专利名称：减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法
技术领域：
本发明总体上涉及网络通信技术领域,更具体地涉及一种DTN或ICN网络上利用节 点地理位置信息减少冗余消息方法。
背景技术：
容迟网络(DTN)或间歇连接网络(ICN)网络是一种完全由移动节点构成、节点分 布密度稀疏、通常没有持续的端到端连接的无线网络。其中的移动节点既是主机又具备 路由功能，负责发现和维护通往其他节点的路径。但与典型的Ad Hoc网络不同，DTN或 ICN中的数据传输采用转发一缓存一转发(Forward-Buffer-Forward)的异步传输模式， 即当路由路径出现中断时，中间节点会将待转发消息(由多个数据包组成的数据包组) 暂时存储在缓存器中，直到遇到其他合适的中间节点或者目的节点再将其转发出去。这 类网络减轻了传统无线网络对节点通信范围、节点密度和端到端路由的依赖，极大地扩 展了无线网络的应用。近年来，DTN和ICN被广泛应用于行星际网络(Inter-Planetary Network)、战场通信、游牧通信(Nomadic Communication)、传感器网络、偏远地区 数据接入等通信服务中。
但是，DTN和ICN网络中的移动节点大多都是移动便携设备，这些设备通常都只由电 池供电，电池能量有限，而且电池的充电或更换在一些应用场景中是不便的甚至是不可 以的(如战场通信和传感器网络)。当节点电池能量耗尽时，不能与其他节点进行有效 通信。同时，随着耗尽电量节点的增加，网络中的节点就变得越来越稀疏，数据传输也 越来越困难。因此，减少冗余消息的传输以节省节点能量的消耗对DTN和ICN网络性能 起着决定性的作用，研究如何减少冗余消息对DTN和ICN网络具有非常重要的意义。
对于DTN和ICN网络中使用的网络协议，现通用的标准大多基于投递率或延时的 考虑，在源节点和目的节点之间选取多个中间节点保存待传输消息的副本，通过源节点 和中间节点的移动将待传输消息投递给目的节点。其中最为典型的是"传染病路由算法"， 即源节点将产生的消息进行复制并传递给所有进入其通信范围的节点，这些保留消息副 本的节点再将消息进行二次复制并传递给它们所遇到的所有节点，最终至少一个消息副 本可到达目的节点。由于消息的大量复制，几乎每一个节点都会收到并转发网络中任意 消息的一个副本。同时，由于DTN和ICN网络中的消息传输是异步的，当一个消息副本 到达目的节点时，网络中存在的大量的消息副本不会被立即销毁。这些副本会占用节点 缓存器相当长的一段时间，甚至仍在节点间相互传递。这些"冗余"的消息副本不仅占 用了节点的缓存空间，同时还造成了大量不必要的通信，浪费了大量的能量。因此，需 要对冗余消息数量进行控制，即选择合适的中间节点转发冗余消息。
发明内容
本发明的目的是提供一种DTN和ICN网络上利用节点地理位置信息减少冗余消息方 法。该方法通过使用对容迟网络和间歇连接网络中节点的位置信息进行记录，采用列 表交换机制，在网络层选择合适的中间节点进行消息转发，以减少DTN和ICN网络中冗 余消息的数量和冗余消息的传输，从而有效地降低节点能量消耗、延长节点工作时间、 改善网络性能和生存期的作用。该方法作为一种比较理想、节能效果好、实用性强的技 术方案，能够有效减少冗余节点的数量，降低投递消息的开销，延长移动节点工作时间， 实现整个DTN和ICN网络性能的改善和生命期延长。 为此，本发明采用如下的技术方案
一种减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其特征在于包括下列部分
(1) 源节点査询节点邻居表，若邻居列表中存在目的节点信息，则传输此消息至目
的节点，否则将该消息暂存于节点缓存器中；凡缓存器非空的节点周期性地发送探测信
息，能够相互通讯的节点之间利用探测信息交换消息列表和节点位置列表，以确定缓存 器中哪些消息需要进行交换；
(2) 当探测信息发送节点收到一个返回信息时，利用返回信息中携带的节点位置列 表对本节点保存的节点位置列表进行更新，然后根据更新后的本地节点位置列表对返回
信息中包括的消息列表进行更新；
(3)收到返回信息的节点按照更新后返回信息中包括的消息列表顺序发送缓存器 中相应的消息，检查是否收到媒体访问控制层确认信息，并将已经成功投递到目的节点 的消息从缓存器中删除。
作为优选实施方式，上述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其中 的步骤(1)中，按下列步骤执行探测信息的发送和交互
(11) 缓存器非空的节点发送路由探测信息服LLO，该信息头部包含megList字段和 PosList字段，megList字段记录发送探测信息节点缓存器中所有消息信息的列表， PosList字段记录发送探测信息节点保存的节点位置列表。
(12) 中间节点收到HELLO后提取包头信息中的megList字段和PosList字段，得 到megList—S列表和PosList—S列表，同时，根据PosList_S对该节点保存的节点位置 列表PosList_A进行更新，并根据本节点保存的消息列表megList_A对megList—S进行 更新，去掉其中与megList—A中记录重复的部分。
(13) 收到HELLO包的中间节点回复信息REPLY,该信息中包含avimegList字段与 PosList字段，avimegList字段记录上述更新后的megList—S中的记录，PosList字段记 录上述PosList—A中的记录。
上述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其中的步骤(2)，按下列 步骤执行
(21)发送探测信息HELLO的节点收到一个回复信息REPLY后，提取包头信息中的avimegList字段与PosList字段，得到avimegList列表和PosList—A列表，根据 PosList—A对该节点保存的节点位置列表PosList_S进行更新，对部分节点的位置进行修 正，位置列表记录更新的条件为
* PosList一A记录中"节点序列号"的值与PosList一S记录中"节点序列号"的值 相等；并且
* PosList一A记录中"计时位"的值小于PosList—S记录中"计时位"的值，所述 的"计时位"用来网络中任一节点与其它节点相遇的时间顺序；
(22)根据该节点保存的节点位置列表PosList—S对返回信息REPLY中包括的消息 列表avimegList进行更新，删除消息列表中一条记录的条件为
* avimegList记录中"目的节点序列号"的值与PosList_S记录中"节点序列号" 的值相等；并且
* 由目的节点位置(X一D, Y—D)、本节点位置(X_S， Y—S)和邻居节点位置(X—A， Y_A) 计算得出的本节点与目的节点和本节点与发送返回信息节点这两条位置向量之 间的夹角e大于设定夹角值。
上述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其中的步骤(22)中的设 定夹角值为45。；步骤(22)之后，还包括下列步骤:对于返回信息REPLY中的消息列 表avimegList中的每一条记录，如果该记录的目的节点序列号与发送返回信息节点 的序列号相同，则将该记录作为该列表的第一条记录。
当前，对与DTN和ICN网络中比较成熟的路由协议，通用的标准大多基于投递率或 延时的考虑，在源节点和目的节点之间选取多个中间节点保存待传输消息的副本，未考 虑使用节点地理位置信息来减少这些冗余的消息。本发明是减少冗余消息方法，可以有 效地选择合适的中间节点，减少冗余消息的数量。通过减少冗余消息的数量有效地降低 了节点能量消耗、延长节点工作时间、改善网络性能和生存期的作用。
本发明基于列表交换机制实现，突破了当前大多数针对DTN和ICN网络减少消息副 本的研究方法降低消息投递率、带来大量额外信息交换和计算能耗的局限性。不仅使用 节点地理位置信息来选择合适的中间节点，确保冗余消息的减少不会降低投递率；同时 使用探测信息携带节点位置列表，在避免带来额外传输能耗并降低计算复杂性。
本发明由当前Ad Hoc网络内标准路由协议AODV发展而来，结合DTN和ICN网络中 的传染病路由算法，对其路由准则加以该进，进而实现了冗余消息的减少。这种与传统 标准路由协议相结合的方式，使得本发明很好的保留了现有成熟路由协议的许多优点， 同时无需经过大范围的变更就可以被简易应用在现有网络中，效果理想，应用前景看好。
图1是本发明基本构架原理的示意图。
图2是本发明节点路由寻找过程的基本时序图。图3是本发明路由寻找过程中使用的路由请求信息(服LL0)的包格式图。
图4是消息列表的格式图。
图5是节点位置列表的格式图。
图6是本发明路由寻找过程中使用的路由应答信息(REPLY)的包格式图。
图7是为本发明实施例的工作流程所使用的示例拓扑图。(a)为时段1的网络拓
扑图；(b)为时段2的网络拓扑图；(C)为时段3的网络拓扑图；(d)为时段4的
网络拓扑图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、实现方案和优点更为清晰，下面结合附图对本发明作进一步地 详细描述。
参见图1，介绍本发明方法的基本构架原理一利用节点地理位置信息减少冗余消息 的方法。节点从物理层和数据链路层收到其它节点的节点位置列表后，在网络层对本节 点保存的节点位置列表进行更新并通过探测信息和返回信息发送给其它节点。同时，根 据节点保存的其它节点的位置信息对邻居节点进行筛选，只将消息转发给哪些与目的节 点位置接近的邻居。通过减少中间节点的数量，减少了冗余消息的数量，有效地降低了 冗余消息的传输，节省了节点的能量，同时提高了节点缓存器的利用率。
位置列表里保存的节点的位置信息，可以通过使用很多己经成熟的技术(例如GPS 定位)得到，例如，通过GPS，可以得知每个节点的坐标(x，y)，通过三个点的坐标使 用基本的三角运算就可以得到两条位置向量之间的夹角9 。
参见图2至图6，详细介绍本发明一种DTN和ICN网络上利用节点地理位置信息减少 冗余消息的方法，该方法包括以下几个阶段
(1) 路由寻找当源节点应用程序需要发送消息至目的节点时，应用层将消息向下 层发送。消息到达网络层时，查询节点邻居表，以期获知目的节点是否在通讯范围内。 如果邻居列表中不存在目的节点信息，则将该消息暂存于节点缓存器中。否则立即传输 此消息至目的节点。凡缓存器非空的节点周期性地发送探测信息以探测进入通讯范围的 节点，同时利用该探测信息交换消息列表和节点位置列表以确定缓存器中哪些消息需要
进行交换。该寻找过程的基本时序参见图2。该过程主要包含以下几个步骤发送探测信
息HELL0，接收探测信息HELLO，发送返回信息REPLY。
(2) 中间节点的选择当探测信息发送节点收到一个返回信息时，利用返回信息中 携带的节点位置列表对本节点保存的节点位置列表进行更新，然后根据更新后的本地节
点位置列表对返回信息中包括的消息列表进行更新。该过程主要包括以下几个步骤收
到返回信息REPLY并更新节点位置列表，对返回信息中包括的消息列表进行更新和排序。
(3)数据发送收到返回信息的节点按照更新后返回信息中包括的消息列表顺序 发送缓存器中相应的消息，并检查收到媒体访问控制层确认信息；并将己经成功投递到目的节点的消息从缓存器中删除。
所述部分(1)路由寻找过程主要包含以下几个步骤
(11) 发送路由探测信息HELLO。当节点缓存器非空时，周期性地广播路由探测信息 HELLO (扩展的路由探测信息包)。包格式见图3。特征为HELLO信息头部包含megList 字段和PosList字段，megList列表的格式参见图4， PosList列表的格式参见图5。 megList字段记录发送探测信息节点缓存器中所有消息信息的列表。PosList字段记录发 送探测信息节点保存的节点位置列表。此外,PosList列表中记录本节点位置的记录的"计 时位"始终为零，该列表中，其它节点记录"计时位"每秒增加l，周期性更新"节点位 置"字段。所述的"计时位"用来网络中任一节点与其它节点相遇的时间顺序。
(12) 接收探测信息HELL0。中间节点收到HELLO后提取包头信息中的megList字段 和PosList字段，得到megList—S列表和PosList—S列表。根据本节点保存的消息列表 megList—A对megLisLS进行更新，去掉其中与megList—A中记录重复的部分。同时，根 据PosList一S对该节点保存的节点位置列表PosList—A进行更新，对部分节点的位置进 行修正，节点位置列表记录更新的条件为
* PosList_S记录中"节点序列号"的值与PosList_A记录中"节点序列号"的值 相等；并且
* PosList—S记录中"计时位"的值小于PosList一A记录中"计时位"的值。
(13) 发送返回信息REPLY。本方法中只有收到HELLO包的中间节点可以回复REPLY 信息，REPLY包格式参见图6。REPLY中包含avimegList字段与PosList字段。avimegList 记录上述更新后的megList—S中的记录；PosList记录上述PosList—A中的记录。
所述部分(2)数据发送过程主要包含以下几个步骤
(21) 收到返回信息REPLY。发送HELLO包的节点收到一个REPLY后提取包头信息中 的avimegList字段与PosList字段，得到avimegList列表和PosList_A列表。根据 P0SList_A对该节点保存的节点位置列表PosList—S进行更新，对部分节点的位置进行修 正，位置列表记录更新的条件为
* PosList—A记录中"节点序列号"的值与PosList—S记录中"节点序列号"的值
* 相等；并且
* PosList—A记录中"计时位"的值小于PosList一S记录中"计时位"的值。
(22) 根据该节点保存的节点位置列表PosList—S对返回信息中包括的消息列表 avimegList进行更新，删除泊息列表中一条记录的条件为:
* avimegList记录中"目的节点序列号"的值与PosList_S记录中"节点序列号" 的值相等；并且
* 由目的节点位置(X_D, Y_D)本节点位置(X—S， Y—S)和邻居节点位置(X—A, Y_A) 计算得出的本节点与目的节点和本节点与发送返回信息节点这两条位置向量之
间的夹角9大于45度。此外，对该消息列表中的每一条记录，如果该记录的目的节点序列号与发送返 回信息节点的序列号相同，则将该记录作为该列表的第一条记录。
所述部分(3)进一步包括下述操作内容 (31)节点将消息发送给目的节点后，检查收到的媒体访问控制层确认信息。当收 到此次传输的确认信息后，表明该消息己经成功投递，该节点将此消息从缓存器中删除。
下面以图7为例，并参照图2，介绍本发明主要部分一中间节点选择过程的工作流程
在图7所示的拓扑网络中，假设节点S需要发送消息X到节点D，其中R代表各节点 的通讯范围。定义D(ij)为节点i与节点j之间的距离，B(i)为节点i中的消息，e(x， y) 为向量x和向量y的夹角，则以下条件被满足
a) Timeslot=l: D(SA)〈R, D(SB)〉R, D(SC)〉R, D(SD)〉R: B(S)=X, B(A)=NULL， B(B)=NULL， B(C)=NULL， B(D)=NULL; e (SA， SD) <45
b) Timeslot=2: D(SA)〉R, D(SB)〈R， D(CD)〈R; B(S)=X， B(A)=X, B(B)=NULL， B(C)=NULL， B(D):NULL; 9 (SB, SD)〉45
c) Timeslot:3: D(AB)〈R, D(AC)〈R, D(DB)〉R，D(SC)〉R; B(S):X， B(A)=X， B(B)=NULL， B(C)=NULL, B(D)=NULL; e (AB, AD) 〉45, e (AC, AD) <45
d) Timeslot=4: D(AB)〈R, D(SC)〈R， D(DB)〉R，D(SA)〉R; B(S)=X, B(A)=X， B(B)=NULL, B(C)=X, B(D)=MJLL;
(1) 节点S需要发送消息X到节点D，由图7可知在Ti,meslot (时段)l时间内， 节点A在S的传输范围内，而D不在；则S向它的邻居节点A广播路由请求信息包HELLO。 节点A收到该包后，返回应答信息REPLY并同意接收消息X。节点S收到REPLY后计算 S^与SD的夹角小于45度，因此，将消息X的一个副本发送给节点A。
(2) 在Timeslot (时段)2时间内，随着节点的移动，节点B进入节点S的通讯 范围；同时，节点B进入节点S的通讯范围。S向B广播路由请求信息包HELLO。节点B 收到该包后，返回应答信息REPLY并同意接收消息X。节点S收到REPLY后计算SB与SD 的夹角大于45度，因此，拒绝将消息X发送给节点B。同时,节点C获得节点D在Timeslot
(时段)2时的位置信息。
(3) 在Timeslot (时段)3时间内，随着节点的移动，节点A进入节点C的通讯 范围，同时节点B也进入节点A的通讯范围。此时，节点A广播HELLO包。节点B和节 点C均返回应答信息REPLY,并同意接收消息X。节点A收到REPLY后，首先更新节点D 的地理位置信息，然后分别计算AB与AD的夹角和AC与AD的夹角。由于AB与AD的夹 角大于45度，而AC与AD的夹角小于45度，因此节点A将消息X的一个副本发送给节 点C,而不会发送给节点B。
(4) 在Timeslot (时段)4时间内，随着节点的移动，节点C进入节点D的通讯 范围，节点C将消息X发送给节点D，完成消息X的投递，并将消息X从本节点缓存器中 删除。
权利要求
1. 一种减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其特征在于包括下列部分(1)源节点查询节点邻居表，若邻居列表中存在目的节点信息，则传输此消息至目的节点，否则将该消息暂存于节点缓存器中；凡缓存器非空的节点周期性地发送探测信息，能够相互通讯的节点之间利用探测信息交换消息列表和节点位置列表，以确定缓存器中哪些消息需要进行交换；(2)当探测信息发送节点收到一个返回信息时，利用返回信息中携带的节点位置列表对本节点保存的节点位置列表进行更新，然后根据更新后的本地节点位置列表对返回信息中包括的消息列表进行更新；(3)收到返回信息的节点按照更新后返回信息中包括的消息列表顺序发送缓存器中相应的消息，检查是否收到媒体访问控制层确认信息，并将已经成功投递到目的节点的消息从缓存器中删除。
2. 根据权利要求1所述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其特征在于， 其中的步骤(1)中，按下列步骤执行探测信息的发送和交互(11) 缓存器非空的节点发送路由探测信息HELLO，该信息头部包含megList字段和 PosList字段，megList字段记录发送探测信息节点缓存器中所有消息信息的列表， PosList字段记录发送探测信息节点保存的节点位置列表。(12) 中间节点收到HELLO后提取包头信息中的megList字段和PosList字段，得 到megList—S列表和PosList—S列表，同时，根据PosList一S对该节点保存的节点位置 列表PosList_A进行更新，并根据本节点保存的消息列表megList—A对megList—S进行 更新，去掉其中与megList—A中记录重复的部分。(13) 收到HELLO包的中间节点回复信息REPLY,该信息中包含avimegList字段与 PosList字段，avimegList字段记录上述更新后的megList_S中的记录，PosList字段记 录上述PosList—A中的记录。
3. 根据权利要求1所述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其特征在于， 其中的步骤(2)，按下列步骤执行(21) 发送探测信息HELLO的节点收到一个回复信息REPLY后，提取包头信息中的 avimegList字段与PosList字段，得到avimegList列表和PosList_A列表，根据 P0SList_A对该节点保存的节点位置列表PosList—S进行更新，对部分节点的位置进行修 正，位置列表记录更新的条件为* PosList—A记录中"节点序列号"的值与PosList_S记录中"节点序列号"的值 相等；并且* PosList—A记录中"计时位"的值小于PosList_S记录中"计时位"的值，所述 的"计时位"用来网络中任一节点与其它节点相遇的时间顺序；(22) 根据该节点保存的节点位置列表PosList一S对返回信息REPLY中包括的消息列表aviniegList进行更新，删除消息列表中一条记录的条件为* avimegList记录中"目的节点序列号"的值与PosList—S记录中"节点序列号" 的值相等；并且* 由目的节点位置(X—D， Y一D)、本节点位置(X—S， Y_S)和邻居节点位置(X—A， Y_A) 计算得出的本节点与目的节点和本节点与发送返回信息节点这两条位置向量之 间的夹角e大于设定夹角值。
4. 根据权利要求3所述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其特征在 于，其中的歩骤(22)中的设定夹角值为45。。
5. 根据权利要求3所述的减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，其特征在 于，步骤(22)之后，还包括下列步骤对于返回信息REPLY中的消息列表avimegList 中的每一条记录，如果该记录的目的节点序列号与发送返回信息节点的序列号相同， 则将该记录作为该列表的第一条记录。
全文摘要
本发明属于网络通信技术领域，涉及一种减少容迟网络和间歇连接网络中冗余消息的方法，包括源节点查询节点邻居表，若不存在目的节点信息，则将该消息暂存于节点缓存器中；凡缓存器非空的节点周期性地发送探测信息，利用探测信息交换消息列表和节点位置列表；当探测信息发送节点收到一个返回信息时，利用其携带的节点位置列表对本节点保存的节点位置列表进行更新，根据更新后的本地节点位置列表对返回信息中包括的消息列表进行更新；收到返回信息的节点按照更新后返回信息中包括的消息列表顺序发送缓存器中相应的消息，将已经成功投递到目的节点的消息从缓存器中删除。本发明能够有效减少冗余节点的数量，实现整个网络性能的改善和生命期延长。
文档编号H04L12/56GK101414964SQ20081015372
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月4日 优先权日2008年12月4日
发明者营 柴, 欣 王, 舒炎泰, 金志刚 申请人:天津大学