一种基于优化控制信息生成方法的延迟容忍网络路由方法与流程

本发明涉及的是一种延迟容忍网络(dtn)路由方法，主要涉及一种基于优化控制信息生成方法的dtn路由方法。

背景技术：

对于传统网络的体系结构如osi参考模型、internet体系结构、移动自组织网络等主要是解决传输时延小、错误率低、节点间存在链路等情况。但是在灾难场景、偏远地区等网络环境下，这些传统的体系结构将不再适用。然而，传输时延大、错误率高、资源受限等网络环境愈发普遍；dtn的出现很好地解决了如上问题。dtn是一种新型网络，其不同于传统网络，具有高延迟、高错误率、低传输率、可能不存在端到端的连接通路等特性。

鉴于dtn的诸多特性，传统网络“存储-转发”的方式无法满足其通信，其采用“存储-携带-转发”的路由模式，网络中的节点在发现合适的中继节点或目的节点之前将一直携带消息，并且消息一直由一个节点中继至另一个节点，除非该消息到达目的节点或者被丢弃。因此，dtn中节点的通信主要是借助节点的移动，利用网络中功能完好的连通分支，尽最大可能将消息交付至目的节点。dtn为了实现“存储-携带-转发”，在传统网络传输层之上架构了一个bundle层，从而将传统的“存储-转发”的路由模式转换为“存储-携带-转发”的路由模式，以适应高延迟、高错误率、无端到端连接路径的网络环境。

合理的dtn路由策略能够利用dtn中有限的资源，根据一定的转发策略进行消息转发，使得在不增加网络开销的同时，提高网络中消息成功交付的几率。但是目前的dtn路由策略还存在很多不足，其主要面向网络中资源不受限的环境，并未考虑网络中资源受限或资源不均衡的情况；同时，在进行消息转发时，消息转发成功率较低并且网络开销较大。因此，亟需提出一种面向受限资源的dtn路由策略，使其根据资源的受限情况以及分布情况，实施消息的转发。针对以上问题，本文提出一种基于ocigm资源受限dtn路由策略，该路由策略可以利用局部节点资源进行中继节点选择，并根据优化控制信息进行副本控制，从而达到网络的整体性能较优的目的。

文献《dynamicreplicationandforwardingcontrolbasedonnodesurroundingsincooperativedelay-tolerantnetworks》中，nishiyamah等人指出协作dtn可以通过将远离基站的节点产生的消息以多跳方式传送至基站的这种形式扩展另一些类型网络的覆盖范围，该文章针对协作dtn，提出了一种环分布路由，根据源节点的周围环境控制消息副本数量以及消息的转发。zhangl等人在《mobility-awareroutingindelaytolerantnetworks》中针对现有的路由算法未考虑节点空间信息的问题，其中空间信息是诸如在一个位置的驻留时间以及在节点相遇概率预测过程中的连接传递性等，提出了一种基于节点空间信息和节点连接传递性的路由策略。文献《exploitingsmallworldpropertiesformessageforwardingindelaytolerantnetworks》中，weik等人设计一种新型的消息交付度量单位表示节点的转发能力，并利用小世界特性设计中继节点选择规则，然后利用节点转发能力及中继节点选择规则设计了一种基于代价效率的社会感知路由算法。文献《performanceanalysisofhop-limitedepidemicroutingindtnwithlimitedforwardingtimes》中，yahuiwu等人为了减小网络开销，提出了一种跳数限制的传染病路由算法，该路由算法限制节点的转发次数。文献《routingindelaytolerantnetworkswithperiodicconnections》为了满足不同网络模型的需求，分析预测的多种级别，为不同类型的周期性连接提供不同的路由机制以此确保最早的交付时间和最小的跳数。

综上所述，目前已有的dtn路由策略主要依靠节点间的相遇信息(比如相遇持续时间、相遇次数等)或者节点的某些特性(比如移动速度、节点交付概率等)进行消息传输，并未考虑资源受限或者资源不均衡的环境。然而，在dtn的诸多应用场景中，往往存在着资源受限、资源不均衡的情况，比如灾难场景、偏远地区网络等。同时，已有的dtn路由策略未对全局网络状态做出判断，使得全局网络状态与路由策略难以取得一致的目标。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能使全局网络状态与路由策略取得一致的目标的基于优化控制信息生成方法的延迟容忍网络路由方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)节点与控制中心间通信

控制中心向节点发送优化控制信息的方式是利用卫星作为中继节点进行广播，节点向控制中心发送消息交付情况是通过节点移动进行消息中继的机会链路；

(2)节点间通信

节点间通信时，采用多副本方式进行消息传输。

本发明还可以包括：

1、所述节点向控制中心发送消息交付情况具体包括：

(a)判断时刻t是否为节点发送消息交付情况周期t2(时间t2是事先设定的值)的倍数，如果是，则转至(b)；否则转至(e)；

(b)节点i计算该节点在时刻t-t2至时刻t时间间隔内的消息交付情况mdsituationt{消息成功交付数、消息交付开销、消息交付延迟、丢弃消息数}；

(c)节点i将消息交付情况mdsituationt的生命周期设置为t2；

(d)判断节点i是否可直接将消息交付情况mdsituationt交付至控制中心，如果可以直接交付，则将消息交付情况mdsituationt交付至控制中心，并转至(h)；否则，转至(e)；

(e)判断节点i是否与网络中任意节点j建立连接；如果是，则转至(f)；否则，转至(h)；

(f)节点i与网络中任意节点j建立连接后，获得节点j的可成功交付概率dproj，并与本节点即节点i自身的可成功交付概率dproi进行比较，如果dproj较小，则节点i继续携带消息交付情况，直至遇到符合中继条件的节点，并转至(g)；否则转至(h)；

(g)将节点i的消息交付情况mdsituationt及其携带的其它节点的消息交付情况中继至节点j，在中继成功后更新节点i的消息交付情况队列；

(h)判断是否达到仿真时间，如果是，则结束；否则，转至(a)。

2、在任意时刻t，节点间通信具体包括：

(a1)判断网络中任意节点i在时刻t是否接收到优化控制信息，如果是，则转至(b1)；否则，转至(c1)；

(b1)调用ocigm()进行副本限制；

(c1)判断节点i是否与网络中任意节点j建立连接；如果是，则转至(d1)；否则，转至(e1)；

(d1)节点i与网络中任意节点j建立连接后，获得节点j的可成功交付概率dproj，并与本节点即节点i自身的可成功交付概率dproi进行比较，如果dproj较小，则节点i继续携带消息交付情况，直至遇到符合中继条件的节点，并转至(e1)；否则转至(f1)；

(e1)将节点i携带的消息中继至节点j，在中继成功后根据消息副本限制更新节点i的消息队列；

(f1)判断是否达到仿真时间，如果是，则结束；否则，转至(a1)。

3、所述优化控制信息的生成方法为：

(1)移动终端通过机会链路在时刻t以时间间隔t2为周期，向控制中心发送该移动终端时刻t-t2至时刻t的消息交付情况mdsituation；

(2)控制中心在时刻t’根据时刻t’-t1(时间t1是事先设定的值)至时刻t’接收到的消息交付情况，评估不确定性的全局网络状态ns，所述全局网络状态ns包括：消息转发成功率mdelivery、网络开销moverhead和网络丢包率mdrop；如果控制中心在t1时间间隔内未接收到移动终端发送的新的消息交付情况，则向移动终端发送自行控制命令；否则执行(3)；

(3)判断全局网络状态ns中消息转发成功率mdelivery是否大于事先设定的阈值α1，如果是，则执行(4)；否则，调度决策集p中的提高消息转发成功率pdelivery决策，执行(6)；

(4)判断全局网络状态ns中网络开销moverhead是否小于事先设定的阈值α2，如果是，则执行(5)；否则，调度决策集p中的降低网络开销poverhead决策，执行(7)；

(5)判断全局网络状态ns中网络平丢包率mdrop是否小于事先设定的阈值α3，如果是，则发送自行控制，并结束；否则，调度决策集p中的降低网络延迟pdelay决策，执行(8)；

(6)利用公式对路由策略进行副本限制，并结束；

(7)利用公式对路由策略进行副本限制，并结束；

(8)利用公式对路由策略进行副本限制，并结束。

4、0<α1<1。

5、α2>0。

6、α3>0。

针对已有的dtn路由策略进行消息传输时，未考虑资源受限或者资源不均衡的环境。同时，也未对全局网络状态做出判断，使得全局网络状态与路由策略难以取得一致的目标。本发明提出了一种基于ocigm(optimizedcontrolinformationgeneratingmethodfordtnrouting)的资源受限dtn路由策略rc-rp。

附图说明

图1一种网络拓扑结构及弱反馈示例图。

图2一种面向dtn路由的优化控制信息生成方法功能图。

图3一种面向dtn路由的优化控制信息生成方法流程图。

图4节点向控制中心发送消息交付情况方式图。

图5节点间通信方式图。

图6rc-rp路由策略针对节点向控制中心发送消息交付情况流程图。

图7rc-rp路由策略针对节点间通信流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

ocigm优化控制信息生成方法的作用

ocigm优化控制信息生成方法主要作用是生成对移动终端(节点)的dtn路由策略的优化控制信息(提高消息转发成功率、降低网络开销、降低网络丢包率)。根据优化控制信息，移动终端中的路由策略通过限制消息的副本数进行路由策略的调整。dtn路由策略根据优化控制信息的不同类型，限制消息副本数的情况具体分为以下三种：

假设，在接收到该次优化控制信息之前消息的副本数是nrofcopies，评估不确定性的全局网络状态ns是{消息转发成功率mdelivery，网络开销moverhead，网络丢包率mdrop}。

情况一：优化控制信息是提高消息转发成功率

消息转发成功率是成功交付的消息数与网络中产生的消息数的比值，因此，当移动终端接收到的优化控制信息是提高消息转发成功率时，可以通过一定程度上增大消息副本数来提高消息交付成功的概率，利用公式(1)进行副本数的控制。

公式(1)中，α1是事先设定的阈值，且全局网络状态ns中消息转发成功率mdelivery<α1<1。

情况二：优化控制信息是降低网络开销

网络开销＝(中继消息总数-成功交付消息总数)/成功交付消息总数，当降低网络中消息的副本数时，网络中中继消息总数会随之下降，虽然成功交付消息总数也会随之下降，但是，中继消息总数下降的幅度较大。因此，当移动终端接收到的优化控制信息是降低网络开销时，可以通过一定程度上降低消息副本数来降低网络开销，利用公式(2)进行副本数的控制。

公式(2)中，α2是事先设定的阈值，且全局网络状态ns中网络开销moverhead>α2。

情况三：优化控制信息是降低网络丢包率

网络丢包率是网络中丢弃消息总数与网络中产生消息数的比值。网络中各个节点丢弃消息的主要原因是节点的缓存有限、可存储携带的消息数有限。因此，当节点收到的优化控制信息是降低网络丢包率时，可以通过降低消息副本数一定程度上提高消息交付成功的概率，利用公式(3)进行副本数的控制。

公式(3)中，α3是事先设定的阈值，且全局网络状态ns中网络丢包率mdrop>α3。

ocigm优化控制信息生成方法的思想

dtn路由的优化控制信息生成方法ocigm充分利用混合拓扑(集中式拓扑、分布式拓扑；直接链路、机会链路)下的弱反馈性质，所谓弱反馈是指移动节点可以通过弱连接(直接链路和机会链路组成的混合链路)的方式将消息交付情况发送至控制中心，控制中心却无法和网络中所有节点直接取得联系，更无从获知所有移动节点的当前状态，如分布情况、资源状况等。在这种情况下，控制中心可以根据消息交付情况来评估全局网络状态，从而产生相应的优化控制信息。然后通过单向链路(如卫星链路)向网络中各个移动节点发送优化控制信息，受到移动节点自身发送功率的限制，上行卫星链路对其并不适用。网络中各个移动终端通过ocigm产生的优化控制信息避免移动终端为最大化自身交付性能而选择恶化网络性能的策略，最终达到网络效用近似最大化的目标。ocigm优化控制信息生成方法网络拓扑结构及弱反馈示例图如图1所示，功能框图如图2所示。

网络拓扑结构主要包括控制中心、卫星、移动终端。

控制中心主要功能是根据移动终端通过机会链路发送来的消息交付情况mdsituation{消息成功交付数、消息交付开销、丢弃消息数}，并每隔时间t1(时间t1是事先设定的值)评估不确定性的全局网络状态ns{消息转发成功率mdelivery，网络开销moverhead，网络丢包率mdrop}，然后根据不确定性的全部网络状态生成优化控制信息{提高消息转发成功率、降低网络开销、降低网络丢包率}，并将其交付至卫星，利用卫星的直接链路将优化控制信息发送至各个移动终端。

卫星主要功能是提供控制中心和移动终端之间的直接链路，将控制中心的消息发送至各个移动终端，但是由于移动终端自身发送功率的限制，移动终端不能向卫星发送消息。卫星接收控制中心的优化控制信息，以直接链路传送至各个移动终端。

移动终端首先通过机会链路以时间t2为周期(时间t2是事先设定的值)定期向控制中心发送该移动终端在t2周期(时间t2是事先设定的值)内的消息交付情况mdsituation{消息成功交付数、消息交付开销、丢弃消息数}，并接收卫星传输的优化控制信息。移动终端根据优化控制信息以优化全局网络效用(globalutility)为目标进行路由策略的调整。

其中全局网络效用被定义为(mdelivery/α1)/(moverhead/α2+mdrop/α3)。

注意：ocigm优化控制信息生成方法设置每隔时间t1时间进行全局网络状态的评估，并设置每隔t2时间移动终端定期发送该移动终端的消息交付情况。这样设置的原因是：因面向的网络环境是具有弱反馈及资源受限的特性，因此提出的ocigm优化控制信息生成方法是分布式的，为节约资源且评估的准确度，故设定评估周期t1及移动终端的发送周期t2。

ocigm优化控制信息生成方法流程

ocigm优化控制信息生成方法根据控制中心所接收的全局网络状态ns：{消息转发成功率mdelivery，网络开销moverhead，网络丢包率mdrop}，以优化全局网络效用为目标独立地做出对dtn路由优化控制的决策，决策集p：{提高消息转发成功率pdelivery，降低网络开销poverhead，降低网络丢包率pdrop}。

在受限的dtn网络中，利用节点的移动能够将消息成功交付至目的节点是重中之重，因此ocigm优化控制信息生成方法首先是观察全局网络状态ns中消息转发成功率mdelivery；其次，观察全局网络状态ns中网络开销moverhead、全局网络状态ns中网络平丢包率mdrop。

ocigm优化控制信息生成方法流程如下：

(1)移动终端通过机会链路在时刻t以时间间隔t2为周期(时间t2是事先设定的值)向控制中心发送该移动终端时刻t-t2至时刻t的消息交付情况mdsituation；

(2)控制中心在时刻t’根据时刻t’-t1至时刻t’接收到的消息交付情况，评估不确定性的全局网络状态ns，{消息转发成功率mdelivery，网络开销moverhead，网络丢包率mdrop}；如果控制中心在t1时间间隔内未接收到移动终端发送的新的消息交付情况，则向移动终端发送自行控制命令；否则执行(3)；

(3)判断全局网络状态ns中消息转发成功率mdelivery是否大α1(0<α1<1，α1是事先设定的阈值)，如果是，则执行(4)；否则，调度决策集p中的提高消息转发成功率pdelivery决策，执行(6)；

(4)判断全局网络状态ns中网络开销moverhead是否小于α2(α2>0，α2是事先设定的阈值)，如果是，则执行(5)；否则，调度决策集p中的降低网络开销poverhead决策，执行(7)；

(5)判断全局网络状态ns中网络平丢包率mdrop是否小于α3(α3>0，α3是事先设定的阈值)，如果是，则发送自行控制，并结束；否则，调度决策集p中的降低网络延迟pdrop决策，执行(8)；

(6)利用公式(1)对路由策略进行副本限制，并结束；

(7)利用公式(2)对路由策略进行副本限制，并结束；

(8)利用公式(3)对路由策略进行副本限制，并结束。

基于ocigm的资源受限dtn路由策略

rc-rp路由策略思想

rc-rp路由策略的提出是为了解决网络中节点移动受限、节点通信受限、节点容量、通信范围、节点带宽等节点资源受限以及资源不均衡的问题。rc-rp路由策略在进行消息传输时不仅考虑局部资源，同时受到生成的优化控制信息的控制，从而可以使得网络中有限的资源得到充分的利用，最终达到优化网络传输性能的目的。

在资源受限的dtn网络中，为了提高网络传输性能，采用单副本、多副本相结合的混合式传输方式，本发明首先提出了一种面向dtn路由的优化控制信息生成方法ocigm，其向网络中各个节点反馈优化控制信息，从而使得各个节点不仅仅是考虑感知的局部资源(节点容量、节点通信范围、节点移动速度、节点带宽等)，还能综合考虑网络的全局情况，然后一定程度上自适应地调整该节点自身的路由策略。

节点间通信主要是为中继节点之间的消息，即网络中各个节点之间的通信消息，其首要目的是提高消息成功交付的概率；而节点与控制中心之间的通信，主要是为了控制中心可根据网络中某多个节点的消息交付情况评估当前的全局网络状态。因此，为了提高消息成功交付的概率、降低网络丢包率、网络开销及消息交付延迟等，以提高网络的整体性能，rc-rp路由策略将节点间通信和节点与控制中心之间通信区分开来。

rc-rp路由策略在节点之间通信(节点之间中继网络中某个节点自身产生的消息)时利用多副本方式进行消息传输；从而提高消息成功交付的概率。另一方面，为了节省节点缓存资源，减小节点负载，降低网络丢包率及网络开销，节点通过机会链路向控制中心发送该节点的消息交付情况及向利用该节点中继的其它节点的消息交付情况时，利用单副本方式进行传输。

rc-rp路由策略在多副本传输过程中，根据优化控制信息进行副本控制并利用周围节点的局部资源进行中继节点选择。rc-rp路由策略为网络每个节点定义一个可成功交付概率dpro，作为中继节点选择的依据。rc-rp路由策略为网络中各个节点设置两个队列，分别是消息队列、消息交付情况队列。其中消息队列存储的是节点间通信的消息(消息源节点、目的节点都是网络中的移动终端)；消息交付情况队列存储的是网络中节点向控制中心发送的各个节点在时间间隔t2内的消息交付情况，并且消息交付情况的生命周期是t2。

基于ocigm方法的资源受限dtn路由策略框架如图3所示。

(1)节点与控制中心间通信

节点与控制中心间通信由控制中心向节点发送优化控制信息与节点向控制中心发送消息交付情况两部分组成。

(a)控制中心向节点发送优化控制信息

控制中心向节点发送优化控制信息的方式，在第3节中已提到，其是利用卫星作为中继节点进行广播，从而不涉及具体的路由策略。

(b)节点向控制中心发送消息交付情况

节点向控制中心发送消息交付情况，是通过节点移动进行消息中继的机会链路。节点向控制中心发送消息交付情况方式如图4所示。

如图4所示，为控制中心设置一个计时器，每隔t1时间通过卫星向网络中各个节点发送t1时间间隔内的全局网络状态。同时，为网络中每个节点设置一个计时器，对于任意节点i每隔t2时间，计算该节点的消息交付情况，以单副本方式转发至中继节点j，节点i选择节点j作为消息交付情况中继节点的条件是节点j的可成功交付概率dproi大于节点i的可成功交付概率dproj，其中任意节点i可成功交付概率dproi的计算如公式(4)所示。

在公式(4)中，speedi是节点i的移动速度，distancei是当前节点i与控制中心的距离，transmitrangei是节点i的通信范围。节点移动速度及通信范围可一定程度表征节点将消息交付情况传输至控制中心的可能性。

(2)节点间通信

节点间通信的首要目的是提高消息成功交付的概率，因此rc-rp路由策略在节点间通信时，采用的多副本方式进行消息传输。节点间通信方式如图5所示。网络中任意节点i以多副本方式调度消息队列中的消息。为了节省网络资源、减小节点负载，根据优化控制信息限制消息副本数。为了提高网络性能，根据局部节点资源(节点通信范围、节点容量)选择中继节点。

在面向资源受限的dtn中，网络中各个节点不仅仅是节点移动受限、节点通信受限以及节点容量、通信范围、节点带宽等节点资源受限，还存在节点资源分布不均衡的问题。为了一定程度上解决资源分布不均衡的问题，在节点间通信时，不仅仅是根据优化控制信息(提高消息转发成功率、降低网络开销降低丢包率)限制消息副本数，还引入节点通信范围及节点容量来选择消息中继节点。节点通信范围可一定程度上表征该节点可与其它节点建立连接的几率，节点通信范围越大与其它节点可连接的几率越高；同时，节点容量可一定程度上表征节点存储消息的能力，节点容量越大，可以存储越多的消息。

网络中任意节点i选择节点j作为消息中继节点的条件是节点j的可成功交付概率dproj大于节点i的可成功交付概率dproi，其中任意节点i可成功交付概率dproi计算公式如公式(5)所示：

dproi＝β1*transmitrangei+β2*bufferi(5)

在公式(5)中，transmitrangei是节点i的通信范围、bufferi是节点i的容量，由于节点通信范围transmitrangei和节点容量bufferi两个参数的量级不同，利用β1和β2是对节点通信范围transmitrangei和节点容量bufferi作归一化处理。

rc-rp路由策略流程

(1)节点与控制中心间通信

在节点与控制中心间的通信中，控制中心向节点发送优化控制信息是通过卫星的直接链路、广播的形式，故没有相应的路由策略。而由于移动节点自身发送功率的限制，上行卫星链路对其并不适用。因此，节点向控制中心发送消息交付情况时，只能通过机会链路，依靠节点的移动进行消息交付情况的转发。为了节省网络资源，节点向控制中心发送消息是利用单副本形式。

在任意时刻t，网络中任意节点i，rc-rp路由策略针对节点向控制中心发送消息交付情况具体流程如下：

(a)判断时刻t是否为节点发送消息交付情况周期t2的倍数，如果是，则转至(b)；否则转至(e)；

(b)节点i计算该节点在时刻t-t2至时刻t时间间隔内的消息交付情况mdsituationt{消息成功交付数、消息交付开销、消息交付延迟、丢弃消息数}；

(c)节点i将消息交付情况mdsituationt的生命周期设置为t2；

(d)判断节点i是否可直接将消息交付情况mdsituationt交付至控制中心，如果可以直接交付，则将消息交付情况mdsituationt交付至控制中心，并转至(h)；否则，转至(e)；

(e)判断节点i是否与网络中任意节点j建立连接；如果是，则转至(f)；否则，转至(h)；

(f)节点i与网络中任意节点j建立连接后，获得节点j的可成功交付概率dproj，并与本节点(节点i)自身的可成功交付概率dproi进行比较，如果dproj较小，则节点i继续携带消息交付情况，直至遇到符合中继条件的节点，并转至(g)；否则转至(h)；

(g)将节点i的消息交付情况mdsituationt及其携带的其它节点的消息交付情况中继至节点j，在中继成功后更新节点i的消息交付情况队列；

(h)判断是否达到仿真时间，如果是，则结束；否则，转至(a)。

(2)节点间通信

由于节点间通信的首要目的是提高消息成功交付的概率，因此rc-rp路由策略在节点间通信时，采用的多副本方式进行消息传输。为了减小节点中继节点选择的盲目性以及解决网络中充斥同一消息大量副本带来的资源浪费问题，rc-rp路由策略在节点间通信时利用节点通信范围和节点容量(详见公式(5))进行中继节点选择，利用优化控制信息进行副本限制。

在任意时刻t，rc-rp路由策略针对节点间通信的流程如下：

(a)判断网络中任意节点i在时刻t是否接收到优化控制信息，如果是，则转至(b)；否则，转至(c)；

(b)调用ocigm()进行副本限制；

(c)判断节点i是否与网络中任意节点j建立连接；如果是，则转至(d)；否则，转至(e)；

(d)节点i与网络中任意节点j建立连接后，获得节点j的可成功交付概率dproj，并与本节点(节点i)自身的可成功交付概率dproi进行比较，如果dproj较小，则节点i继续携带消息交付情况，直至遇到符合中继条件的节点，并转至(e)；否则转至(f)；

(e)将节点i携带的消息中继至节点j，在中继成功后根据消息副本限制更新节点i的消息队列。

(f)判断是否达到仿真时间，如果是，则结束；否则，转至(a)。