DTN中基于节点预估效用和消息交付率的缓存管理路由算法

作     者：万齐芸 

作者单位：华中师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：常亚楠

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081201[工学-计算机系统结构] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：容迟网络 节点预估效用 消息交付率 消息量 缓存状态 

摘      要：容迟网络(Delay Tolerant Network,DTN)采用“携带-存储-转发机制进行消息传输,是一种端到端的网络体系结构。现今,DTN被应用于车载网络、卫星通信以及灾害应急等多个领域。在DTN中,移动模型是影响路由性能的重要因素之一。然而,大多数研究学者都只考虑了路由算法的改进而忽视了移动模型对于路由算法的影响。研究表明在不同移动模型下,路由算法会表现出不一样的路由性能。其次,传统的Spray and Wait算法总是盲目选择节点,忽视了节点自身的优劣性,从而出现副本分配不合理的现象。对此本文基于地图的移动模型提出一种基于节点预估效用和转发概率的喷射等待路由算法(FPEU-SAW)。在Spray阶段,该算法使用指数平滑法预估节点邻居有效变化率和节点数据包有效变化率,并在此基础上自适应分配消息副本。在Wait阶段,FPEU-SAW算法考虑在MBM模型下节点间间隔时间服从指数分布与节点间连接时间服从幂率分布的性质,计算节点相遇概率和消息成功投递概率。基于此提出消息交付率的概念,并依据消息交付率来选择中继节点。同时,本文提出一种基于节点消息量的缓存管理策略,综合考虑消息转发次数、消息传输时间和消息剩余生存时间定义消息量,并根据消息量决定消息删除优先级。在Wait阶段需采取节点间缓存状态相关的消息转发策略来转发消息。主要工作如下:(1)提出一种基于节点预估效用和转发概率的喷射等待路由算法(FPEUSAW)。本文定义邻居预测有效变化率并使用指数平滑法来预估节点在下一时间段邻居数增多的能力。选择邻居预测有效变化率更大的节点更容易将消息转发给其他节点,从而增大消息在网络中的扩散程度。同时,本文定义数据包预测有效变化率来预估节点在下一时间段转发数据包的数量。数据包预测有效变化率越高的节点转发消息的能力越强。选择此类节点作为中继节点可以有效缓解节点自身拥塞还可以提高消息投递率。综合邻居预测有效变化率和数据包预测有效变化率,本文定义节点预估效用值。依据效用值进行副本分配,可以增大消息在网络中的扩散程度,从而增大了消息的投递率。其次本文定义消息交付率,然后对Wait阶段进行改进。最后,采用ONE仿真平台开展对比实验,试验结果表明与Epidemic、Spray and Wait、Spray and Wait Ack、MASS以及DPNASW五种算法相比,FPEU-SAW算法可以提高消息投递率,降低网络时延。(2)提出一种基于节点消息量的缓存管理策略(MQ-CMS)。该策略分别对消息丢弃和中继节点选择阶段进行分析改进。本文综合消息的转发次数、传输时间以及剩余生存时间定义消息量。计算在消息生存周期内,该消息花费在传输上的时间来衡量消息在网络中的扩散程度,从而定义消息删除优先级。其次本文在选择中继节点时采取了节点间缓存状态相关的消息转发策略。在不同场景下,节点会综合考虑消息交付率与节点缓存状态来决定是否转发消息给相遇节点。最后使用ONE仿真平台开展试验,试验为Epidemic、Prophet、Spray and Wait、MASS、DPNASW和FPEU-SAW算法添加了该缓存管理机制。实验结果表明该缓存管理机制进一步提高了消息投递率,降低了算法的平均跳数,控制了网络负载。其中该缓存机制在节点缓存较小时会表现出更显著的优势。