（通信与信息系统专业论文）dtn中基于报文质量的拥塞控制策略研究.pdf

摘要 摘要 t c p i p 协议是目前因特网使用的协议族。该协议使得在大量的异构网络问 进行通信成为可能。通信中需要确保一条相对持久的端到端路径。随着网络技术 地发展，在一些特殊的环境下建立一种特殊的网络( 星际网络、战场网络、野生 动物跟踪网络等) 来满足通信需求成为网络技术研究的新的目标之一。 k e v i nf a l l 等科学家于2 0 0 3 年s i g c o m m 国际会议上提出一种被称之为 d t n ( d e l a y d i s r u p t i o nt o l e r a n tn e t w o r k 容滞网络) 的网络。d t n 是一个新兴的 网络研究领域，是区域网络之上的覆盖网络。它被用来处理极端环境下的网络通 信。它采用存储携带转发的方式，通过节点间的间歇性连接来转发报文以实现 报文在受限网络环境下的最终递交。 由于不断变化的网络拓扑结构和间歇连接性，d t n 通常采用多拷贝路由策 略来增加报文递交的可靠性。但多拷贝的路由策略给网络带来了大量的冗余报 文，在提高网络递交率的同时容易造成网络资源的过度消耗。由于d t n 节点的 存储空间有限，多拷贝的路由机制产生的大量报文易导致节点的缓存发生拥塞。 因此在多拷贝路由中引入适当的拥塞控制策略，在节点发生缓存拥塞时，合理地 对缓存中报文进行处理具有重要的意义。 本文首先对d t n 的概念、体系结构以及前人的研究做了分析和总结，并对 蔓延路由协议和多区域网络做了重点介绍。针对蔓延路由协议和多区域网络的拥 塞情况，提出： 1 蔓延路由协议下的拥塞控制策略。在蔓延路由协议下，节点会由于缓存 中存储了大量的冗余报文而发生拥塞，通过计算缓存中的报文质量并在 发生拥塞时找出最小质量的报文依次丢弃，缓解网络拥塞，提升网络的 性能。 2 针对多区域网络核心节点的拥塞问题，本文基于不丢弃报文的原则，提 出多区域网络中核心节点的拥塞控制策略。采用分布式报文存储，使得 报文能合理地存储在区域内非核心节点的缓存中，更好地利用了网络中 的缓存资源，缓解核心节点的缓存压力。 摘要 3 使用t h eo n e 仿真器对所提地基于报文质量的捌塞控制策略进行实验 仿真并和其它几种路由协议和拥塞控制策略进行比较，得出仿真结果并 分析。 关键字：容滞网络；多区域网络；拥塞控制策略；报文质量；核心节点 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h et c p i pp r o t o c o li st h ec u r r e n tu s eo ft h ei n t e r a c tp r o t o c o ls u i t e ，w h i c h m a k e si t p o s s i b l e t oc o m m u n i c a t eb e t w e e nal a r g en u m b e r so fh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k s c o m m u n i c a t i o nn e e d st oe n s u r ear e l a t i v e l yl o n g l a s t i n ge n d - t o - e n dp a t h 。 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , n e wn e t w o r k ( e g p l a n e t a r yn e t w o r k ，v e h i c u l a rn e t w o r ka n dm o b i l es e n s o rn e t w o r k ，e t c ) i ns o m e s p e c i a le n v i r o n m e n tb e c o m eo n eo ft h eg o a l si nr e s e a r c ho ft h en e t w o r kt e c h n o l o g y k e v i nf a l la n do t h e rs c i e n t i s t sp r o p o s e da ne m e r g i n gn e t w o r k ，c a l l e dd t n ( d e l a y d i s r u p t i o nt o l e r a n tn e t w o r k ) a tt h ec o n f e r e n c eo f2 0 0 3s i g c o m m w i t h s t o r e - c a r r y - f o r w a r dm e t h o d ，p a c k e t sf o r w a r d e db e t w e e nt h ed t nn o d e su n d e rt h e i n t e r m i t t e n tc o n n e c t i v i t ya n de v e n t u a l l ya r r i v e da tt h ed e s t i n a t i o nn o d e d u et ot h ec h a n g i n gt o p o l o g ya n di n t e r m i t t e n tc o n n e c t i v i t y , d t nu s u a l l yu s e s m u l t i - c o p yr o u t i n gs t r a t e g yt oi n c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fp a c k e td e l i v e r y h o w e v e r , m u l t i - c o p ym e c h a n i s mb r i n g sal a r g en u m b e ro fr e d u n d a n tp a c k e t sa n dc a u s e s e x c e s s i v ec o n s u m p t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e s t h ep a c k e t sw h i c ha r eg e n e r a t e db y m u l t i c o p ym e c h a n i s me a s i l yl e a dt ot h ec o n g e s t i o no ft h en o d eb e c a u s eo ft h el i m i t e d s t o r a g es p a c eo ft h en o d e t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt oi n t r o d u c ear e a s o n a b l e c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yi nm u l t i c o p yr o u t i n gm e c h a n i s mw h e nt h en o d es t o r a g e c o n g e s t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec o n c e p t ，a r c h i t e c t u r ea n dp r e v i o u sr e s e a r c hw e r ef i r s ta n a l y z e d a n ds u m m a r i z e d ，a n dt h e nt h ee p i d e m i cr o u t i n gp r o t o c o la n dm u l t i r e g i o n a ln e t w o r k s w e r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h ee p i d e m i cr o u t i n gp r o t o c o la n dm u l t i r e g i o n a ln e t w o r k s ， t h ef o l l o w i n gm e t h o d s w e r ep r o p o s e d ： 1 c o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do ne p i d e m i cr o u t i n gp r o t o c 0 1 u n d e rt h e e p i d e m i cr o u t i n gp r o t o c o l ，t h er e d u n d a n tp a c k e t sw h i c hs t o r e di nt h eb u f f e ro f t h en o d ee a s i l yl e a dt ot h ec o n g e s t i o no ft h en e t w o r k b yc a l c u l a t i n gt h e q u a l i t yo ft h ep a c k e t si nt h eb u f f e r , i tc a nf i n dt h em e s s a g ew h i c hh a st h e l l i a b s t r a c t m i n i m u mq u a l i t ya n dd r o pi tt oe a s et h ec o n g e s t i o na n di m p r o v et h en e t w o r k p e r f o r m a n c ei nc o n g e s t i o ne n v i r o n m e n t 2 i nt h i sp a p e r , t h ec o n g e s t i o no ft h em u l t i - r e g i o n a ln e t w o r k sw a sa n a l y z e da n d t h ec o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yw a sp r o p o s e db a s e do nt h ep r i n c i p l eo fn o d r o p p i n gp a c k e t s i no r d e rt om a k eb e t t e ru s eo fb u f f e rr e s o u r c ea n da l l e v i a t e t h ep r e s s u r eo nt h eb u f f e ro ft h ec o r en o d e s ，t h i ss t r a t e g yu s e sd i s t r i b u t e d s t o r a g em e c h a n i s mt os t o r et h ep a c k e t si nt h en o n - c o r ec o d e 3 t h ep e r f o r m a n c eo fc o n g e s t i o nc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nt h ee p i d e m i cr o u t i n g p r o t o c o la n ds o m eo t h e rr o u t i n gp r o t o c o l sw e r ee v a l u a t e db yt h eo n e s i m u l a t o r t h e nt h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：d e l a y d i s r u p t i o nt o l e r a n tn e t w o r k ；m u l t i r e g i o n a ln e t w o r k s ；c o n g e s t i o n c o n t r o ls t r a t e g y ；q u a l i t yo ft h em e s s a g e ；c o r en o d e s i v 第一章绪论 1 1d t n 概述 1 1 1d t n 的研究背景 第一章绪论 由于t c p i p 协议地应用，使得因特网( t h ei n t e m e t ) 能够克服全球通信设 备的差异而互联并获得了广泛的应用。因特网是世界上最大的互联通信网络，由 大量的子网络组成，网络中的设备都遵守t c p i p 协议，从而实现可靠的报文传 输。 t c p i p 协议拥有比较简单的体系结构，共分为四层。图1 1 给出了两台利用 t c p i p 协议通信的主机的体系结构的例子。图中的路由器只用到网络层。 - 主机柚 蔓网 同c i 幽琴j 应用层缓 运输层 缓 运输层缓 网际层绉 网络接搦 网络接 搦 h 庀公矽 层 廖 图1 1t c p i p 四层协议的表示示例 t c p i p 协议的通信模式是传统的客户服务器( c s ：c l i e n t s e r v e r ) 模式， 它是一种简单的点对点通信方式，是网络中的两台主机间进行的通信。 因特网主要依靠端到端的有线链路来实现连通，信源和信宿之间的传输延 迟和误码率一般都很低，并且拥有相对对称的双向传输速率。因特网链路的以下 假设1 1 决定了其实用性： 1 源端到目的端之间存在一条持续可用的双向链路，因而能够支持端到端 地数据交互； d t n 中基于报文质量的拥塞控制策略研究 2 链路中的数据具有较短的往返延时； 3 源端与目的端之间具有相对对称的数据数率； 4 链路上的传输具有低的差错率。 随着人类需求的不断丰富，除因特网之外的一些新兴网络开始受到广泛关 注。在这些复杂的网络环境( 传感器网络【2 1 、车辆网络【3 1 、军事a dh o e 网络【4 1 、 星际间通信网络等) 中，会时常发生由于不断变化的网络拓扑结构以及间歇的连 接性而产生的长的可变的延时和无法保证的端到端的路径。这些网络被公称为受 限网络( 如图1 2 所示) 。为了解决受限网络中的通信，国际上提出了一种区域网 络之上的覆盖网络d t n ( d e l a y d i s r u p t i o nt o l e r a n tn e t w o r k ) ，以解决一些复 杂环境下的网络通信。 星际问通信网，户火星 络， 地球表向 图例：一尤线链路 。 电话局 何线链路 o 1 譬感器 天线卫星 。人或交通工具 + 飞机 图1 2 受限网络 容滞网络( d e l a yt o l e r a n tn e t w o r k s ，简写d t n ) 的体系结构【5 1 是由k f a l l 等科学家于0 2 年在i c i r 会议上首次提出。因特网研究任务组i r t f ( i n t e r n e t r e s e a r c ht a s kf o r c e ) 为此创建了一个新的研究组，称为容滞网络研究组d t n r g ( d t nr e s e a r c hg r o u p ) 。d t n 作为一种新的网络体系结构正式被提出。d t n 研究组是研究d t n 体系结构与协议以及应用的主要力量组织。除了d t n 研究 组，星际网络组i p n ( i n t e r p l a n e t a r y n e t w o r k ) 【6 1 致力于研究星际网络；美国国防 部高级研究局d a r p a ( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 致力于研究 i n t e r a c t 交互式应用协议，以解决基于i n t e r n e t 连接地频繁断开的通信。这3 个研 究组织的关系如图1 3 所示。 2 第一章绪论 图1 3 容滞网络研究组 1 1 2d t n 的主要特点 因特网的巨大成功很大程度是由于其应用了t c p i p 协议族。因特网的链路 有其特有的优势：持续的端到端连接；低的误码率；低的链路延迟以及双向对称 的数据数率。区别于因特网，d t n 有一些自身的特点： 1 ) 间歇性连接：在d t n 的网络环境下，由于节点移动的随机性、能量受限 性以及其传输范围的有限性，网络会经常出现断开的现象【7 】，导致无法确保的端 到端连接。 2 ) 长的可变的延时：由于节点移动的随机性和不能确保的端到端路径，使报 文的传输延时很大且具有可变性。 3 ) 不对称的数据传输数率：由于不能确保的端到端路径，使得在d t n 网络 环境下，数据传输具有不对称性。 4 ) 高的差错率。 基于d t n 的节点都有一定的存储能力，节点间的报文交换采用一种存储一 携带一转发( s t o r e c a r r y f o r w a r d ) 【8 9 1 的方式进行。当报文到达非目的节点的中间 节点，中间节点会先将报文存储在缓存当中，并携带报文在网络中移动直到其遇 到目的节点或更加适合存储此报文的中间节点后再将其转发出去。基本过程如图 1 4 所示。 d t n 中基于报文质量的拥塞控制策略研究 图1 4 存储携带转发过程 1 1 3d t n 协议的体系结构 随着全球经济的飞速发展，人们需要在不同网络体系结之间相互交换信息。 为了满足这一需求，国际标准化组织i s o 提出了一种试图使各种差异化的计算 机能够在世界范围内互联并能彼此交换信息的标准框架体系，即开放系统互连基 本参考模型o s i r m ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o nr e f e r e n c em o d e l ) ，简称o s i 。 但后来o s i 在实际网络应用当中并没有发挥原有提出者们的构想。得到最广泛 运用的不是理论上的国际标准o s i ，而是非国际标准t c p i p 协议族一实际上的 国际标准。o s i 与t c p i p 体系结构的比较如下图1 5 所示。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 传输层 互联网层 网络接u 层 o s i 参考模型t c p i p 参考模型 图1 5o s i 与t c p i p 参考模型 而对于d t n 网络的受限环境下，传统的t c p i p 协议族是不能适用的。d t n 4 第一章绪论 在传统t c p i p 协议的应用层与传输层之间引入了一个新的协议层，称为聚束层 1 0 , 1 1 】( b u n d l e 层) 。d t n 协议层结构1 2 1 与传统协议层之间的比较如图1 6 所示。 传统协议层d t n 协议层 图1 6d t n 模型结构与传统协议层的比较 d t n 是一个覆盖层( b u n d l e 层) 网络体系结构。有了这个覆盖层，d t n 中 的节点可以采用存储携带转发方式来转发报文，进而使报文能够跨越多个异构 网络实现通信。 聚束由3 部分组成：( 1 ) 源节点应用层的用户数据；( 2 ) 由源节点应用 层提供给目的节点应用层的控制信息，用以描述如何对用户的数据进行加工、存 储及其他处理；( 3 ) 由聚束层封装进的聚束头标。聚束可以任意大小。图1 7 显示了当低层是t c p i p 协议时，聚束层是怎样工作的。 d t n 中基丁报文质晕的拥塞控制策略研究 图1 7d t n 协议层的数据封装 聚束层可能会将一个完整的聚束( 或完整的报文) 划分为多个碎片【1 3 】，犹如 i p 层将完整的报文分解成若干个短报文一样。如果聚束在源节点被分解，最终 目的节点会将它们重组起来。 1 1 4d t n 的性能指标 d t n 的性能一般是指它的几个重要的性能指标。性能指标从不同方面来衡 量d t n 的性能。下面介绍几个常用的性能指标。 1 递交率( d e l i v e r yr a t i o ) 在d t n 中，递交率被定义为信宿节点成功接收到报文的数量与信源节点所 发送的报文数量的比值大小。即： 投递率= 成功接收的报文数量发送报文的数量1 0 0 。 2 网络开销率( o v e r h e a dr a t i o ) 指在d t n 网络中所有被中继的报文数量与成功递交的报文数量之差除以成 功递交报文数量。即： 开销率= ( 中继报文数量一递交报文的数量) 递交报文的数量1 0 0 。 6 第章绪论 3 延时( e n d t o e n dd e l a y ( s ) ) 在d t n 中，延时是指所有成功递交的报文从信源到信宿所消耗时问的平均 值，包括以下几个组成部分： ( 1 ) 发送延时即传输延时( t r a n s m i s s i o nd e l a y ) ，指节点发送报文所需要的 时间，即从报文的第一个比特开始发送计算，到最后一个比特发送完所经历的时 间。从数学上计算，发送延时等于报文长度与信道带宽之比。 ( 2 ) 传播延时( p r o p a g a t i o nd e l a y ) ，指电磁波在信道中传播一定距离所消耗 的时间，等于信道长度与电磁波在信道中传播速率之比。对于d t n 网络来说， 由于网络的间歇连接性，传播延时可能非常大甚至无限大。 ( 3 ) 处理延时，指节点收到报文后需要花费的处理时问。 ( 4 ) 排队延时，指报文在节点的输入和输出队列中所消耗的时间，如图1 8 所示。 发送队列 图1 8 排队延时 4 吞吐量( t h r o u g h p u t ( k b s ) ) d t n 中吞吐量表示单位时间内成功被递交的报文数量。 对于d t n 而言，由于节点移动的随机性、节点能量受限性以及网络连接的 间歇性，使得d t n 相比于传统的计算机网络具有不稳定的性能。 1 1 5d t n 的应用 d t n 自提出起就受到国内外学者的关注。随着多年来的研究和发展，它主要 应用在：传感器网络、车辆网络、偏远乡村通信网络、野生动物追踪网络以及星 际网络等。 1 传感器网络 7 d t n 中基于报文质量的拥塞控制策略研究 传感器网络中，节点的存储空间、计算能力以及能量都有限，传感器节点的 移动性也很随机，且节点易受到野外环境的干扰，这种情况下，网络可能会出现 间歇性连接导致的长的可变的延时。这就类似于d t n 网络的特性。为了解决这 个问题，d t n 的技术研究出现了延迟容忍移动传感器网络( d t m s n i l4 】) 。仿照 d t n 模型中的区域网络中的核心节点来实现传感器网络与其它网络( 可能包括 因特网) 之间的互联。 2 车辆网络 随着通信业的发展，道路上配备短距离无线通信设备的车辆不断增多，这些 配备无线通信设备的车辆就形成了一个网络。车辆作为网络中的节点，道路上的 交通信息或者应急信息作为所要递交的报文信息。这种网络同样可以运用在高速 公路上的自然灾害以及交通事故信息的发布。如m i t 公司开发的c a r t e l 1 5 】，它 被用在路况信息的收集和发布等实际应用中。如图1 9 所示，c a r t e l 节点安装在 车辆节点上，负责收集所感应到的车辆运行和道路的信息并将信息进行处理，以 便做出路径判断和调整。 3 偏远乡村通信网络 图1 9c a r t e l 运用于车辆网络 在偏远的乡村，由于通信环境地限制，有线及无线接入并不普遍。通过d t n 技术，可以提供一个简单、廉价的解决方案。d a k n e t 【1 6 1 在印度的偏远地区已经 第一章绪论 投入运用。如图1 1 0 所示，k i o s k 设备、公交车载m a p ( m o b i l e a c c e s sp o i n t ) 设备以及互联网a p ( a c c e s sp o i n t ) 设备组成一个d t n 网络。村民通过一些常 用的手持终端( 如移动电话等) 与k i o s k 交换数据，k i o s k 与公交车载m a p 设 备之间交换报文，之后m a p 设备通过a p 连接到因特网上并与因特网交互报文。 4 野生动物追踪网络 图1 1 0d a k n e t v i i a g e 。赫 露键 k i o s k 为了观察一些濒危动物的生活习性，可以通过将无线通信设备安装在动物身 上以实现跟踪观察。这些无线通信设备组成的网络的拓扑结构经常发生变化， d t n 技术具有适用的优势。例如，普林斯顿大学用于非洲大草原对斑马的生活 习性追踪而设计的z e b r a n e t t l7 】就是利用d t n 技术。z e b r a n e t 系统是在斑马的 脖子上安装传感器节点以收集斑马的生活习性。相遇斑马之间可以进行数据的交 换。研究人员定期的携带移动设备进行巡检式的收集数据。与之类似的还有 s w i m t l 8 】，它是一种利用安装在鲸身上的设备来收集鲸鱼的生活习性系统。 5 星际网络 1 9 】 因特网目前还仅限用于地球，但随着科学技术的发展，星际网络通信的需求 也将出现。d t n 技术用在星际网络中使其成为可能。美国国家航空航天局 9 嚣镰 d t n 中基于报文质量的拥塞控制策略研究 ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 飞行任务计划在2 0 11 年采用星 际网络。2 0 0 8 年，n a s a 通过向e p o x i 飞船发送和接收太空图像验证了该网络 的技术可行性。2 0 0 9 年5 月，d t n 协议已经被安装在国际空间站上以解决星际 网络的通信。星际网络的模型如图1 1 1 所示。 1 2 论文的选题及意义 d t n 是一种新兴的网络技术领域，自提出起，就受到国内外网络与通信研 究者的广泛关注。为了实现极端环境下地通信，克服异构区域网络结构的差异， d t n 一直备受学者的青睐，在野生动物追踪及车辆网络等方面得到了实际的应 用，成为在实际应用中发展起来的网络技术。随着网络技术的发展，d t n 的研 究主要分为三块：( 1 ) 路由算法的研究：由于网络的间歇连接性等特点，新的合 理的路由算法对于d t n 的研究至关重要。针对d t n 网络的间歇连接性以及拓 扑结构的不断变化所导致的低的递交率和高的延时，人们提出了基于泛洪机制的 蔓延路由协议以及散发与等待路由协议。概率路由协议的提出是为了降低网络开 销并提高递交率。( 2 ) 拥塞控制的研究：由于节点的受限资源以及泛洪路由的高 开销，d t n 网络经常会发生拥塞，这时候就需要对d t n 网络的拥塞控制进行研 究。针对网络拥塞，人们提出了主动及被动的控制策略。拥塞控制策略的引入使 d t n 的网络性能有了明显的改善。( 3 ) d t n 的应用：除了实验室的理论研究， d t n 已经得到了很多实际的应用，军事、海洋监测、交通等都有涉及，随着实 际应用的增多，d t n 的技术将更加成熟。 l o 第一章绪论 本文主要针对d t n 网络的拥塞控制策略研究。当网络发生拥塞时，考虑节 点缓存中报文的优先级，从而选择合理的报文依次进行丢弃。这种拥塞控制策略 是一种被动的策略。随后又探讨了一种主动策略，就是在没有发生拥塞之前，对 拥塞进行避免的策略。在实际的应用中可以将主动与被动策略共同运用，这样能 够更好的提高d t n 网络的性能。 1 3 论文的主要内容和结构 d t n 是一种新兴的研究领域，对它的研究已经有很多。考虑到d t n 中重要 的泛洪路由协议会由于节点的存储空间有限而发生网络拥塞，因此，本文着力于 研究在泛洪路由协议下，对节点缓存进行合理的管理以解决由于缓存受限而导致 的网络性能的下降。本文共分为以下几个部分： 第一章，绪论，主要介绍d t n 与传统因特网的区别并介绍了d t n 产生的 背景及其体系结构。详细介绍了d t n 的特点及其的应用。 第二章，详细的介绍d t n 中的几种典型的路由协议和拥塞控制策略。 第三章，详细介绍了基于报文质量的拥塞控制策略，对提出的协议进行仿真 实验，并对仿真结果进行分析和比较。 第四章，主要介绍多区域网络中基于核心节点的拥塞控制策略，并对算法进 行分析。 第五章，结束语，主要对本文的主要工作进行总结。 最后一部分是参考文献、致谢及研究生期间论文的发表情况。 1 4 本章小结 本章首先介绍了传统的因特网的一些特点及其应用在一些特殊网络环境下 的局限性，然后通过举出在一些受限网络环境下不再符合因特网可用性的一些重 要前提假设之后，引出了d t n 并介绍d t n 研究的背景。接着详细介绍了d t n 的特点、d t n 的模型结构、d t n 网络的性能指标以及d t n 在实际当中的应用 等。 其次介绍了论文的选题和意义。由于d t n 的应用需求使得d t n 网络技术 受到国内外研究者的广泛关注，并介绍了本文选题的意义及研究的方向。 d t n 中基丁报文质量的拥塞控制策略研究 最后，说明了本文所做的主要工作与创新点，并介绍了整篇文章的框架结构。 1 2 第二章d t n 中路由协议及拥塞控制策略 第二章d t n 中路由协议及拥塞控制策略 2 1 概述 随着d t n 网络的应用越来越多，对网络性能的要求也越来越高。由于d t n 网络环境的制约，使得传统因特网的路由协议很难满足性能的需求，这就需要研 究一些区别于传统因特网路由协议的协议。 对于网络路由协议的设计，最先考虑的就是如何提高网络的递交率，因为当 一个网络的递交率完全满足不了应用的需求，这个网络就没有必要存在。报文在 网络中能够以很大概率抵达其目的节点是网络路由协议设计的最基本要求。在 d t n 网络环境中，存在着诸多不可靠的路径与不可预测的端设备，所以原有的 路由协议设计思想就不能采用。经过对网络环境的探索与研究，d t n 领域的先 驱者们设计了一类多拷贝路由协议，通过将报文拷贝多份然后散发到网络中并以 此提高报文的递交率。其中比较典型的是由v a h d a t 和b e c k e r 等人提出的蔓延路 由( e p i d e m i c ) 2 0 】。蔓延路由的思想是源节点将产生的报文拷贝转发给其遇到的 每一个中间节点直到其收到目的节点发出的确认报文。通过这种多拷贝的冗余传 输，增加网络中参与转发报文的节点，使网络中报文的数量增多，提高了报文的 递交率。 但采用多拷贝路由策吲2 1 ，2 2 1 也会带来新的问题。由于每传输一个报文都需要 在网络中散发多份拷贝，使得网络中存在大量的冗余报文，这些报文占用了大量 的网络资源，并且由于d t n 节点的受限性( 能量、缓存、计算能力等) ，网络 中的冗余报文很容易造成网络的拥塞，这样反而会降级网络的性能。所以在采用 多拷贝转发策略的同时要对应地引入拥塞控制策略。解决拥塞的思路有两种，一 种是主动的拥塞控制策略，一种是被动的拥塞控制策略。主动的拥塞控制策略是 在网络发生拥塞之前采取相应的措施以避免拥塞的发生，这样就能够很大程度的 避免网络发生拥塞。由于这种避免拥塞的算法较被动拥塞控制策略更为复杂以及 d t n 节点的受限性，主动的拥塞控制策略的研究也比较少。但随着d t n 研究的 深入，主动的拥塞控制策略在未来的d t n 领域可能会发挥重要的作用。由于算 法简单，被动的拥塞控制策略研究的比较多，它的思想很简单，网络的拥塞是由 d t n 中基于报文质量的拥塞控制策略研究 单个节点缓存的报文溢出作为表现。当节点缓存中有报文溢出，就判断网络发生 了拥塞，节点就会采用相应的策略将自身缓存中的报文进行丢弃，以留出空间缓 存新的报文，这样就缓解了网络的拥塞。这种被动的拥塞控制方法算法简单，见 效快，因而得到了很广泛的研究。但随着研究的深入，未来的拥塞控制可能是主 动避免的方法更为有效。 2 2d t n 的路由协议 d t n 是一种机会网络【2 3 2 4 1 。在这种网络中，节点移动是随机性的，并通过 机会连接来转发报文。 d t n 的多拷贝路由中具有代表性的有：e p i d e m i c t 2 0 1 ，s p r a ya n dw a i t 2 5 】以及 p r o p h e t 2 6 1 。 2 2 1 蔓延路由( e p i d e m i c ) 蔓延路由协议的思想来源于传统因特网中的泛洪机制。当两节点相遇时，首 先交换彼此的报文信息以确认缓存中互补的报文，紧接着就将对方没有且自己有 的报文转发给对方节点。它的基本过程如图2 1 所示。 bj ，一 7 fa 、 ( 、佰) ( a ) t i 时刻 p 囱s 函p() 豳一7 7 ( b ) 吣p ( b ) t 2 时刻 p 豳l 矽 麓 ( c ) t 3 时刻 图2 1 蔓延路由示意图 如图2 1 所示，源节点s 产生个目的节点为d 的报文p 。随着节点s 的移 动，在时刻t l ，节点s 移动到中间节点b 和c 的通信范围之内，通过交换彼此 缓存中的报文索引，节点s 发现节点b 和c 都没有此报文，于是就将报文p 转 发给节点b 和c 。此时网络中的三个节点携带有报文p 。在如时刻中间节点b 和 c 分别移动到a 和d 的通信范围，同样发现节点a 和d 缓存中没有报文p ，于 1 4 j ? d t n 中基于报文质量的拥塞控制策略研究 - 四种路由协议适应缓存变化能力的比较 为了更清楚地了解铷议的性能，本文对四种路由协议对节点缓存大小的容忍 能力进行了仿真，对六组的三类节点的缓存同时变化，每次增加相同大小，对应 组节点的缓存变化为：行人( 2 5 m 、5 m 、7 5 m 、l o m 、1 2 5 m 、1 5 m 、1 7 5 m 、 2 0 m 、2 2 5 m 、2 5 m ) ；出租车( 5 m 、1 0 m 、1 5 m 、2 0 m 、2 5 m 、3 0 m 、3 5 m 、4 0 m 、 4 5 m 、5 0 m ) ；有轨电车( 2 5 m 、5 0 m 、7 5 m 、l o o m 、1 2 5 m 、1 5 0 m 、1 7 5 m 、2 0 0 m 、 2 2 5 m 、2 5 0 m ) 。为了方便显示，图3 9 、3 1 0 、3 1 1 中的横坐标显示的只是行人 缓存的变化，实际上它们的变化是并存的。 从图3 9 、3 1 0 、3 1 1 可以看出，随着缓存大小的变化，d m q 和s p r a ya n dw a i t 的递交率、平均延时以及开效率的变化很小并能维持在一个较优值，说明它们能 较好的适应缓存大小的变化，具有一定的缓存适应能力；而同样是随着缓存大小 的变化，d f 和p r o p h e t 的性能变化就很大，并且不能够达到一个很好的值，说 明它们不能够很好的适应受限网络环境的缓存变化。 b y e t ( m b ) 图3 1 0 平均延时随缓存大小变化 一蚺一叮一曰口叮k|f 第三章蔓延路由下基于报文质餐的拥塞控制策略 o j j 嵋 e l l 旧 k 一 o 3 0o b y t e ( m b ) 图3 1 1 开销率随缓存大小变化 上述的仿真都是基于较为实际环境的参数配置，是一种基于地图的有一定轨迹的 移动方式，蔓延路由协议在这种环境中不能获得很好的性能表现，如图中的d f ： 但在蔓延路由协议下，加入更为合理的丢弃策略后，就可以得到比较好的性能， 如d m q ，说明d m q 在改善拥塞网络的性能中是具有一定效果的。 3 5 本章小结 本章详细介绍了在蔓延路由下的一种基于报文质量的拥塞控制策略。这种拥 塞控制策略是基于缓存中报文的比较，根据一定的算法，找出质量最小的报文依 次丢弃以达到缓解节点缓存拥塞的目的。通过实验的仿真，与其它几种路由协议 相比，本文所提的控制策略能更好的与蔓延路由协议进行协作；改善拥塞网络的 性能。 勋 的 知 鼬 o 2 2 l l 第四章基于多区域核心：霄点的拥塞控制策略分析 第四章基于多区域核心节点的拥塞控制策 略的分析 4 1 概述 d t n 是一种区域网络之上的覆盖网络，可以由多种网络组成，每一种网络 构成一个区域。一个区域可以是一个局域网，是一个a d h o c 网络，也可以是一 个传感器网络等。在一个城市中，个人、汽车以及有轨电车这些装有短距离无线 电设备的节点组成一个区域网络；在野生动物的跟踪中，被植入通信设备的动物 之间组成一个区域网络：战争中，为了搜集情报所布置的大量传感器节点组成一 个区域网络。d t n 的研究其实就是多区域网络的研究。对多区域网络路由的研 究在实际的应用中起了很大的作用。 有时我们需要将这些区域网络组成一个大的网络，在它们之间进行通信。 d t n 中区域网络之间的通信需要协作节点来连接。每一个区域设置一个核心节 点用于收集本区域要转发给其他区域节点的数据并接收其他区域节点发送给本 区域节点的数据。区域内部进行各自的通信。除了需要区域的核心节点，还需要 一个或多个区域间的代理节点，相当于摆渡节点，这种节点在各个区域问移动， 将区域间所需转发的报文投送出去。 由于区域内的核心节点少而且业务量大，因而很容易发生拥塞。一旦区域内 核心节点发生拥塞，整个区域网络的通信就陷入瘫痪。因而对核心节点及时合理 的拥塞控制就至关重要。本章就是要探讨多区域网络中对核心节点的拥塞控制策 略。在前文中我们提到，拥塞控制分为主动和被动的控制策略；在第三章我们提 出了一种被动的拥塞控制策略，并详细的介绍论证，本章将要讨论一种主动的拥 塞控制策略，主要介绍它的思想，并对于未来主动拥塞控制的研究作出设想。 4 2 多区域网络 构成多区域网络的元素主要有区域和节点，各个区域是相对固定的，区域中 有随机移动的节点也有规律性移动的节点和固定的节点。区域内部和区域之间的 3 3 d t n 中基丁报文质量的拥塞控制策略研究 通信业务都是随机的。研究中将在各区域间移动并与各区域内节点通信的节点称 为摆渡节点，相当于一个信使，它在多区域网络通信中起着至关重要的作用。将 各区域内位置相对固定且资源配置较好的节点称为核心节点，各个区域内节点将 所要递交到外部区域的报文转发给本区域的核心节点，鉴于核心节点大的业务 量，针对它的拥塞控制就至关重要。 4 2 1 摆渡节点 摆渡节点是由w e n r u iz h a o 等人在研究节点稀疏场景下的a dh o c 网络时提 出【3 5 1 ，在彼此分割的网络区域间，通过某些能够联系各个区域间节点的节点作 为摆渡节点，用以实现区域间通信需求。摆渡节点的一个实例如图4 1 所示： 4 2 2 核心节点 图4 1 摆渡节点网络模型 对于区域内部的核心节点可以定义为：位置相对固定，缓存、计算能力、电 池能量等资源相对充足，愿意充当核心节点的节点。核心节点负责本区域与外部 区域节点间的通信，充当信使信件( 报文) 寄存处的角色。它的通信对象是摆渡 节点与其区域内节点。核心节点的网络模型如图4 2 所示： 第四章基丁二多区域核心：1 了点的拥塞控制策略分析 图4 2 核心节点的网络模型 4 3 基于核心节点的拥塞控制 多区域网络中，区域内节点之间以存储携带转发的方式进行通信。区域与 区域之间也会有通信需求。这种区域间的通信由区域内核心节点与区域间的摆渡 节点共同完成。区域内相对稳定、资源相对充足的节点充当核心节点，区域内所 有需要与非本区域节点的通信业务都交由本区域的核心节点来处理，摆渡节点充 当信使，与各区域核心节点相互连接并交换所需转发的报文。由于业务量多、资 源受限，核心节点容易发生缓存拥塞。当核心节点由于缓存不足而丢失报文时， 整个网络的性能就会受到很大影响。 基于分布式存储的概念，我们引入了报文的分布式转移。它的思想是，当核 心节点的缓存压力很大时，就会转移其缓存中的部分报文给邻居节点以充分利用 本区域的缓存资源，当核心节点的缓存压力解除后，核心节点再以适当的方式取 回这些被转移的报文以避免报文的丢失。 报文转移必须要应对三个问题：首先，要确定所要转移到的报文，可以考虑 选择那些暂时不需要转发并且生命时间还很长的报文；其次，选择适当的邻居节 d t n 中基于报文质量的拥塞控制策略研究 点转移报文；最后当核心节点缓存压力缓解以后还要取回报文。 4 3 1 区域网络的拓扑结构 i n t e m e t 的路由协议r i p 是一种基于距离向量的分布式路由协议。r i p 对拓 扑结构的感知非常简单，因而算法的开销就很低。我们将r i p 路由协议稍加修改 应用于d t n 中以便在核心节点探索本区域网络拓扑结构时产生很小的算法开 销。这种协议可以用来确定节点与其邻居节点的拓扑信息，这些信息可能包括延 时、带宽、邻居节点的缓存空间等。我们将这种方法叫做d r i p ( d t nr i p ) 。对 于d r i p 来说，如果核心节点与邻居节点的链路建立却没有数据传输，核心节点 即发送一个交换拓扑信息的报文，以探知邻居节点的信息( 如链路状态、节点的 缓存等) 。每一个区域的核心节点都包含本区域的结构拓扑表，表的概要信息如 图4 3 所示。 令b 居令居节点 带延 黝b 节点的缓存大t t l 的i d j 、 宽时数 图4 3 拓扑结构信息向量表 拓扑表显示了核心节点与区域中非核心的邻居节点之间的关系。核心节点每 探知邻居节点的要素变化就要改变拓扑结构表。d r i p 与r i p 的区别主要有： d r i p 有一个r