专利名称：一种基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由方法
技术领域：
本发明涉及一种基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由方法，属于网络技术，通信技术，生物技术。
背景技术：
移动自组网(Ad Hoc网络)是一种特殊的没有有线基础结构支持的移动网络，它完全由移动主机自主构成，可以广泛应用于国防战备、灾难救助等方面，具有广阔的应用前景。同时，随着高性能网络中传输实时多媒体业务的需求日益高涨，对网络的服务质量(QoS)提出了一定的要求，以至Ad Hoc网络中的QoS路由问题已经成为网络领域中的一类重要课题。多约束的QoS路由问题是NP完全问题；同时由于Ad Hoc移动网络的拓扑结构会随着移动主机的移动而经常发生改变，网络中隐蔽终端等问题会导致大量单向链路的出现，这些问题都给移动自组网的QoS路由算法带来新的问题。
DNA计算就是模拟生物分子DNA的结构并借助生物分子技术进行计算的新方法，自1994年Adleman博士提出DNA计算以后，关于DNA计算的研究在学术界掀起了一股热潮，其高度的并行性和海量的存储能力，针对大规模移动自组网的QoS路由问题处理应该有其独到的优势。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由方法，结合DNA计算技术高度并行能力和DNA分子链具有方向性的特性，提出一种针对大型移动Ad Hoc网络多约束QoS路由算法的DNA计算模型，针对移动Ad Hoc网络单向链路等的特点，解决移动Ad Hoc网络多约束QoS路由问题。
本发明的技术方案本发明的方法包括确定网络模型及实现过程如下1)网络模型表述为在给定的网络G＝(V，E)中，某源主机节点S向目的主机节点D发送消息，即寻找从节点S到节点D的路径P(S，D)，使其满足以下条件Delay(S，D)≤Dmax(1)Width(S，D)≥Wmin(2)
Cos(S,D)=Σ(a.b)∈P(S.D)C(a,b)→min---(3)]]>上面公式(1)和(2)给出了网络应用中某实时业务的QoS要求，Dmax和Wmin分别为实时业务所要求的延时上限和带宽下限，而公式(3)给出了一种优化目标，即该路径应该使费用代价达到最小值；针对移动自组网G＝(V，E)，假设顶点vs为路由源节点，vd为目的节点，则算法步骤可以描述如下，对于采用模拟生物分子DNA的结构并借助生物分子技术规则实现过程可以描述为步骤1节点和链路的编码将不同的顶点vi、路径ei-j分别以相同长度N个的不同DNA序列来表示，N为偶数，顶点单元 是vi的补链，其中连接单元ei-j为vi的后半部分与vj的前半部分的结合体这样 与ei-j在链接酶的作用下进行链接反应时，代表路径的ei-j将以vi为媒介随机连接，从而随机生成从源节点vs到目的节点vd的各种路径节点和链路的编码；借助Adleman的编码思想，在QoS路由问题中对节点和链路分别进行如下的编码节点的编码任一节点用N个寡聚核苷酸片段表示，并且用d’表示其前N/2个寡聚核苷酸片，用d”表示其后N/2个寡聚核苷酸片，同时，规定对任一节点编码的前两个和后两个碱基限制为{C，G，T)上的字母，这样易于区分节点和链路的编码；链路的编码任一链路其编码由3部分组成第一个节点的后N/2个寡聚核苷酸片段d”以及链路的延时值加上后一个节点的前N/2个寡聚核苷酸片段J’.延时值的一个单位用aaaaa来表示，以上所有编码均采用5’→3’的方向，刚好可以满足移动自组网的单向链路要求；步骤2按照上面的编码方法及碱基互补配对原则，生成每个链路及节点的补码，且将代表链路、节点补码序列的DNA分子遵循其生化反应规则所生成的DNA序列作为所有可能的路径集合；步骤3对以上所生成的路径集合，依次以源节点vs和目的节点vd作为探针，用生物磁珠分离规则进行过滤，最终得到的是以vs为始点以vd为终点的所有路径；步骤4对步骤3生成的所有路径根据生物技术的凝胶过滤、层析和多次纯化规则，分离出长度小于等于规定延时值(Dmax*5+20*P)bp的分子序列，作为最终路径集合，其中P为路径经过的节点数目；步骤5对以上所有路径进行路径费用的计算，搜索其费用最小的路径作为QoS路由问题的最终解。
所述的步骤1)通过一次反应穷尽的原则得到所有可能的解。
所述的基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由方法，N＝20，节点的编码任一节点用20bp寡聚核苷酸片段表示，并且用d’表示其前10个寡聚核苷酸片，用d”表示其后10个寡聚核苷酸片.同时，规定对任一节点编码的前两个和后两个碱基限制为{C，G，T}上的字母，这样易于区分节点和链路的编码；链路的编码任一链路其编码由3部分组成第一个节点的后10个寡聚核苷酸片段d”以及链路的延时值加上后一个节点的前10个寡聚核苷酸片段d’.延时值的一个单位用aaaaa来表示，如果延时值为3，则用aaaaa-aaaaa-aaaaa来表示，部分节点和链路的编码如下所示节点1(v1)TCTCGGATCGCTATATCACG节点2(v2)GCTACGACAGCTTAAGGATC节点3(v3)GCCTAGCTACCAGCATGCTT链路e2→1CTTAAGGATCaaaaa-aaaaa-aaaaaTCTCGGATCG链路e1→3CTATATCACGaaaaa-aaaaaGCCTAGCTAC。
本发明的优点本发明实现的QoS路由算法充分利用了DNA计算技术具有高度的并行性、运算速度快、具有大容量等特点，可以应用于较大规模的移动Ad Hoc网络中；同时DNA分子结构的方向性可以适应移动Ad Hoc网络单向链路的特点要求。该发明有助于提高无线移动Ad Hoc网络的传输效率，降低网络成本，将有利于我国无线移动Ad Hoc网络的应用和发展，对我国军事领域、自然灾害应急处理、科学考察、探险、交互式演讲、共享信息的商业会议等等领域将取得重要的作用。
具体实施例方式
基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由模型的提出和实施的具体方式由以下三步骤构成1)确定移动Ad Hoc网络多约束QoS路由技术的网络模型；网络由交换节点和链路以及主机组成，本发明将其抽象为有向图G(V，E)，其中V称为图G的节点集，E为节点间的链路集合。在G中，元素e∈E具有一组有序数列(D，C，B)作为e的属性，或称为弧e的权。这些属性可以是链路带宽、链路传输延时、网络费用等不同的网络特征值度量。
对于移动自组网可以表示为有向图G＝(V，E)的形式，其中V为网络的节点集合，E为节点间的链路集合.对e(a，b)∈E，链路e(a，b)特性可以用几个随时变化的正实数D(a，b)、C(a，b)、B(a，b)来描述，其中D(a，b)表示e(a，b)的延时，B(a，b)表示e(a，b)的可用剩余带宽，C(a，b)表示e(a，b)的费用代价。
由于移动Ad Hoc网络暴露终端和隐蔽终端等特点，单向链路在网络中大量存在，所以模型采用有向图来表示；同时，考虑到链路延时与节点延时的相同特性，在具体实现时只考虑链路的延时，而不考虑节点的延时。
当网络中有某主机S想与主机D进行通信时，令P(S，D)为从主机S到主机D的可用通信路径，则路径P(S，D)的延时可以表示为Delay(S,D)=Σ(a.b)∈P(S.D)D(a,b),]]>路径P(S，D)的可用带宽表示为Width(S，D)＝min{B(a，b)|(a，b)∈P(S，D)}，路径P(S，D)的费用代价表示为Cos(S,D)=Σ(a.b)∈P(S.D)C(a,b).]]>因此，基于延时和带宽限制的移动自组网QoS路由问题可以表述为在给定的网络G＝(V，E)中，某源主机节点S向目的主机节点D发送消息，即寻找从节点S到节点D的路径P(S，D)，使其满足以下条件Delay(S，D)≤Dmax(1)Width(S，D)≥Wmin(2)Cos(S,D)=Σ(a.b)∈P(S.D)C(a,b)→min---(3)]]>上面公式(1)和(2)给出了网络应用中某实时业务的QoS要求，Dmax和Wmin分别为实时业务所要求的延时上限和带宽下限，而公式(3)给出了一种优化目标，即该路径应该使费用代价达到最小值。
针对此问题，在采用DNA计算解决之前，可以先对具体的网络模型进行预处理即去掉不满足带宽要求的链路，这样基于带宽和延时约束的QoS问题转化成单一的延时约束.如果经过预处理后源节点和目的节点不在同一图中，则需要经过协商适当降低带宽限制。
2)根据明确DNA分子计算基本原理和具体的实现过程对所求解的网络模型进行节点和链路的编码，每个节点和链路均用寡聚核苷酸片段来表示。同时，链路的编码均采用5’→3’的方向，刚好可以满足移动Ad Hoc网络的单向链路要求。
DNA是一种高分子化合物，称为脱氧核糖核酸，是遗传信息存储的媒介.组成DNA的基本单位是脱氧核苷酸，每个脱氧核苷酸有一分子磷酸、一分子脱氧核糖和一分子含氮碱基组成.组成脱氧核苷酸的含氮碱基有4种，它们是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T).多个脱氧核苷酸一个连一个，形成脱氧核苷酸链.DNA大分子是由两条头尾方向相反的脱氧核苷酸长链，以右手螺旋的方式盘绕着同一中心轴而形成的.两条链上的碱基通过氢键连接起来，碱基对的连接严格依据碱基互补配对原则，即腺嘌呤(A)通过两个氢键与胸腺嘧啶(T)配对，鸟嘌呤(G)通过三个氢键与胞嘧啶(C)配对.反过来也必定是T与A配对、C与G配对.由于DNA本身有两个不同的末端，因此整个分子是有方向性的。
一个DNA单链可以看作是由4个不同的符号A，T，C，G连成的一个串.所以可以使用4个字母的集合∑＝{A，T，C，G}，按照DNA的双螺旋结构和碱基互补配对原则对问题进行编码.利用酶对DNA序列进行操作，不同的酶相当于DNA串上的不同算子.如限制内切酶可作为分离算子，连接酶可作为连接算子，聚合酶可作为复制算子，外切核酸酶可作为删除算子，还有转移酶、修饰酶等，根据不同的过程可以采用不同的酶[5]。
DNA计算本质上就是利用大量不同的核酸分子杂交，运用分子生物技术产生类似某种数学过程的运算结果.其基本原理就是用DNA分子中的密码作为存储的数据，当DNA分子在某种酶的作用下瞬间完成某种生物化学反应时，可以从一种基因代码变为另一种基因代码.如果将反应前的基因代码作为输入，那么反应后的基因代码就可以作为运算结果.这样，通过对DNA双螺旋进行丰富、精确可控的化学反应，包括标记、扩增或者破坏原有链等来完成各种不同的运算过程，就是DNA计算技术。
本发明正是利用不同DNA序列来表示节点和链路的编码，依据DNA序列在链接酶的作用下进行链接反应的规律产生的随机解作为选择节点和链路的基础，遵循DNA生化反应规律筛选，得到所有可能的解。
3)给出利用DNA计算技术实现移动Ad Hoc网络多约束QoS路由技术的算法模型。
将上面的编码模拟DNA分子计算的各步骤进行处理，从而得到从路由源节点到目的节点的所有满足QoS约束的路径集合。
针对移动自组网G＝(V，E)，假设顶点vs为路由源节点，vd为目的节点，则算法步骤可以描述如下步骤1随机生成从源节点vs到目的节点vd的各种路径；步骤2保留满足延时约束要求的所有路径；步骤3对满足延时要求的所有路径，进行费用的计算比较，选取费用最小者作为QoS路由问题的解。
对于该算法步骤采用DNA计算的具体生物实现过程可以描述为步骤1节点和链路的编码Adleman在运用DNA生化反应解决Hamilton问题时，将不同的顶点vi、路径ei-j分别以相同长度(20bp)的不同DNA序列来表示，顶点单元 是vi的补链，其中连接单元ei-j为vi的后半部分与vj的前半部分的结合体.这样 与ei-j在链接酶的作用下进行链接反应时，代表路径的ei-j将以vi为媒介随机连接，从而产生随机解.同时，由于参加反应代表顶点和路径的单元均为分子级，数量庞大，因而可以通过一次反应穷尽所有可能的解，这正是DNA计算的优势所在。
借助Adleman的编码思想，在QoS路由问题中对节点和链路分别进行如下的编码节点的编码任一节点用20bp寡聚核苷酸片段表示，并且用d’表示其前10个寡聚核苷酸片，用d”表示其后10个寡聚核苷酸片.同时，规定对任一节点编码的前两个和后两个碱基限制为{C，G，T}上的字母，这样易于区分节点和链路的编码。
链路的编码任一链路其编码由3部分组成第一个节点的后10个寡聚核苷酸片段d”以及链路的延时值加上后一个节点的前10个寡聚核苷酸片段d’.延时值的一个单位用aaaaa来表示，如果延时值为3，则用aaaaa-aaaaa-aaaaa来表示.针对图2的部分节点和链路的编码如下所示节点1(v1)TCTCGGATCGCTATATCACG节点2(v2)GCTACGACAGCTTAAGGATC节点3(v3)GCCTAGCTACCAGCATGCTT链路e2→1CTTAAGGATCaaaaa-aaaaa-aaaaaTCTCGGATCG链路e1→3CTATATCACGaaaaa-aaaaaGCCTAGCTAC以上所有编码均采用5’→3’的方向，刚好可以满足移动自组网的单向链路要求。
步骤2按照上面的编码方法及碱基互补配对原则，生成每个链路及节点的补码，且将代表链路、节点补码序列的DNA分子遵循其生化反应规则所生成的DNA序列作为所有可能的路径集合；步骤3对以上所生成的路径集合，依次以源节点vs和目的节点vd作为探针，用生物磁珠分离规则进行过滤，最终得到的是以vs为始点以vd为终点的所有路径；步骤4对步骤3得到的所有路径根据生物技术的凝胶过滤、层析和多次纯化规则，分离出长度小于等于规定延时值(Dmax*5+20*P)bp的分子序列，作为最终路径集合，其中P为路径经过的节点数目；步骤5对以上所有路径进行路径费用的计算，搜索其费用最小的路径作为QoS路由问题的最终解。
权利要求
1．一种基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由方法，包括确定网络模型及实现过程，其特征在于1)网络模型表述为在给定的网络G＝(V，E)中，某源主机节点S向目的主机节点D发送消息，即寻找从节点S到节点D的路径P(S，D)，使其满足以下条件Delay(S，D)≤Dmax(1)Width{S，D)≥Wmin(2)Cos(S,D)=Σ(a,b)∈P(S,D)C(a,b)→min---(3)]]>上面公式(1)和(2)给出了网络应用中某实时业务的QoS要求，Dmax和Wmin分别为实时业务所要求的延时上限和带宽下限，而公式(3)给出了一种优化目标，即该路径应该使费用代价达到最小值；针对移动自组网G＝(V，E)，假设顶点vs为路由源节点，vd为目的节点，则算法步骤可以描述如下，对于采用模拟生物分子DNA的结构并借助生物分子技术规则实现过程可以描述为步骤1节点和链路的编码将不同的顶点vi、路径ei-j分别以相同长度N个的不同DNA序列来表示，N为偶数，顶点单元 是vi的补链，其中连接单元ei-j为vi的后半部分与vj的前半部分的结合体；这样 与ei-j在链接酶的作用下进行链接反应时，代表路径的ei-j将以vi为媒介随机连接，从而随机生成从源节点vs到目的节点vd的各种路径节点和链路的编码借助Adleman的编码思想，在QoS路由问题中对节点和链路分别进行如下的编码节点的编码任一节点用N个寡聚核苷酸片段表示，并且用d’表示其前N/2个寡聚核苷酸片，用d”表示其后N/2个寡聚核苷酸片，同时，规定对任一节点编码的前两个和后两个碱基限制为{C，G，T}上的字母，这样易于区分节点和链路的编码；链路的编码任一链路其编码由3部分组成第一个节点的后N/2个寡聚核苷酸片段d”以及链路的延时值加上后一个节点的前N/2个寡聚核苷酸片段d’.延时值的一个单位用aaaaa来表示，以上所有编码均采用5′→3′的方向，刚好可以满足移动自组网的单向链路要求；步骤2按照上面的编码方法及碱基互补配对原则，生成每个链路及节点的补码，且将代表链路、节点补码序列的DNA分子遵循其生化反应规则所生成的DNA序列作为所有可能的路径集合；步骤3对以上所生成的路径集合，依次以源节点vs和目的节点vd作为探针，用生物磁珠分离规则进行过滤，最终得到的是以vs为始点以vd为终点的所有路径；步骤4对步骤3生成的所有路径根据生物技术的凝胶过滤、层析和多次纯化规则，分离出长度小于等于规定延时值(Dmax*5+20*P)bp的分子序列，作为最终路径集合，其中P为路径经过的节点数目；步骤5对以上所有路径进行路径费用的计算，搜索其费用最小的路径作为QoS路由问题的最终解。
2.根据权利要求1所述的基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由方法，其特征在于步骤1)通过一次反应穷尽的原则得到所有可能的解。
3.根据权利要求1或2所述的基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由方法，其特征在于N＝20，节点的编码任一节点用20bp寡聚核苷酸片段表示，并且用d’表示其前10个寡聚核苷酸片，用d”表示其后10个寡聚核苷酸片.同时，规定对任一节点编码的前两个和后两个碱基限制为{C，G，T}上的字母，这样易于区分节点和链路的编码；链路的编码任一链路其编码由3部分组成第一个节点的后10个寡聚核苷酸片段d”以及链路的延时值加上后一个节点的前10个寡聚核苷酸片段d’.延时值的一个单位用aaaaa来表示，如果延时值为3，则用aaaaa-aaaaa-aaaaa来表示，部分节点和链路的编码如下所示节点1(v1)TCTCGGATCGCTATATCACG节点2(v2)GCTACGACAGCTTAAGGATC节点3(v3)GCCTAGCTACCAGCATGCTT链路e2→1CTTAAGGATCaaaaa-aaaaa-aaaaaTCTCGGATCG链路e1→3CTATATCACGaaaaa-aaaaaGCCTAGCTAC。
全文摘要
发明提出一种基于DNA计算的Ad Hoc网络QoS路由方法，结合DNA计算技术高度并行能力和DNA分子链具有方向性的特性，提出一种针对大型移动Ad Hoc网络多约束QoS路由算法的DNA计算模型，针对移动Ad Hoc网络单向链路等的特点，采用模拟生物分子DNA的结构描述节点和链路的编码，并借助生物分子技术规则实现过程，筛选路径集合，再进行路径费用的计算，搜索其费用最小的路径作为QoS路由问题的最终解，解决移动Ad Hoc网络多约束QoS路由问题。
文档编号H04L12/28GK1960333SQ200610125048
公开日2007年5月9日 申请日期2006年11月16日 优先权日2006年11月16日
发明者李腊元, 陈年生 申请人:武汉理工大学