CN103117957B - 机会网络中基于消息副本数与综合效能的缓存管理方法 - Google Patents

Abstract

机会网络中一种高效缓存管理策略的设计方法。针对现有机会网络中节点的缓存资源有限，节点携带的各个消息的副本将使节点缓存迅速饱和，无法继续存储后续到达的消息副本，导致网络消息的投递率降低、消息平均传输时延增加等问题，本发明通过创建每个节点维持的消息传输路径的列表计算消息副本数，继而结合平均投递率、平均传输时延以及平均网络开销，建立一个网络性能综合评价指标—综合效能。本发明将缓存中的消息副本按照综合效能的大小排序，而且可以分别设置平均投递率、平均传输时延以及平均网络开销在综合效能中所占的比重，可以实现有效提高网络消息的投递率、缩短网络消息的平均传输时延以及降低消息的网络开销。

Description

机会网络中基于消息副本数与综合效能的缓存管理方法

技术领域

本发明涉及机会网络，尤其涉及机会网络中传染路由的缓存管理技术。

背景技术

基于“存储—携带—转发”路由策略的机会网络（OpportunisticNetworks），节点之间存在间断的链接，源节点和目的节点之间不存在端到端的路径，端到端具有较大的传输延迟、较大的消息丢失率，导致机会网络的路由不能直接使用现有的TCP/IP协议簇。在机会网络中，源节点和目的节点之间不需要保持完整的链路，而是通过两节点移动到对方的通信范围内进行通信来交换数据。机会网络采用不同于传统网络的路由模式——“存储-携带-转发”模式，即节点携带着信息继续运动，直到它有机会将信息转发给其他节点，利用其他节点来帮助传输信息到目的节点。

为了保证消息的成功投递率，网络中往往保留一个消息的多个副本。在节点资源受限的情况下，节点携带的各个消息的副本将使其缓存迅速饱和，无法继续存储后续到达的消息副本。当节点的缓存饱和时，为了提高网络的性能应该选择合适的消息丢弃。由于机会网络中节点相遇时间有限，节点发送消息的速率有限，当两个节点相遇时，他们往往不能有足够的时间交换完彼此的信息，为了提高网络的性能应该优先转对网络性能有所提高的消息。因此，设计高效的缓存管理策略优化消息转发和丢弃的序列对提高机会网络的整体性能显得尤为重要。

基于消息副本数的机会网络缓存管理策略主要有：（1）GBD(GlobalKnowledgebasedDrop)和HBD(HistoryBasedDrop)（参见文献：A.Krifa,C.Baraka,andT.Spyropoulos.OptimalBufferManagementPoliciesforDelayTolerantNetworks.IEEESECON,2008,260-268）：GBD和HBD都是基于网络中消息副本数可知的情况下提出的策略，通过利用推导消息副本数与网络投递率、传输延迟的关系，提出最大化网络投递率和最小化传输延迟分别应该采用的丢弃消息副本的策略。改方法没有提出明确的计算消息副本的方法，只考虑了丢弃策略，而没有考虑消息副本的转发顺序。EBMP(enhancedbuffermanagementpolicy)(参见文献：K.Shin,S.Kim.Enhancedbuffermanagementpolicythatutilizesmessagepropertiesfordelay-tolerantnetworks.TheInstitutionofEngineeringandTechnology,2011,753-759)：该算法中，提出了一种估计消息副本的方法，当两个节点相遇时，更新彼此节点的消息副本表；然后基于消息的基本属性，提出了两个最大化消息成功投递率和最小化消息平均延迟的效用方程。该方法提出的计算消息副本数的方法由于携带相同消息的两个节点相遇后交换信息后所得到的消息副本数不一致，导致该方法的使用受到限制。

发明内容

本发明所要解决的问题是：针对在节点资源受限的情况下，节点携带的各个消息的副本将使节点缓存迅速饱和，无法继续存储后续到达的消息副本等问题。我们提出一种基于消息副本数与综合效能的缓存管理策略，增加了网络的投递率，降低了网络平均延迟，同时有效的降低了网络开销。

本发明解决上述问题的技术方案是：提出一种基于消息副本数与综合效能的缓存管理方法，基于创建每个节点维持的消息传输路径列表计算t时刻消息i在网络中的副本数ni(t)，根据消息副本数计算网络消息的平均投递率、平均传输时延以及平均网络开销；结合平均投递率、平均传输时延以及平均网络开销，建立一个网络性能综合评价指标——综合效能，当新连接建立时，优先转发能提高网络综合效能的消息副本；当缓存饱和时，优先丢弃能降低网络综合效能的消息副本。具体包括如下步骤：

基于创建每个节点维持的消息传输路径列表计算t时刻消息i在网络中的副本数，根据消息副本数确定消息成功投递率、传递延迟以及网络开销；根据成功投递率、传输延迟以及网络开销计算节点携带消息副本的综合效能，和网络综合效能；根据节点携带消息副本的综合效能的大小对该节点携带的消息副本进行优先级排序并存入节点缓存，当新连接建立时，按网络综合效能值由大到小依次转发节点缓存内的消息副本，当某一节点缓存饱和不能容纳新到达的消息时，按网络综合效能值由小到大丢弃节点缓存内的消息副本。

更进一步地，每一个节点维持该节点携带的所有消息的路径列表，当两个节点相遇时，交换彼此不存在的消息，以及相同消息所经过的不同路径部分，获得消息副本数。

更进一步地，根据消息i在t时刻的副本数n_i(t)、消息i的生存时间TTL_i、消息i从产生时刻到t时刻所经历的时间T_i，调用公式： $P_i\left(t\right)=a\·\frac{1}{n_i\left(t\right)/m}+b\·\frac{{\mathrm{TTL}}_i}{T_i}$ 计算第k个节点携带消息副本的综合效能大小P_i(t)，其中，a、b分别代表消息副本数与消息生存时间所占的权重值，满足a+b=1。

根据公式：

${\mathrm{CP}}_{\mathrm{optimal}}=\underset{a}{\arg \max }[w1\·\frac{{\mathrm{dr}}_a}{\stackrel{\‾}{\mathrm{dr}}}+w2\·\frac{\stackrel{\‾}{d}}{d_a}+w3\·\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{ov}}}{{\mathrm{ov}}_a}]$ 计算网络综合效能最优值，其中，w1、w2、w3分别是消息成功投递率、传递延迟以及网络开销的权重，且w1+w2+w3=1，dr_a、d_a、ov_a分别是消息成功投递率、传递延迟、网络开销， 分别是消息平均投递率、平均传递延迟以及平均网络开销。

本发明在节点运动到彼此通信范围内时，建立连接，开始数据传输，此时消息路径列表得到更新，实时计算网络综合效能，按综合效能由大到小依次转发缓存内的消息副本；当缓存饱和时，按综合效能由小到大丢弃缓存内的消息副本，以便缓存内容纳新到达的消息副本。

本发明中对平均投递率、平均传输时延以及平均网络开销各个性能指标的考察是通过在综合效能中设置相应的权重来实现的，由于不同的网络和不同的情况下，对网络投递率、传输时延以及网络开销的要求不同，导致综合效能对各个网络性能指标的侧重不同。

附图说明

图1为本发明中路径列表信息变更图；

图2为本发明中算法构成流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明的实施作具体描述。

如图1所示为本发明中路径列表信息变更图。

收集网络内消息所经过的所有节点的全局信息，为每一个产生的消息创建路径列表，计算消息副本数。其中，每一个节点维持该节点携带的所有消息的路径列表，当两个节点相遇时，交换彼此不存在的消息，以及相同消息所经过的不同路径部分，由此获得消息副本数。可采用如下方法：将网络中产生的每一个消息经过路径的节点以节点标识符键值进行哈希变换后存储，并维护摘要矢量SV(summaryvector)以标识哈希表中的每一项的“有”或“无”。当节点A和B进入通信范围连接以后，以节点A向节点B发送数据为例，数据通信过程由3个阶段完成：(1)节点A向B发送自己的摘要矢量SV_A；(2)B收到SV_A后与自己维护的摘要矢量SV_B进行比较，并判断哪些消息已被自己存储，哪些消息未被自己存储，对于两节点都存储的消息AS，进行AS_A+AS_B，将两节点都存储的消息相加；对于节点B没有存储的消息，将发送给节点A；(3)节点A收到节点B的请求后，在节点B没有存储消息的节点路径中加入节点B的信息，并发送这些消息给节点B。节点B向节点A传递数据与节点A向节点B传递数据采用相同的方法。

消息的传输路径列表当中记录了消息副本经过的不同的网络节点，消息传输路径列表中不同节点的个数即为此刻该消息的副本数。例如，节点1携带的消息i的路径为{1,2,7,8,12}，节点2携带的消息i的路径为{2,3,5,6,8,10}，当两节点相遇时，它们彼此交换信息，交换后两节点携带的消息i的路径信息相同，均为{1,2,3,5,6,7,8,10,12}。该交换过程如图1所示。如果相遇的两个节点中只有节点3携带消息i，其携带消息i的路径表为{3,6,8,10}，节点4没有携带，则当两节点相遇时，消息i的路径表添加经过的路径节点4，变为{3,4,6,8,10}，节点3把消息i传递给节点4。

网络运行后，携带消息i的节点将会获得基本相同的路径信息列表。同理得节点也将获得其携带其他消息的相同的路径信息列表。

如图2所示为本发明中的消息传输流程图。具体可采用以下步骤：

1.网络初始化：创建路径信息表，并初始化网络消息副本数；选定路由模型；设定网络区域大小，设定节点数量，设置节点缓存大小，设定节点信息传输速率。所有网络中的节点随机分布在区域内，节点的信息可根据实际情况进行合理的设置。

2.综合效能的初始化：综合考虑消息副本数、消息生存时间以及消息的产生时间，建立优先级方程：

$P_i\left(t\right)=a\·\frac{1}{n_i\left(t\right)/m}+b\·\frac{{\mathrm{TTL}}_i}{T_i}---\left(1\right)$

其中，n_i(t)代表消息i在t时刻的副本数、TTL_i代表消息i的生存时间、T_i表示消息i从产生时刻到t时刻所经历的时间。a、b分别代表消息副本数与消息生存时间所占的权重值，满足a+b=1，即b=1-a。

根据节点携带消息副本的优先级由大到小对消息副本进行排序，并存入节点缓存等待发送。

考虑到计算消息副本数和消息优先级带来的误差，进一步根据消息成功投递率、传递延迟、网络开销定义网络的综合效能：

$\mathrm{CP}=w1\·\frac{{\mathrm{dr}}_a}{\stackrel{\‾}{\mathrm{dr}}}+w2\·\frac{\stackrel{\‾}{d}}{d_a}+w3\·\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{ov}}}{{\mathrm{ov}}_a}---\left(2\right)$

其中，w1、w2、w3分别是消息成功投递率、传递延迟以及网络开销的权重，且w1+w2+w3=1，dr_a、d_a、ov_a分别是消息副本数权重值a值对应的的消息成功投递率、传递延迟、网络开销， 分别是消息平均投递率、平均传递延迟以及平均网络开销（根据取不同的a值统计计算平均值获取），w1、w2、w3的反映了网络综合效能对消息成功投递率、传递延迟以及网络开销的偏好程度，如果网络对消息的成功投递率要求较高，可以把w1的值设置接近于1。同理当网络对其他性能要求较高时可以把相应的权重值设置接近于1，即可通过设置w1、w2、w3值的大小从而把该缓存管理策略适用于不同的应用情况。CP越大，网络的综合效能越好，此时的a、b值也越优；CP越小，网络的综合效能越差，此时的a、b值也越差。根据如下公式计算最大的CP，获得网络综合效能最优值。即：

${\mathrm{CP}}_{\mathrm{optimal}}=\underset{a}{\arg \max }[w1\·\frac{{\mathrm{dr}}_a}{\stackrel{\‾}{\mathrm{dr}}}+w2\·\frac{\stackrel{\‾}{d}}{d_a}+w3\·\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{ov}}}{{\mathrm{ov}}_a}]---\left(3\right)$

由此，根据综合效能对节点缓存中的的消息发送实施管理。

3.高效缓存管理策略：根据公式（2）计算每个节点携带消息副本的综合效能大小，根据节点携带消息副本的综合效能的大小对该节点携带的所有消息的副本进行优先级的排序，对其他节点携带的信息也进行相同的处理。当两个节点运动到彼此通信范围内时，建立一个连接，开始数据传输，此时消息路径列表得到更新，根据公式（3）实时计算网络综合效能，根据网络综合效能对节点缓存实施管理，按网络综合效能由大到小依次转发发送节点缓存内的消息副本；当某一节点缓存饱和不能容纳新到达的消息时，按网络综合效能由小到大丢弃缓存内的消息副本，以便缓存内容纳新到达的消息副本。

本发明按照综合效能对消息副本进行排序，优化了消息副本的转发序列和丢弃序列，提高了网络投递率、降低了网络中消息的平均传输延迟、减小了网络开销，降低了网络中节点的能耗。

Claims (2)

1.一种机会网络中基于消息副本数与综合效能的缓存管理方法，其特征在于，基于创建每个节点维持的消息传输路径列表计算t时刻消息i在网络中的副本数，根据消息副本数确定消息成功投递率dr_a、传递延迟d_a以及网络开销ov_a；根据消息成功投递率、传输延迟以及网络开销调用公式： ${\mathrm{CP}}_{optimal}=\underset{a}{\mathrm{argmax}}\[w1\·\frac{{\mathrm{dr}}_a}{\stackrel{\‾}{dr}}+w2\·\frac{\stackrel{\‾}{d}}{d_a}+w3\·\frac{\stackrel{\‾}{ov}}{{\mathrm{ov}}_a}\]$ 计算网络综合效能最优值，根据消息i在t时刻的副本数n_i(t)、消息i的生存时间TTL_i，消息i从产生时刻到t时刻所经历的时间T_i，调用公式：计算第k个节点携带消息副本的综合效能大小P_i(t)，其中，w1、w2、w3分别是消息成功投递率、传递延迟以及网络开销的权重，分别是消息平均投递率、平均传递延迟以及平均网络开销，a、b分别代表消息副本数与消息生存时间所占的权重值，满足a+b＝1，w1+w2+w3＝1；根据节点携带消息副本的综合效能的大小对该节点携带的消息副本进行优先级排序并存入节点缓存，当新连接建立时，按网络综合效能值由大到小依次转发节点缓存内的消息副本，当某一节点缓存饱和不能容纳新到达的消息时，按网络综合效能值由小到大丢弃节点缓存内的消息副本。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每一个节点维持该节点携带的所有消息的路径列表，当两个节点相遇时，交换彼此不存在的消息，以及相同消息所经过的不同路径部分，获得消息副本数。