CN105450530A - 一种基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法。使用本发明能够使得网络中的节点数据包传递成功率维持一个较高的水平并且实现最小开销路径。源节点生成一个带有预算延时的数据包，该数据包在被交付的过程中，根据移动随机网络中各节点的相遇历史信息来刻画网络中源节点到目的节点集的满足服务质量的多播树，当网络中两个节点相遇后通过比较其到目的节点集的满足服务质量的多播树的路径开销进行路由选择，使得网络中的节点数据包传递成功率维持一个较高的水平并且实现最小开销路径。

Description

一种基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，具体涉及一种基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法。

背景技术

移动随机网络是利用移动设备间的随机链接进行设备与设备之间的通信，其节点(移动设备)是流动(移动)的，网络部署稀疏，其网络连接是间断的、非决定性的，由节点之间随机的相遇决定的，网络构成不稳定。由于移动随机网络能够提供无缝、高质量的无线接入能力，在无线蜂窝网络下的移动随机通信被看作是下一代无线通信***的关键技术。

移动随机网络通常在由经常***互的参与者组成的本地群体中产生。比如生活在都市中的邻居，学校中学习的学生，或者是浏览名胜古迹的游客。它的网络尺寸可以大到一个大学，也可以小到由几个成员组成的乐队。它可以像一个社区一样存在多年，也可以持续短到几小时，比如由一群游客组成的社交网络。一个单独的移动随机网络在参与者的数量，社交连接数，以及社交媒介的数量上与在线社交网络是无法比较的。但是，从对在线社交网络的补充和加强，以及有效支持基于本地社区的adhoc社交网络方面考虑，移动随机网络具有非常重要的价值。

有效的多播对于支持移动随机网络的各种应用是必不可少的。在一个多播事件中，源节点意图传递数据到一系列目的节点。移动随机网络中的每一个节点可以是源节点或者是目的节点或者是两者都是。多播的数据可以有多种类别，包括广告、优惠卷、产品介绍或者邀请函等。虽然长数据延时在移动随机网络中是不可避免的，但是这种端到端的传输延时在很多应用中是高度渴望的。比如，广告的散布必须满足其延时不超过其过期日期。除了延时限制这种服务质量，本发明还提出在移动随机网络中最小化通信开销。

现有的容延时网络(DTN)路由算法，如1)DirectDelivery：数据包直接从源节点发送到目的节点；2)Epidemic：数据包通过Epidemic算法传递到目的节点；3)Social-Aware：根据基于社交属性的指标来选择中继节点将数据包传递到目的节点；4)Centralized：节点根据自己建立的多播树进行数据传输，这四种方法的数据包传递开销均较大，且数据传输率较低，延时性能高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法，能够使得网络中的节点数据包传递成功率维持一个较高的水平并且实现最小开销路径。

本发明的基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法，源节点生成一个带有预算延时的数据包，该数据包按照如下步骤被交付：

步骤1，节点s为携带数据包的源节点或中继节点，当携带数据包的节点s遇到节点v_i时，节点s和节点v_i交换各自的与其他节点相遇的相遇频率表，如果v_i为该数据包的目的节点之一，则节点s将该数据包交付给节点v_i，等待与下一个节点相遇，重复上述步骤；若v_i不是该数据包的目的节点，则判断此时数据包的预算延时是否为0，若该数据包的预算延时为0，则方法结束，若该数据包的预算延时不为0，则转入步骤2；

步骤2，节点s将数据包的目的节点信息发送给节点v_i，节点s基于相遇频率表信息计算从节点s到包括所有目的节点在内的目的节点集的满足服务质量的多播树，节点v_i基于相遇频率表信息计算由节点v_i到包括所有目的节点在内的目的节点集的满足服务质量的多播树；节点s比较两个多播树的路径开销，如果节点v_i的多播树的路径开销大于或等于节点s的多播树的路径开销，则节点s携带数据包等待与其他节点相遇，当遇到其他节点时，按照步骤1和步骤2的方法进行数据交付；如果节点v_i的多播树的路径开销小于节点s的多播树的路径开销，则节点v_i为中继节点，节点s将数据包转发给节点v_i，节点v_i依照步骤1和步骤2的方法交付数据包，直到将该数据包被交付给所有目的节点或该数据包的预算延时为0，方法结束。

进一步地，所述步骤2中，节点x到包括所有目的节点在内的目的节点集的满足服务质量的多播树的获取方法包括如下子步骤，其中，节点x为节点s或节点v_i；

步骤2.1，获取节点x到目的节点d₁的满足服务质量的最小开销路径，具体包括如下子步骤：

步骤2.1.1，采用Dijkstra算法获得从节点x到目的节点d₁的两条路径：最小开销路径xa₁a₂…d₁和最高服务质量路径xb₁b₂…d₁；

步骤2.1.2，从节点x出发，如果经过a₁到达d₁满足服务质量要求，则选择a₁作为下一个中继节点，否则选择b₁作为下一个中继节点；

步骤2.1.3，将x更新为步骤2.1.2确定的中继节点，然后按照步骤2.1.1～步骤2.1.2继续确定下一个中继节点，直到节点x到达目的节点d₁，获得节点x到d₁的满足服务质量的最小开销路径，该满足服务质量的最小开销路径即为x到d₁的假树；

步骤2.2，按照步骤2.1的方法，分别获得节点x到其他目标节点d₂、d₃、…、d_N的假树；其中，N为该数据包的目标节点的总个数；

步骤2.3，以节点x到目的节点d₁的假树为当前假树，计算各剩余目的节点到当前假树的辐射率R_d：

$R_d=\frac{1}{\left|\mathrm{\Φ}\right|-1}\underset{i\∈\mathrm{\Φ},i\≠d}{\Σ}{C}_{T_d}^i$

其中，Φ为当前包含所有剩余目的节点的目的节点集，d是待加入当前假树的目的节点，为目的节点i到当前假树T_d的距离，目的节点i为排除了节点d之后的剩余目的节点；

步骤2.4，选择辐射率R_d最小的目的节点，将节点x到该目的节点的满足服务质量的最小开销路径加入到当前假树T_d中，更新假树，并将该目的节点从节点集Φ中剔除；

步骤2.5，重复步骤2.3～步骤2.4，依次将节点x到剩余目的节点的满足服务质量的最小开销路径加入到当前假树中，获得最终的假树；最终的假树即为节点x到目的节点集的满足服务质量的多播树。

进一步地，所述步骤2.3中，目的节点i到当前假树T_d的距离的获取方法如下：产生一个虚拟节点，该虚拟节点满足如下条件：该虚拟节点通过虚拟边与当前假树上的各个节点相连接，且每个虚拟边的开销为零；则目的节点i到当前假树T_d的距离即为目的节点i到虚拟节点的距离；其中，目的节点i到虚拟节点的距离由Dijkstra算法确定。

有益效果：

本发明所提出的基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法，根据网络中节点相遇的历史信息来刻画网络中源节点到目的节点集的满足服务质量的多播树，当网络中两个节点相遇后通过比较其到目的节点集的满足服务质量的多播树的路径开销进行路由选择，使得网络中的节点数据包传递成功率维持一个较高的水平并且实现最小开销路径。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

图2为本发明多播树的建立示意。

图3为本发明虚拟节点的建立示意。

图4为本发明满足服务质量的最小路径开销的单路径的建立示意。

图5为本发明路由算法与其他DTN路由算法的Cost性能分析。

图6为本发明路由算法与其他DTN路由算法的DeliveryRatio性能分析。

图7为本发明路由算法与其他DTN路由算法的Delay性能分析。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法，重点关注对于移动随机网络中各个节点之间的关系的刻画，利用节点之间的关系决定路由转发策略，具体的，根据移动随机网络中各节点的相遇历史信息来刻画网络中源节点到目的节点集的满足服务质量的多播树，当网络中两个节点相遇后通过比较其到目的节点集的满足服务质量的多播树的路径开销进行路由选择，使得网络中的节点数据包传递成功率维持一个较高的水平并且实现最小开销路径。

首先，对于新生成的数据包，其从源节点s到目的节点d传递均需服从以下原则：源节点新生成的数据包中包含一个延时预算，该延时预算的初始值为一个根据该数据需要延时的时间而预设的一个自然数n，表示其还可以生存的时间，该值会随着真实时间的推移而减小，当延时预算减小到0时，携带该数据包的节点就将该数据包丢弃。例如某优惠劵的有效期为30天，则该新生成的优惠劵数据包中预设的延时预算即为30天，30天后，携带该优惠劵数据包的节点就将该数据包丢弃。

当源节点生成一个新的带有预算延时的数据包后，采用如下步骤进行路由抉择：

步骤一，当携带数据包的节点s遇到节点v_i时，节点s和节点v_i交换各自的与其他节点相遇的相遇频率表，如果v_i即为该数据包的目的节点之一，则节点s将该数据包交付给节点v_i，重复上述步骤；若v_i不是该数据包的目的节点，则判断此时数据包的预算延时是否为0，若该数据包的预算延时为0，方法结束，若该数据包的预算延时不为0，则转入步骤二。

步骤二，节点s将数据包的目的节点信息发送给节点v_i，节点s和节点v_i分别基于相遇频率表信息计算由节点s、节点v_i到包括所有目的节点在内的目的节点集的满足服务质量的多播树，节点s比较两个多播树的路径开销，如果节点v_i的多播树的路径开销大于或等于节点s的多播树的路径开销，则节点s携带数据包等待与其他节点相遇，当遇到其他节点时，返回步骤一重新进行中继节点选择；如果节点v_i的多播树的路径开销小于节点s的多播树的路径开销，则节点v_i为中继节点，节点s将数据包转发给节点v_i，节点v_i依照步骤一和步骤二的方法传递数据包，直到将数据包传递给所有目的节点或数据包的预算延时为0，方法结束。

其中，任意一个节点x(x为源节点、节点s或节点v_i)到目的节点集的满足服务质量的多播树的计算方法如下：

步骤2.1，产生一个虚拟节点，该虚拟节点满足如下条件：该虚拟节点通过虚拟边与多播树上的各个节点相连接，且每个虚拟边的开销为零。这样，虚拟节点到目的节点的满足服务质量的最小开销路径就等价于从目的节点到多播树的满足服务质量的最小开销路径。

步骤2.2，使用Dijkstra算法确定从节点x到目的节点d₁的两条路径：一条路径具有最小路径开销xa₁a₂…d₁，一条路径具有最高服务质量xb₁b₂…d₁。如果从x经过a₁到达d₁满足服务质量要求，那么选择a₁作为下一个中继节点，否则选择b₁作为下一个中继节点。如果下一个中继节点确定，x更新为下一个中继节点，重复以上步骤，直到节点x到达目的节点d₁，如图4所示，获得x到d₁的满足服务质量的最小开销路径，该满足服务质量的最小开销路径即为x到d₁的假树。

步骤2.3，按照步骤2.2的方法，获得x到所有目标节点的假树。

步骤2.4，从x到d₁的假树的开始，计算剩余目的节点到该假树的辐射率R_d：

$R_d=\frac{1}{\left|\mathrm{\Φ}\right|-1}\underset{i\∈\mathrm{\Φ},i\≠d}{\Σ}{C}_{T_d}^i$

Φ为当前包含所有剩余目的节点的目的节点集，d是待加入当前假树的目的节点，为目的节点i到当前假树T_d的距离，该距离等于目的节点i到虚拟节点的距离，而目的节点i到虚拟节点的距离可通过Dijkstra算法确定。其中，目的节点i为排除了节点d之后的剩余目的节点。

步骤2.5，选择辐射率R_d最小的目的节点，将节点x到该目的节点的满足服务质量的最小开销路径，加入到当前假树T_d中，更新假树，并将该目的节点从节点集Φ中剔除。

步骤2.6，重复步骤2.4～步骤2.5，依次将节点x到剩余目的节点的满足服务质量的最小开销路径加入到当前假树中，获得最终的假树。最终的假树即为节点x到目的节点集的满足服务质量的多播树。

当节点s携带的是一个数据包的集合S＝{M₁，M₂，…，M_q，…}时，根据各数据包的目的节点集，分别计算各数据包的从节点s到该数据包的目的节点集的多播树，当节点s与节点v_i相遇时，按照本发明方法分别对数据包集合中的各数据包进行交付。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法，其特征在于，源节点生成一个带有预算延时的数据包，该数据包按照如下步骤被交付：

步骤1，节点s为携带数据包的源节点或中继节点，当携带数据包的节点s遇到节点v_i时，节点s和节点v_i交换各自的与其他节点相遇的相遇频率表，如果v_i为该数据包的目的节点之一，则节点s将该数据包交付给节点v_i，等待与下一个节点相遇，重复上述步骤；若v_i不是该数据包的目的节点，则判断此时数据包的预算延时是否为0，若该数据包的预算延时为0，则方法结束，若该数据包的预算延时不为0，则转入步骤2；

步骤2，节点s将数据包的目的节点信息发送给节点v_i，节点s基于相遇频率表信息计算从节点s到包括所有目的节点在内的目的节点集的满足服务质量的多播树，节点v_i基于相遇频率表信息计算由节点v_i到包括所有目的节点在内的目的节点集的满足服务质量的多播树；节点s比较两个多播树的路径开销，如果节点v_i的多播树的路径开销大于或等于节点s的多播树的路径开销，则节点s携带数据包等待与其他节点相遇，当遇到其他节点时，按照步骤1和步骤2的方法进行数据交付；如果节点v_i的多播树的路径开销小于节点s的多播树的路径开销，则节点v_i为中继节点，节点s将数据包转发给节点v_i，节点v_i依照步骤1和步骤2的方法交付数据包，直到将该数据包被交付给所有目的节点或该数据包的预算延时为0，方法结束。

2.如权利要求1所述的基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法，其特征在于，所述步骤2中，节点x到包括所有目的节点在内的目的节点集的满足服务质量的多播树的获取方法包括如下子步骤，其中，节点x为节点s或节点v_i；

步骤2.1，获取节点x到目的节点d₁的满足服务质量的最小开销路径，具体包括如下子步骤：

步骤2.1.1，采用Dijkstra算法获得从节点x到目的节点d₁的两条路径：最小开销路径xa₁a₂…d₁和最高服务质量路径xb₁b₂…d₁；

步骤2.1.2，从节点x出发，如果经过a₁到达d₁满足服务质量要求，则选择a₁作为下一个中继节点，否则选择b₁作为下一个中继节点；

步骤2.1.3，将x更新为步骤2.1.2确定的中继节点，然后按照步骤2.1.1～步骤2.1.2继续确定下一个中继节点，直到节点x到达目的节点d₁，获得节点x到d₁的满足服务质量的最小开销路径，该满足服务质量的最小开销路径即为x到d₁的假树；

步骤2.2，按照步骤2.1的方法，分别获得节点x到其他目标节点d₂、d₃、…、d_N的假树；其中，N为该数据包的目标节点的总个数；

步骤2.3，以节点x到目的节点d₁的假树为当前假树，计算各剩余目的节点到当前假树的辐射率R_d：

$R_d=\frac{1}{\left|\mathrm{\Φ}\right|-1}\underset{i\∈\mathrm{\Φ},i\≠d}{\Σ}{C}_{T_d}^i$

其中，Φ为当前包含所有剩余目的节点的目的节点集，d是待加入当前假树的目的节点，为目的节点i到当前假树T_d的距离，目的节点i为排除了节点d之后的剩余目的节点；

步骤2.4，选择辐射率R_d最小的目的节点，将节点x到该目的节点的满足服务质量的最小开销路径加入到当前假树T_d中，更新假树，并将该目的节点从节点集Φ中剔除；

步骤2.5，重复步骤2.3～步骤2.4，依次将节点x到剩余目的节点的满足服务质量的最小开销路径加入到当前假树中，获得最终的假树；最终的假树即为节点x到目的节点集的满足服务质量的多播树。

3.如权利要求2所述的基于最小开销路径的移动随机网络多播路由方法，其特征在于，所述步骤2.3中，目的节点i到当前假树T_d的距离的获取方法如下：产生一个虚拟节点，该虚拟节点满足如下条件：该虚拟节点通过虚拟边与当前假树上的各个节点相连接，且每个虚拟边的开销为零；则目的节点i到当前假树T_d的距离即为目的节点i到虚拟节点的距离；其中，目的节点i到虚拟节点的距离由Dijkstra算法确定。