一种海上无线Mesh网络可信协同服务方法与流程

本发明涉及海上无线协同通信技术领域，具体是一种海上无线mesh网络可信协同通信方法。

背景技术：

近年来，我国对于海洋海岛通信的研究日趋重视。目前，我国已建立建成的海洋卫星通信系统包括卫星紧急无线电示位标(epirb)和海事卫星系统(inmarsat)和北斗卫星导航系统。卫星紧急无线电示位标可实现紧急报警、船位识别、定位和询位功能。海事卫星系统包括多种功能系统，完成话音、传真、海上宽带数据、视频、手机短信等通信功能。我国自行研制的北斗卫星导航系统，为亚太地区提供定位、导航等服务。

目前实现海岛通信的技术以海底光缆、卫星通信、短波通信和微波散射通信为主。海底光缆能够为海岛提供可靠通信，但其具有成本高、系统复杂、工期长维护困难等劣势，一般适用于近海域的大型岛屿。卫星通信适用于群岛环境，岛屿部署通信基站，以建立卫星通信链路，岛屿间通过卫星链路协作传输实现通信。但卫星通信适用于长距离通信，同时占用大量的通信资源，在通信距离小于200km的海岛通信链路中并不适用。无线mesh网络(wirelessmeshnetworks，wmns)具有部署简便、结构灵活的特点，可有效解决中短距离群岛无线通信问题。然而在海上无线mesh网络中，由于节点所处环境具有多变性，例如耀斑干扰、台风闪电等恶劣天气，导致节点在通讯时发生单点失效、链路受阻等问题，最终导致mp(meshpoint)簇网络彻底瘫痪。同时，由于海洋监测的需要，mp节点需承载各类传感器数据，并且即使在恶劣条件下，保证数据交付的可靠性。然而海洋监测类的数据流量，在告警期间内需要监测数据项增多，不同传感节点的服务请求将汇聚于mp节点，易造成mesh网络拥塞，mp服务能力成为流量瓶颈，使得分组等待时延和分组丢失率增加，mp服务能力下降。

目前，我国海洋海岛通信正从小规模集群向大规模系统集群发展。目前船舶通信，通常以协作通信的方式接入海岛无线mesh网络，协作方式分为2种，一种自身通过卫星链路接入近岸港口网络，这类通常为大型船舶，其舰载无线通信覆盖域较广，可自适应成为mp节点，簇容量有限，但传输链路速率快、延迟稳定；另一种方式以海上通信中继站或海岛基站为mp节点，舰船以短波方式接入，并提供路由协作功能。但以上两种协作方式都存在服务节点不协作问题，可能是出于客观原因，断电、链路中断、链路阻塞、环境干扰破坏等，也可能是出于主观上的不协作，无论何种原因节点的不协作行为都是有害的，如果是处于核心交互的节点出现不协作的行为，则将导致大面积网络中断。

技术实现要素：

本发明针对海洋无线mesh网络通信环境下，受到环境复杂多变、通信网络异构、特别是在无人岛礁建站、能源受限等导致网络节点分布不均匀等因素制约，在实施大规模网络数据通信时面临节点单点失效、负载过高或链路受限、阻塞等主观或客观原因表现出不协作问题，提出一种基于节点可信度评价的虚拟协同服务组织模型，通过引入节点信誉评价机制，激励节点协作，构建虚拟协同服务系统来完成网络任务可信可靠传输。实验结果表明，通过该模型能够有效评价网络中节点，为节点选择协作服务节点和路由管控节点制定当前路由策略提供依据，构建的虚拟协同服务系统能有效调度网络节点的共享资源完成任务可信可靠传输。

实现本发明目的的技术方案为：

一种海上无线mesh网络可信协同服务方法，通过引入节点信誉评价机制，激励节点协作，构建基于mesh网络和可信评价的虚拟协同服务系统，完成网络任务可信可靠传输，

所述的虚拟协同服务系统，节点均具有路由分组转发和无线传输功能，节点在发送自身需求的数据时也能协同转发其他节点的数据；

节点凭自愿原则加入或退出虚拟协同服务系统；

节点间通过组织协商以公开投票形式选举路由管控节点(meshroutingcontroller，mrc)和信誉评判管理节点(creditmanagement，cm)，路由管控节点负责网络链路节点监测和节点间路由策略制定，信誉评判管理节点负责管理系统内节点的信誉档案及任务交付时节点行为评价；

虚拟协同服务系统传输链路开辟信誉专享加密传输信道并执行ssl和rsa加密策略保障信誉传输的稳定性和安全性；

在虚拟协同服务系统中，节点间协作路由通过基于任务qos需求和节点服务能力评价的机会路由实现；

在虚拟协同服务系统中，由mrc节点基于系统内节点的协作任务完成情况、信誉度和负载等特征进行周期性满意度评价，当满意度评价低于阈值且虚拟协同服务系统容量和节点入度达到可分裂条件时，由mrc节点根据备选服务节点形成新的虚拟协同服务系统中心，并引导虚拟协同服务系统进行簇分裂；

所述海上无线mesh网络可信协同服务方法，包括如下步骤：

1)虚拟协同服务系统中的源节点根据任务需求类型和cm节点制定的信誉评价机制，拟定具体任务交付时服务质量评价方案，评价方案中评价指标为任务协同传输过程中网络服务质量qos的具体参数，包括任务类型、任务量、传输速率、延迟、丢包和抖动容忍；源节点封装评价方案、源节点信息和目的节点信息为任务需求报文发送至mrc节点，mrc节点在虚拟协同服务系统中发起协同传输请求；

2)节点收到协同传输任务请求后，根据自身意愿和当前状态选择是否接受协同传输请求，并回馈给mrc节点，mrc节点根据反馈结果、任务qos需求和当前路由策略筛选协同节点并构成预选协作集，并向cm节点请求评价协作集中协同节点的信誉度；

3)cm节点评价协作集中每个协同节点的信誉度，并将评价结果通过信誉专享信道发送至mrc节点；

4)mrc节点依照当前路由策略进行协作路由选择，从源节点开始以步骤2)预选协作集为搜索范围，逐跳逼近目的节点，下一跳通过机会路由的方式选择节点，假设当前节点i存在可协作集col＝{q1,q2,…,qn}，则节点i路由到节点j的概率计算步骤如下：

4-1)mrc通过cm节点回馈的协同节点信誉信息，并综合节点可用带宽、链路质量、负载评价、剩余服务时间等特征对节点服务能力进行评价，其服务能力评价模型如公式(1)：

ηij＝gijijwijtiqisti(1)

上述公式(1)中，ηij为节点的服务能力，指节点i向节点j通信时，节点j对节点i的服务评价，包括节点i可用性gi(gi∈{0,1})、节点i与节点j的连接强度jij、节点i可共享给节点j的带宽wij、节点i的信誉度ti、节点i负载评价qi、节点的预期服务时间sti；

其中负载评价qi的计算如公式为：

上述公式(2)中，vi为当前速率，pi为节点i带宽，c1为节点负载控制阈值，ρ是海洋环境对无线通讯的损益；

连接强度jij的计算公式为：

上述公式(3)中，rssi为节点i连接到节点j时，节点j的无线信号衰减强度；

4-2)计算协作集col中节点的路由概率，节点i路由到下一跳节点k的概率的计算公式为：

上述公式(4)中，ηik为节点i对节点k的服务能力评价，rij表示节点i对目的节点j的物理距离，rkj表示节点k对目的节点j的物理距离，rlj表示节点l对目的节点j的物理距离；

mrc节点通过计算概率，从源节点开始，概率选择下一跳路由节点，若当前节点无可路由节点，则退回上一跳从下一跳可路由集中剔除该节点，并继续选取，直至可达目的节点时结束；若所有路径都无法可达，则放弃当前任务，回馈至源节点；

5)mrc节点将发送协作路由信息与任务信息至协作路由中每个节点，节点根据其上一跳和下一跳信息建立无线传输路径进行数据传输，目的节点将任务接收情况反馈至mrc，以完成任务追踪；

6)当协作任务传输过程中发生链路中断、节点失效、节点可用服务能力或安全可信性无法满足任务需求时，异常点上一跳节点向mrc节点反馈链路状态并请求任务迁移或mrc节点通过网络监测结果主动发起任务迁移，mrc节点收到来自可迁移节点的请求响应后，根据任务需求、服务能力、迁移质量等参量选择迁移节点，确定迁移方案后，通知迁移节点和上一跳节点，上一跳节点执行服务迁移策略，迁移节点以中继增强或替代原节点的方式加入协作传输链路；

7)目的节点接收数据完毕后，对此次协同网络服务质量作出评价，并将评价结果发送至mrc节点，mrc节点结束任务追踪线程，并综合此次任务qos需求信息及任务期间协同节点的行为信息，通过信誉专享传输信道发送至cm节点，cm节点对此次任务传输过程中，协同节点的行为进行审查，按任务发起时拟定的评价方案完成协同节点的信用记录。cm保存节点的信用记录并归档系统节点信用记录库；至此，通过所述海洋海岛无线mesh网络可信协同通信方法完成了从源节点到目的节点的无线协同通信。

步骤3)中，所述cm节点评价协作集中每个协同节点的信誉度，包括步骤如下：

3-1)通过时间窗口对节点近期交互情况进行采样，样本的数据特征为任务交付时间、任务量和服务质量评价分，由于实际应用中任务分发具有聚集趋势，即短间隔内多次任务，长间隔空闲的特点，为衡量近期节点交互情况，其采样时间窗口函数为：

上述公式(5)中，[tstart,tend]表示信誉衡量时间区间；ta表示预设历史交互有效时间；δ为修正宽度；tlast表示节点最后一次协作任务交付的时间；δ表示如果时间窗口统计样本时，最后一个取数节点如果处于任务交付聚集区，即满足交付频度大于阈值f，则δ为聚集区最早开始时间到当前取数时间的差；

由于非周期性节点任务交付具有聚集性，即在某个小时间段内有多次交付，空闲时或大任务传输时又处于长间隔空闲，导致时间窗口轮循取样时样本分布不均匀，后续计算节点信誉度时具有突发性和跃迁性。为使用时间窗口实现样本数据均匀化，将一个取数区间分成多个小区间，每个小区间将作为一个独立样本，并保持每个样本的样本容量一致。

当任务交付聚集于某一时段时，节点在该时段内的交付情况能更有效地评价节点处理并发事务能力，这在节点信誉评价中是富有更高价值的。若时间窗口取值区间尾段正好落在任务聚集点附近时，则应将该聚集时段全部作为衡量节点交付情况的样本。

3-2)通过步骤3-1)的采样数据，本着公平、公正的原则，有效评价协作节点的信誉度，节点信誉评价主观上是衡量节点的可信度，其意义包含了交付任务的可靠性，节点行为的良好程度，为保障节点信誉评价的公平性和有效性，需遵从如下规则：

规则1节点的信誉由节点近期保持良好的任务交付行为所积累，历史交互信息对当前的节点的信誉评价影响较小，以步骤3.1的时间窗口所获得的交互数据集对节点信誉进行评价。

规则2节点的信誉基准由节点近期完成的最大任务量决定，即节点完成了10个10m的任务量与节点完成了1个100m的任务量对比，为后者更优，因为能够完成大任务交付的节点具有更好的网络环境和服务质量。

规则3为维持良好的网络环境，节点信誉增益放缓，节点信誉惩罚力度较大，当节点连续出现交付失败或大任务交付失败时，其信誉度将快速崩塌，当信誉度为0时，节点网络将被限制交互，节点必须通过协助他人积累信誉，当惩罚轮次和时间过后，节点方可解除限制。

由上规则可知，节点必须在近期能够稳定可靠地完成大任务交付，才能快速提升信誉。根据规则，建立信誉评价模型为：

ti＝tsi+tgi-tri(6)

上述公式(7)中，ti表示节点i的信誉度，tsi表示节点i的信誉基础分，tgi表示节点i保持良好行为的信誉增益分，tri表示节点i失败任务交付时的信誉减益分；tsi、tgi和tri计算如下：

上述公式(7)中，smax表示节点在近期交付的最大任务价值，sj表示节点近期第j次成功交付的任务价值，μ为增益控制因子，n为时间窗口内交付数量增益因子，sl表示节点近期第l次失败交付的任务价值，ε为信誉减益控制因子，x为近期失败次数，其中，单次任务价值s计算公式为：

s＝ue(8)

公式(8)中，u为任务交付时获得的服务评价，u为0表示交付失败，e表示发起的任务量或参与此次任务协作期间的流量；

当采用步骤3-1)中的时间窗口进行取值时，时间窗口将被分散为m个子区间中，则信誉合成公式如下：

运用时间窗口分割成更小的子区间来衡量节点的信誉的方法，使得节点的信誉度变化更加均匀，与非分割的相比，信誉惩罚分tri保持不变，信誉增益分tgi与信誉基准分tsi取前n次平均值。

步骤6)中，mrc选择迁移节点时，假设节点i向节点j请求迁移时，其协同服务迁移优先级评价yij为：

上述公式(10)中，gj表示节点可用性，σ表示服务迁移将会带来的延迟变化和参量，e表示待迁移任务量，vij表示节点i向节点j的迁移速率。假设节点i的可迁移协作节点集为{j1,j2,……,jn}，期望任务迁移需求速率为v，则迁移选择策略步骤如下：

6-1)迁移协议初始化，当前轮寻次数t＝0；

6-2)将可迁移协作节点按迁移优先级排序，计算每个节点作为迁移节点的概率并概率选择节点j作为预选迁移节点，轮寻次数t++；

6-3)节点i与节点j建立传输链路后，倘若t<10且∑vij<v，则跳转2继续选择，若t>10则表示迁移服务请求失败，此次服务抛弃；

6-4)将迁移任务量e按迁移节点集中各个节点速率v比例，建立传输链路；

6-5)将此次参与协作节点加入备选迁移集中，如果发生重新迁移请求时，优先选择。

所述由mrc节点基于系统内节点的协作任务完成情况、信誉度和负载特征进行周期性满意度评价，当满意度评价低于阈值且虚拟协同服务系统容量和节点入度达到可分裂条件时，由mrc节点根据备选服务节点形成新的虚拟协同服务系统中心，并引导虚拟协同服务系统进行簇分裂，包括步骤如下：

a)mrc节点向cm节点请求系统中所有协同节点近期交付成功及失败记录及信誉信息，并根据公式(5)中cm节点拟定的历史交互有效期ta作为评价周期t进行系统满意度评价，评价公式为：

其中tk表示按周期t划分的第k个评价周期，m为系统中所有协同节点个数，si为虚拟协同服务系统中协同节点i任务成功交付次数，fi为协同节点i任务失败交付次数，ti表示协同节点i的信誉度，tmax是mrc节点所在的协同服务系统中协同节点拥有的最大信誉度；

b)如果mrc节点通过公式(2)的负载评价qmrc<q(0<q<1)，q为预设分裂预警阈值，则进行当前虚拟协同服务系统分裂示警；

c)如果mrc节点满意度评价sat(tk)<δ(0<δ<1)且qmrc<q(0<q<1)，δ为预设分裂阈值，则mrc将引导当前虚拟协同服务系统进行分裂，查看当前虚拟协同服务系统中常用备选协作节点数量z，如果z≤0，则放弃引导，并进入步骤d)等待重询，如果z≥1，则进入步骤e)；

d)如果sat≤0，且无有效协作节点进行任务迁移，则放弃引导解散当前虚拟协同服务系统；否则等待下一个采样周期tk+1，跳转步骤a)计算满意度sat；

e)mrc节点将所有备选协作节点视为新的虚拟协同服务系统备选mrc节点，通过计算备选mrc节点到系统内所有节点的服务能力取平均值，进行排序，选择最优节点正式成为新的虚拟协同服务系统mrc节点，并向在系统内公布；

f)系统中所有节点计算其到原mrc节点和新mrc节点的服务能力，按自身意愿，选择要加入的虚拟协同服务系统或观望。

有益效果：本方法提出了一种由路由管控节点和信誉管理节点共同管理虚拟协同服务组织模型，旨在海上通讯环境下针对任务的目标需求，解决路由管控节点如何动态组织自主的协同伙伴和构建虚拟组织协同进行求解的问题。运用节点的信誉度、服务能力和链路质量等作为评价指标参数构建了一个基于mesh网络和可信评价的虚拟协同服务系统，给出了构建虚拟协同服务的数学模型、约束条件和构造规则，并进行了较为详细的分析。仿真实验表明，通过构建虚拟协同服务系统，能有效解决源流媒体服务提供节点过载的问题，实现了协同服务、资源共享、负载均衡的目的，优化了海上无线mesh网络的服务质量。

附图说明

图1为虚拟协同服务系统节点协作交互流程；

图2为时间窗口对比试验结果图；

图3为10簇集构建虚拟协同服务系统网络结构图；

图4为10簇集非构建虚拟协同服务系统网络结构图；

图5为20簇集构建虚拟协同服务系统网络结构图；

图6为20簇集非构建虚拟协同服务系统网络结构图；

图7为初始mp节点和虚拟协同服务池平均负载变化图；

图8为构建虚拟协同服务和非构建虚拟协同服务平均信誉变化图；

图9为构建虚拟协同服务和非构建虚拟协同服务平均负载变化图；

图10为构建虚拟协同服务和非构建虚拟协同服务任务接收率变化图；

图11为构建虚拟协同服务和非构建虚拟协同服务任务接收时延变化图；

图12为构建虚拟协同服务和非构建虚拟协同服务任务成功率变化图；

图13为构建虚拟协同服务和非构建虚拟协同服务链路传输速率变化图；

图14为构建虚拟协同服务和非构建虚拟协同服务传输丢包率变化图；

图15为构建虚拟协同服务和非构建虚拟协同服务链路传输时延变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

假设一个海洋海岛通讯场景，由大陆基站、海岛基站、港口基站、海上无线中继站和通讯卫星组成的无线mesh网络，网络中至少存在一个基站以高速有线网络(通常为万兆光宽带)接入互联网即mpp节点，其余基站或中继站节点为mp节点，mp节点间以自组网形式形成mesh骨干网络。mp节点设立ap基站，当用户节点(p节点，通常为舰载通讯设备、移动通讯设备、智能终端等)请求加入mesh网络时，根据mesh网络覆盖域自动选择最近的ap基站以加入mesh网络。由上，网络基础设施建设完成。

假设存在约束，节点规模m≤2000，非mp节点的度1≤k≤20，测试时间t≤1200分钟，单簇节点容量≤240，每5秒记录统计参量，节点初始位置随机生成不离开mesh网络覆盖域。

1.构建虚拟协同服务系统，其实施步骤如下：

(1)初始条件下，所有mp基站成为一个独立自主的虚拟协同服务系统，mp基站自动成为mrc节点并兼cm节点。

(2)虚拟协同服务系统传输链路开辟信誉专享加密传输信道并执行ssl和rsa加密策略保障信誉传输的稳定性和安全性；

(3)用户节点凭自愿原则加入或退出虚拟协同服务系统，用户可自主选择加入的mp节点或按初始条件自动搜索加入临近的mp节点；

(4)假设节点发起网络任务协同请求，由mesh网络任务线程池随机选择节点触发，实例中分为四组对照：

·10簇mesh网络非构建虚拟协同服务系统；

·10簇mesh网络构建虚拟协同服务系统；

·20簇mesh网络非分裂虚拟协同服务系统；

·20簇mesh网络构建虚拟协同服务系统；

其中10簇集网络系统任务线程池配置参数如表1。

由于20簇集网络中，网络结构更为密集，节点通信链路变长，通信资源消耗加大，故20簇集网络节点的更易达到网络拥塞临界点。在任务线程的设计中，将适度放缓压力任务线程发生任务的间隔。20簇集网络系统任务线程池配置参数如表2。

在任务线程池配置中，任务线程1-3的设置是为了快速训练节点，并构建出mesh网络系统的结构，保障节点能够加入网络系统。同时加入网络后的节点能够快速熟悉周围的环境，在下一次进行任务通信时，能够更加快速地构建数据链路。

(5)当节点满足，节点的连接数n连≥15，节点的信誉分ti≥2500，则节点将成为虚拟协同服务系统常用备选协作集，将具有较高的迁移优先级。

(6)随着虚拟协同服务系统中节点规模n不断增大，当n≥45且备选协作节点数量n协≥1时，mp节点可发起重选mrc节点及cm节点，节点间通过组织协商以公开投票形式选举路由管控节点mrc和信誉评判管理节点cm，路由管控节点负责网络链路节点监测和节点间路由策略制定，信誉评判管理节点负责管理系统内节点的信誉档案及任务交付时节点行为评价；

(7)在虚拟协同服务系统中，mrc节点满足连接数>＝15时，将会启动虚拟协同服务系统周期性评价线程。当mrc的负载评价qmrc<0.182时，mrc节点将进行分裂预警。当mrc节点负载评价qmrc<0.093，满意度sat(tk)<0.5，且常用备选协作集数量z>0，mrc节点根据备选节点的服务能力排序选择最优节点成为新的虚拟协同服务系统mrc节点，并引导虚拟协同服务系统进行分裂。

2.节点可信协同服务方法具体实施，如图1所示，包括由源节点完成的任务需求确立与封装，在mrc节点和cm节点中完成的协作路由控制与评价，在协同节点集中完成的协同传输与平滑迁移，在目的节点中完成的服务评价和cm节点中进行的信用管理，包括如下步骤：

(1)假设cm节点拟定的qos评价方案如表3，参数l,d,v分别表示协作任务传输期间链路的丢包率、网络延迟、期望速率，其中u∈[0,1]，若u＝0，则表示任务交付失败，刚性需求模型中，σ为期望延迟，δ为期望速率。软性需求i计算模型中，δ为期望速率，a为用户容忍度，a越大评分增长越快，用户可容忍性越大，软性需求ii计算模型中，σ为可容忍最低速率，δ为期望速率。

源节点根据任务需求类型和cm节点制定的信誉评价机制，拟定具体任务交付时服务质量评价方案；源节点封装评价方案、源节点信息和目的节点信息为任务需求报文发送至mrc节点，mrc节点在虚拟协同服务系统中发起协同传输请求；

(2)节点收到协同传输任务请求后，根据自身意愿和当前状态选择是否接受协同传输请求，并回馈给mrc节点，mrc节点根据反馈结果、任务qos需求和当前路由策略筛选协同节点并构成预选协作集，并向cm节点请求评价协作集中协同节点的信誉度；

(3)cm节点评价协作集中每个协同节点的信誉度，其具体步骤如下：

(3-1)cm节点通过时间窗口对节点近期交互情况进行采样，样本的数据特征为任务交付时间、任务量和服务质量评价分，由于实际应用中任务分发具有聚集趋势，即短间隔内多次任务，长间隔空闲的特点，为衡量近期节点交互情况，其采样时间窗口函数为：

上述公式(5)中，[tstart,tend]表示信誉衡量时间区间；ta表示预设历史交互有效时间；δ为修正宽度；tlast表示节点最后一次协作任务交付的时间；δ表示如果时间窗口统计样本时，最后一个取数节点如果处于任务交付聚集区，即满足交付频度大于阈值f，则δ为聚集区最早开始时间到当前取数时间的差；

由于非周期性节点任务交付具有聚集性，即在某个小时间段内有多次交付，空闲时或大任务传输时又处于长间隔空闲，导致时间窗口轮循取样时样本分布不均匀，后续计算节点信誉度时具有突发性和跃迁性。为使用时间窗口实现样本数据均匀化，将一个取数区间分成多个小区间，每个小区间将作为一个独立样本，并保持每个样本的样本容量一致，当任务交付聚集于某一时段时，节点在该时段内的交付情况能更有效地评价节点处理并发事务能力，这在节点信誉评价中是富有更高价值的。若时间窗口取值区间尾段正好落在任务聚集点附近时，则应将该聚集时段全部作为衡量节点交付情况的样本。

假设网络中存在一个节点，其网卡类型为802.11n，可用带宽为100mbps，节点预留带宽4mbps用于信誉专享传输，初始信誉基准分tsi＝1，故t0＝tsi+tgi+tri＝1，节点内置任务线程，任务量x～u(0,60)的均匀分布(mb)，任务间隔4秒，任务类型为刚性需求，传输速率v≥2m/s，测试周期2小时，当节点带宽不足时自动拒绝协作任务，交互频度阈值f＝3hz。实验中设置对照：

·基于时间衰减函数的节点信誉度变化；

·基于非修正时间窗口的节点信誉度变化；

·基于修正的时间窗口对节点信誉度变化。

基于时间衰减函数的节点信誉度变化实验中，设节点完成任务获得的信誉价值记录为{s¹,s²,…,s^m}，则节点获得的信誉价值为λ为衰减力度。

实验假设时间窗口取前100次历史信誉交付记录，由实验设置知前100次任务交付间隔约400秒，则时间跨度ta＝400，可知对照组1存在约束条件s¹e^-λ400≥1，由s∈[0,60]，得λ∈[0,0.0102]，故本实验中λ取0.01。

修正时间窗口的子窗口数量τ＝4，每个子样本容量为25。

实验结果如图2，x轴为采样序号，y轴为信誉度观测值。

由于衰减函数时间窗口和非修正时间窗口的信誉度测试值过于紧密，故将衰减函数时间窗口进行平移ti′＝ti+400，非修正时间窗口ti′＝ti+200。

由实验数据和结果图对比可知，修正时间窗口能够在保留节点信誉度变化特征的前提下，对节点的信誉幅度变化进行比例缩小，修正时间窗口变化幅度约为非修正时间窗口和衰减函数时间窗口的66.67％。衰减函数时间窗口下的方差为1981.628，非修正时间窗口下的方差为2067.664，修正时间窗口下的方差为1193.952，可知修正时间窗口使得样本数据在保留原有特征的条件下取数更加均匀。

(3-2)通过步骤(3-1)的采样数据，本着公平、公正的原则，有效评价协作节点的信誉度，节点信誉评价主观上是衡量节点的可信度，其意义包含了交付任务的可靠性，节点行为的良好程度，为保障节点信誉评价的公平性和有效性，需遵从如下规则：

规则1节点的信誉由节点近期保持良好的任务交付行为所积累，历史交互信息对当前的节点的信誉评价影响较小，以步骤3.1的时间窗口所获得的交互数据集对节点信誉进行评价。

规则2节点的信誉基准由节点近期完成的最大任务量决定，即节点完成了10个10m的任务量与节点完成了1个100m的任务量对比，为后者更优，因为能够完成大任务交付的节点具有更好的网络环境和服务质量。

规则3为维持良好的网络环境，节点信誉增益放缓，节点信誉惩罚力度较大，当节点连续出现交付失败或大任务交付失败时，其信誉度将快速崩塌，当信誉度为0时，节点网络将被限制交互，节点必须通过协助他人积累信誉，当惩罚轮次和时间过后，节点方可解除限制。

由上规则可知，节点必须在近期能够稳定可靠地完成大任务交付，才能快速提升信誉。根据规则，建立信誉评价模型为：

ti＝tsi+tgi-tri(6)

上述公式(7)中，ti表示节点i的信誉度，tsi表示节点i的信誉基础分，tgi表示节点i保持良好行为的信誉增益分，tri表示节点i失败任务交付时的信誉减益分；tsi、tgi和tri计算如下：

上述公式(7)中，smax表示节点在近期交付的最大任务价值，sj表示节点近期第j次成功交付的任务价值，μ为增益控制因子，n为时间窗口内交付数量增益因子，sl表示节点近期第l次失败交付的任务价值，ε为信誉减益控制因子，x为近期失败次数，其中，单次任务价值s计算公式为：

s＝ue(8)

u为任务交付时获得的服务评价，u为0表示交付失败，e表示发起的任务量或参与此次任务协作期间的流量；

当采用步骤3-1)中的时间窗口进行取值时，时间窗口将被分散为m个子区间中，则信誉合成公式如下：

运用时间窗口分割成更小的子区间来衡量节点的信誉的方法，使得节点的信誉度变化更加均匀，与非分割的相比，信誉惩罚分tri保持不变，信誉增益分tgi与信誉基准分tsi取前n次平均值。

(4)mrc节点依照当前路由策略进行协作路由选择，从源节点开始以步骤2)预选协作集为搜索范围，逐跳逼近目的节点，下一跳通过机会路由的方式选择节点，假设当前节点i存在可协作集col＝{q1,q2,…,qn}，则节点i路由到节点j的概率计算步骤如下：

(4-1)mrc通过cm节点回馈的协同节点信誉信息，并综合节点可用带宽、链路质量、负载评价、剩余服务时间等特征对节点服务能力进行评价，其服务能力评价模型如公式(1)：

ηij＝gijijwijtiqisti(1)

上述公式(1)中，ηij为节点的服务能力，指节点i向节点j通信时，节点j对节点i的服务评价，包括节点i可用性gi(gi∈{0,1})、节点i与节点j的连接强度jij、节点i可共享给节点j的带宽wij、节点i的信誉度ti、节点i负载评价qi、节点的预期服务时间sti；

其中负载评价qi的计算如公式为：

上述公式(2)中，vi为当前速率，pi为节点i带宽，c1为节点负载控制阈值，ρ是海洋环境对无线通讯的损益；

连接强度jij的计算公式为：

上述公式(3)中，rssi为节点i连接到节点j时，节点j的无线信号衰减强度；

rssi为节点i连接到节点j时，节点j的无线信号衰减强度。而当节点间进行无线通信时，

当节点间进行无线通信时，理想状态传播距离与强度满足friis公式(12)：

公式(12)中，pr与pt分别为接收端与发射端功率，gr与gt分别为接收端与发射端信号增益值，λ为波长，d为接收与发射端距离。则按信号衰减定义，距离发射点d处的信号衰减rssid为：

x为环境影响因子，节点间的连接强度衰减可由如下：

rssi＝rssid＝1-10nlog(d)(14)

(4-2)计算协作集col中节点的路由概率，节点i路由到下一跳节点k的概率的计算公式为：

上述公式(4)中，ηik为节点i对节点k的服务能力评价，rij表示节点i对目的节点j的物理距离，rkj表示节点k对目的节点j的物理距离，rlj表示节点l对目的节点j的物理距离；

mrc节点通过计算概率，从源节点开始，概率选择下一跳路由节点，若当前节点无可路由节点，则退回上一跳从下一跳可路由集中剔除该节点，并继续选取，直至可达目的节点时结束；若所有路径都无法可达，则放弃当前任务，回馈至源节点；

(5)mrc节点将发送协作路由信息与任务信息至协作路由中每个节点，节点根据其上一跳和下一跳信息建立无线传输路径进行数据传输，目的节点将任务接收情况反馈至mrc，以完成任务追踪；

(6)当协作任务传输过程中发生链路中断、节点失效、节点可用服务能力或安全可信性无法满足任务需求时，异常点上一跳节点向mrc节点反馈链路状态并请求任务迁移或mrc节点通过网络监测结果主动发起任务迁移，mrc节点收到来自可迁移节点的请求响应后，根据任务需求、服务能力、迁移质量等参量选择迁移节点，确定迁移方案后，通知迁移节点和上一跳节点，上一跳节点执行服务迁移策略，迁移节点以中继增强或替代原节点的方式加入协作传输链路；mrc选择迁移节点时，假设节点i向节点j请求迁移时，其协同服务迁移优先级评价yij为：

公式(10)中，gj表示节点可用性，σ表示服务迁移将会带来的延迟变化和参量，e表示待迁移任务量，vij表示节点i向节点j的迁移速率。假设节点i的可迁移协作节点集为{j1,j2,……,jn}，期望任务迁移需求速率为v，则迁移选择策略步骤如下：

(6-1)迁移协议初始化，当前轮寻次数t＝0；

(6-2)将可迁移协作节点按迁移优先级排序，计算每个节点作为迁移节点的概率并概率选择节点j作为预选迁移节点，轮寻次数t++；

(6-3)节点i与节点j建立传输链路后，倘若t<10且∑vij<v，则跳转2继续选择，若t>10则表示迁移服务请求失败，此次服务抛弃；

(6-4)将迁移任务量e按迁移节点集中各个节点速率v比例，建立传输链路；

(6-5)将此次参与协作节点加入备选迁移集中，如果发生重新迁移请求时，优先选择。

(7)目的节点接收数据完毕后，对此次协同网络服务质量作出评价，并将评价结果发送至mrc节点，mrc节点结束任务追踪线程，并综合此次任务qos需求信息及任务期间协同节点的行为信息，通过信誉专享传输信道发送至cm节点，cm节点对此次任务传输过程中，协同节点的行为进行审查，按任务发起时拟定的评价方案完成协同节点的信用记录。cm保存节点的信用记录并归档系统节点信用记录库；

3.由mrc节点基于系统满意度评价等特征，引导虚拟协同服务系统进行分裂，具体实施包括步骤如下：

1)mrc节点向cm节点请求系统中所有协同节点近期交付成功及失败记录及信誉信息，并根据公式(5)中cm节点拟定的历史交互有效期ta作为评价周期t进行系统满意度评价，评价公式为：

其中tk表示按周期t划分的第k个评价周期，m为系统中所有协同节点个数，si为虚拟协同服务系统中协同节点i任务成功交付次数，fi为协同节点i任务失败交付次数，ti表示协同节点i的信誉度，tmax是mrc节点所在的协同服务系统中协同节点拥有的最大信誉度；

2)如果mrc节点通过公式(2)的负载评价qmrc<0.182，则进行当前虚拟协同服务系统分裂示警；

3)如果mrc节点满意度评价sat(tk)<0.5且qmrc<0.093，则mrc将引导当前虚拟协同服务系统进行分裂，查看当前虚拟协同服务系统中常用备选协作节点数量z，如果z≤0，则放弃引导，并进入步骤4)等待重询，如果z≥1，则进入步骤5)；

4)如果sat≤0，且无有效协作节点进行任务迁移，则放弃引导解散当前虚拟协同服务系统；否则等待下一个采样周期tk+1，跳转步骤1)计算满意度sat；

5)mrc节点将所有备选协作节点视为新的虚拟协同服务系统备选mrc节点，通过计算备选mrc节点到系统内所有节点的服务能力的平均值，进行排序，选择最优节点正式成为新的虚拟协同服务系统mrc节点，并向在系统内公布。

6)原系统中所有节点计算其到原mrc节点和新mrc节点的服务能力，按自身意愿，选择要加入的虚拟协同服务系统或观望，若无明确指定，则按公式(1)进行mrc节点相应自身节点的服务能力评价。

7)新形成的mrc节点将重置虚拟协同服务系统，并根据系统状态重置路由策略。

8小时后实验结果，其mesh网络结构如图3-图6所示。

10簇集虚拟协同服务系统构建虚拟协同服务系统，在测试结束时，共加入1200个用户节点，一共构建了55个虚拟协同服务系统(包括初始mp节点)，共有93个节点在测试期间成为常用备选协同服务节点，虚拟协同服务池平均服务时长36.41分钟。20簇集加入了2400个用户节点，共构建153个虚拟协同服务系统，共有275个节点在测试期间成为常用备选协同服务节点，虚拟协同服务池平均服务时长29.13分钟。

将10簇集构建虚拟协同服务系统与20簇集构建虚拟协同服务系统的实验结果取平均可得初始mp节点负载与虚拟协同服务池负载随时间变化如图7。在初始阶段，随着网络中节点的加入，初始mp节点因具有良好的网络环境和服务能力，网络节点均采取“智猪博弈”搭便车策略，吸引更多的节点访问，使mp节点的访问量随着访问节点的增加而增加，当mp节点负载达到阈值时，系统引导mp所在簇构建虚拟协同服务池进行数据分流，mp负载增速放缓，虚拟协同服务池负载增加，最后mp节点和虚拟协同服务池负载逐步趋于稳定。

将10簇集构建与20簇集构建结果取平均可得初始mp节点负载与虚拟协同服务池负载变化如图8。在初始阶段，随着网络中节点的加入，mp节点因具有良好的网络环境和服务能力，网络节点均采取“智猪”策略，吸引更多的节点访问，使mp节点的访问量随着访问节点的增加而增加，当mp节点负载达到阈值时，系统引导mp所在簇构建虚拟协同服务池进行数据分流，mp负载增速放缓，虚拟协同服务池负载增加，最后mp节点和虚拟协同服务池负载逐步趋于稳定。

将10簇集构建虚拟协同服务系统与10簇集非构建虚拟协同服务系统各个簇集信誉度取平均值可得如图9所示，10簇集构建虚拟协同服务系统与10簇集非构建虚拟协同服务系统各个簇集负载取平均值可得如图10所示。由图可知前期因系统初始的10个mp节点未达到负载阈值，簇流量快速涌入，信誉度快速积累。当mp节点负载达到阈值后，非构建虚拟协同服务系统mp节点表现出疲态，网络服务质量降低，信誉度开始出现崩塌效应，节点参与热情快速下降，负载居高不下。而构建虚拟协同服务系统中，当mp节点负载达到阈值后，通过引导簇可信节点构成虚拟协同服务系统，有效利用节点空闲带宽资源，网络服务质量有效提高，使得后续平均信誉度呈上升态势，并由于传输任务被分配到虚拟协同服务系统中完成，mp节点的负载得到缓解。由图可知，实验中通过构建虚拟协同服务系统，最大可降低15％mp节点负载。

图10-图15表明，通过构建虚拟协同服务系统，可对网络任务交付成功率、链路传输速率、延迟、丢包产生不同程度有益影响，其中网络任务成功率最大提升12％，结束时提升5％，链路传输速率最大提升33％，实验结束时延迟降低7％，丢包率减少24％。构建虚拟协同服务系统在各项指标中均优于非构建虚拟协同服务系统，其不仅带来的网络服务质量的增益，更可使得节点参与网络协作，使得空闲网络资源得到更有效的利用，实现负载均衡。

同时，我们通过仿真实验分析及结果，可得到如下结论：

1)系统构建虚拟协同服务具有马太效应和同类相聚的特征。所有节点均具有优先与综合性能优的节点连接趋势，热心节点因综合性能差异而聚集到不同的虚拟协同服务中，形成虚拟协同服务的综合性能参数和服务质量也不尽相同。

2)系统的服务能力主要有超级节点构建的协同虚拟服务提供，并保障骨干网络的稳健性，是系统服务质量的主要表征。

3)普通热心节点聚类构建的虚拟协同服务，由于其节点综合性能较弱，因此其虚拟协同服务的服务能力也先对较弱。这类虚拟协同服务在系统中主要承担保障网络连通性和为局域提供服务的作用。

4)节点的平均在线时长、服务能力、可用带宽、信誉度和链路延迟对虚拟协同服务的综合性能产生重要影响。

总结：

通过构建虚拟协同服务系统，能有效解决流式传输服务中提供节点过载的问题，实现了协同服务、资源共享、负载均衡的目的，优化了mesh流媒体系统的服务质量。

表110簇集网络系统任务线程池配置表

表220簇集网络系统任务线程池配置表

表3服务质量qos评价方案表