CN101674220A - 基于转发历史的异步路由算法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于转发历史的异步路由算法，属于无线网络和路由技术领域。该路由算法可分为三部分：①中继选择算法；②分组传输算法；③路由信息更新。中继选择算法在节点准备发送分组时或作为中继点接收到消息时被执行，为分组选择较好的下一跳中继。分组传输算法在两个节点的通信机会到来时执行，进行分组的传输。路由更新算法在节点收到回馈信息后执行，更新路由信息表。本发明完全从异步的角度解决无线自组织网中的路由问题，利用分组转发的历史信息智能做出路由决策，使用部分较好的节点作为携带分组的中继点，提高了受限网络中的信息传递的可靠性和有效性，大大减小了信息丢失率和不必要的信息重传。
Description
技术领域
本发明涉及无线网络领域和路由技术领域，特别是异步路由算法，适用于断续连接的无线网络中的信息传递。
背景技术
无线自组织网(MANET，Mobile Ad-hoc Network)是一种典型的分布式网络模式，这对节点间的相互通信提出了很多挑战。针对无线自组织网的路由问题的大量算法已被提出。为了研究问题的简单化，大多数学者的研究都基于这样的假设：只有在相互连接的同一云图中的节点间的通信才是有意义的，即通信都是同步的。然而在实际的应用中这种假设被越来越多的打破，在实际中可能需要在不同的连接云图中通信，或者是某一地区由于某些原因，比如节点比较稀疏，节点能量管理或是节点移动比较频繁，使网络中很难维持稳定的网络拓扑结构。此外，在目前的一类越来越重要的所谓“受限网络(Challenged network)”中，由于较大的网络延时、频繁的网络断开和间歇连接使得很难维持节点持续的连通性。“受限网络”的最基本要求就是在尽量小的延迟下保证分组的成功送达，本发明使用基于分组转发历史来进行路由决策，并选择较好的节点作为分组的携带者的方法来满足“受限网络”的特殊性。
我们在日常生活中经常使用Internet和在可能距离很远的其他用户进行及时通信或文件传输。在这些同步通信的情况下，源节点和目标节点建立一条端到端的路径，在这条路径上发送消息分组。如果由于某些原因，如网络异常，某一个分组发送失败，源节点会重新给目标节点发送该分组。但是在某些特殊环境下，不同部落间的节点可能由于没有这样的端到端的路径，使用现有的同步路由算法很明显不能满足这些情况下的端到端通信。异步通信很自然的适用于这些部分连接的网络环境。
目前提出的关于无线自组织网中的异步路由算法已有一些成果。一种最简单的方法是源节点将分组洪泛给区域中的所有节点，直到目标节点接收到该消息，这种算法被称为流行性算法(Epidemic algorithm)。虽然这种算法保证消息以最小的延迟发送给目标节点同时保证很高的发送成功率，但这种算法产生过多的网络流量。由于无线网络中的节点没有持续的能量供给，节点的存储能量和计算能力都是有限的，特别是在用于特殊场合传感网络中，节点不能再更换电池，所以我们希望电池能用尽量长的时间。这样，因为流行性算法产生太多的网络流量而使节点处于活动的时间会大大增加，同时节点要处理更多的分组，过大的计算量同样会消耗掉很多能量。另一方面，由于网络中节点存储能量有限，如果节点接收到的分组超过了节点的缓存的范围，节点就会丢弃掉一些优先级低或时间比较久的分组，这最终影响到分组发送的成功率。所以，实际的路由算法应该是挑选部分较好节点来转发分组，以减少不必要的网络流量。现有的大量路由算法都是围绕着如何选取较好的节点转发分组，如何在复制较少分组的情况下仍然能达到较好的传输效果。
Kevin Fall等人提出了几种依靠网络知识来转发分组的算法。这些算法使用一种类似于传统网络路由协议的链接量度，每个节点都建立一个全局网络拓扑结构图，最终在这个图上运行最小路径算法来计算出一条最小路径，使用这条路径上的节点转发分组。其中的一种量度是Earliest Delivery，这种方法假设消息的排队时间为零，并且传输时间是准确知道的。这种算法选择一条最快的路径来转发分组，这样要求所有的节点知道全局通信机会到来的时间表。然而，实际情况下很难准确知道网络知识，即使在一些节点运行规律比较精确的场景下也存在网络部署困难和扩展困难的问题。我们需要的路由算法应该能保证网络部署简单，适用于不同网络环境的算法。
Mirco Musolesi等人提出了一种Context-Aware Routing路由算法。这种算法里节点从利用环境信息合成传输可能性信息来进行路由决策。这些环境信息包括节点连通性改变的比率(比率越大它和其它节点通信的可能性越大)和节点当前的能量程度。在同步路由时节点周期性的发送同步路由需要的潜在信息和它给其它节点传输可能性的列表。节点收到这些消息后更新自己的路由表。对于异步路由每一个节点都维持一个列表，这个列表中保存(目标节点，最好节点，传输可能性)这样的组。当一个节点被选为消息携带者并接收到消息后，节点把消息存入缓冲区中。这个携带消息的节点执行同样的操作，直到消息送达目标节点。
Kevin Fall等人提出了容迟网络(Delay tolerant network)体系结构来处理不同“受限网络”类型间的节点的通信问题。同时，他们提出了几种需要网络知识的路由算法，这些算法在节点间定义一种量度，这样节点和节点间的通信机会形成一个加权图，然后利用最小路径算法寻找一条较好的路径来转发消息。
Wang Yong等人提出基于擦除码(Erasure-Coding)的消息转发算法来提高简单的消息复制算法。在基于擦除码的算法中，首先在源节点对消息进行编码产生大量的编码块，然后这些编码块平均的在前N个到了的中继间分配，让它们负责转发编码块。当有部分代码块到达终端节点即可使用它们重新恢复消息。除了有效的路由以外，这种方法也能应对比较差的通道质量或网络拥塞造成的分组丢失。
这些方法从不同的角度考虑无线自组网中异步路由问题，但这些方法都在某些方面存在一定的问题。我们提出的方法可以和这些方法进行了一定的融合，最终形成一种混合的路由方法，这种方法需要较少的网络知识、复制较少的消息，并且能考虑到网络中大部分影响路由的因素。
发明内容
本发明提出一种基于转发历史的智能路由算法(简称为FH)，该算法的目标是让节点能够智能的做出路由决策，选择一些将同类消息成功送达目标节点成功率比较高的节点作为中继点来转发分组。同时FH算法使用尽量少的网络知识，便于网络的部署和扩展。FH算法用来做出路由决策的信息是基于对以往消息转发历史的统计来得到的，在算法运行初期和流行性算法类似，在这一阶段节点建立转发信息表，一旦转发信息表建立成功就开始选取部分节点而不是所有节点来转发消息。
在诸如DTN这样的“受限网络”中，一些节点可能不在同一连接云图中或由于某些因素难以相互即时通信，这种情形称为没有通信机会。一旦由于节点的移动或网络的状态发生了变化，两个节点有条件进行通信了，则称为通信机会到来了。
本发明提出的基于转发历史的路由算法可分为三部分：①中继选择算法(RELAY_SELECT)；②分组传输算法(PACKET_TRANSFER)；③路由信息更新(RINFO_UPDATE)。中继选择算法在节点准备发送分组时或作为中继点接收到消息时被执行，为分组选择较好的下一跳中继。分组传输算法在两个节点的通信机会到来时执行，进行分组的传输。路由更新算法在节点收到回馈信息后执行，更新路由信息表。
(1)中继选择算法
因为在间歇性连接网络中节点大部分时间处于断开状态，不同的节点的通信机会到来并不在同一时间，所以必须在发送消息前做出路由决策，挑选较好的节点得到消息的复制。在网络中每一个节点都需要维护一张路由信息表来记录消息转发的历史信息，并利用这张表中的信息智能的做出路由决策。在路由信息表中我们记录了向每个分组的终端节点发送消息所使用的不同中继的发送次数，成功发送次数，历史发送过程中将消息转发给该中继等待的平均时间等信息。我们通过路由表中终端节点和分组的目标节点相同的条目来做出这一个分组的路由决策。此外对于确认分组我们只选择在消息发送路径上的节点为中继。该中继选择算法的具体实现步骤如表2所示，其中用到的一些参数的具体表示意义见表1所示。
表1：一些参数说明
| D | 分组的目标节点 |
| Tm | 终点为D的条目中最大的平均时间 |
| Ta | 中继R通信机会到来的平均时间 |
| Sc | 中继R成功发送数量 |
| Dc | 中继R发送消息数量 |
| N | 挑选较好中继的个数 |
| M | 路由信息建立所发的消息个数 |
表2：中继选择算法的具体实现步骤
| RELAY_SELECT(D)1 从路由表中查询出终端节点是D的条目。2 利用公式t＝1-Ta/Tm将各个条目中的平均时间映射到0-1范围内。计算各个条目的转发成功率r＝Sc/Dc。3 合成路由量度P＝K1*t+K2*r，平均时间和转发成功率分别被赋予不同的权值K1和K2。挑选P值较大的N个节点作为中继点，对Dc＜M的中继同样得到消息的复制来建立路由信息。 |
| 4 将选择的中继点进行记录，等待这些节点的通信机会的到来。 |
(2)分组传输算法
当两个节点的通信机会到来时，分组传输算法被执行。相遇的两个节点执行同样的方法将分组传输给对方。为了充分利用通信机会我们按不同的顺序来传输各种消息，确认消息首先得到传输，其次是目标节点是通信的另一方的消息，最后发送其它的消息。这样保证确认消息尽快得到传输使得可以及时地更新路由信息表，另外优先发送直接到达的节点使中继点尽早释放消息所占用的存储空间并避免消息被新的分组给覆盖，提高分组传输成功率。表3为分组传输算法的执行步骤。
表3：分组传输算法的执行步骤
| PACKET_TRANSFER(X，Y)1X节点向Y节点发送应该由Y转发或发往Y的分组的关键字的列表L。等待Y的回复。2节点Y把L中没有接收到的消息的关键字的列表L2发送给X。3发送L2中的确认消息给Y。4发送终点是Y的分组给Y。5发送其它分组给Y。6路由算法在通信机会结束或所有消息传输完毕后结束。 |
(3)路由信息更新
发送分组的节点或得到分组复制的节点在将分组加入存储区时在消息头中标记节点的标识关键字和当前时间。分组的终端节点在接收到分组后从分组头中取出参与分组发送的节点列表Ns和各个节点收到消息的时间，计算出每跳所使用的时间Ts。创建确认消息将Ns和Ts作为确认消息的数据，按相反路径转发给参与该分组转发的节点和分组的源节点。
在消息发送过程中，我们在消息头里面记录消息发送所走的路径，当终端节点成功接收到消息时利用该路径的相反方向给路径上的节点发确认消息。节点接收到确认消息后更新路由信息表。比如实验场景图(见图1)中一条消息沿着A-＞B-＞E-＞G的路径将一条消息成功发送，则G按G-＞E-＞B-＞A路径来发送确认消息。假设节点A收到了确认消息，这不但表明它使用节点B为中继成功给G发送了一条消息，同时也表明它使用节点B为中继成功给E发送了一条消息和它成功给B发送了一条消息，则在A的路由信息标准要更新以B为中继，G、E、B为目标节点的三个条目的信息。
附图说明
图1-实验场景图；
图2-缓存区大小VS分组传输率图；
图3-缓存区大小VS传输总量图；
图4-缓存区大小VS平均延时图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
间歇性断开的网络通常被建模成一系列的移动性节点，每个节点可以搜索通信范围内的其它节点并建立连接，节点具有一定的消息缓存能力和有限的带宽。当两个节点进入彼此的通信范围后，建立连接并相互发送分组消息。在传输中，发送方给接收方发送一个分组后并不将自身的分组拷贝删除。节点可以直接或通过其它中间节点将分组发送给目标节点。假设目标节点有足够的空间存储接收的消息，则只有传输中的分组受有限存储空间的限制。间歇性断开网络中节点之间的通信机会持续的时间远小于节点间断开的时间。
我们的研究实验基于图1所示的模型，模型是一个有向图结构，图中的节点表示网络节点，图中的边表示节点间所拥有的通信机会(通信机会是双向的，并且按照一定的规律到来)。异步路由算法的目标就是利用这些通信机会，将尽量多的消息从源节点发送到目标节点。
在网络中每一个节点都需要维护一张路由信息表来记录消息转发的历史信息，并利用这张表中的信息智能的做出路由决策。在路由信息表中我们记录了向每个分组的终端节点(Dest Node)发送消息所使用的不同中继(Relay Node)的发送次数(Send Count)，成功发送次数(Success delivery count)，历史发送过程中将消息转发给该中继等待的平均时间(Average time)。我们设定一个常量M表示路由信息建立需要发送的消息数，比如我们设定为8；设定另一个常量值N表示选择较好的中继的个数，比如设为2。当节点S使用某一中继R给某一终端节点D转发消息达到M次，表示这里路由信息已经建立。在这条路由信息建立前如果S要给D发送消息，中继R总是得到消息的复制。当路由信息建立后R和其它已经建立路由信息的中继一样，利用以往的转发记录挑选较好的节点来携带消息。例如，在图1的场景中，A节点和D节点分别拥有如下表4和表5所示的路由信息表。
表4：A节点的转发信息表
| DestNode | RelayNode | Send Count | Success deliverycount | Average time |
| G | B | 10 | 5 | 20 |
| G | C | 9 | 4 | 30 |
| G | E | 3 | 1 | 25 |
表5：D节点的转发信息表
| DestNode | RelayNode | Send Count | Success deliverycount | Average time |
| G | G | 10 | 2 | 40 |
| G | J | 9 | 5 | 26 |
如图1所示，假设A节点给G节点发送消息，和节点A有通信机会的节点有B、E、C节点，则在A中将维持如表4所示的转发表信息。则在表4中B和C作为中继转发A发送给G的消息的转发信息已经建立，而节点E可能进入网络比较晚，路由信息尚未建立。如果此时节点A要向节点G发送一条新的消息，则B和C作为较好的两个节点被选为中继，而E由于路由信息尚未建立成功，同样也被选为中继。网络中的其他节点维持同样的路由信息表。D节点和目标节点有通信机会但同时他也可以通过节点J来转发消息，D点的路由信息表如表5。
本发明提出的基于转发历史的路由算法通过三部分算法实现：
①中继选择算法(RELAY_SELECT)：中继选择算法在节点准备发送分组时或作为中继接收到消息时被执行，为分组选择较好的下一跳中继；
②分组传输算法(PACKET_TRANSFER)：分组传输算法在两个节点的通信机会到来时执行，进行分组的传输；
③路由信息更新(RINFO_UPDATE)：路由更新算法在节点收到回馈信息后执行，更新路由信息表。
我们在实现基于转发历史的路由算法时，把路由信息的建立消息条数设定为8，即当节点使用一个中继发送四条消息给同一个节点表示路由信息已经建立起来；另一方面我们把选择较好中继的个数设为4，当路由信息建立起来后每次选择两个较好的中继来转发消息。此外在实现上为了避免存在环路而造成的消息循环发送，我们在两个节点的通信机会到来时也像流行性算法那样给对方发送一个应该有对方中继的消息的标识的列表，对方选择没有的消息的标识发送请求列表，然后把请求的消息发送给对方。我们同时还实现了流行性算法(Epidemic Protocol，EP)、直接通信机会(Simple Contact，SC)、全局知识路由(Earliest Delivery，ED)等算法，使用这些算法得到的仿真结果和本文提出的FH算法的仿真结果进行比较。所有算法仿真都基于表6所示的同样参数。
表6：仿真参数
| 节点数 | 16 |
| 消息大小 | 400 |
| 带宽 | 800 |
| 仿真时长 | 5天 |
| 建立路由信息发送消息数 | 8 |
| 选择较好中继数 | 4 |
在相同环境下，我们对本发明提出的基于转发历史的路由算法同直接发送算法、全局知识算法和流行性算法在仿真实验中进行额比较，分析了它们的一些性能参数指标。
图2是在带宽和节点数确定的情况下，通过设定不同的缓冲区值来仿真而得到的数据传输率的曲线图。从图中看到基于转发历史的路由方法在性能上比流行性算法和全局知识算法稍差，而又比直接传递方法好。图3是在设置不同的缓冲区大小的情况下，网络中所发送的消息的数量。我们可以看到无论缓存的大小是多少，流行性算法所发送的数据量大于基于转发历史的路由方法。图4是在不同缓存区大小下，消息平均延时的变化图。从图中可以看到FH算法消息的平均延时比EP算法高，而且随着缓冲区的增加而增加的比较快。
Claims (4)
1.一种基于转发历史的异步路由算法，其特征在于：所述算法由以下三个部分组成：
①中继选择算法；
②分组传输算法；
③路由信息更新；
中继选择算法在节点准备发送分组时或作为中继点接收到消息时被执行，为分组选择较好的下一跳中继；分组传输算法在两个节点的通信机会到来时执行，进行分组的传输；路由更新算法在节点收到回馈信息后执行，更新路由信息表。
2.根据权利要求1所述的异步路由算法，其特征在于：所述中继选择算法的步骤为：
1)从路由表中查询出终端节点是D的条目；
2)利用公式t＝1-Ta/Tm将各个条目中的平均时间映射到0-1范围内。计算各个条目的转发成功率r＝Sc/Dc；
3)合成路由量度P＝K1*t+K2*r，平均时间和转发成功率分别被赋予不同的权值K1和K2。挑选P值较大的N个节点作为中继点，对Dc＜M的中继同样得到消息的复制来建立路由信息；
4)将选择的中继点进行记录，等待这些节点的通信机会的到来；
其中D表示分组的目标节点；Tm表示终点为D的条目中最大的平均时间；Ta表示中继R通信机会到来的平均时间；Sc表示中继R成功发送数量；Dc表示中继R发送消息数量；N表示挑选较好中继的个数；M表示路由信息建立所发的消息个数。
3.根据权利要求1所述的异步路由算法，其特征在于：所述分组传输算法的步骤为：
1)X节点向Y节点发送应该由Y转发或发往Y的分组的关键字的列表L，等待Y的回复；
2)节点Y把L中没有接收到的消息的关键字的列表L2发送给X；
3)发送L2中的确认消息给Y；
4)发送终点是Y的分组给Y；
5)发送其它分组给Y；
6)路由算法在通信机会结束或所有消息传输完毕后结束。
4.根据权利要求1所述的异步路由算法，其特征在于所述路由信息更新的步骤为：
发送分组的节点或得到分组复制的节点在将分组加入存储区时在消息头中标记节点的标识关键字和当前时间；分组的终端节点在接收到分组后从分组头中取出参与分组发送的节点列表Ns和各个节点收到消息的时间，计算出每跳所使用的时间Ts，创建确认消息将Ns和Ts作为确认消息的数据；在消息发送过程中，在消息头里面记录消息发送所走的路径，当终端节点成功接收到消息时利用该路径的相反方向给路径上的节点发确认消息，按相反路径转发给参与该分组转发的节点和分组的源节点。
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