基于网络编码的容迟容断网络传输系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及计算机科学中的容迟容断网络领域，特别是设及容迟容断网络中基于 网络编码的数据传输。
【背景技术】
[0002] 容迟容断网络值elayTolerantNetwork,DTN)因其拓扑易变、网络抗毁、机会传 输、节点异构等特点得到了学术界和工业界的持续关注，目前已经应用在深空、军事、水下 等极端环境。DTN是非连通网络，不存在端到端路径，稀缺的链路使得转发机会极其宝贵，同 时节点缓存中存在大量消息等待转发，当节点得到一个宝贵的转发机会时，它总是期望能 够在短暂的链路连通时间内向另一方转发完所有消息。然而一般情况下，受限于节点移动 速度和数据发送速率，较短的连通时间往往只能发送少量的消息，甚至仅仅发送完一条消 息后链路就断开，即只能满足一个邻居节点的一个消息请求，此时，如何在有限时间内发送 尽可能多的信息成为研究热点。
[0003] 网络编码（NetworkCoding)作为应用在网络数据传输过程中的数据处理方式，能 够有效地提高网络的吞吐量、降低数据传输能量消耗、增强网络可靠性，尤其在网络条件极 端受限的DTN网络中。因而基于网络编码的容迟容断网络传输技术吸引了国内外研究机构 和学者的关注。网络编码的特点是单条消息负载量，多条消息信息量，借助于容迟容断网络 相关机制，一条编码消息能够同时满足多个邻居节点的多个消息请求，提高网络传输效率。
【发明内容】
[0004] 本发明W提高容迟容断网络传输效率为目标，融合动态博弈的思想，设计并实现 基于网络编码的数据传输系统，其整体功能模块见图1所示。具体包括：
[0005] 1、网络信息的监听感知
[0006] 信息监听感知包括监听邻居消息列表和感知消息属性，前者用屯、跳包机制获取邻 居节点消息列表、得出各个邻居消息请求情况，后者利用感知到的消息相关属性量化消息 转发效用，两者均依赖容迟容断网络的广播机制。
[0007] 2、基于博弈论的消息接纳决策
[000引在消息接纳博弈阶段，W上一阶段获取的信息为基础，综合考虑解码成功率与编 解码时间开销、计算开销，最大程度满足邻居消息请求。消息接纳博弈隶属完全信息动态博 弈，组成元素包括参与者、参与者的行动空间、所有参与者的行动序列的策略集合、单个参 与者的收益或博弈总收益。完全信息是指每个消息的基本信息可W被其他消息获取，包括 转发效用、行动空间、收益函数等；动态是指消息做决策的顺序有先后之分，消息在决定是 否加入编码时参考先前消息的决定，并且自身的决定影响后继消息的决定，进而影响单个 收益与总收益。该样就可W将容迟容断网络的编码消息接纳问题建立成博弈论的模型。
[0009] 3、编码与解码
[0010] 接纳决策博弈从待发送消息包集合中筛选出最佳候选编码集合，机会编码将它们 组合为一个编码包，通过广播机制发送出去，邻居节点监听并决定是否接收，如果是则结合 自身消息队列解码编码包，得到所请求的消息。
[0011] 与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
[0012] 1)添加网络信息监听感知功能，网络编码受网络环境影响，消息接纳博弈基于监 听感知到的网络信息作决策，能够增强网络编码对动态网络的适应性，提高传输效率。
[0013] 2)基于博弈论的接纳、拒绝收益函数设计紧密结合消息属性与网络环境，适用于 不同消息类型及网络状态，本发明根据当前网络环境动态地做出编码消息接纳或拒绝的决 策。
【附图说明】
[0014] 图1是基于博弈论的容迟容断网络编码功能模块图。
[0015] 图2是消息列表监听示意图。
[0016] 图3是消息接纳博弈树。
[0017] 图4是消息接纳博弈剪枝。
[001引图5是编码与解码示意图。
【具体实施方式】
[0019] 1.网络信息的监听感知
[0020] 网络信息监听依赖于广播机制。节点周期性地向自己信号范围内的邻居节点发送 屯、跳包，同时监听邻居节点的屯、跳包。屯、跳包包含的字段为节点编号、节点内存储的消息编 号列表及时间戳。通过屯、跳包机制，每个节点维持一个邻居节点信息库，记录各个邻居节点 消息接收情况，见图2。发送节点B的邻居A、C、D广播各自的屯、跳包，B监听，然后将其存 储到邻居节点信息库。信息库实现定时刷新功能，超出一定时间后屯、跳包被清除，表明对应 的节点不再是邻居节点。
[0021] 网络信息感知用于感知网络状态、量化网络参数、计算消息的转发效用。在网络运 行过程中周期性地采集W下参数；网络节点总数L、消息生存期TTLi、消息副本数n;订1)、接 收过该消息的节点数量化）、节点相遇频率A、消息优先级prii、邻居节点对消息的需求 度'。。1,1*?山作。。161*"，然后计算消息的转发效用。各个参数含义见表1。
[0022] 表1网络信息感知参数
[0023]
【主权项】
1. 基于网络编码的容迟容断网络传输系统，具体包括网络信息的监听感知获取、消息 接纳博弈、编码与解码；其特征在于： 网络信息监听与感知目的是获取当前局部网络环境及消息相关属性，并将这些信息传 递给消息接纳博弈。消息接纳博弈以获取的网络信息为基础，每个参与方采取接纳或拒绝 行动，并计算相应的接纳或拒绝收益，进而完成整个博弈树的构建，然后根据逆向归纳法求 纳什均衡解，并交付给编码与解码。编码与解码根据博弈结果将被接纳的消息编码、广播， 最后邻居节点解码； 其中，接纳控制决策采用博弈论方法，包含如下方面： 1) 消息接纳决策博弈定义为G= {P，A，D，U}，P，A，D和U表示为该博弈的四要素一一参 与方、行动空间、策略、收益函数，其中参与方是消息集合P= {PRJ，行动空间A= {Admit， Reject}，表示消息被接纳或拒绝，策略D = {aj由所有消息所采取的行动序列组成，收益 函数U包括两部分，分别是单个消息的收益函数和接纳博弈整体收益函数，U= {Ui，Σι?}; 2) 参与方的接纳收益函数为fu-fu^+c+p-f，拒绝收益函数为fu^-fu，€1^是参与者 ?氏的消息转发效用值，fu min是所有参与者的最小消息转发效用，c i是节点对接纳PR ^勺编 码包的支付值，Pi是接纳PR i的编码包的新增潜在价值，f i是节点对接纳PR i的编码包的惩 罚值； 3) 消息接纳博弈将消息转发效用的高低顺序作为博弈树的扩展顺序。当参与方的前驱 参与方作出决策后，这个参与方计算行动空间内所有决策对应的收益函数，即接纳收益和 拒绝收益，将博弈树向下扩展一层，后继参与方以此类推，直至博弈树到达终结点，此时终 结点记录从根到叶的收益，即各个参与方按该路径指示作决策的收益； 4) 求消息接纳博弈的子博弈精炼纳什均衡解，采用逆向归纳法，自底向上剪去每个参 与方所有行动分支中收益较小的分枝，留下收益最大的分枝，直至达到博弈树的根节点，分 枝组成博弈结果，根据分枝决定接纳还是拒绝某个消息，最后所有被接纳的消息组成编码 消息集合P。
2. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，计算消息转发效用时，可以令效用函数为：
3. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，节点利用一次传输机会发送消息就是进行 一次消息接纳博弈过程，完成对编码消息集合的选取。
4. 如权利要求1所述的系统，其特征在于，消息编码函数为
，解码函数为
，其中gp . . .，gN取值为1，p为编码包，p p . . .，PnS未编码消息。
5. -种计算机程序，其实现如权利要求1所述的系统。
【专利摘要】本发明为基于网络编码的容迟容断网络传输系统，其权衡局部网络环境和消息相关属性，基于博弈论对容迟容断网络编码消息接纳问题进行建模，包含网络信息监听感知、消息接纳博弈、编码与解码。首先，监听与感知获取当前局部网络环境及消息相关属性，并将信息传递给消息接纳博弈。其次，接纳博弈在计算消息转发效用的基础之上，根据参与方的收益函数完成博弈树的构建过程，然后根据逆向归纳法求子博弈精炼纳什均衡，将其交付给编码与解码。最后，编码与解码根据博弈结果将被接纳的消息编码、广播、邻居节点解码。本发明可以增强网络编码对不同网络环境和消息类型的适应性，提高网络传输效率。
【IPC分类】H04L1-00
【公开号】CN104753644
【申请号】CN201510171180
【发明人】白跃彬, 梁姣姣, 刘文佳, 陈万成, 澹台建培
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年4月10日