由傳輸并統(tǒng)計傳輸成功率、平均路由資源消耗。圖5表明路由傳輸過程中每個節(jié)點接收到的消息總數(shù)按照消息來源上次與當(dāng)前節(jié)點接觸時間差的分布情況。根據(jù)圖5進行線性回歸得到衰減因子q。圖6給出各個算法根據(jù)衰減因子q計算的節(jié)點負載對成功率的增加情況。由圖6得到epidemic算法適用的負載區(qū)間是[0,0.37]，multi-simbet算法適用區(qū)間是[0.37,0.62]，sprayandwait算法適用的負載區(qū)間是[0.62,0.75]。

接著進入傳輸階段。對于任意一個節(jié)點及其鄰居，按照如下流程進行路由：

步驟1：如果鄰居節(jié)點就是目的節(jié)點，則直接將消息傳送到鄰居節(jié)點，路由結(jié)束；

步驟2：如果此消息已經(jīng)過期，則直接廢棄，路由結(jié)束；

步驟3：如果鄰居節(jié)點負載大于0.75，則使用singlerecent算法進行路由，轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟4：如果鄰居節(jié)點負載小于0.75大于0.62，則使用sprayandwait算法進行路由，轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟5：如果鄰居節(jié)點負載小于0.62大于0.37，則使用multi-simbet算法進行路由，轉(zhuǎn)到步驟7；

步驟6：如果鄰居節(jié)點負載小于0.37則使用epidemic算法進行路由；

步驟7：確定路由算法之后，更新圖5和圖6以便進行下一跳路由，轉(zhuǎn)到步驟1。