基于均匀分布的机会网络消息转发策略的制作方法
【专利摘要】一种机会网络的消息转发方法，其中尽可能地使网络中携带消息的节点均匀分布，并执行以下步骤：根据历史相遇记录得出节点平均相遇时间；综合节点移动速度计算各个节点同源节点之间的距离，再构建候选中间节点池；按照一定的筛选规则选择节点放入该节点池中，池中先到的节点作为消息转发中间结点，将消息传递给该节点；如果携带消息节点的数量小于预先设置的网络中携带消息节点数量的最大值，那么继续计算网络中其他节点到携带消息节点的距离，选择节点将消息继续传递下去，直到网络中携带信息的节点达到预设最大值最后，等待携带消息的节点同目的节点相遇，传递消息成功。
【专利说明】
基于均匀分布的机会网络消息转发策略
技术领域
[0001] 本发明属于网络通信领域，具体设及一种机会网络，尤其设及一种机会网络的消 息转发策略。
【背景技术】
[0002] 机会网络(Opportunistic network,Opp化t)是一种特殊的自组织网络，同传统的 移动自组织网络(mobile ad hoc network,MANET)不同，机会网络不需要数据源节点与目 的节点之间一定存在完整的端到端通信链路，不要求网络的全连通，它实现数据通信的方 法是"存储，携带，转发"，从节点的移动中寻求通信机会，即使网络中的通信联络处于断开 状态或者存在严重的网络拓扑不连续时，也能通过节点间的相遇来完成数据的转发和交 互。机会网络作为一种网络通信新技术，是移动自组织网络新的发展方向，具有组网方式灵 活、支持分布式控制等特点，在野生动物追踪、城市车载网络、灾难应急救、偏远山区建设等 方面有广泛的应用前景，让人们能够在任何时间、任何地点获得计算机信息服务，同时也会 加快物联网技术的发展速度。
[0003] 对于机会网络来说，数据的传输依赖于节点的移动，消息是W多跳的方式来到达 目的地，因此，在机会网络的消息传递过程中，最需要解决的基本问题是:如何选择最理想 的下一节点，如何选择恰当的转发时机，如何才能确保消息从源节点成功传输到目的节点
[0004] 消息转发机制是机会网络的核屯、，它决定通过何种策略进行消息传递，主要考虑 消息传输的成功率、传输的延迟时间和消息在网络传递中的冗余份数，有效的消息转发策 略是机会网络数据传输高效可靠的保证。按照策略的不同，目前现有的消息转发机制可W 大致分为零信息型和信息辅助型。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种能够解决上述问题的网络消息转发策略，具体而言， 本发明提出了一种基于均匀分布的机会网络消息转发方法，该网络采用时延容忍网络的 构架，其特征在于:该网络结构是平面的，在网络中各个节点之间不存在地位区别，且网络 中携带消息的节点尽量均匀分布，并执行W下步骤：
[0006] 1)根据节点历史相遇记录得出节点平均相遇时间；
[0007] 2)综合节点移动速度计算各个节点同源节点之间的距离，再构建候选中间节点 池；
[000引3)按照一定的筛选规则选择节点放入该节点池中，池中先到的节点作为消息转发 中间结点，将消息传递给该节点；
[0009] 4)如果携带消息节点的数量小于预先设置的网络中携带消息节点数量的最大值， 那么继续计算网络中其他节点到携带消息节点的距离，选择节点将消息继续传递下去，直 到网络中携带信息的节点达到预设最大值
[0010] 5)最后，等待携带消息的节点同目的节点相遇，传递消息成功。
[0011] 本发明还提供一种机会网络的消息转发方法，该网络采用时延容忍网络的构架， 其特征在于:该网络结构是平面的，在网络中各个节点之间不存在地位区别，且网络中携带 消息的节点尽量均匀分布，并执行W下步骤：
[0012] 1)在初始情况下，携带消息节点的集合C中只有发送消息的源节点S，根据历史相 遇记录得到节点的平均相遇时间T，根据T和节点的移动速度V计算源节点S到网络中其他节 点的估计距离D，i表示其中的某个节点，它同源节点S的之间的距离DiW及与源节点S的下 次预期相遇时间Tl的计算公式如下：
[0013] Di = TXVi
[0014] Ti = T-上次相遇时刻到现在的时长
[0015] 2)建立候选中间节点池，按照一定的规则筛选节点进入该池中，池中先到的节点 作为消息转发中间结点，其中筛选规则内容如下所示：
[0016] i .将所有节点按化值由大到小排列；
[0017] i i.将Di值最大的预定数量个节点放入池中；
[0018] iii.根据T确定延迟最大容忍值Tp,取Ti<Tp且化值最大的该预定数量个节点放入 池中；
[0019] 3)当池中一个节点到达时，将消息传递给该节点，同时消息转发节点将自己与其 他节点平均相遇时间信息传递给源节点S;将该节点放入C中；
[0020] 4)判断C中结点个数是否已达到预定值，如果已达到，则执行步骤6,否则执行步骤 5；
[0021] 5)计算其他节点到C中节点距离化，设Nodei是第i个其他节点，设Cj是C中第j个节 点，Tij是节点的平均相遇时间，Nodei至化中节点距离化i的计算公式如下
[0022] Dci = Squa^i: (Tij XNodei的移动速度）2)
[0023] 随后再返回步骤2继续执行；
[0024] 6)N个中间节点等待与目标节点相遇，当其中一个节点与目标节点相遇后，传递消 息；
[0025] 7)消息传递结束。
[0026] 进一步地，其中，第3)步中其中平均相遇时间Ti的计算方法为：
[0027] Ti = (Ti*Nht)/(Ni+l)
[002引 化二化+1
[0029] 其中：Ti是与节点i的平均相遇时间间隔，Ni是与节点i的相遇次数，t是本次与节 点i的相遇时间间隔。
[0030] 进一步地，其中，上述第i步中的预定数量为5.
[0031] 进一步地，其中，上述第ii步中的预定数量为5.
[0032] 进一步地，其中，最大容忍值Tp为消息生存期的1/2。
[0033] 进一步地，其中，网络中每个节点会记录与自己相遇节点的平均相遇时间，当该节 点被选中为转发节点后，将该节点存储的与其它节点平均相遇时间传递给消息源节点S
[0034] 进一步地，其中，第4)步中携带消息节点的集合C的节点数量根据通讯区域的大小 而选取，例如，通常可W选取3。
[0035] 进一步地，其中，所述携带消息节点的集合C的节点数量可根据消息送达成功率， 自适应调整。
[0036] 进一步地，其中，所述网络的节点均匀分布程度可通过消息转发节点间相遇间隔 尽可能大来估算。
[0037] 发明效果：
[0038] 本发明基于均匀分布的消息转发策略与现有的消息转发策略相比，所需历史相遇 数据要求较简单，算法复杂度低，提高了机会网络的消息投递成功率并减少了传输时延，使 消息能又快又准地从源节点传输到目的节点，能有效改善机会网络的消息传输性能。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明消息转发策略的流程图
[0040] 图2是不同节点数量下=种方法的投递成功率
[0041] 图3是不同缓存下=种方法的投递成功率
[0042] 图4是不同节点数量下=种方法的平均投递时延
[0043] 图5是不同节点缓存下的平均投递时延
[0044] 图6是不同消息存活时间下的平均投递时延
【具体实施方式】
[0045] 为了使本技术领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和实施方法对本发明作 进一步的详细描述。
[0046] 本发明的机会网络采用了时延容忍网络的构架，网络结构是平面的，非层次的，在 网络中，各个节点之间不存在地位区别，所有节点均平等。在本发明中，假设机会网络在初 始状态下，一共有R个传感器节点随机不均匀分布在大小为AXB的二维空间里，其中消息是 由源节点S生成，要传递到目的节点D;在消息传递过程中，C表示携带消息节点的集合，最大 消息携带节点数量N，即C中元素个数最多为N，N的选取与网络空间成正比，与节点间通讯半 径成反比；允许的最大消息延迟时间为T_p，T_p的值由机会网络的应用场景决定。该网络还 具有如下性质：
[0047] 1)信息发送者通过中间节点的存储转发将信息发送给目标节点；
[004引2)信息发送者共有N-I次数据转发机会；
[0049] 3)中间节点不能再转发消息，只能传递给目标节点；
[0050] 4)网络中有1个发送者和N-I中间节点，共N个节点携带消息，通过选择N-I个中间 节点，构成消息携带节点集合使其与目标节点有最大的几率相遇。
[0051] 为了尽可能的在提高传递成功率的情况下减少投递时延，发明提出了一种新的转 发方式。具体来说，本发明将整个网络看作一个整体，适用于携带消息的节点尽可能均匀分 布的网络中，可W提高携带消息节点和目的节点的相遇机会，均匀分布程度可通过消息转 发节点间相遇间隔尽可能大来估算。
[0052] 参见图1，首先根据历史相遇记录得出节点平均相遇时间，综合节点移动速度计算 各个节点同源节点之间的距离，再构建候选中间节点池，按照一定的筛选规则选择节点放 入该节点池中，池中先到的节点作为消息转发中间结点，将消息传递给该节点，如果携带消 息节点的数量小于预先设置的网络中携带消息节点数量的最大值，那么继续计算网络中其 他节点到携带消息节点的距离，选择节点将消息继续传递下去，直到网络中携带信息的节 点达到预设最大值，最后，等待携带消息的节点同目的节点相遇，传递消息成功。
[0053] 具体步骤如下所示：
[0054] 1)在初始情况下，携带消息节点的集合C中只有发送消息的源节点S，根据历史相 遇记录得到节点的平均相遇时间T(网络中每个节点会记录与自己相遇节点的平均相遇时 间，当该节点被选中为转发节点后，将该节点存储的与其它节点平均相遇时间传递给消息 源节点S)，根据T和节点的移动速度V计算源节点S到网络中其他节点的估计距离D，i表示其 中的某个节点，它同源节点S的之间的距离DiW及与源节点S的下次预期相遇时间Tl的计算 公式如下：
[0055] Di = TXVi
[0化6] Ti = T-上次相遇时刻到现在的时长
[0057] 2)由于距离源节点S最远的节点不一定会在可容忍的等待时间Tp(Tp设定为消息生 存期的1/2)内到来，为了减少由于等待带来的网络延迟，建立候选中间节点池，按照一定的 规则，筛选节点进入该池中，池中先到的节点作为消息转发中间结点。筛选规则内容如下所 示：
[0058] (1)将所有节点按化值由大到小排列；
[0059] (2)将化值最大的预定数量个节点(例如5个节点)放入池中（提高转发效率）；
[0060] (3)根据T确定延迟最大容忍值Tp,取Ti<Tp且Di值最大的该预定数量个节点放入 池中（减少转发时延）。
[0061] 3)当池中一个节点到达时，将消息传递给该节点，同时消息转发节点将自己与其 他节点平均相遇时间信息传递给节点S，将该节点放入C中；
[0062] 其中平均相遇时间Tl的计算方法为：
[0063] Ti=(Ti*NiW)/(Ni+l)
[0064] Ni = Ni+!
[0065] 其中Tl是与节点i的平均相遇时间间隔，Ni是与节点i的相遇次数，t是本次与节点i 的相遇时间间隔；
[0066] 4)判断C中结点个数是否已达到预定的N个，如果已达到，则执行步骤6,否则执行 步骤5;
[0067] 5)计算其他节点到帥节点距离化，设Nodei是第i个其他节点，设C堤帥第j个节 点，Tij是运两个节点的平均相遇时间，Nodei至化中节点距离化i的计算公式如下：
[006引 Dci = Squa^ I： (Tij XNodei的移动速度)2)
[0069] 随后再返回步骤2继续执行；
[0070] 6)N个中间节点等待与目标节点相遇，当其中一个节点与目标节点相遇后，传递消 息；
[0071] 7)消息传递结束。
[0072] 下面结合0肥（0卵ortunistic Network !Environment simulator)仿真平台来进 行比较实验，0肥是由赫尔辛基大学设计开发的机会网络环境模拟器，提供工具使用不同的 路由协议来模拟机会网络中消息的转发，并记录转发过程中的各种数据。本发明的模拟地 图采用了0肥提供的赫尔辛基城市地图模型，网络中有S种节点类型，分别是行人、家庭轿 车、有轨电车，每种节点移动速度不同，节点移动类型选用最短路径模型SPMBM(shodest path map-based movement)运动模型，在该模型下，网络中的节点会利用DiJkstra算法计 算到目的节点的最短路径作为移动方向，机会网络具体的设置参数如表1所示：
[0073]
[0074] 表1仿真配置参数
[0075] 本发明将UDR和根据节点间历史相遇信息来估计传输概率的Prophet算法W及不 需要辅助信息的无限制洪泛算法化idemic进行对比仿真实验，依次改变网络节点密度、节 点缓存大小W及消息存活时间运=个参数，分析实验结果来进行算法的性能比较，比较的 性能指标是投递成功率和平均投递时延。
[0076] 1)投递成功率(delivery ratio),表示在实验过程中，成功传递到目的节点的消 息数量同源节点发m的消息总数的比，计算公式化下：
[0077]
[0078] 当节点缓存大小为20M，消息存活时间为300min时，依次将网络中节点个数设置为 100~300个，节点密度的大小变化对转发策略投递成功率的影响如图2所示；当网络中节点 数量为100,消息存活时间为300min，依次将节点缓存大小设置为IM~25M，节点缓存大小的 变化对转发策略投递成功率的影响如图3所示。
[0079] 根据图2可W看出，随着节点数量的增加，Prophet和Epidemic转发策略的投递成 功率都有所降低，但是UDR的投递成功率曲线保持的很平稳，几乎不受节点数量的影响，主 要原因是UD时尋携带消息的中继节点均匀的分布在网络中，具有更大的机会与目标节点通 信，而在另外两种算法中，较大的节点数量虽然能增大消息传递机会，但是相应的辅助信息 的增加更能造成节点缓存溢出，从而降低成功率;在图3中，节点缓存的增大能够提高转发 的成功率，但是UDR的效果更为显著，是因为在UDR转发过程中，需要的历史相遇信息较为简 单，对节点缓存要求不高，在缓存空间不足的情况下也能也能存储足够的有用信息，但是 化idemic策略中，每个相遇节点都是相互拷贝信息，在缓存空间很有限的前提下，有用的信 息极可能被抛弃，而Prophet策略预测相遇概率的准确度有限，缓存的增加确实可能提高相 遇概率，但是效果不是很明显。
[0080] 2)平均投递时延(delivery laten^_avg)，表示从源节点发出的消息到被成功传 递到目的节点所消耗的时间，计算公式如下：
[0081]
[0082] 具体设置同上，节点密度的大小、节点缓存大小W及消息存活时间的变化对转发 策略平均投递时延的影响分别如图4、图5和图6所示：
[0083] 由图4看出，网络中消息数量的增多能够很大的提高节点的相遇机会，从而降低时 延，在节点的移动过程中，Epidemic算法的消息队列很容易被消息副本填满，所W它的平均 延迟较另外两种算法的下降幅度较小;根据图5和图6显示，随着节点缓存和消息存活时间 的增加，平均投递时延都会增大，但是UDR能够更有效的选择中继节点，从而在S种转发策 略中表现出最佳或者接近最佳的平均投递时延效果。
[0084] 实验结果表明，本发明的UDR方法较其他两种方法具有较高的投递成功率W及较 低的投递时延，能够更快更准确的将消息传递到目的节点。
[0085] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，运些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但运些术语仅仅是 为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
【主权项】
1. 一种机会网络的消息转发方法，该网络采用时延容忍网络的构架，其特征在于:该网 络结构是平面的，在网络中各个节点之间不存在地位区别，且网络中携带消息的节点尽量 均匀分布，并执行以下步骤： 1) 根据节点历史相遇记录得出节点平均相遇时间； 2) 综合节点移动速度计算各个节点同源节点之间的距离，再构建候选中间节点池； 3) 按照一定的筛选规则选择节点放入该节点池中，池中先到的节点作为消息转发中间 结点，将消息传递给该节点； 4) 如果携带消息节点的数量小于预先设置的网络中携带消息节点数量的最大值，那么 继续计算网络中其他节点到携带消息节点的距离，选择节点将消息继续传递下去，直到网 络中携带信息的节点达到预设最大值 5) 最后，等待携带消息的节点同目的节点相遇，传递消息成功。2. -种机会网络的消息转发方法，该网络采用时延容忍网络的构架，其特征在于:该网 络结构是平面的，在网络中各个节点之间不存在地位区别，且网络中携带消息的节点尽量 均匀分布，并执行以下步骤： 1) 在初始情况下，携带消息节点的集合C中只有发送消息的源节点S，根据历史相遇记 录得到节点的平均相遇时间T，根据T和节点的移动速度V计算源节点S到网络中其他节点的 估计距离D，i表示其中的某个节点，它同源节点S的之间的距离Di以及与源节点S的下次预 期相遇时间!^的计算公式如下： Di = TXVi Ti = T-上次相遇时刻到现在的时长 2) 建立候选中间节点池，按照一定的规则筛选节点进入该池中，池中先到的节点作为 消息转发中间结点，其中筛选规则内容如下所示： i .将所有节点按Di值由大到小排列； ii .将〇^直最大的预定数量个节点放入池中； iii .根据T确定延迟最大容忍值TP，取Ti<TP且Di值最大的该预定数量个节点放入池中； 3) 当池中一个节点到达时，将消息传递给该节点，同时消息转发节点将自己与其他节 点平均相遇时间信息传递给源节点S;将该节点放入C中； 4) 判断C中结点个数是否已达到预定值，如果已达到，则执行步骤6,否则执行步骤5; 5) 计算其他节点到C中节点距离Dc，设Nodei是第i个其他节点，设Cj是C中第j个节点，Tij 是节点的平均相遇时间，Nodei到C中节点距离Dei的计算公式如下 Dci = squar( Σ (Tij XNodei的移动速度）2) 随后再返回步骤2继续执行； 6. N个中间节点等待与目标节点相遇，当其中一个节点与目标节点相遇后，传递消息； 7) 消息传递结束。3. 根据权利要求2所述的机会网络的消息转发方法，其特征在于:第3)步中其中平均相 遇时间Ti的计算方法为： Ti = (Ti*Ni+t)/(Ni+l) Ni=Ni+l 其中：Ti是与节点i的平均相遇时间间隔，Ni是与节点i的相遇次数，t是本次与节点i的 相遇时间间隔。4. 根据权利要求2所述的机会网络的消息转发方法，其特征在于：上述第i步中的预定 数量为5。5. 根据权利要求2所述的机会网络的消息转发方法，其特征在于:上述第ii步中的预定 数量为5。6. 根据权利要求1所述的机会网络的消息转发方法，其特征在于:最大容忍值TP为消息 生存期的1/2。7. 根据权利要求2所述的机会网络的消息转发方法，其特征在于：网络中每个节点会记 录与自己相遇节点的平均相遇时间，当该节点被选中为转发节点后，将该节点存储的与其 它节点平均相遇时间传递给消息源节点S。8. 根据权利要求2所述的机会网络的消息转发方法，其特征在于:第4)步中携带消息节 点的集合C的节点数量根据通讯区域的大小而选取，例如，通常可以选取3。9. 根据权利要求8所述的机会网络的消息转发方法，其特征在于:所述携带消息节点的 集合C的节点数量可根据消息送达成功率，自适应调整。10. 根据权利要求1-9任一项所述机会网络的消息转发方法，其特征在于:所述网络的 节点均匀分布程度可通过消息转发节点间相遇间隔尽可能大来估算。
【文档编号】H04W84/18GK105848239SQ201610144897
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月15日
【发明人】张树东, 周丽娟, 黄向阳, 任仲山, 张蓓
【申请人】首都师范大学