CN101600227A - 一种分布式网络路由选择方法和路由设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分布式网络路由选择方法和路由设备。该方法包括步骤：建立源节点和目的节点之间的至少两条数据转发路径；转发节点根据效用函数、与下一跳邻节点之间链路的服务速率，确定分配给下一跳邻节点的数据；转发节点根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定下一跳邻节点数据发送概率值；根据下一跳邻节点数据发送概率值发送分配给下一跳邻节点的数据。本发明的路由方法和路由设备考虑了网络中的负载情况和节点的服务速率，通过建立效用方程，最终到达网络内负载的均衡，能够有效减小分组时延，提升网络性能。另外，为了消除节点的“自私”行为，所提出的路由选择机制还结合了协作激励的方法来更好的提升网络性能。

Description

一种分布式网络路由选择方法和路由设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种分布式网络路由选择方法和路由设备。

背景技术

随着移动通信技术的不断创新，用户对于业务、通信方式以及便捷程度的要求也在不断提升，无缝的为用户提供各种高数据速率业务成为了未来移动通信网络的基本要求之一。为了满足人们随时随地的信息访问、计算和通信的需求，未来的通信环境必将涉及灵活的***结构。随着4G技术日趋成熟以及其他网络的不断兴起，扁平化、简单化的网络构架、自组织特性已经成为了下一代网络的发展趋势，低成本、大覆盖、高质量的灵活通信方式将是下一代网络的主题，而分布式自组织网络结构被看好是能够很好地承载未来用户的要求与资本投入的双重责任的极具潜力的技术方案。

分布式网络作为一种无基础设施、分布式控制的组网方式(其网络也称自组织网络或者无线Ad Hoc网络)，可以在即使不能或者不便利用现有网络基础设施资源的情况下，提供一种便捷、迅速的通信支撑环境。与单跳的无线网络不同，分布式网络节点之间是通过多跳数据转发机制进行数据交换，需要路由协议进行分组转发决策。无线信道变化的不规则性、节点的移动、加入、退出等都会引起网络拓扑结构的动态变化。路由协议的作用就是在这种环境中，监控网络拓扑结构变化，交换路由信息，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性。由于无线链路的不可靠性以及供电设备能量的限制，分布式网络的路由必须在受到多重条件约束和动态环境下，能够保证数据的可靠传输。因此，动态分布式的路由算法成为了分布式网络中研究的一个关键问题。

现有的已有平面分布式网络中的路由协议主要可以分为2类：Proactive路由协议和Reactive路由协议。Reactive路由又称为按需路由，是一种当节点需要发送数据分组才查找路由的算法，其特点是网络开销比较小。典型的按需路由有DSR(Dynamic Source Routing，动态源路由协议)。但是由于按需路由协议一般都采用最小跳数作为路由选择准则的标准。在路由建立过程中，忽略了各条链路的负载状况，因此在MAC层可能会面临由于某些节点的负载过重而造成整条路径拥塞。对于时延敏感业务来说，将会使得数据的排队时延增加，从而引起数据包延时过大、吞吐量下降、用户满意度下降，而且会使拥塞节点的能量资源急剧消耗，从而加速网络拓扑的变化和分离以及节点间的不公平，导致整个网络性能的急剧恶化。因此路由协议的设计不能仅仅单纯考虑业务要求以及信道条件，还必须由链路中节点的角度考虑负载平衡的状况，使网络在负载增加的情况下获得优化的QoS性能。

另外，在分布式网络中路由协议的可靠性完全依赖于节点之间的相互合作来转发数据。但是由于自组织网络中缺乏中心控制节点，且各个节点自身能量受限，而转发数据需要消耗节点自身的能量，这就使得各个节点之间很难无私的为其它转发数据。为了节约其自身的剩余能量，节点很可能采取不转发其他节点数据的策略。为了消除节点的这种“自私”行为，在分布式网络中提出了一些相应的措施，如基于“信誉度等级”路由选择、基于“虚拟货币”的路由选择等，显然这些策略都只能在一定程度上避免选择自私节点，但是很难消除节点的自私行为，而且实现起来也比较困难。因此路由机制也必须考虑、体现节点个体的意愿，使路由选择更加优化，更具有实用性和有效性。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种分布式网络路由选择方法，能够有效减小分组时延，提升网络性能。

根据本发明的一个方面，提供一种分布式网络路由选择方法，其特征在于，包括：建立源节点和目的节点之间的至少两条数据转发路径；转发节点根据效用函数、与该转发节点的下一跳邻节点之间链路的服务速率，确定分配给该转发节点的下一跳邻节点的数据；其中，所述效用函数包括链路的服务速率作为参数；转发节点根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定所述下一跳邻节点数据发送概率值；根据下一跳邻节点数据发送概率值发送分配给各个下一跳邻节点的数据。

进一步，转发节点根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定所述下一跳邻节点数据发送概率值的步骤包括：转发节点选择上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度中较小值，作为所述下一跳邻节点数据发送概率值。

进一步，根据下一跳邻节点数据发送概率值发送分配给所述下一跳邻节点的数据的步骤包括：转发节点在发送时，以下一跳邻节点数据发送概率值对应的概率，发送分配到所述下一跳邻节点的数据。

根据本发明的分布式网络路由选择方法的一个实施例，每个节点通过如下步骤确定其邻节点的信用度：节点将数据转发到其邻节点，记录向所述邻节点请求转发的分组数目；节点侦听邻节点实际发送的分组数目；根据邻节点实际发送的分组数目和请求转发的分组数目的比值确定邻节点的信用度。

进一步，每个节点动态更新其邻节点的信用度。

本发明要解决的一个技术问题是提供一种路由设备，能够有效减小分组时延，提升网络性能。

本发明提供一种路由设备，包括：数据分配单元，用于接收数据转发请求，根据效用函数和与下一跳邻节点之间链路的服务速率，确定分配给所述下一跳邻节点的数据；概率确定单元，用于根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定所述下一跳邻节点数据发送概率值；数据发送单元，用于根据所述概率确定单元确定的所述下一跳邻节点数据发送概率值发送所述数据分配单元分配给所述下一跳邻节点的数据。

根据本发明的路由设备的一个实施例，还包括：转发路径确定单元，用于向目的节点发送路由请求分组RREQ，接收目的节点的路由回复分组RREP，建立到达目的节点的多条数据转发路径。

根据本发明的路由设备的一个实施例，还包括：信用度更新单元，用于更新所述路由设备的邻节点的信用度。

本发明提供的路由方法和路由设备，联合考虑了网络中的负载情况和节点的服务速率，通过建立效用方程分配数据流量，最终到达网络内负载的均衡，从而能够有效减小分组时延，提升网络性能

进一步，通过结合了协作激励的方法来更好的提升网络性能，消除节点的“自私”行为。

附图说明

图1是本发明的分布式网络路由选择方法一个实施例的流程图；

图2是本发明的分布式网络路由选择方法另一个实施例的流程图；

图3是本发明中网络拓扑结构的一个示例的示意图；

图4是图3所示的网络拓扑结构下路由发现工作过程示意图；

图5是图3所示的网络拓扑结构下路由工作过程示意图；

图6是图3所示的网络拓扑结构下路由维护过程示意图；

图7是相同的负荷情况下，不同的路由协议对数据分组的端到端时延性能的影响仿真曲线；

图8是相同的负荷情况下，不同的路由协议对数据分组的丢包率性能的影响仿真曲线；

图9是当网络中存在自私节点的情况下，DSR协议中网络自私节点比率对节点剩余能量影响仿真曲线；

图10是当网络中存在自私节点的情况下，本发明方法中自私节点比率对网络中节点剩余能量的影响仿真曲线；

图11是本发明的路由设备的一个实施例的框图；

图12是本发明的路由设备的另一个实施例的框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。在附图中，相同的标号表示相同或者相似的组件或者元素。

本发明的基本思想是联合考虑网络中的负载情况和节点的服务速率，基于博弈论的思想，建立效用方程，最终到达网络内负载的均衡，从而减小分组时延，提升网络性能。

图1是本发明的分布式网络路由选择方法一个实施例的流程图。

如图1所示，在步骤102，建立源节点和目的节点之间的至少两条数据转发路径。例如，在路由表中选择跳数最小的K条数据转发路径。

在步骤104，对于数据转发路径上的每个转发节点，在接收到数据转发请求时，根据效用函数和该转发节点与其各个下一跳邻节点之间链路的服务速率，将要转发的数据分配给各个下一跳邻节点。例如，效用函数是包括节点的服务速率的时延效用函数。

在步骤106，转发节点根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定该下一跳邻节点数据发送概率值。在分布式网络中，每个节点都可以为其他节点转发数据，也可以请求其他节点转发数据。通过为上一跳数据发送节点转发数据，该转发节点可以获得上一跳数据转发节点的信用度。该转发节点也可以通过其他的节点处获得上一跳数据发送节点的信用度。

在步骤108，根据下一跳邻节点数据发送概率值发送分配给该下一跳邻节点的数据。

下面结合一个具体的时延效用函数介绍本发明的路由选择方法。

假设从源节点s需要发送数据分组到目的节点d，对于所有选择的数据转发路径 $p_i\∈p_s^d,$ 建立效用函数

$U=\underset{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pi}}}{\min }\frac{\underset{p_i\∈p_s^d}{\mathrm{\Σ}}{F}_{p_i}\left({\mathrm{\λ}}_{p_i}\right)}{K}=\underset{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{pi}}}{\min }\frac{\underset{p_i\∈p_s^d}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_{p_i}-{\mathrm{\λ}}_{p_i}}}{K},$ $p_i\∈p_s^d---\left(1\right)$

且满足约束条件为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pi}}<{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pi}},& p_i\&Element;p_s^d\\ \underset{p_i\&Element;p_s^d}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_{p_i}=F_s^d,& s,d\&Element;N\\ {\mathrm{\&lambda;}}_{p_i}\&GreaterEqual;0,& p_i\&Element;p_s^d\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中

表示选择在路径p_i上传输流量为

的分组时，所获得的分组时延，p_s ^d表示节点s与节点d之间的所有数据转发路径集合，K表示所有数据转发路径的数目，为路径p_i的服务速率，F_s ^d表示节点s到节点d之间注入的数据流量。其中为了保持网络的稳定性，对于任意一条路径p_i， $p_i\&Element;p_s^d$ 需要保持数据分组的到达速率小于链路的服务速率，因此有λ_pi＜μ_pi；节点s到节点d之间上所有路径上分配的分组流量之和等于需要传输的分组数，因此有 $\underset{p_i\&Element;p_s^d}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_{p_i}=F_s^d;$ 最后，如果某条路径被选择为路由路径，则在该路径上分配的分组流量不小于零，从而有 ${\mathrm{\&lambda;}}_{p_i}\&GreaterEqual;0,$ $p_i\&Element;p_s^d.$ 其中，可以将各条数据转发路径的服务速率设定为该转发路径上服务速率最小的节点的服务速率。

基于博弈论实现思想，可将上述任务模型中任意路由问题看作是同一任务流在网络中的合作博弈问题。在这种博弈中，网络各条路径作为参与者，每条路径上流的延迟时间为效用函数。在进行路由分配时，总是期望每条路径效用最佳，也即业务流在其上的延迟时间最小，同时资源分配具有公平性。根据排队论和Little定理，分组在路径p_i上的排队时延可以表示为

$F_{\mathrm{pi}}\left({\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pi}}\right)=\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pi}}}+W=\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pi}}}+\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pi}}}{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pi}}}\&times;\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pi}}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pi}}}=\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pi}}-{\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pi}}}---\left(3\right)$

其中W为分组等待时延，1/μ_pi为分组传输时延。根据博弈论，对于节点s建立(1)式的效用方程，根据已经选定的候选路由，路由选择的目标就变为寻找从节点s到节点d之间所有路径上的最佳数据流量分配使得(1)式最小。

根据(1)和(2)，由最优化算法，可以的到使得(1)式最小的流量分配为：

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pi}}={\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{pi}}-\frac{\underset{j=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_j-F_s^d}{K},$ $j\&Element;p_s^d---\left(4\right)$

其中p_i表示候选路由中源节点s到目的节点d之间的任意一条数据转发路径，μ_pi表示路径p_i的服务速率，F_s ^d表示节点s到节点d之间注入的数据流量，K为从节点s到节点d之间存在的路径总数，μ_j表示路径j的链路容量。根据(4)式可以得到最优的流量分配策略λ_pi的取值。这里每条路径上所分配得流量都是根据该链路的链路容量来决定的，因此路由选择不仅仅取决于最小跳数，还取决于所选择路由上各个路径的链路容量，通过联合考虑二者来选择最优的路由。

节点s到节点d之间的路由建立之后，节点s根据(4)式所计算出的各条路径之上的业务流量分配，将数据分组分配到选定的路径之上。接收节点在正确接收到数据分组之后，向发送节点确认分组发送成功，直至发送节点被转发到目的节点。

在上面的描述中，以各个数据转发路径为单元考虑数据的分配，可以应用于每个节点保存全路由信息的情况，在为每条数据转发路径分配数据后，数据转发路径中的节点按照设定的路由转发数据。

下面描述本发明的另一个实施例，在该实施例中基于单个转发节点考虑数据的分配，即每个数据转发节点收到数据转发请求时，根据效用函数以及到下一跳节点的服务速率，确定分配给下一跳节点的数据比率。假设数据转发节点i有M个位于从源节点到目的节点的转发路径上的下一跳节点，则数据转发节点i的效用函数为：

$U=\underset{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\min }\frac{\underset{j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_j\left({\mathrm{\&lambda;}}_j\right)}{M}=\underset{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\min }\frac{\underset{j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_j-{\mathrm{\&lambda;}}_j}}{M},j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}---\left(5\right)$

且满足约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_j<{\mathrm{\&mu;}}_j,j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}\\ \underset{j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_j=F^i,\\ {\mathrm{\&lambda;}}_j\&GreaterEqual;0,j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，上式(5)和(6)中的Fⁱ对应于数据转发节点i需要转发的数据，pⁱ表示数据转发节点i和其下一跳邻节点之间链路的集合，路径j对应于转发节点和转发节点的下一跳邻节点的链路，μ_j表示路径j的服务速率，λ_j表示数据转发节点i在路径j上分配的数据。

根据(5)和(6)，由最优化算法，可以的到使得(5)式最小的流量分配为：

${\mathrm{\&lambda;}}_j={\mathrm{\&mu;}}_j-\frac{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_k-F^i}{M},j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}---\left(7\right)$

如发送节点没有接收到接收节点的主动应答时，发送节点会一直尝试发送直至其最大发送门限。当发送次数到达发送门限值时，发送节点会认为该路径上到其下一跳节点的链路出现故障，此时该节点会向源节点发送错误分组(RERR)信息，通知源节点重新选择到目的节点的路由。路由路径上接收到RERR分组的节点都将会在路由表中删除该路径上相应的路由信息。如果路径上某些节点没有成功的接收到RERR信息，在一段时间路由定时器超时之后，该路径上的过期的路由信息将会自动被移除。源节点在收到RERR信息后，如果在其路由缓存中还有其它的到目的节点的路径，则直接选用新的路径，否则源节点将重新发起一次路由建立过程。

根据Kleinrocks独立性假设和Little定理，对网络中任意两个节点i，j之间的路径p，可以得到该路径上的时延为：

其中μ_ij表示路径p的服务速率，λ_ij表示路径p的分组到达速率，d_ij表示总的传播时延和处理时延。(8)式中的第一部分代表分组的平均等待时延，第二部分代表传输时延，第三部分通常非常小而可以忽略不考虑。假设如果将源节点与目的节点之间的数据流量F_s ^d都分配到一条最短路径的路由上，则根据(8)可以得到分组的平均时延为

根据本发明所提出的负载均衡的路由算法，源节点s将会根据可选路由上路径的服务速率将需要转发的数据分组F_s ^d按照比例分配到K条路径上，从而可以得到采用本发明所带来的分组的平均时延为

整个网络的平均时延则可以表示为：

$T^{*}=\frac{\underset{p=1}{\overset{K}{\mathrm{\&Sigma;}}}{T}_p^{*}}{K}---\left(11\right)$

本发明所提出的负载均衡的路由方法需要节点之间的合作来转发数据分组，但是由于每个节点都是能量受限的，根据博弈论，为了以最小的能量支出获得最大的效用，节点必然会选择尽量减小转发其它节点数据分组或者根本不转发其他节点的分组，从而会使得其他节点由于在路由转发中分组的丢失而造成分组时延增加，同时也会消耗掉大量的能量。由于这种“自私”节点的存在，会造成整个网络分组的时延的增加，且网络中非自私节点的能量消耗多于自私节点，节点之间的公平性难以保证。为了解决上述问题，在所提出的方法中，采用了如下的协作激励方法：

每个节点在将数据转发到下一跳邻节点j时，记录其请求转发的邻节点j的分组数目N_request，随后侦听邻节点真正发送的分组数目N_delivery，计算二者的比值γ＝N_delivery/N_request，记录γ_j的取值作为邻节点j的信用度取值。一个较大的γ_j意味着节点愿意无私的为其他节点转发分组，而反之一个较小的γ_j则意味着节点的自私性较强。为了抑制节点的这种自私行为，当节点再向下一条邻节点发送数据时，结合邻节点的信用度情况，以概率γ_j来发送数据，从而自私的节点被选中作为数据转发节点的概率相对就比较低；另外，当这些自私节点有数据需要发送时，通过查询其信用度γ_n取值，其他节点将会以概率p发送自私节点的数据。其中概率p＝min{γ_n，γ_j}，由于自私节点信用度较低，从而使得自私节点的数据很难及时的被发送到目的节点。根据合作博弈理论，由于每个节点的目的都是最大化其效用函数，而基于本发明所提出的博弈激励策略，节点的这种“自私”行为恰恰损害了其自身利益。由于每个节点都是独立、智能且具有一定权限的决策者，为了最大化其自身利益，这种自私节点必然会选择改变其策略从而获得更好得服务。因此在一段时间之后，网络中的“自私”节点将会逐渐减少，从而节点之间的公平性会得到提高，***性能将会得到改善。

图2是本发明的分布式网络路由选择方法另一个实施例的流程图。

如图2所示，在步骤202，每个节点建立一个邻节点集合，获得到各个邻节点的各条链路的服务速率

在步骤204，当源节点有数据需要发送时，向目的节点发送路由请求分组RREQ，然后等待目的节点的路由回复分组RREP。源节点根据接收到的目的节点的回复，建立相应的路由。

在步骤206，如果源节点到目的节点存在多条路由，则选择其中的K条到目的节点(例如，跳数最小或者服务速率最大)的路由作为候选路由。选出的候选路由作为源节点和目的节点之间的数据转发路径。例如，如果到目的节点只有M条跳数最小的路由，则至少再选择另外(K-M)条跳数次小的路由。

在步骤208，从源节点开始，每个转发节点计算下一跳节点数据分配比率。每个节点根据效用函数、下一跳节点的服务速率、以及要转发的数据量计算出下一跳节点数据分配量。

在步骤210，判断下一跳节点是否是目的节点，如果是，该流程结束，否则，继续步骤212。

在步骤212，转发节点查询数据转发路径中上一跳节点和下一跳节点的信用度。

在步骤214，根据上一跳节点和下一跳节点的信用度，确定下一跳节点的数据转发概率值ρ。在发送时刻，该转发节点以下一跳节点的数据转发概率值ρ的概率向下一跳节点转发数据分组。

在步骤216，更新下一跳节点的信用度值。

需要指出，步骤202和204可以预先进行，并定期更新。当网络节点发生变化时，可以对应修改相关节点的邻节点集合，并更新相应的路由。

另外一个时延效用函数可以表示为

$T=\frac{1}{\mathrm{\&mu;}}+W---\left(12\right)$

其中，l/μ表示每个节点的平均服务速率，W表示每个分组的平均等待时间，假设F_s ^d表示源节点s到目的节点d之间注入的数据流量，源节点建立到目的节点的K条路径，并统计各条路径上的总分组数目n_s，i ^d。根据表达式(1)所确立的效用函数和各条路径上的分组的数目，源节点动态的调整流量的分配，分配原则为

$p_{s,k}^d=\frac{\frac{1}{n_{s,k}^d+1}}{\underset{k\&Element;K}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{n_{s,k}^d+1}}*F_s^d---\left(13\right)$

其中，加1的目的是为了防止分母为零。上式表示根据K条路径上的各条路径的排队分组数目来进行流量分配，分配的原则是分组排队数目越少的路径分配较多的数据流量，而排队分组数目较多的路径分配较少的数据流量，从而使各路径可以根据当前的实际情况获取业务。这样不仅可以保证各路径公平的获得业务流，同时还可确保各路径的端到端时延近似相等。

图3是本发明中的一个网络拓扑结构的示例的示意图，其中存在着如下的业务流：即A-＞K的业务，G-＞D的业务以及E-＞H的业务。显然，如果按照最短路径的选择路由原则，节点A选择的路由为A-＞B-＞I-＞K，节点G选择的路山为G-＞B-＞D，节点E选择的路由为E-＞I-＞H。这样的选择路由策略就会使得节点B，I非常繁忙。如果节点A的部分业务可以选择路由A-＞C-＞F-＞J-＞K，虽然跳数增加了，但是显然可以从整体上改善网络的性能。本发明就是基于这种思想设计的。由于控制分组RREQ和RREP的优先级通常高于普通的业务数据，所以先返回的RREP并不能表示其反馈回的路由对于业务数据就一定适用。对于时延敏感业务来说，本发明所提出的路由方法根据路径的服务速率，将流量分配到配到K条满足条件的最少跳数路径或次短路径上，通过动态调整业务流量的分配可以有效的减少分组的时延，避免数据分组在关键节点发生拥塞，确保网络中的节点公平的得到业务流，从而使网络避免出现“热点”，提升整个网络的性能。

图4是图3所示的网络拓扑结构下本发明所提出的路由发现工作过程的示意图，图4(a)是路由的建立过程，图4(b)是路由的回复过程。在图4(a)中给出了部分节点在中转RREQ分组时，将其节点编号附加到RREQ分组的过程。在RREQ分组中包含有源节点和目的节点的地址以及源节点的发送序号，用以唯一标识一个RREQ分组。在图4(b)中，各节点按RREP分组中携带的路由信息转发该RREP分组。

图5是图3所示的网络拓扑结构下本发明所提出路由算法的工作示意图，可以看出节点A的业务被分配到A-＞B-＞I-＞K和A-＞C-＞F-＞J-＞K两条路径之上。

图6是图3所示的网络拓扑结构下本发明的路由维护过程示意图，可以看出当路径I-＞K发生故障时，RRER分组沿着路由A-＞B-＞I-＞K被发送至源节点A。

参照图7-10，为了验证本发明的性能，将本发明与现有的按需路由协议DSR进行了仿真，该仿***要研究了在节点处于非自私和非自私条件下，应用本发明之对网络节点的时延，丢包率以及剩余能量的影响。

本发明的实施例的仿真场景是：20个节点组以Ad hoc的方式分布的网络，随机的分布在1000m×1000m的区域内，仿真时间为500秒。网络中的每个节点都以到达率为λ的速度产生数据分组，数据到达服从poisson(泊松)分布，数据包长度服从负指数分布。为了对无线信道进行建模，仿真中所使用的信道模型是多状态马尔可夫信道模型。信道划分为4个状态，所对应的链路速率分别为90，120，180 and 240kbit/s。节点的运动模型为Random Waypoint，运动速度为2m/s。仿真所采用的软件为OPNET 10.5，仿真实验通过一台主频为3G的台式机上完成。为了模拟数据的突发特性，在图7-图10，采用了如表1所示的仿真模型参数。为了定量描述本发明的性能，在本发明中采用平均端到端时延，数据分组丢失率和节点剩余能量比率这三个指标来评估其性能。

仿真区域	1000×1000平方米	节点个数	20
				节点运动速度	2米/秒	无线传输速率	90/120/180/240千比特/秒
最大跳数	4	节点个数	20
				无线传输范围	250米	节点接收消耗能量	30毫瓦
节点初时能量	10焦耳	节点发送消耗能量	80毫瓦
				分组长度	512字节	节点空闲消耗能量	0.003毫瓦

表1

参照图7，它是在相同的负荷情况下，不同的路由协议对数据分组的端到端时延性能的影响仿真曲线，其中本发明的实施例可称为GBLBR。从图7中可以看出当网络处于轻度负荷情况下，本发明GBLBR方法和DSR均能保证一个较低的端到端分组时延，而当网络中的分组到达逐渐增加时，本发明GBLBR方法能够保证更低的分组时延。这是由于DSR协议中分组的路由选择是基于最小跳数准则，因此随着网络中负载的增加，更多的分组在路径之中的关键节点阻塞，从而由于网络的拥塞而造成分组时延增加。而本发明GBLBR是基于负载均衡准则的，通过计算基于博弈论的时延效用函数，根据不同路径的服务速率，分组流将会被按照比例分配到各条路径之上，从而避免了拥塞的发生，有效的减小了分组时延。

参照图8，它是在相同的负荷情况下，不同的路由协议对数据分组的丢包率性能的影响仿真曲线。从图中可以看出，本发明与DSR方法相比，有效的减小了分组的丢包率。由于本发明是基于负载均衡准则的，通过将分组流按照各条路径的服务速率分配到各条路径之上，可以有效的减小分组丢包，同时保持整个网络内的负载均衡。

参照附图9和图10，它们是当网络中存在自私节点的情况下，自私节点比率对节点剩余能量比率的影响。其中在实施例中，每个节点的初始化能量都设置为10焦耳，网络的数据到达率恒定为5数据包/秒。自私节点会选择一个随机概率α(0＜α＜1)来转发其他节点的数据，而非自私节点则会直接转发其他节点的数据。图9是DSR协议中网络自私节点比率对节点剩余能量影响仿真曲线，图10是采用本发明GBLBR方法后自私节点比率对网络中节点剩余能量的影响仿真曲线。从图9和图10中可以看出，在两种方法中，自私节点的剩余能量都要多于非自私节点的剩余能量，这是由于自私节点会刻意减少替其他节点转发分组，从而减少其能量消耗。另外，可以看出当网络中的自私节点比率增加时，这种自私行为所带来的好处在逐渐减少，这是由于当网络中的自私节点比率增加时，节点之间的竞争行为也变得更加激烈，因此自私行为所带来的好处也逐渐的会被抵消掉。同时，由于节点的这种自私行为，路由的性能将会严重恶化，同时分组的时延都会变长。在DSR协议中，由于仅仅选择一条最短路径，因此自私节点的行为对其影响较大，而本发明GBLBR方法是将流量分配到若干条路径之上，从而可以有效的减小由于某条路径上由于存在自私节点对而路由协议性能的影响，因此其性能好于DSR。

参照附表2，它是应用本发明所提出的博弈激励方法之后，路由协议的性能情况仿真曲线。

表2

从表2中可以看出，本发明所提出的博弈激励方法能够有效的提升DSR和本发明GBLBR的性能。这是由于如果自私节点拒绝转发其它节点的分组，则其它节点将会通过减少发送自私节点的数据来惩罚这些节点，从而这样会使得自私节点的端到端时延增加。另外，如果节点的自私行为被邻节点发现，根据本发明，自私节点的数据转发请求将会被邻节点拒绝，从而会使得自私节点需要消耗更多的能量来发送数据，因此其剩余能量会少于非自私节点。在本发明所提出的方法中，由于节点的这中自私行为实际上损害了其自身利益，根据博弈论，节点为了最大化其自身利益，在一段时间之后，其必然会改变其策略，从而使得节点之间的公平性会得到提高，***性能将会得到改善。

图11示出本发明的路由设备的一个实施例的框图。如图11所示，该路由设备包括数据分配单元1101、概率确定单元1102和数据发送单元1103。其中，数据分配单元1101用于接收数据转发请求，根据效用函数和与下一跳邻节点之间链路的服务速率确定分配给各个下一跳邻节点的数据。效用函数可以采用公式(5)示出的时延效用函数。概率确定单元1102用于根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定各个下一跳邻节点数据发送概率值。数据发送单元1103用于根据概率确定单元1102确定的各个下一跳邻节点数据发送概率值发送数据分配单元1101分配给下一跳邻节点的数据。

图12是本发明的路由设备的另一个实施例的框图。如图12所示，和图11相比，该实施例中的路由设备还可选地包括信用度更新单元1205，用于更新该路由设备的邻节点的信用度。另外，该路由设备还可选地包括路径建立单元1204。路径建立单元1204通过向目的节点发送路由请求分组RREQ，接收目的节点的路由回复分组RREP，建立到达目的节点的多条数据转发路径。

综上，本发明提出的路由方法和路由设备联合考虑了网络中的负载情况和节点的服务速率，通过博弈论的思想基础，建立效用方程，最终到达网络内负载的均衡，从而能够有效减小分组时延，提升网络性能。另外，为了消除节点的“自私”行为，所提出的路由选择机制还结合了协作激励的方法来更好的提升网络性能。

需要指出的是，虽然仿真针对一套特定的***参数，但是由于本发明所提出的思想具有创新性，该方法本身具有一定的普遍性，也适用于未来网络扁平式构架下具有自组织特性的节点路由。因此，当应用于具有不同网络拓扑结构的分布式网络与***参数中时，本发明方案仍能体现出优越性。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种分布式网络路由选择方法，其特征在于，包括：

建立源节点和目的节点之间的至少两条数据转发路径，；

转发节点根据效用函数、与所述转发节点的下一跳邻节点之间链路的服务速率，确定分配给所述转发节点的下一跳邻节点的数据；其中，所述效用函数包括链路的服务速率作为参数

所述转发节点根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定所述下一跳邻节点数据发送概率值；

根据所述下一跳邻节点数据发送概率值发送分配给所述下一跳邻节点的数据。

2.根据权利要求1所述的分布式网络路由选择方法，其特征在于，所述转发节点根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定所述下一跳邻节点数据发送概率值的步骤包括：

所述转发节点选择上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度中较小值，作为所述下一跳邻节点数据发送概率值。

3.根据权利要求1所述的分布式网络路由选择方法，其特征在于，所述根据所述下一跳邻节点数据发送概率值发送分配给所述下一跳邻节点的数据的步骤包括：

所述转发节点在发送时，以所述下一跳邻节点数据发送概率值对应的概率，发送分配到所述下一跳邻节点的数据。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的分布式网络路由选择方法，其特征在于，每个节点通过如下步骤确定其邻节点的信用度：

所述节点将数据转发到其邻节点，记录向所述邻节点请求转发的分组数目；

所述节点侦听所述邻节点实际发送的分组数目；

根据所述邻节点实际发送的分组数目和请求转发的分组数目的比值确定所述邻节点的信用度。

5.根据权利要求4所述的分布式网络路由选择方法，其特征在于，每个节点动态更新其邻节点的信用度。

6.根据权利要求1至3中任意一项所述的分布式网络路由选择方法，其特征在于，在数据转发路径的转发节点i上建立时延效用函数：

$U=\underset{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\min }\frac{\underset{j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}}{\mathrm{\&Sigma;}}{F}_j\left({\mathrm{\&lambda;}}_j\right)}{M}=\underset{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\min }\frac{\underset{j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}}{\mathrm{\&Sigma;}}\frac{1}{{\mathrm{\&mu;}}_j-{\mathrm{\&lambda;}}_j}}{M},j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}$

且满足约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&lambda;}}_j<{\mathrm{\&mu;}}_j,j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}\\ \underset{j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_j=F^i,\\ {\mathrm{\&lambda;}}_j\&GreaterEqual;0,j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}\end{array}\right.$

其中，Fⁱ对应于数据转发节点i需要转发的数据，pⁱ表示数据转发节点i和其下一跳邻节点之间链路的集合，路径j对应于转发节点和转发节点的下一跳邻节点的链路，μ_j表示路径j的服务速率，λ_j表示在路径j上分配的数据；

根据所述效用函数分配到各个下一跳节点的数据量为：

${\mathrm{\&lambda;}}_j={\mathrm{\&mu;}}_j-\frac{\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_k-F^i}{M},j\&Element;\stackrel{\&OverBar;}{p^i}$

其中，M表示下一跳节点的数目，Fⁱ表示要转发的数据流量。

7.根据权利要求1所述的分布式网络路由选择方法，其特征在于，所述转发节点与邻节点之间链路的服务速率通过如下方式获得：

所述转发节点建立邻节点表，通过侦听邻节点的数据交互获得所述转发节点与邻节点之间链路的服务速率。

8.一种路由设备，其特征在于，包括：

数据分配单元，用于接收数据转发请求，根据效用函数和与下一跳邻节点之间链路的服务速率，确定分配给所述下一跳邻节点的数据；

概率确定单元，用于根据上一跳数据发送节点的信用度和下一跳邻节点的信用度确定所述下一跳邻节点数据发送概率值；

数据发送单元，用于根据所述概率确定单元确定的所述下一跳邻节点数据发送概率值发送所述数据分配单元分配给所述下一跳邻节点的数据。

9.根据权利要求8所述的路由设备，其特征在于，还包括：

转发路径确定单元，用于向目的节点发送路由请求分组RREQ，接收目的节点的路由回复分组RREP，建立到达目的节点的多条数据转发路径。

10.根据权利要求8或9所述的路由设备，其特征在于，还包括：

信用度更新单元，用于更新所述路由设备的邻节点的信用度。

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