專(zhuān)利名稱(chēng)：一種容遲容斷網(wǎng)絡(luò)的路由算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于容遲容斷網(wǎng)絡(luò)(DTN)中的路由技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種容遲容斷網(wǎng)絡(luò)的路由算法，該算法基于知識(shí)預(yù)測(cè)，主要針對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)的高間斷性連接引起的路由失敗進(jìn)行優(yōu)化，致力于增加消息傳輸?shù)某晒β屎吐酚煽煽啃浴?br> 背景技術(shù)：
在信息技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)的誕生為人 類(lèi)社會(huì)帶來(lái)了前所未有的變革。在傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)中，其節(jié)點(diǎn)保持端到端的持續(xù)連接，并且數(shù)據(jù)鏈路有一致的上行和下行信道速率，消息傳輸過(guò)程中保持高數(shù)據(jù)率、低誤碼率等，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)是以TCP/IP協(xié)議簇為基礎(chǔ)的，普遍適用于大部分的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。但隨著人們對(duì)信息獲取需求的日益增加，特別是近年來(lái)部署在極端環(huán)境下的挑戰(zhàn)性網(wǎng)絡(luò)，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常是處于連接頻繁間斷、高延遲、上行和下行數(shù)據(jù)率不對(duì)稱(chēng)、高誤碼率、高丟包率等狀態(tài)，并且網(wǎng)絡(luò)間經(jīng)常是異構(gòu)互連的，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)有很大的差異，這使得傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議簇?zé)o法有效地應(yīng)用在這種網(wǎng)絡(luò)中。例如，在深空通信中，由于衛(wèi)星傳感器數(shù)量十分有限，其節(jié)點(diǎn)往往布置比較稀疏，難以構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，容易造成網(wǎng)絡(luò)的割裂；布置在野生動(dòng)物身上的傳感器，這些節(jié)點(diǎn)可構(gòu)成移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)，這種情況會(huì)由于動(dòng)物的移動(dòng)導(dǎo)致某些傳感器節(jié)點(diǎn)距離太遠(yuǎn)，導(dǎo)致被孤立，沒(méi)有可用的端到端連接；海洋、湖泊環(huán)境下的水聲傳感網(wǎng)，為了節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量會(huì)讓節(jié)點(diǎn)在不工作的情況下處于休眠或者關(guān)閉的狀態(tài)，但這種情況容易造成無(wú)法連接的狀態(tài)。上述具有間歇連接、頻繁割裂、時(shí)延極高等特性的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為容遲容斷網(wǎng)絡(luò)(DelayTolerant Network,簡(jiǎn)稱(chēng)DTN)。無(wú)論是傳統(tǒng)TCP/IP協(xié)議簇網(wǎng)絡(luò)還是DTN網(wǎng)絡(luò)，路由都是實(shí)現(xiàn)消息傳遞的關(guān)鍵技術(shù)，是全網(wǎng)間通信的保證，是提高網(wǎng)絡(luò)連接性的基礎(chǔ)。對(duì)于DTN網(wǎng)絡(luò)處于連接頻繁間斷、高延遲、上行和下行數(shù)據(jù)率不對(duì)稱(chēng)、高誤碼率、高丟包率等狀態(tài)，并且節(jié)點(diǎn)性能低下，經(jīng)常出現(xiàn)緩存不足，能量耗盡，不定期的的休眠或關(guān)閉的情況，節(jié)點(diǎn)間的連接往往無(wú)法保證永久存在，所以消息的傳遞通常需要依靠中繼節(jié)點(diǎn)，以存儲(chǔ)、保持、轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行路由。因此，對(duì)于傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)的路由，其適用性已經(jīng)不能滿足DTN網(wǎng)絡(luò)苛刻的條件，DTN網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題就是路由問(wèn)題，良好穩(wěn)健的路由算法是提高DTN網(wǎng)絡(luò)消息轉(zhuǎn)發(fā)成功率、降低平均延遲和能量、提高網(wǎng)絡(luò)通信能力的重要因素。路由算法確定一條路徑與很多因素有關(guān)，如網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞奶卣鳌⒐?jié)點(diǎn)能力等。這些因素可抽象成知識(shí)庫(kù)，這是對(duì)DTN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌囊环N量化的表示。相對(duì)完整的知識(shí)預(yù)測(cè)能夠找出最優(yōu)化的路由，這種算法性能最好，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)也很復(fù)雜，而不完整的知識(shí)預(yù)測(cè)找出的路由可能不是最優(yōu)的，算法性能也不是最好的，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)比較簡(jiǎn)單，本發(fā)明以先驗(yàn)知識(shí)作為路由算法的輸入變量，研究知識(shí)與路由算法性能間的關(guān)系。DTN網(wǎng)絡(luò)的通信依靠的是節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由算法對(duì)消息的轉(zhuǎn)發(fā)。每個(gè)消息包含4個(gè)要素，可用(u,v,t,m)表示，u表示源節(jié)點(diǎn)，V表示目的節(jié)點(diǎn)，t表示這個(gè)消息什么時(shí)刻進(jìn)入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸，m表示這個(gè)消息的大小，或者說(shuō)是消息數(shù)據(jù)包所占的字節(jié)數(shù)，DTN網(wǎng)絡(luò)的消息大小不是固定的。
按照知識(shí)庫(kù)的多寡與路由算法性能之間的關(guān)系，可以把知識(shí)庫(kù)分為四類(lèi)連接接觸概要預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)、連接接觸預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)、隊(duì)列預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)、通信需求預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)。連接接觸概要預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)這種知識(shí)預(yù)測(cè)提供的是網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)連接的概要信息，例如任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間連接出現(xiàn)的情況，但提供的僅僅是全網(wǎng)的一種平均信息，或者說(shuō)是所有節(jié)點(diǎn)連接的平均延遲。這種知識(shí)庫(kù)是對(duì)全網(wǎng)的概要預(yù)測(cè)，相關(guān)的算法只能以此來(lái)大概的計(jì)算出路徑，因此這種知識(shí)預(yù)測(cè)表示的是非時(shí)變特性，不能適用于時(shí)變的路由算法。連接接觸預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)這種知識(shí)庫(kù)比概要預(yù)測(cè)的更加具體，它不提供平均化水平的全網(wǎng)連接信息，而是把連接信息精確到了某個(gè)時(shí)刻，某兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。這種知識(shí)庫(kù)提供的是時(shí)變的信息，如果通過(guò)該知識(shí)庫(kù)，能提前計(jì)算出未來(lái)某一時(shí)刻某兩節(jié)點(diǎn)之間的連接信息，那么該知識(shí)庫(kù)就可用于時(shí)變的路由算法。隊(duì)列預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)前兩種預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)描述的兩節(jié)點(diǎn)間的連接狀況，隊(duì)列預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)描述的節(jié)點(diǎn)本身的特性，描述的是節(jié)點(diǎn)緩存的隊(duì)列大小，可分為本地隊(duì)列預(yù)測(cè)和全局隊(duì) 列預(yù)測(cè)。本地隊(duì)列預(yù)測(cè)只能提供消息所在節(jié)點(diǎn)的任意時(shí)刻的隊(duì)列信息，而網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列信息無(wú)法獲??；全局隊(duì)列預(yù)測(cè)能提供網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)任意時(shí)刻的隊(duì)列信息。還有一點(diǎn)要說(shuō)明的是，這種知識(shí)庫(kù)不僅僅與網(wǎng)絡(luò)本身的特性有關(guān)，還與選擇的路由算法和傳送的消息有關(guān)。隊(duì)列預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)分為本地隊(duì)列預(yù)測(cè)和全局隊(duì)列預(yù)測(cè)，前者只考慮本節(jié)點(diǎn)單獨(dú)的隊(duì)列信息，后者包括網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列信息。通信需求預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)該預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)涵蓋了任意時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)中的通信需求信息，這些信息能把進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中的消息根據(jù)特定的需求進(jìn)行合理的安排，從而往往會(huì)得到一個(gè)最優(yōu)最可靠的路由，但算法的計(jì)算方法很復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較困難。按知識(shí)庫(kù)的完備性可把路由算法分為三大類(lèi)零預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)路由算法，部分預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)路由算法，完全預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)路由算法。零預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)路由算法不采用任何預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容，這類(lèi)算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分容易，主要就是隨機(jī)的選擇一個(gè)可用連接進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，它是DTN所有路由算法性能的一個(gè)最低下限。這類(lèi)算法只有最先連接算法FC(First Contact)，該算法沒(méi)用采用任何預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)，它是一種逐跳路由算法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)從可用的連接接觸中選擇一個(gè)來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)消息，如果某一時(shí)刻不存在可用的連接，消息會(huì)先保存在節(jié)點(diǎn)緩存中，一旦有連接出現(xiàn)則立即轉(zhuǎn)發(fā)。部分預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)主要指的是連接接觸概要預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)、連接接觸預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)、以及隊(duì)列預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)，或者是由它們的多種組合構(gòu)成，但不包含通信需求預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)。部分預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)算法的基本思想是計(jì)算每條邊上的鏈路延遲，然后給每條邊的延遲設(shè)定一個(gè)權(quán)值，這些權(quán)值根據(jù)所選擇的知識(shí)庫(kù)的不同，可能是非時(shí)變的，也可能是時(shí)變的。路由算法選出一些延遲權(quán)值最小的邊，就能得出一條最短延遲路徑。所以計(jì)算邊權(quán)值是這類(lèi)路由算法的核心，而算法所選擇的知識(shí)庫(kù)對(duì)權(quán)值的計(jì)算有著重要的影響，因?yàn)橹R(shí)庫(kù)的預(yù)測(cè)信息量越多，計(jì)算的權(quán)值越符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的情況。這類(lèi)算法主要有最小預(yù)期延遲算法MED (Minimum Expected Delay)、最早傳遞算法 ED (Earliest Delivery)、考慮本地隊(duì)列的最早傳遞法EDLQ(Earliest Delivery with Local Queue)、考慮全局隊(duì)列的最早傳遞算法EDAQ(Earliest Delivery with All Queue)。部分預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)路由算法并未考慮所有網(wǎng)絡(luò)因素，盡管根據(jù)所采用知識(shí)的完備性，其路由算法性能在逐步提高，但顯然它在通信需求方面是有缺陷的。完全預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)路由算法彌補(bǔ)了這一缺陷，它在部分預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，增加了通信需求預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)，這個(gè)知識(shí)庫(kù)涵蓋了全部通信需求，能獲得任意時(shí)間消息在網(wǎng)絡(luò)中的需求信息。根據(jù)完全預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)提供的信息，可以提出一種比較復(fù)雜的路由算法線性規(guī)劃算法LP(Linear Program)。依靠此算法往往會(huì)得到一個(gè)最優(yōu)最可靠的路由，其計(jì)算原理主要是采用負(fù)載平衡方程進(jìn)行線性規(guī)劃，其計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)比較大，應(yīng)用起來(lái)也很復(fù)雜。如圖I所示，預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)的多寡決定了基于知識(shí)預(yù)測(cè)的路由算法的路由性能，根本原因是因?yàn)槁酚杀硎莵?lái)源于預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)的，知識(shí)庫(kù)中的信息越充分越全面，路由算法計(jì)算出的路由表越合理。在DTN網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，即使預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)能儲(chǔ)備節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間的所有相關(guān)信息，但DTN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量、性能、緩存等都非常有限，而且經(jīng)常具有移動(dòng)性，所以DTN網(wǎng)絡(luò)中的連接很不穩(wěn)定，這就導(dǎo)致消息在某兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間傳遞的過(guò)程中突然中斷，尤其對(duì)于那種單個(gè)消息的數(shù)據(jù)量比較大時(shí)，這種大消息需要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的連接狀態(tài)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，否則很容易發(fā)生一個(gè)消息只傳輸了一部分的情況。基于知識(shí)預(yù)測(cè)的路由算法是依據(jù)預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)提供的信息對(duì)消息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，例如某兩點(diǎn)的延遲較低，那么路由算法會(huì)選擇這條邊傳送消息，但若想就此達(dá)到預(yù)測(cè)的路由性能，必須建立在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)只要存在連接就能成功轉(zhuǎn)發(fā)消息的前提下，而不必考慮連接能持續(xù)多久、或者消息需要傳送多久的問(wèn)題。但是在現(xiàn)實(shí)的DTN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，這種理想條件是不可能存在的。在DTN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的移動(dòng)是頻繁的，節(jié)點(diǎn)失效也是時(shí)常發(fā)生的，消息的傳輸是需要一定時(shí)間的，消息能否能在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間成功，不僅僅需要兩節(jié)點(diǎn)存在連接，或者是延遲小的指標(biāo)，還要求兩節(jié)點(diǎn)連接的持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，尤其是當(dāng)消息大小較大時(shí)，持續(xù)時(shí)間的指標(biāo)更為重要，因?yàn)榇笙⑿枰膫鬏敃r(shí)間更長(zhǎng)，這種情況下，即使連接延遲小，但沒(méi)有足夠的連接持續(xù)時(shí)間，消息仍無(wú)法成功轉(zhuǎn)發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提供一種基于歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)預(yù)測(cè)的路由算法(EDH0:ED based on Historical Orderliness算法),該算法主體框架增加了一個(gè)歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)，主要目標(biāo)是優(yōu)化DTN網(wǎng)絡(luò)中高連接間斷性引起的消息丟失問(wèn)題。這種知識(shí)庫(kù)由歷史信息表構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存一個(gè)表，并隨時(shí)間窗W進(jìn)行更新，所謂時(shí)間窗W，指的是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不斷調(diào)整的一個(gè)閾值，歷史規(guī)律信息表中的時(shí)間點(diǎn)都屬于時(shí)間窗W內(nèi)。根據(jù)DTN網(wǎng)絡(luò)連接特性的描述，歷史規(guī)律信息表的格式定義如下表
權(quán)利要求
1.一種容遲容斷網(wǎng)絡(luò)的EDHO路由算法，其特征在于，該算法共包括4個(gè)步驟1)歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)的建立；2)節(jié)點(diǎn)連接可靠度RM的計(jì)算；3)選路指標(biāo)WRM的計(jì)算；4)EDH0算法路由的建立和更新；其中歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?gòu)建，RM根據(jù)歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行計(jì)算，選路指標(biāo)WRM由可靠度RM的值確定，而路由表根據(jù)選路指標(biāo)進(jìn)行建立和更新。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的算法，其特征在于，所述步驟I)中歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)根據(jù)遲容斷網(wǎng)絡(luò)的鏈路特性建立，以歷史規(guī)律信息表格式保存在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中，主要內(nèi)容包括時(shí)間窗口 W、在時(shí)間窗內(nèi)本節(jié)點(diǎn)與另一節(jié)點(diǎn)的連接次數(shù)、時(shí)間窗內(nèi)每一次連接的起始時(shí)間、時(shí)間窗內(nèi)每一次連接的終止時(shí)間以及時(shí)間窗內(nèi)每一次連接持續(xù)時(shí)間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的算法，其特征在于，所述步驟2)中節(jié)點(diǎn)連接可靠度RM與時(shí)間窗口 W內(nèi)連接持續(xù)時(shí)間與連接間隔次數(shù)有關(guān)，RM值越大表示節(jié)點(diǎn)可靠度越高，消息傳輸成功率越聞。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的算法,其特征在于,對(duì)于節(jié)點(diǎn)s和與另一節(jié)點(diǎn)相連的邊e,在 時(shí)間窗大小為W的情況下，t時(shí)刻兩節(jié)點(diǎn)的連接可靠度RM(e，t，W，s)定義如下
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的算法，其特征在于，所述步驟3)中選路指標(biāo)WRM的計(jì)算是結(jié)合ED算法的選路指標(biāo)和連接可靠度RM來(lái)計(jì)算得的，以延遲w對(duì)RM的歸一化值來(lái)綜合考慮延遲和可靠度的共同影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的算法，其特征在于，WRM的計(jì)算如下
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的算法，其特征在于，所述步驟4)中EDHO算法的路由和更新過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)在開(kāi)始運(yùn)行前先進(jìn)行初始化過(guò)程，節(jié)點(diǎn)間相互交換路由表信息，最終形成全網(wǎng)的路由映射。
全文摘要
本發(fā)明提供一種容遲容斷網(wǎng)絡(luò)(DNT)的EDHO路由算法，特別針對(duì)基于知識(shí)預(yù)測(cè)的路由算法進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該算法共包括４個(gè)步驟１)歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)的建立；２)節(jié)點(diǎn)連接可靠度RM的計(jì)算；３)選路指標(biāo)WRM的計(jì)算；４)EDHO算法路由的建立和更新；其中歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?gòu)建，RM根據(jù)歷史規(guī)律預(yù)測(cè)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行計(jì)算，選路指標(biāo)WRM由可靠度RM的值確定，而路由表根據(jù)選路指標(biāo)進(jìn)行建立和更新。該算法能優(yōu)化DTN網(wǎng)絡(luò)中高連接間斷性引起的消息丟失問(wèn)題。
文檔編號(hào)H04L12/703GK102957608SQ201210530848
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者劉濤, 唐路 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)