Research on Routing Algorithm Based on Node Utility in Delay Tolerant Network
作者单位：华中师范大学
学位级别：硕士
导师姓名：崔建群
授予年度：2020年
学科分类：0810[工学-信息与通信工程] 08[工学] 081001[工学-通信与信息系统]
摘 要：因为社会生产的需要和技术的不断更新,传统的TCP/IP协议已经难以适应一些复杂的网络环境。无线通信技术的快速发展和大规模的应用也促使许多新的网络场景的产生,例如星际网络、车载网络、野战军事网络和偏远地区的通信网络。在这些非常恶劣的环境中,网络往往具有间歇性连接的特点。因此,传统的端到端的网络协议不再适应这些特殊的网络环境。为了解决这些问题,Fall K等专家于2002年提出了容滞网络的概念。容滞网络(Delay Tolerant Networks)是一种新型的移动自组织网络。与传统的基于TCP/IP协议的因特网相比,DTN中的节点的运动是无规律的且节点间的连接是间歇性的。DTN的这些特点也使得消息的传输变得更加的复杂。因此,容滞网络中的节点往往使用“存储-携带-转发的机制来完成消息的传递。由于DTN中很难形成一条稳定的端到端的传输链路,DTN通常难以直接使用传统网络的路由机制或缓存管理机制。因此,国内外的专家和学者针对DTN的特点,设计了许多新的路由算法。这些新的算法能够在一定程度上克服了 DTN的间歇性连接、高误码率和网络延迟大等难题。本文主要研究了 DTN的背景和网络结构,还介绍了几种主流的路由协议。本文最主要的内容是在SnW(Spray and Wait)算法的基础上,重新定义了节点效用值的概念,并提出一种基于节点效用值的改进型SnW算法-SWBNU。本文首先对DTN的研究背景进行阐述。DTN来源于由Vint Cerf开发的IPN星际互联网(InterPlanet Internet),该网络用于研究太空网络通信和资源共享的问题,但天体之间不存在稳定的端到端链接。随后详细的介绍了 DTN的特点与关键技术。总的来说,DTN有以下一些特性:节点之间的间歇性连接,网络延迟大等。随后,本文通过图表的形式简明地展示了 DTN的结构。与传统网络相比,构成DTN的区域之间有异构性。在结构上,DTN的网络模型与传统网络很不相同,并多出一个Bundle层,并且Bundle层位于传输层和应用层之间。Bundle的存在使节点能在异构网络中传递报文,因而它在整个DTN的网络结构中发挥了难以替代的作用。与此同时,Bundle采用了“存储-携带-转发的机制,从而使得不同网络区域之间可以进行通信。在DTN的关键技术中,目前主流的技术有路由技术、网络安全技术和流量管理以及拥塞控制等。DTN的应用非常广泛,发展的前景广阔。在车载网络、野战军事网络以及偏远地区网络中,DTN都有应用。其次,本文就DTN的相关理论进行细致的介绍。DTN的分类方式很多,其中,主要的有两种。(1)把所有路由分为单拷贝路由和多拷贝路由两种。(2)把所有路由划分为基于知识集的路由、基于相遇概率的路由和基于复制/洪泛策略的路由。本文的图2.1展示了第二种分类方式。本文主要研究的是基于复制/洪泛策略的路由算法和基于相遇概率的路由。典型的洪泛路由算法有两种:蔓延路由(EpidemicRouting)和散发等待路由(Spray and Wait Routing)。在蔓延路由中,源节点会把消息的副本复制给所有的相遇节点,直到消息到达信宿节点。在该路由中,由于消息副本的数量没有得到较好的限制,故冗余的消息副本消耗了过多的网络资源,造成了较大的网络开销。在散发等待路由中,报文副本的数量是固定的。散发等待路由由源散发等待路由(SourceSprayand WaitRouting,SSW)和二分散发等待路由(Binary Spray and Wait Routing,BSW)。BSW与SSW的区别在于,BSW使用了二分法来分配消息副本,这样降低了延迟和提升了投递率。概率路由是一种典型的基于相遇概率的路由,它基于节点的历史相遇概率和传递性。DTN中的缓存管理机制分为流量控制机制与拥塞控制机制。在上文的铺垫之下,本文在原有的散发等待路由SnW基础上,重新定义了节点效用值,并提出了基于节点效用值的改进型SnW路由算法-SWBNU。传统的SnW算法在Spray阶段是不进行节点选择的。如果遇到了活跃性不高的节点,那么消息的转发率可能降低,网络的开销可能增大,这样会导致网络的整体性能不佳。在定义节点效用值之前,本文对网络中的节点模型、节点之间的有效相遇时间进行了定义。然后综合节点间的历史相遇次数和节点间历史有效相遇总时间与建立连接总时间之比来定义节点间的效用值。而节点自身的效用值由节点自身在一段时间内遇到的其他节点个数以及其他节点发生的数据传输总时间和有效传输总时间去定义。然后在消息副本数量的分配时,根据节点间的效用值,分配消息的副本数。SWBNU综合节点间的效用值与节点自身的效用值得出节点的综合效用值。当节点在遇到效用值更高的中继节点时,可以将消息进行二次转发。SWBNU算法的改进和创新点如下:1.中继转发节
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