基于历史相遇间隔的延迟容忍网络路由机制研究

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延迟容忍网络(Delay Tolerant Network,DTN)网络拓扑结构动态变化,具有间歇型连接、高延迟的特点,通信时不能够保证一条端到端路径,因此传统的适用于因特网的TCP/IP协议(传输控制协议/因特网互联协议,Transmission Control Protocol/Internet Protocol)不能直接应用于延迟容忍网络。自延迟容忍网络提出以来,其路由算法一直是学者研究的核心,并已成为一个独立且开放的研究领域。本文是在已有路由算法的基础上,针对延迟容忍网络具有的社会属性,提出了以下两种路由机制以适应不同场景下的路由需求。人类的社会属性决定了人类总是在特定的环境里与熟悉的朋友、亲人、同事进行交流,从而形成了一个特定的社区。同一个社区的成员是频繁接触的,也就是说他们之间相遇的时间间隔是比较短的,而且社会成员之间的关系是具有传递性的。本文针对大多数延迟容忍网络路由协议在寻找端到端链路时不能很好地抓住节点社会性质的弊端,提出了一种基于历史相遇时间间隔的路由协议(Routing Protocol Based on Historical Time Intervals of Contacts, HIoC)。本协议以历史相遇时间间隔作为效用值来进行消息的转发,以期改善洪泛所导致的资源枯竭。在资源受限网络场景中,能源和缓存空间是有限的资源,节点因能量不足而进入休眠状态时,会导致网络的短暂分裂,因此合理的选择中继节点,提高电池利用率和缓存利用率显得至关重要。本课题在基于历史相遇时间间隔的路由协议的基础上,引入节点的资源作为衡量节点选择下一跳的依据,以期保证交付率的同时提高节点的资源利用率,提出了基于历史相遇时间间隔的资源有效性路由协议(Resource-Efficient Routing Protocol Based on Historical Encounter Time Interval, RRPHETI)。RRPHETI 协议创建了一个模型去捕获延迟容忍网络节点的资源消耗行为,利用最大似然函数去估计节点之间的传递概率,并提出了利用节点的效用值函数作为判断消息转发的依据,使消息朝着目的节点的方向流动。本文首先分析了延迟容忍网络技术产生的背景、研究现状和本研究的目的,接着对延迟容忍网络各类路由的优缺点进行了总结,之后对不同的应用场景进行了研究,最后,选择了性能良好的机会网络环境模拟器(Opportunistic Network Environment simulator,ONE)对提出的两种路由算法用Java编程实现,并利用特定的仿真场景对算法的性能进行仿真测试。本文将基于历史相遇时间间隔的两种路由协议分别与极具代表性的传染路由(Epidemic)、基于相遇历史和传递性的概率路由(Probabilistic Routing Protocol using History of Encounters and Transitivity,PRoPHET )进行 了性能上的对比。实验数据表明,在具有社会属性的网络场景下,HIoC协议能够保证较高的交付率和较小的开销比,且传输延迟也相对较小,因此它适合延迟容忍网络的路由需求,是一种有效的路由传输协议。在资源受限网络场景下,RRPHETI协议能够获得较大的交付率和很好的开销比以及较低的能量消耗。本文成功提出了基于历史相遇时间间隔的延迟容忍网络路由算法,并通过ONE模拟器编程实现了该算法,同时验证了其性能的优越性。本次路由设计将历史相遇时间间隔以及资源作为效用值来判断消息的下一跳路由,设计的出发点与算法本身具有一定的创新性和实用性,对基于历史和资源的延迟容忍网络路由的研究具有一定的参考价值。
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