一种基于效用转交的多副本机会网络路由协议.doc
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1、摘要机会网络具有延时容忍网络的一般特征,它是利用节点移动带来的相遇机会实现通信的新型自组织网络模型,其目标是为了解决频繁间断网络中的数据通讯问题。机会网络中通常由于节点移动、稀疏、能量和存储受限等原因导致网络的分割,源节点和目标节点位于不同的连通域而导致传统的无线自组网路由协议无法有效运行。本文在分析机会网络关键技术和主要三种多副本路由协议的基础上,提出了一种新的路由协议基于效用转交的多副本路由协议,并用仿真平台the ONE对该路由协议的性能进行评估,仿真结果表明,相对SprayAndWait、Prophet和Epidemic这三种路由协议,该路由协议具有较高的报文成功递交率和平均网络延时,
2、以及较低的网络开销。关键词: 机会网络 路由协议 效用转交 多副本AbstractOpportunistic Networks is a novel self-organizing network model with the general characteristics of the Delay Tolerant Network and it utilizes the encounter opportunities arising from node movement to implement communications and aims at resolving the data co
3、mmunication problem for the frequent interruption network. In Opportunistic Networks, nodes usually form a disconnected network due to nodal mobility, low density, limited energy and storage, etc. The source node and destination node being located in different connectivity domains leads to the resul
4、t that conventional communication protocol of wireless ad hoc networks can not be effectively run in Opportunistic Networks. After introducing the multiple-copy routing protocol and Key technologies in Opportunistic Networks, this paper proposes a Spray and Transfer using History of Encounters and T
5、ransitivity Routing Protocol. Then we use The Opportunistic Network Environment simulator to assess performance of this new routing protocol. Simulation results show that the improved routing protocol has better performance of delivery ratio,average latency ,routing overhead and delivery utility ,co
6、mpared with SprayAndWait, Prophet and Epidemic.Key Words: Opportunistic Networks、routing protocol、Transfer using History of Encounters and Transitivity、multiple-copy目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究背景11.1.1 机会网络的提出11.1.2 机会网络的定义11.1.3 机会网络的研究现状21.2 论文选题的意义31.3 论文的组织3第二章 机会网络中路由协议的关键技术42.1 概述42.2 移动模型52.2
7、.1 随机移动模型52.2.2 基于地图限制的移动模型52.2.3 基于社区的移动模型62.3 拥塞控制72.4 缓存策略82.5 转发机制82.5.1 基于编码的转发92.5.2 基于复制的转发92.5.3 基于相遇预测的转发102.5.4 基于链路估计的转发102.5.5 基于上下文信息的转发112.5.6 效用冗余混合的转发112.5.7 基于节点主动运动的转发112.6 本章小结12第三章 机会网络中多副本路由协议133.1 单副本路由协议和多副本路由协议的比较133.2 多副本路由协议133.2.1 Epidemic133.2.2 Spray and Wait143.2.3 PRoP
8、HET173.2.4 三种协议的比较183.3 本章小结19第四章 基于效用转交的多副本路由协议204.1 路由协议的提出204.2 路由协议的具体设计214.2.1 基于时间尺度的效用路由算法214.2.1.1 递交预测值的计算214.2.1.2 基于时间尺度的参数估计244.2.2 基于期望平均效用的散发策略264.2.3 基于当前递交预测值大小的转交递交策略294.2.4 基于确认机制的冗余消息删除策略304.3 路由协议整体设计324.4 本章小结32第五章 基于效用转交的多副本路由协议性能评估335.1 仿真平台 ONE 介绍335.1.1 ONE 概述335.1.2 模拟流程335
9、.1.2 节点更新345.1.3 传输消息345.1.4 报表解读355.2 网络性能评估标准355.2.1 报文成功递交率 (delivery_prob)355.2.2 网络开销 (overhead_ratio)365.2.3 平均传递延迟(latency_avg)365.2.4 投递效用(Delivery Utility)365.3 基于效用转交的多副本路由协议性能评估375.3.1 仿真环境设置375.3.2 仿真结果分析385.4 本章小结43第六章 总结与展望446.1 研究内容总结446.2 展望44参考文献46致谢48第一章 绪论1.1 研究背景1.1.1 机会网络的提出大量低成
10、本、具备短距离无线通信能力的智能设备的出现推动了无线自组织网络用的迅速发展.例如, 放置在动物身上的传感器组成移动传感器网络收集动物迁徙数据;各种配备蓝牙或Wi-Fi接口的手持电子设备,如MP3播放器、手机、PDA等自组成网络以实现数据共享或协作访问互联网行驶;在公路上带有智能设备的车辆自组成车载网络,实现交通故预警和其他道路安全应用等。在上述的各种实际自组织网络应用中,节点移动、节点稀疏、射频关闭或障碍物造成信号衰减等多种原因都可能导致网络大多数时候不能连通。这种网络环境中,传统的MANET(mobile ad hoc network)通信模式无法有效运行。因为MANET在传输用户数据之前,
11、需要预先通过AODV(ad-hoc on-demand distance vector)或DSR(dynamic source routing)等路由算法建立通信端点之间的路由,并将数据分组按照节点路由表中确定的下一跳节点顺序转发到目标节点。这种工作模式隐含一个重要的假设:网络大部分时候是连通的,任一节点对之间存在至少一条完整的端到端通信路径。而在前述网络中,在一个特定时刻,网络可能被分割成不连通的子区域,源节点和目标节点位于不同的连通域而导致MANET路由协议不能发现去往目标节点的路由。然而,信源和目标不存在完整连通路径并不意味着不能实现通信,由于节点的移动,两个节点可以进入相互通信范围而交
12、换数据,机会网络1就是利用这种节点对之间的逐跳转发将数据从源节点传输到目标节点。机会网络不要求网络的全连通,更适合实际的自组网需求,且对于实现未来普适计算具有重大影响,因而近年来引起了科研人员的密切关注。在网络领域相关著名会议上,SIGCOMM,MOBICOM,INFOCOM,MOBIHOC等,相关的重要研究成果逐年增多。此外,还专门成立了一些研讨会,如Mobicom的CHANTS,MobiSys的MobiOPP,ICDCS的DTMN以及PERCOM的ICMAN等,供研究者交流。1.1.2 机会网络的定义目前机会网络还没有一个统一的定义,本文按照文献1给出描述性定义进行描述:机会网络是一种不需
13、要源节点和目标节点之间存在完整链路,利用节点移动带来的相遇机会实现通信的自组织网络。图 1.1 机会网络示意图图1.1是一个机会网络示意图,t1时刻源节点S希望将数据传输给目标节点D,但S和D位于不同的连通域而没有通信路径,因此,S首先将数据打包成消息发送给邻居节点3,由于3并没有合适的机会转发下一跳节点,它将消息在本地存储并等待传输机会,经过一段时间到达t2时刻,节点3运动到节点4的通信范围并转发给节点4,在t3时刻,节点4将消息传输给目标节点D,完成数据传输。机会网络的部分概念来源于早期的延迟容忍网络DTN(delay tolerant network)2研究。DTN最初是容迟网络研究组(
14、DTNRG)为星际网络IPN(interplanetary network)通信而提出来的,其主要目标是支持具有间歇性连通、延迟大、错误率高等通信特征的不同网络的互联和互操作,如互联Internet和传感器网络、移动自组织网络等3。DTN网络体系由多个底层运行独立通信协议的DTN域组成,域间网关利用“存储-携带-转发”的模式工作,当去往目标DTN域的链路存在时转发消息,否则,将消息存储在本地持久存储器中等待可用链路。机会网络可以看成是具有一般DTN网络特征的无线自组网。1.1.3 机会网络的研究现状机会网络自从出现以来得到了极大的研究关注,目前的研究热点主要集中在以下几个方面1:(1)路由协议
15、的研究。路由协议一直是机会网络中的研究重点,网络中的路由协议要完成将数据报文成功地传输到目的节点的任务,同时,还要尽可能减小传输延时,减小对网络节点内存的消耗,减小对网络带宽的消耗。研究人员正在努力研究开发满足上述要求的路由协议并取得了一定的成果。(2)移动模型的研究。移动模型是指网络中的节点移动方式,节点的移动方式对于网络中的数据通信具有重要的影响。不同的应用环境下,节点可能具有不同的移动方式,节点的移动可能是随机的,也可能是具有一定规律的。节点的移动模型对于机会网络中的路由协议的设计具有一定的指导意义。(3)安全性研究。安全性的保证是整个网络应用的前提,所以随着机会网络其他方面的研究发展,
16、以及机会网络的实际部署,安全性方面的研究得到了逐步关注。目前机会网络中的安全机制研究还处于起步阶段。1.2 论文选题的意义很多应用领域都无法建立结构化的全连通网络,导致传统的多跳自组织网络协议无法运行,而机会网络能够更好地满足这些应用需求。机会网络已经成功应用于车载网络、偏远地区网络传输、野生动物追踪、手持设备组网等领域。尽管机会网络已经取得一些应用,但当前对机会网络的研究大多处在理论和仿真的阶段。机会网络路由协议要保证在网络大多数时候不能连通的情况下数据报文能够正常传输,同时,还要尽可能减小传输延时,减小对网络节点内存的消耗,减小对网络带宽的消耗。当前和将来最主要的任务是在机会网络体系特征的
17、基础上搭建合适的机会网络,并通过真实的网络测量数据来设计和调整各种路由协议,使之能应用于现实的网络环境中。机会网络在全球移动网、军用Ad-Hoc网、长距离无线链路网、水下声学调制通信网络、自由空间光通信网、卫星通信网、传感器网络等多种现实网络中都可以应用,这对今后网络技术以及数据通信等领域研究都具有重要的意义。本文在研究了机会网络关键技术和流行路由协议的基础,提出了一种新的路由协议基于效用转交的多副本路由协议。1.3 论文的组织本论文共分为六章。第一章叙述了机会网络的技术背景、定义和研究现状。第二章对机会网络的关键技术进行综述,分析了机会网络中移动模型、拥塞控制、转发机制。第三章在对机会网络的
18、关键技术分析的基础上,分析了单副本路由协议和多副本路由协议的优劣势,并重点分析了当前主要三个多副本路由协议。第四章在分析当前主要三个多副本路由协议的优缺点的基础上,取长补短,提出了一种新的路由协议基于效用转交的多副本路由协议。第五章介绍了仿真平台ONE,并对基于效用转交的多副本路由协议进行性能评估。第六章是总结和展望。最后是致谢部分。第二章 机会网络中路由协议的关键技术2.1 概述近年来,随着对机会网络的研究,越来越多的机会网络应用在实际中出现,典型例子有:军事无线自组织网络、星际间的网络、野生动物追踪网络、人群网络等等。这些网络有相同的特点:较高的延迟、端到端的链接不存在、节点能量和存储空间
19、受限、网络的拓扑结构呈动态性的变化、数据的差错率较大等,对于有些网络甚至在一段时间内端到端的链接都不存在。正是这些特点导致传统的无线自组织网络路由协议和传输控制协议/因特网互联协议(TCP/IP)无法在机会网络中应用,因此,机会网络的路由设计问题就变得非常关键了。机会网络的这些特点使得设计机会网络路由协议时的关键就是如何提高成功投递率,尽量减少交付延时,节约节点缓存和降低耗能,在实现相同路由性能的条件下,尽量降低协议的复杂度,提高协议的实用性。此外,针对不同的消息服务等级要求,应关注于不同的性能参数,采用满足相应要求的路由方法。机会网络路由的设计,涉及到移动模型、拥塞控制、缓存策略、转发机制等
20、方面4。机会网络路由协议的设计最主要的目的就是尽可能的提高报文的传递率,由于机会网络可能会使用一些不可靠或者不可预测的组件,为了弥补这方面的不足,许多的路由协议采用报文多副本的方式来提高传递率。由于使用了多副本的策略,报文投递率的成功率就相对来说高一些,但同时也会增加了平均传输时间,这种方法是在性能和开销之间做了一个折中方式。开销最小的办法就是在整个机会网络中只有一个报文,这样整个机会网络的开销就会非常小,但只有一个报文存在,报文的传递率就会变得非常低了。如果网络中的每一个节点都有一个报文副本存在的话,报文的传递率就会变得非常高,但是这样会大大的占用网络资源,网络开销也会大大增加,因此如何在性
21、能和开销之间折中是机会网络路由协议设计过程中的一个关键点。此外,研究还发现,机会网络中节点的移动不是随机的,存在一定的规律,如何根据这些节点的地理位置、节点之间的历史相遇信息等规律进行报文转发,也是当前的一个研究关键点。到目前为止己经有很多的学者对机会网络路由协议做了很多工作,并且提出了多种不同的路由协议,本章将会介绍国内外学者所研究的主要路由协议,并对这些不同路由协议的移动模型、拥塞控制、缓存策略、转发机制进行分析。2.2 移动模型节点的移动模型是指节点的移动路线规律,移动速度,静止时间等特征的变化模式,移动模型是自组织网络的基础研究之一,并且已经广泛应用于自组织网络协议性能的分析和评价。传
22、统的MANET一般从网络拓扑角度去分析移动模型对协议性能的影响,因为传统的MANET假设网络是全连通的,节点的移动对路由层以上的协议是“屏蔽”的,比如从拓扑连通率、节点连通度等分析移动模型对性能的影响。而机会网络中的数据传输取决于节点移动带来的相遇机会,而节点之间的相遇概率和相遇时间分布是由节点的移动模型决定的,因此机会网络中的移动模型研究是以刻画节点相遇特征为核心的。相比于传统的MANET,在机会网络中对移动模型的研究更加重要。常用节点移动模型主要有随机模型、随机地图限制模型、人类行为模型。其中随机移动模型有随机移动(RW),随机路点(RWP)和随机方向(RD)模型;为了将实际移动性模型化,
23、可以根据实际地图数据中的预定路径来限制节点移动,例如随机地图移动(MBM)、基于最短路径的移动(SPMBM)、基于路线的移动(RMBM);基于人类行为移动模型主要是用来模拟人们在一个工作日中从事的各种各样活动,例如工作日移动模型(WDM)。2.2.1 随机移动模型独立同分布移动模型下的节点相遇特征可用两个参数来刻画:节点相遇时间 (meetingtime,简称MT)和相遇间隔时间(intermeetingtime,简称IMT)。节点相遇时间是指两个节点从静止开始到第一次相遇(进入通信范围)经过的时间间隔。节点相遇间隔时间是指两个节点前后两次相遇的时间间隔。随机移动模型是独立同分布模型,具有代表
24、性的三个独立同分布移动模型是RandomwayPoint (RWP,随机路点),RandomWalk(RW,随机移动)和RandomDirection (RD,随机方向)。RandomWaypoint 移动模型中节点的移动速度和到达路点停留时间保持恒定,但节点是沿着曲折的路径移动到达路点,而不是根据最短路径移动。当节点到达路点之后会随机选择另一个路点,每次的路点都不一样。上述三个移动模型的节点期望相遇时间(expected meeting time)服从指数分布或其尾部服从指数分布, RandomDirection移动模型和RandomwayPoint移动模型这两种移动模型下节点相遇时间和相遇
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