CN110351200B - 一种基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，所述机会网络由在有限区域内移动的n个移动节点构成，每个移动节点内部都维护有两个数据结构表：相遇列表和任务托管表。其中拥塞节点及时将部分消息卸载到缓存空间剩余较大的邻居节点中，以降低拥塞的风险；当托管节点再次遇见任务节点时，若此时任务节点的拥塞程度降低，则托管节点将其托管的消息返还给任务节点。本发明通过把高拥塞风险节点内低效用值的消息，暂时卸载到其它相遇概率高且拥塞风险低的节点，达到减少消息丢弃数、提高消息传递成功率的目的。

Description

一种基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络通信技术领域，具体涉及一种基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法。
背景技术
近年来，随着无线传感器技术的应用以及大量具备短距离无线通信能力的移动设备的普及和发展，出现了一种新型的自组织网络模式—机会网络，相对于传统的移动自组织网络Ad Hoc，机会网络节点之间不需要存在完整稳定的端到端通信链路就可以实现信息交换，在一些特定领域和场景具有广泛应用，如空间通信、水下组网、车载网络、灾难救援等。机会网络中的节点一般是由移动设备或安装在移动物体上的传感器组成，如车辆上的无线传感器、行人携带的手持设备等，这类节点具有较强的移动性和频繁的链接间断性的特征，使得网络缺乏稳定的端到端的通信链路，传统网络的消息转发方式无法适用于这种动态复杂的网络。为了在间断性链路中实现消息传输，机会网络在传统网络TCP/IP协议的传输层和应用层之间增加了一个新的协议层，称为Bundle层或束层，在该层采用“存储-携带-转发”方式，依靠节点移动带来的相遇机会实现整个网络的消息转发。因此，在机会网络中，路由决策是至关重要的，它能够极大程度的提高网络性能，减少网络开销。而如何设计一个高效的路由决策仍然是当前机会网络的重要问题。
现有机会网络的路由主要分为两类，多副本路由和单副本路由。单副本路由类似于传统网络的路由，在整个网络中，每个消息只保留一个消息副本。这个副本或是由节点一直携带直到遇到目的节点，亦或是通过设计效用函数，选择下一跳节点来进行传输。但由于机会网络的特性，单副本路由不能很好保证消息转发成功率，有较大的消息时延。因而机会网络多采用多副本路由，网络中的每个消息有多个消息副本，节点传输消息只是拷贝缓存内的消息，缓存内仍然保留消息。典型的有洪范传输的Epidemic算法，转发节点缓存内的所有消息给相遇节点，不限制消息可转发次数。以及限制副本数的算法如Prophet算法和固定消息副本数的如Spar and Wait算法等。然而移动设备的资源有限，当资源需求超过网络容量时，DTN(延迟容忍网络)中会出现网络拥塞。如图1-图3所示，分别是epidemic算法、Prophet算法和Spray-and-wait算法每两小时产生拥塞的节点数。由此可以看出，DTN中确实存在拥塞。随着缓冲区空间的增加，拥塞节点的数量减少。在DTN中，DTN网络拥塞有两个原因。
首先，DTN网络采用多副本路由协议。众所周知，在多个副本的情况下，节点容易出现拥塞。由于短时间内网络中消息的副本数量会显著增加，节点的缓冲空间也受到限制，消息很快就会溢出。这需要丢弃大量的冗余消息包以容纳新消息的进入。因此，网络发生拥塞。由图3中的Spray-and-wait算法就可以看出，它是单副本路由，与另外两个算法相比，再缓存相同的情况下，拥塞节点数量明显减少。其次，提出的Prophet算法、SPAR和Wait算法等路由协议，通过记录节点间历史接触点的路由决策表，可以合理选择转发效率较高的下一跳节点或转发成功率较高的消息。这将导致许多关键节点和活动节点频繁地与其他节点接触。如图4所示。有许多节点可以向节点A发送消息，但节点A只能向节点H转发一些消息。因此，节点A的缓冲区将逐渐变满，它必须选择要删除的消息，来容纳新消息的进入。当网络拥塞发生时，需要删除大量的消息。然而，DTN网络通过节点的接触来传输消息，这将降低成功地将消息传递到目标节点的概率。针对DTN提出了许多新的拥塞控制算法来考虑拥塞问题。
现有的拥塞控制算法主要有两种，降低节点的发送速率或接收速率，设计消息丢弃策略。第一种通过设置拥塞检测算法，确定拥塞程度，提出拥塞阈值，当节点缓存达到拥塞阈值时，就减少源节点的发送速率(如节点转发的消息数，每个消息的副本数)，或者降低节点接受消息数。降低节点的发送速率代表节点需要对下一跳节点，或者对当前网络的拥塞状态有合理的预测，而机会网络中，节点间具有间断性的连接，节点不能尽快的把当前的状态信息广播到整个网络，因此很难进行准确的预测。而且对整个网络的状态感知，需要大量的数据，大量的计算，会极大的耗能，而对于机会网络，多应用于特殊场景，应尽量减少耗能，延迟节点的存活时间。
第二种是先对每一个消息赋予效用函数，效用函数越高的越不容易被丢弃，每当新进来的消息会造成拥塞时，就通过丢弃消息来空出缓存空间用于存放新消息，但是这样会丢弃大量的数据。对于端到端链路不稳定的机会网络，应该尽量少的丢弃数据，增加消息的存活时间，尤其对于现有的路由算法，基本上不采用洪范传输，而是通过合理的预测下一跳转发节点，预测高效的传递路径等来提高消息传递成功率，经常会有一些关键节点容易拥塞，但是节点存储的消息都很重要，不能随意丢弃。
综上所述，现有的机会网络路由决策或是没有考虑拥塞问题，或是难以实现感知全局网络状态，且耗能大，或是仍会大量丢弃消息。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明提供一种基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，通过把高拥塞风险节点内低效用值的消息，暂时卸载到其它相遇概率高且拥塞风险低的节点，达到减少消息丢弃数、提高消息传递成功率的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，其特征在于：
所述机会网络由在有限区域内移动的n个移动节点构成，节点之间采用“存储—携带—转发”机制依靠节点移动带来的机会实现消息转发，每节点都自愿协作转发其他节点的消息；当节点存储消息的缓存空间剩余较小时表示其具有拥塞风险，其中拥塞风险很高需要及时卸载消息的节点称为拥塞节点；拥塞节点及时将部分消息卸载到缓存空间剩余较大的邻居节点中，以降低拥塞的风险；将成功卸载了部分消息而拥塞风险已经降低的拥塞节点称为任务节点，而缓存中存储有由其他任务节点迁移过来的消息的节点为托管节点；当托管节点再次遇见任务节点时，若此时任务节点的拥塞程度降低，则托管节点将其托管的消息返还给任务节点；
为了便于消息卸载时选择合适的托管节点，以及消息返回时确定哪些消息为托管消息及其任务节点，在每个移动节点内部都维护有两个数据结构表：相遇列表和任务托管表，其中相遇列表记录该节点与其它节点相遇情况，包括邻居节点ID、上一次相遇时间tmeet，相遇次数count、平均相遇间隔tavg，当两个节点相遇时，节点将自动更新相遇列表；任务托管表记录在该节点缓存中哪些消息属于托管消息，包括任务节点ID和消息ID的集合；当托管节点接收了任务节点卸载的消息后，托管节点在任务托管表中记录任务节点以及托管的消息ID集合。
进一步的，当节点Ni与节点Nk相遇时，节点Ni调用所述拥塞控制方法，完成托管消息返回或卸载消息的功能；所述拥塞控制方法包括以下步骤：
S1、节点Ni更新其相遇列表；
S2、节点Ni首先查询其任务托管表，检测相遇节点Nk是否存在其任务托管表中：
如果相遇节点Nk在节点Ni的任务托管表中，则节点Ni获取节点Nk对应的托管消息ID集合θ，然后节点Ni查询其缓存空间，删除θ中已经不存在于节点Ni缓存空间的消息，仍然存在于节点Ni缓存空间的消息ID则记录在返还消息集合F中，然后执行步骤S3；
如果相遇节点Nk不在节点Ni的任务托管表中，则直接执行步骤S4；
S3、判断相遇节点Nk是否可以接收返还消息：节点Ni向相遇节点Nk发送托管消息返还请求包，若节点Nk此时不为拥塞节点，则就会立刻回复同意接收返还消息的应答响应包给节点Ni；
如果节点Ni接收到应答响应包，则节点Ni会按照返还消息集合F中的记录，返还其托管的消息给节点Nk，并在消息返还结束后执行步骤S4；
如果节点Ni在固定时间周期内没有收到应答响应包，则节点Ni不返还托管消息，直接执行步骤S4；
S4、根据节点Ni的拥塞风险程度，判断其是否需要卸载消息：
如果节点Ni是拥塞节点，即需要卸载消息，则执行步骤S5；如果节点Ni不是拥塞节点，即不需要卸载消息，则节点Ni按照正常的路由协议运行；
S5、拥塞节点Ni选择拥塞风险低且节点间相遇概率高的节点作为其托管节点：
S5-1、拥塞节点Ni向所有邻居节点发送消息卸载请求包；
S5-2、如果邻居节点不是拥塞节点，且节点Ni和该节点在T时刻内的相遇概率F(T)大于阈值P，阈值为P∈(0,1]，则该邻居节点回复托管响应包给节点Ni，所述响应包的内容为该节点剩余缓存空间Bfree；
S5-3、节点Ni接收到邻居节点回复的所有响应包之后，选出剩余缓存空间Bfree最大的邻居节点作为拥塞节点Ni的消息托管节点Nj；
如果托管节点Nj存在，即节点Ni能够接收到响应包，则执行步骤S6，否则节点Ni按照正常的路由协议运行；
S6、拥塞节点Ni卸载消息：
S6-1、拥塞节点Ni计算其缓存中每个消息的效用函数值ω和需要卸载的消息总字节数Boffload，并把缓存中的消息m按照ω值降序排列，然后按照顺序把消息ID加入到卸载消息集合M中，直到卸载消息集合M中的n个消息满足消息大小的总和恰好等于或者大于Boffload：
Figure BDA0002169052050000061
S6-2、拥塞节点Ni按照顺序转发卸载消息集合M中的消息到托管节点Nj，并且托管节点Nj将拥塞节点Ni作为任务节点记录在其任务托管表中，同时记录托管的消息ID。
进一步的，节点是否为拥塞节点的判断方法为：
首先计算节点在当前时间周期j的拥塞风险值Vj：
Figure BDA0002169052050000062
其中
Figure BDA0002169052050000063
表示第j周期消息的流入总字节数，
Figure BDA0002169052050000064
表示第j周期消息的流出总字节数；并且如果第j周期消息流出总字节数
Figure BDA0002169052050000065
为0，则设置Vj＝2；
如果Vj不大于1，则表示该节点没有拥塞风险，即该节点不是拥塞节点；如果Vj大于1，则表示该节点在一段时间内有可能发生拥塞，继续计算该节点缓存区的平均缓存增加值subavg：
Figure BDA0002169052050000071
其中，
Figure BDA0002169052050000072
subsum为的节点缓存增加总和，count为在计算缓存增加总和subsum的过程中统计出的
Figure BDA0002169052050000073
大于
Figure BDA0002169052050000074
的时间周期的个数；
如果该节点的平均缓存增加值subavg不大于节点的剩余缓存空间Bfree，则该节点拥塞风险低，该节点不是拥塞节点；如果该节点的平均缓存增加值subavg大于节点的剩余缓存空间Bfree，则该节点存在很高的拥塞风险，该节点是拥塞节点。
进一步的，所述步骤S1中，节点Ni更新其相遇列表的步骤为：
节点Ni首先检测其相遇列表是否存在节点Nk的记录，如果不存在表示两个节点为第一次相遇，此时动态创建一条新纪录，使上一次相遇时间tmeet为当前时间，相遇次数count为1，平均相遇间隔tavg为当前时间；否则，表示两个节点之前相遇过，则修改相遇列表，记录当前时间tcurrent，更新平均相遇间隔tavg：
Figure BDA0002169052050000075
然后再把相遇次数count加1，更新上一次相遇时间tmeet为当前时间tcurrent。
进一步的，所述步骤S3中，如果在消息返还过程中节点Ni与Nk断开了连接则结束返还，未返回的消息继续存到节点Ni缓存中进行托管；如果节点Ni返还部分消息后，节点Nk发生了拥塞则结束返回，未返回的消息继续存到节点Ni缓存中进行托管。
进一步的，所述步骤S3中，节点Ni按照返还消息集合F中记录的消息ID，返还其托管的消息给相遇节点Nk；每返还一个消息，节点Nk在节点Ni对应的托管消息集合θ中删除返还的消息ID；如果最后集合θ为空，则节点Nk在任务托管表中删除Ni这条记录。
进一步的，所述步骤S5-2中，节点Ni和节点Nj在T时刻内的相遇概率F(T)为：
Figure BDA0002169052050000081
进一步的，所述步骤S6-1中，消息的效用函数值ω为：
Figure BDA0002169052050000082
其中，tcurrent表示当前时间，tcreat表示的是消息生成时间戳，C为消息的转发跳数，ttl为消息的剩余生存周期，TTL为消息的总生存时间；
需要卸载的消息总字节数Boffload为：
Figure BDA0002169052050000083
其中，BS表示节点缓存容量的大小，Bo表示当前已占用缓存空间的容量，Vj为当前第j个生存周期节点Ni的拥塞风险值。
进一步的，所述步骤S6-2中，如果消息卸载过程中节点Ni与Nj断开了连接，则卸载停止；如果节点Nj变成拥塞节点，则卸载停止；否则将卸载消息集合M中消息全部卸载。
进一步的，所述步骤S6-2中，如果任务节点Ni存在于托管节点Nj的任务托管表中，则只需要更新托管消息集合，把本次卸载的消息加入到托管消息集合中；如果任务节点Ni不存在于托管节点Nj的任务托管表中，则创建新的记录，分别记录任务节点Ni，以及节点Ni托管的所有消息ID的集合。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明用于对机会网络的拥塞问题进行控制，首先是预测拥塞：本发明通过消息流入流出速度的加权平均值，来预测节点发生拥塞的风险，比值大于1则代表节点有拥塞风险，同时结合几点缓存占用，判断剩余缓存空间和节点缓存平均增加概率之间的关系。如果剩余缓存空间消息节点缓存平均增加，则节点具有高拥塞风险，是拥塞节点，需要及时卸载消息到其他节点来降低拥塞风险。
区别于现有的拥塞检测方法只简单的判断当前的缓存区占用率或者消息的丢弃率，只是简单的设置阈值，不能合理的说明何种情况节点会发生什么程度的拥塞。本发明的预测拥塞方法更加科学有效，本发明是根据流入流出速度的比值，以及缓存区的平均增加值，因此能够更加有效的预测和避免拥塞。
其次是避免拥塞：本发明采用消息的迁移机制，把消息卸载到其它空闲节点来减少当前节点的缓存占用，而不是现有方法中采用的丢弃策略。
无论是设计多么合理的消息转发策略，仍然会有一些节点是关键节点，是活跃节点，会有大量的消息流入流出，有可能造成节点拥塞，造成消息丢弃。所以本发明设计了一个独立于路由的方法，可以加载在其它的路由转发算法上，只有检测到可能发生拥塞时才会卸载消息，其它时候不会打扰消息的正常路由选择，能够更好的提高消息的传送成功率。本发明的拥塞避免方法，根据一定时间周期内消息的流入流出速度以及节点的平均缓存增加情况判断节点的拥塞风险，然后拥塞节点及时卸载消息到其他非拥塞节点。
附图说明
图1是网络采用epidemic算法每两小时产生拥塞的节点数对比图；
图2是网络采用Prophet算法每两小时产生拥塞的节点数对比图；
图3是网络采用Spray-and-wait算法每两小时产生拥塞的节点数对比图；
图4是关键节点发生拥塞原因示意图；
图5是本发明机会网络的机制图；
图6是本发明机会网络的机制图；
图7是本发明基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法的路由流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
机会网络的主要目标就是小延时，高成功率的转发消息。本发明的机制如图5，6所示。本发明涉及的机会网络由在有限区域内移动的n个移动节点构成，利用射频范围和通信带宽大小固定的无线射频装置收发数据，只有当两个节点进入可通信的射频范围内，才可以通过无线链路进行单跳传输；每个节点都具有唯一的ID号，具有相同大小的缓存空间BS，随机产生到任意目的节点的大小不同的消息。节点之间采用“存储—携带—转发”机制依靠节点移动带来的机会实现消息转发，每节点都自愿协作转发其他节点的消息；当节点存储消息的缓存空间剩余较小时表示其具有拥塞风险，其中拥塞风险很高需要及时卸载消息的节点称为拥塞节点；拥塞节点及时将部分消息卸载到缓存空间剩余较大的邻居节点中，以降低拥塞的风险；将成功卸载了部分消息而拥塞风险已经降低的拥塞节点称为任务节点，而缓存中存储有由其他任务节点迁移过来的消息的节点为托管节点；当节点为任务节点时选择通信范围内的托管节点进行托管消息，对于不托管节点只能正常路由。当托管节点再次遇见任务节点时，若此时任务节点的拥塞程度降低，则托管节点将其托管的消息返还给任务节点。
任务节点与拥塞节点不同的是，由于将存储携带的部分消息成功卸载到了其他节点上，其拥塞风险已经降低，由拥塞节点转变为了非拥塞节点，但又与普通的非拥塞节点不同，这类节点还有部分消息转发任务在其他节点上等待完成，固称之为任务节点。
为了便于消息卸载时选择合适的托管节点，以及消息返回时确定哪些消息为托管消息及其任务节点，在每个移动节点内部都维护有两个数据结构表：相遇列表和任务托管表，如表1和表2所示。其中相遇列表记录该节点与其它节点相遇情况，包括邻居节点ID、上一次相遇时间tmeet，相遇次数count、平均相遇间隔tavg，当两个节点相遇时，节点将自动更新相遇列表；任务托管表记录在该节点缓存中哪些消息属于托管消息，包括任务节点ID和消息ID的集合；当托管节点接收了任务节点卸载的消息后，托管节点在任务托管表中记录任务节点以及托管的消息ID集合。
消息采用Bundle协议发送，具有唯一的ID号，还包括用于控制消息的发送节点和目标节点的ID、消息产生的时间戳、消息生存周期TTL等；为了保持时间的一致性，所有节点时钟同步，节点每个时隙检查所携带消息的生存时间，丢弃超时的消息。
表1相遇列表
邻居节点ID 上一次相遇时间 相遇次数 平均相遇
N<sub>k</sub> t<sub>meet</sub> Count t<sub>avg</sub>
表2托管任务表
任务节点ID 消息ID集合θ
N<sub>i</sub> {m<sub>1</sub>，m<sub>2</sub>，m<sub>3</sub>，…，m<sub>n</sub>}
本发明的消息设计成表3的形式，消息头字段分别表示：消息ID，原节点ID，目的节点ID，生存周期，消息生成时间戳，消息转发的跳数。
表3本发明消息格式
Figure BDA0002169052050000121
当节点Ni与节点Nk相遇时，节点Ni调用所述拥塞控制方法，完成托管消息返回或卸载消息的功能。
如图7所示，本发明基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法包括以下步骤：
步骤S1、节点Ni更新其相遇列表；
节点Ni更新其相遇列表的步骤为：
节点Ni首先检测其相遇列表是否存在节点Nk的记录，如果不存在表示两个节点为第一次相遇，此时动态创建一条新纪录，使上一次相遇时间tmeet为当前时间，相遇次数count为1，平均相遇间隔tavg为当前时间；否则，表示两个节点之前相遇过，则修改相遇列表，记录当前时间tcurrent，更新平均相遇间隔tavg：
Figure BDA0002169052050000122
然后再把相遇次数count加1，更新上一次相遇时间tmeet为当前时间tcurrent。
步骤S2、节点Ni首先查询其任务托管表，检测节点Nk是否存在于其任务托管表中：
如果相遇节点Nk在节点Ni的任务托管表中，表明节点Ni的缓存中存在为节点Nk托管的消息，此时节点Ni获取节点Nk对应的托管消息ID集合θ，然后节点Ni查询其缓存空间，删除θ中已经不存在于节点Ni缓存空间的消息，仍然存在于节点Ni缓存空间的消息ID则记录在返还消息集合F中，然后执行步骤S3；如果相遇节点Nk不在节点Ni的任务托管表中，表示节点Ni的缓存中不存在为节点Nk托管的消息，则直接执行步骤S4。
步骤S3、判断相遇节点Nk是否可以接收返还消息：节点Ni向相遇节点Nk发送托管消息返还请求包，若节点Nk此时不为拥塞节点，则就会立刻回复同意接收返还消息的应答响应包给节点Ni；
托管消息返还请求包，包括源ID、目的ID、应答状态和消息内容；所述应答状态分为4种类型：00表示托管消息返还请求包，01表示消息卸载请求包，10表示接收返还消息响应包，11表示托管响应包。
如果节点Ni接收到应答响应包，节点Ni会按照返还消息集合F中的记录，返还其托管的消息给节点Nk；消息返还结束后执行步骤S4；如果节点Ni在固定时间周期内没有收到应答响应包，则节点Ni不返还托管消息，直接执行步骤S4。
节点Ni按照返还消息集合F中记录的消息ID，返还其托管的消息给相遇节点Nk；每返还一个消息，节点Nk在节点Ni对应的托管消息集合θ中删除返还的消息ID；如果最后集合θ为空，则节点Nk在任务托管表中删除Ni这条记录。如果在消息返还过程中节点Ni与Nk断开了连接则结束返还，未返回的消息继续存到节点Ni缓存中进行托管；如果节点Ni返还部分消息后，节点Nk发生了拥塞则结束返回，未返回的消息继续存到节点Ni缓存中进行托管。
步骤S4、根据节点Ni的拥塞风险程度，判断其是否需要卸载消息：
若节点Ni是拥塞节点，即需要卸载消息，则执行步骤S5；若节点Ni不是拥塞节点，即不需要卸载消息，则节点Ni按照正常的路由协议运行；
步骤S5、拥塞节点Ni选择托管节点：
拥塞节点Ni选择拥塞风险低且节点间相遇概率高的节点作为其托管节点：
S5-1、拥塞节点Ni向所有邻居节点发送消息卸载请求包；
S5-2、如果邻居节点不是拥塞节点，且节点Ni和该节点在T时刻内的相遇概率F(T)大于阈值P，阈值为P∈(0,1]，则该邻居节点回复托管响应包给节点Ni，所述响应包的内容为该节点剩余缓存空间Bfree；
机会网络中，两个节点Ni和Nj在t时刻的相遇服从指数分布，即
Figure BDA0002169052050000141
因其中eij表示节点Ni和Nj之间的连接，λij代表连接的权重，数值表示为平均相遇间隔1/tavg。因此利用节点维护的相遇表可以有效预测节点的相遇概率。
节点Ni和节点Nj在T时刻内的相遇概率F(T)为：
Figure BDA0002169052050000142
S5-3、节点Ni接收到邻居节点回复的所有响应包之后，选出剩余缓存空间Bfree最大的邻居节点作为拥塞节点Ni的消息托管节点，记为Nj；如果托管节点Nj存在，即节点Ni能够接收到响应包，则执行步骤S6，否则节点Ni按照正常的路由协议运行。
本发明主要就是通过任务卸载来实现提高消息传递成功率，因此需要合理判断如何选择任务节点以及托管节点。本发明的思想是由于节点缓存占用过多，易造成网络拥塞，所以暂时把一些消息迁移到其它节点，来减少消息丢弃。因此拥塞节点即需要卸载消息。
现有的路由算法把消息转发到当前节点，就代表当前节点是转发成功概率较高的节点之一。因此存在消息卸载到托管节点就一直在缓冲区内，不能被转发出去的情况。而且经过实验验证，确实很少有消息能够被转发出去，都在等待生存周期结束，或者等待消息回传。而节点能回传的前提条件是节点需要再次相遇，且节点的拥塞程度降低。所以在选择托管节点时，不只需要考虑节点剩余缓存还需要考虑节点间的相遇概率。
消息卸载需要占用消息信道传输消息，而机会网络节点间只有一个传输信道，即节点只能和一个节点保持通信，因此应该选择一个最合适的节点进行消息卸载，既能保证传输过程网络资源消耗少，又能保证节点相遇概率大，消息能够回传，减少消息丢弃数，提高消息传递成功率。因此本发明选择在未来几个时间周期内节点相遇概率高、节点当前拥塞概率低、剩余缓存空间大的节点作为托管节点。选择合适的托管节点，首先就是拥塞风险要低，否则托管节点变成拥塞节点就仍需要卸载消息；其次就是节点间相遇概率要高，才能在消息的生存周期内，节点再次相遇，托管节点返还托管的消息给任务节点。
步骤S6、拥塞节点Ni卸载消息：
S6-1、拥塞节点Ni计算其缓存中每个消息的效用函数值ω和需要卸载的消息总字节数Boffload，并把缓存中的消息m按照ω值降序排列，然后按照顺序把消息ID加入到卸载消息集合M中，直到卸载消息集合M中的n个消息满足消息大小的总和恰好等于或者大于Boffload：
Figure BDA0002169052050000151
消息的效用函数值ω为：
Figure BDA0002169052050000152
其中，tcurrent表示当前时间，tcreat表示的是消息生成时间戳，C为消息的转发跳数，ttl为消息的剩余生存周期，TTL为消息的总生存时间；若某一个消息C值为0，代表当前节点为消息的源节点，此时直接使ω＝1，选择直接卸载。
需要卸载的消息总字节数Boffload为：
Figure BDA0002169052050000153
其中，BS表示节点缓存容量的大小，Bo表示当前已占用缓存空间的容量，Vj为当前第j个生存周期，节点Ni的拥塞风险值。
S6-2、拥塞节点Ni按照顺序转发卸载消息集合M中的消息到托管节点Nj，并且托管节点Nj将拥塞节点Ni作为任务节点记录在其任务托管表中，同时记录托管的消息ID。如果消息卸载过程中节点Ni与Nj断开了连接，则卸载停止；如果节点Nj变成拥塞节点，则卸载停止；否则将卸载消息集合M中消息全部卸载。
如果任务节点Ni存在于托管节点Nj的任务托管表中，则只需要更新托管消息集合，把本次卸载的消息加入到托管消息集合中；如果任务节点Ni不存在于托管节点Nj的任务托管表中，则创建新的记录，分别记录任务节点Ni，以及节点Ni托管的所有消息ID的集合。
本发明中节点是否为拥塞节点的判断方法为：
首先计算节点在当前时间周期j的拥塞风险值Vj：
Figure BDA0002169052050000161
其中
Figure BDA0002169052050000162
表示第j周期消息的流入总字节数，
Figure BDA0002169052050000163
表示第j周期消息的流出总字节数；并且如果第j周期消息流出总字节数
Figure BDA0002169052050000164
为0，则设置Vj＝2；
随着消息的流入流出，节点统计每个时间周期的消息流入总字节数
Figure BDA0002169052050000165
与消息流出总字节数
Figure BDA0002169052050000166
并计算每个时间周期的拥塞风险值Vi；消息的流入统计的是新产生的消息和接收的消息；消息的流出统计的是删除的消息。
如果Vj不大于1，则表示该节点没有拥塞风险，即该节点不是拥塞节点；如果Vj大于1，则表示该节点在一段时间内有可能发生拥塞，继续计算该节点缓存区的平均缓存增加值subavg：
Figure BDA0002169052050000171
其中，
Figure BDA0002169052050000172
subsum为的节点缓存增加总和，count为在计算缓存增加总和subsum的过程中统计出的
Figure BDA0002169052050000173
大于
Figure BDA0002169052050000174
的时间周期的个数；
如果该节点的平均缓存增加值subavg不大于节点的剩余缓存空间Bfree，则该节点拥塞风险低，该节点不是拥塞节点；如果该节点的平均缓存增加值subavg大于节点的剩余缓存空间Bfree，则该节点存在很高的拥塞风险，该节点是拥塞节点。
节点的拥塞可以很明显的通过缓存区来判断，当节点缓冲区变满，或者剩余空间不足以让新消息传入时，节点会选择丢弃消息，也就发生了拥塞。如果没有单独的丢弃消息策略，机会网络选择丢弃的都是新进入消息，但是新消息都是很重要的消息，不能被丢弃，所以，本发明采用拥塞避免的方法，减少消息的丢弃。
由前文可知节点发生拥塞的两种情况一是由于多副本路由，二就是由于节点的消息流入速度长时间大于流出速度，消息不能及时转发，滞留在节点内，造成节点拥塞。因此，本发明通过消息流入流出速度比来判断拥塞风险，消息的流入速度用
Figure BDA0002169052050000175
表示，流出速度用
Figure BDA0002169052050000176
表示，
Figure BDA0002169052050000177
和
Figure BDA0002169052050000178
分别为一段时间周期T内节点Nj流入和流出的消息总的字节数。由于机会网络拓扑图动态变化，所以消息流入流出的速度也会随着周期内接触节点的不同而动态变化，因而拥塞风险的预测是对节点当前时间周期内
Figure BDA0002169052050000179
和
Figure BDA00021690520500001710
的比值和上一时间周期的风险值取加权平均值，如公式(1)所示，这样才能更加精准的预测节点的拥塞风险。
拥塞风险值Vj通过加权平均，得到的就是一段时间内
Figure BDA00021690520500001711
和
Figure BDA00021690520500001712
的比值，当Vj值大于1，即代表一段时间内
Figure BDA0002169052050000181
大于
Figure BDA0002169052050000182
有拥塞风险。
再判断消息的剩余缓存空间。速度比值Vj并不一定代表拥塞风险高，因为存在可能：如在本周期内流入三个消息，流出一个消息，比值为三，而流入10个消息流出五个消息，比值为二，但前者缓存实际增加比后者少。因此需要再判断
Figure BDA0002169052050000183
和
Figure BDA0002169052050000184
的平均差值subavg。如果subavg大于节点剩余缓存空间Bfree，则该节点存在很高的拥塞风险，该节点是拥塞节点。
本发明对于卸载消息的选择：
任务卸载能够提高消息转发成功率一方面在于合理的选择任务节点和托管节点，另一方面在于合理的选择卸载消息。消息只是暂时迁移过去，如不能在托管节点被转发，消息需迁移回原节点，否则只能等待生存时间结束被丢弃，这就只是消息丢弃策略，有可能降低消息传递成功率，因此应合理的选择卸载消息。
对于需要卸载何种消息，本发明考虑两个因素。第一是消息的剩余生存周期，机会网络拓扑图动态变化，节点间的相遇概率是不确定的，而且即使节点再次相遇，任务节点可能仍处于拥塞状态，因此本发明首先选择剩余时间周期长的节点，更长的时间可以等价为节点拥有更大的概率可以被传回，或者被转发；但是剩余时间周期长也反映消息比较新，为防止消息在网络中刚产生，没有被扩散开，因此本发明考虑了第二个因素：消息在整个网络中的扩散范围，即目前可能有多少个节点存储了此消息的副本。
在消息中有一标志位记录的是消息已经转发的次数用C表示。因为机会网络基本上都采用多副本的传输方式，所以消息转发的次数越多，存储消息副本的节点也会越多，也会有更大的可能性传递到目的节点，因为这类消息可以暂时的卸载到托管节点，而不会影响消息的成功传递。因此综合考虑这两个因素，按照公式(2)计算消息的排序ω。当前时间tcurrent与消息生成时间戳tcreat的时间差与消息转发次数C的比值越小表示消息的扩散速度越快。该效用函数综合选择扩散速度快以及剩余生存周期长的消息。对于缓存中的所有消息按照这个代价从大到小排序，优先选择ω大的消息卸载到托管节点。
选择消息时还要注意任务节点刚从托管节点接收的消息不能在本次传回，因为任务节点更加能使消息更快到达目的节点，所以如果刚传递的消息再卸载回去，那么只会增加网络的计算量，增大消耗，减少网络传递成功率。
其次需要考虑卸载多少消息：
由于节点通信范围内同时有多个节点，同步传输，需要空出一定的缓存空间来避免拥塞。节点总缓存用BS表示，当前占用的缓存空间用B0表示。所有的卸载消息总和Bunstall为：
Bunstall＝B0-BS*Tc
其中，
Figure BDA0002169052050000191
Vj值越大，Tc越小，需要卸载消息越多，节点空出的安全空间越大。
本发明的消息返回：
消息返回同样是本发明一个重要的部分。消息返回发生在两节点再次相遇时，如果任务节点的拥塞风险降低，对于没有在托管节点被转发的消息，需要返回原节点，这时返回节点不需要考虑返回何种消息以及返回多少消息。因为这时候仍然留下的消息比较少，所以不需要额外的计算和排序来增加计算量，加大网络消耗，只要符合条件能返回的消息就返回给任务节点。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，其特征在于：
所述机会网络由在有限区域内移动的n个移动节点构成，节点之间采用“存储—携带—转发”机制依靠节点移动带来的机会实现消息转发，每节点都自愿协作转发其他节点的消息；当节点存储消息的缓存空间剩余较小时表示其具有拥塞风险，其中拥塞风险很高需要及时卸载消息的节点称为拥塞节点；拥塞节点及时将部分消息卸载到缓存空间剩余较大的邻居节点中，以降低拥塞的风险；将成功卸载了部分消息而拥塞风险已经降低的拥塞节点称为任务节点，而缓存中存储有由其他任务节点迁移过来的消息的节点为托管节点；当托管节点再次遇见任务节点时，若此时任务节点的拥塞程度降低，则托管节点将其托管的消息返还给任务节点；
为了便于消息卸载时选择合适的托管节点，以及消息返回时确定哪些消息为托管消息及其任务节点，在每个移动节点内部都维护有两个数据结构表：相遇列表和任务托管表，其中相遇列表记录该节点与其它节点相遇情况，包括邻居节点ID、上一次相遇时间tmeet，相遇次数count、平均相遇间隔tavg，当两个节点相遇时，节点将自动更新相遇列表；任务托管表记录在该节点缓存中哪些消息属于托管消息，包括任务节点ID和消息ID的集合；当托管节点接收了任务节点卸载的消息后，托管节点在任务托管表中记录任务节点以及托管的消息ID集合；
当节点Ni与节点Nk相遇时，节点Ni调用所述拥塞控制方法，完成托管消息返回或卸载消息的功能；所述拥塞控制方法包括以下步骤：
S1、节点Ni更新其相遇列表；
S2、节点Ni首先查询其任务托管表，检测相遇节点Nk是否存在其任务托管表中：
如果相遇节点Nk在节点Ni的任务托管表中，则节点Ni获取节点Nk对应的托管消息ID集合θ，然后节点Ni查询其缓存空间，删除θ中已经不存在于节点Ni缓存空间的消息，仍然存在于节点Ni缓存空间的消息ID则记录在返还消息集合F中，然后执行步骤S3；
如果相遇节点Nk不在节点Ni的任务托管表中，则直接执行步骤S4；
S3、判断相遇节点Nk是否可以接收返还消息：节点Ni向相遇节点Nk发送托管消息返还请求包，若节点Nk此时不为拥塞节点，则就会立刻回复同意接收返还消息的应答响应包给节点Ni；
如果节点Ni接收到应答响应包，则节点Ni会按照返还消息集合F中的记录，返还其托管的消息给节点Nk，并在消息返还结束后执行步骤S4；
如果节点Ni在固定时间周期内没有收到应答响应包，则节点Ni不返还托管消息，直接执行步骤S4；
S4、根据节点Ni的拥塞风险程度，判断其是否需要卸载消息：
如果节点Ni是拥塞节点，即需要卸载消息，则执行步骤S5；如果节点Ni不是拥塞节点，即不需要卸载消息，则节点Ni按照正常的路由协议运行；
S5、拥塞节点Ni选择拥塞风险低且节点间相遇概率高的节点作为其托管节点：
S5-1、拥塞节点Ni向所有邻居节点发送消息卸载请求包；
S5-2、如果邻居节点不是拥塞节点，且节点Ni和该节点在T时刻内的相遇概率F(T)大于阈值P，阈值为P∈(0,1]，则该邻居节点回复托管响应包给节点Ni，所述响应包的内容为该节点剩余缓存空间Bfree；
S5-3、节点Ni接收到邻居节点回复的所有响应包之后，选出剩余缓存空间Bfree最大的邻居节点作为拥塞节点Ni的消息托管节点Nj；
如果托管节点Nj存在，即节点Ni能够接收到响应包，则执行步骤S6，否则节点Ni按照正常的路由协议运行；
S6、拥塞节点Ni卸载消息：
S6-1、拥塞节点Ni计算其缓存中每个消息的效用函数值ω和需要卸载的消息总字节数Boffload，并把缓存中的消息m按照ω值降序排列，然后按照顺序把消息ID加入到卸载消息集合M中，直到卸载消息集合M中的n个消息满足消息大小的总和恰好等于或者大于Boffload：
Figure FDA0003663296110000031
S6-2、拥塞节点Ni按照顺序转发卸载消息集合M中的消息到托管节点Nj，并且托管节点Nj将拥塞节点Ni作为任务节点记录在其任务托管表中，同时记录托管的消息ID；
节点是否为拥塞节点的判断方法为：
首先计算节点在当前时间周期j的拥塞风险值Vj：
Figure FDA0003663296110000032
其中
Figure FDA0003663296110000033
表示第j周期消息的流入总字节数，
Figure FDA0003663296110000034
表示第j周期消息的流出总字节数；并且如果第j周期消息流出总字节数
Figure FDA0003663296110000035
为0，则设置Vj＝2；
如果Vj不大于1，则表示该节点没有拥塞风险，即该节点不是拥塞节点；如果Vj大于1，则表示该节点在一段时间内有可能发生拥塞，继续计算该节点缓存区的平均缓存增加值subavg：
Figure FDA0003663296110000041
其中，
Figure FDA0003663296110000042
subsum为的节点缓存增加总和，count为在计算缓存增加总和subsum的过程中统计出的
Figure FDA0003663296110000043
大于
Figure FDA0003663296110000044
的时间周期的个数；
如果该节点的平均缓存增加值subavg不大于节点的剩余缓存空间Bfree，则该节点拥塞风险低，该节点不是拥塞节点；如果该节点的平均缓存增加值subavg大于节点的剩余缓存空间Bfree，则该节点存在很高的拥塞风险，该节点是拥塞节点；
所述步骤S1中，节点Ni更新其相遇列表的步骤为：
节点Ni首先检测其相遇列表是否存在节点Nk的记录，如果不存在表示两个节点为第一次相遇，此时动态创建一条新纪录，使上一次相遇时间tmeet为当前时间，相遇次数count为1，平均相遇间隔tavg为当前时间；否则，表示两个节点之前相遇过，则修改相遇列表，记录当前时间tcurrent，更新平均相遇间隔tavg：
Figure FDA0003663296110000045
然后再把相遇次数count加1，更新上一次相遇时间tmeet为当前时间tcurrent。
2.根据权利要求1所述的基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，如果在消息返还过程中节点Ni与Nk断开了连接则结束返还，未返回的消息继续存到节点Ni缓存中进行托管；如果节点Ni返还部分消息后，节点Nk发生了拥塞则结束返回，未返回的消息继续存到节点Ni缓存中进行托管。
3.根据权利要求1所述的基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S3中，节点Ni按照返还消息集合F中记录的消息ID，返还其托管的消息给相遇节点Nk；每返还一个消息，节点Nk在节点Ni对应的托管消息集合θ中删除返还的消息ID；如果最后集合θ为空，则节点Nk在任务托管表中删除Ni这条记录。
4.根据权利要求1所述的基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S5-2中，节点Ni和节点Nj在T时刻内的相遇概率F(T)为：
Figure FDA0003663296110000051
5.根据权利要求1所述的基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S6-1中，消息的效用函数值ω为：
Figure FDA0003663296110000052
其中，tcurrent表示当前时间，tcreat表示的是消息生成时间戳，C为消息的转发跳数，ttl为消息的剩余生存周期，TTL为消息的总生存时间；
需要卸载的消息总字节数Boffload为：
Figure FDA0003663296110000053
其中，BS表示节点缓存容量的大小，Bo表示当前已占用缓存空间的容量，Vj为当前第j个生存周期节点Ni的拥塞风险值。
6.根据权利要求1所述的基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，其特征在于：所述步骤S6-2中，如果消息卸载过程中节点Ni与Nj断开了连接，则卸载停止；如果节点Nj变成拥塞节点，则卸载停止；否则将卸载消息集合M中消息全部卸载。
7.根据权利要求1所述的基于转发任务迁移的机会网络拥塞控制方法，其特征在于，所述步骤S6-2中，如果任务节点Ni存在于托管节点Nj的任务托管表中，则只需要更新托管消息集合，把本次卸载的消息加入到托管消息集合中；如果任务节点Ni不存在于托管节点Nj的任务托管表中，则创建新的记录，分别记录任务节点Ni，以及节点Ni托管的所有消息ID的集合。
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