节点关系强度感知的延迟容忍网络路由机制

2018年3月
第39卷第3期
计算机工程与设计
COMPUTER ENGINEERING AND DESIGN
M ar.2018
V ol.39 No.3
节点关系强度感知的延迟容忍网络路由机制
胡敏，王言通+，黄春妮
(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065)
摘要：综合考虑节点关系的准确评估对消息传输性能的影响，以及节点关系变化与节点运动的联系，提出一种基于节点 关系强度感知的延迟容忍网络路由机制。

利用节点在运动过程中所相遇节点的数量及数量的变化，描述节点关系强度及关 系强度的变化，根据节点之间连接状态的信息，估计节点相遇概率，结合节点关系预测节点转发能力，根据节点关系强度 和转发能力优化消息转发决策。

仿真结果表明，该路由机制增大了消息投递率，降低了传输时延，提升了网络性能。

关键词：延迟容忍网络'节点关系；关系强度感知'转发能力'消息传输
中图法分类号：TP393 文献标识号：A 文章编号$1000-7024 (2018) 03-0628-06
doi:10. 16208/1. issn l000-7024. 2018. 03. 006
Routing mechanism with node relationship magnanimity aesthesis in
delay tolerant network
H U M in,WANG Yan-ton g+，HUANG Chun-ni
(School of Communication and Information Engineering，Chongqing University of Posts and Telecommunications，
Chongqing 400065, China)
Abstract：Considering t he evaluation of node relation influencing message transmission performance and the relationship between node relation and node motion，the routing mechanism based on node relationship magnanimity sage delivery was proposed. The quantity of encountered node during node movement was made full use of to describe node rela­tion magnanimity. Node forwarding capabilities were predicted combining predicted encounter frequency through nodes links state of connection and disconnection with node relationship. According to node relation magnanimity and forwarding capabili­ties，message forwarding decision was optimized. The simulation results show that the routing mechanism can red mission delay and improve the network performance while increasing the message delivery rate.
Key words：delay tolerance network；node relationships；relation magnanimity aesthesis；forwarding capability；message de­livery
/引言
目前国内外研究机构在延迟容忍网络（delay tolerant network，D TN)路由机制方面的研究中，研究热点是利用 节点关系（如社会关系、相遇概率）确定消息转发节点[1’2]，完成消息传输过程。

Pan等[3]提出的Bubble Rap路 由，依据节点的移动信息对节点划分社区，同时利用网络 拓扑结构和节点属性计算节点活跃度并排序，根据节点排 名选择转发消息节点；Abdelkader等4利用社会网络中“小世界”特性制定路由策略，依据节点相似性和中心性确 定转发节点；吴大鹏等5提出根据节点社会属性感知的数 据转发策略，利用节点连接持续时间评估节点关系。

此外，研究人员发现利用节点的历史信息可以对节点的运动进行 预测。

王恩等6利用节点历史信息预测节点相遇概率并根 据预测值确定转发节点；Peng等7提出的基于投递概率预 测的高效路由（61^>@91〇5乜1@9>3丨(：1丨011乜&363〇116；[1- cient routing，DPER)，根据节点投递概率预测值选择节点 并根据预测值分配消息副本。

在上述研究的节点关系评估
收稿日期：2017-02-22;修订日期：2017-11-13
基金项目：重庆市科委基础与前沿研究计划基金项目（s t C2〇14c@A40039)
作者简介：胡敏（19几-)，女，重庆人，副教授，研究方向为通信网体系与协议、无线通信；；通讯作者：王言通（1989 -)，男，山东临沂人，硕士研究生，研究方向为延迟容忍网络、无线通信；黄春妮（1991-)，女，广西贵港人，硕士研究生，研究方向为延迟容忍网 络、通信网络体系与协议。

E-mail:huanghc@
第39卷第3期 胡敏，王言通，黄春妮：节点关系强度感知的延迟容忍网络路由机制•629 •
中，忽略了节点间关系强度受其连接节点的影响，使所得 与 在网络中的实 强 相吻合，错误 评估 发能力，网络传输性能。

针对上述问题，提出 强度感知的延迟容忍网络路由机制(node relationship magnanimity aesthesis rou-ting，NMAR)，该机制利用相遇节点信息衡量节点关系强度 变化，并依据 接状态信息估计 相遇概率，并
预测 发能力，根据 强 发能力
发，提高消息转发效率，提高网络性能。

1节点关系强度感知
节点关系通常考虑节点间的相遇时间或相遇频率[8]，强度能 间连接的紧密情况。

但节
系强度并不能仅考虑两节点的连接情况，对两节点关系产生影响。

1.1节点关系
网络中的节点选择任意方向移动，并依靠与其它节点 相遇建立的连接转发消息。

节点运动场景如图1所示。

使 间产生变化，间关系变化取决于 情况。

移 中相遇节点信息反映节点运动情况，利用相遇节点数量的变化分析节点运动情况，评估 间的化。

相遇节点信息是记录存储该节点移动过程中相遇节点 的信息，包括节点ID、相遇次数、开始时间、结束时间等。

用相遇 的数 强 ，用
共同相遇 （共遇 ）的数 化描述 强度化，即共遇 数目 ，强 ；反之，强度减弱。

强 化如图2所示。

两节间强，间发消 息 的能 力 强，消 息 的传 输 效率 。

图2网络中节点关系变化
1.2节点关系强度感知
网络G由n个节点构成，N为节点集合。

节点a与节 点^为网络中任意两个节点，节点a的相遇节点集合记为 表示为M$) ={n|n $N}，n为网络中节点。

节点a和 ^勺共遇 为
CM(a,b) = {nl|nt $M(a),nt $M(),nt $N}(1) 1共遇 化
共遇节点变化度指节点a与节点b的相邻两个时间周 期内共遇节点数目的变化值与非共遇节点数目的比值，为
Dis(a,b)=____________| l|—|l?#|_____________
|CM(a yb)t U CM(a,b)l-1 —CM(a，b) 8CM(a，b)—丄|
2)式中：CM(，b)表示节点a与节点b在第z个周期内的共 遇节点集，CM(，b)-i表示节点a与节点b在第f—1个周 期内 的共遇 。

共遇 化 强 化，共遇
变化度大于零，共遇节点数目增多，节点关系强度增加# 之，强 减 。

时共遇 化 的对
表征节点间关系强度的变化程度，绝对值越大，节点关系
强度变化越剧烈。

•630 •计算机工程与设计2018 年
定义2节点连接度
节点连接度是指节点a与节点^的共遇节点数目与两节点所有相遇节点数目的比值，记
Con(a，b)CM⑶
|M$%U M b b%|
式中：C M a，b%表示节点a与节点b在第#个周期内的共 遇节点集，M(a%，M(b%表示为节点a与节点b在第#个 周期内的相遇节点集。

接度表 间关系强度，连接度越大，节点间关系强度越高。

定义3相遇节点变化度
相遇节点变化 a在两个相邻的时间周期内相遇节点数目变化值与相遇 数目的比值，记为
'M(a)t U M(a)?-i|-| M(a)t 8M(a)?-i|
V ar(a%
|M(a),U M(a)r
⑷式中：M(a)为节点a在第#个时间周期内的相遇节点集 合，M(a)-i为节点a在第# 一1个时间周期内的相遇节。

相遇节点变化度反映节点因移动造成相遇节点的变化程度，体现节点移动能力大小，变化度值越大，移动能 力越强。

节点a，d的关系强度函数记为
Re(a,d) =pCnn(a,d)5eDis(a,d)5^Var(a)(5)式中：+、e和！为权重因子，+ +0 1，+ 0 0• 5，，=
0.3，！=0.2。

1.3节点的转发能力
强度反映节点间连接路径的数量。

消息转发 效率不仅与路径数目多少相关，还与各个路径的节点转发 能力 。

发能力包括相遇转发能力和邻接转发能力，相遇转发能力是指与目的节点相遇完成消息转发的能 力，邻接转发能力 目的 完成消息转发的能力。

转发能力用相遇概率描述，而相遇概率由节点间连接状态 预测得到。

网络中任意两个节点之间的连接状态由连通和断开交 替变化，并且两节点a、b在将来k+i时刻的状态（连通/断 开）只与当前时刻）的状态有关而与过去其它时刻无关，如图3所示。

因此，接 的变化 可视作 ；时间的马尔可夫链。

图3节点连接状态变化过程
图3中A、+分别表示节点间的连接状态由断开转变为 通、通 为 开 的概 率，接 的时间与-0 — 0 〇9i■P o o Poi-
_i— 0 i—-Pio Pn-
$)
接的间隔时间分别用）、：）来表示，则A =' )/'广，
该马尔可夫链是一个齐次马尔可夫过程，其状态转移 概率为
f p Q1(h) =A h+〇 (h)
+(6)
p io(h) =+i+〇 (h)
即状态转移矩阵为
节点a、b间连接状态由断开到断开的转移速率为
1-p"" h)p"1h)
g〇〇 =lim=lim=j7P〇i h l=〇 = h—o h h—o h ah
A =q〇i8)
同理，连接状态由连通到连通的转移速率为
i—p ii(h)pio(h)()I
qn =lim=lm=TFPio h l=〇 = h—o h h—o h ah
+ =qio$
)
第39卷第3期 胡敏，王言通，黄春妮：节点关系强度感知的延迟容忍网络路由机制•631 •
即上述演化过程的2矩阵为
一〇00〇01—A A
20()=()(1〇)
v〇1〇一O il、+ 一+
由柯尔莫哥洛夫向前方程可以
p'〇i(t) 0Ap〇i(t) 一+p〇〇(t)0—（A5+) p〇i(t)5A(11)
根据求解方 ，节点a、6间连接 开到连接的概率为
P t)=A「1—e—，+—]
p〇()=A5+
(2)
a z、b相遇概率值为
，b) =A〇[1 -e—(办#8—( ]，A〇 =(13)式中：为平均间隔时间，W为当前时刻距上一次相遇的 间隔时间。

节点a、6间转发能力函数记为/o r(，6)
'P(，b)
/r r(a,6) 0 (1一a)P(a,b)5a^ 心（)—p()式中为权重因子，$ = 1M(a)|/|M(a) |，M(a)为第 #个时间周期内相遇 ，M(a)为节点总的相遇 、集，'1(，）表示邻接转发能力。

k$M('a—
2 N M A R路由机制
为提高消息的传输效率，降低网络开销，本文提出了 一个感知 间强度的 N M A R。

消息传输流程如图4所示，描述如下：
()当两节点进入彼此通信半径内（相遇），比较相遇 节点是否为消息目的 。

若 接将消息转发给目的，同时删除该消息 #
()若相遇 消息的目的节点且携带消息的副本，发消息；
()若相遇节点不是消息的目的节点且没有携带消息 的副本，计算 强度函数，并且与当前 的函数值进行比较，当相遇节点关系强度值大于当前节点时，进 入步骤（），否则不转发消息。

()计算 发能力值，并与当前节点能力值进行比较，当相遇节点大于当前 时，将消息转发给中继节，发消 息。

结束
图4算法实现流程
3仿真与分析
本文采用机会网络环境模拟器ONE(opportirnistic network environment)[9]对消息投递率、开销比、平均传输 时延等网络性能指标进行 。

3.1仿真结果与分析
N M A R算 能力 投递能 力 强 的
来转发消息，算法伪 见表1。

中引入考虑 投递能力的Prophet路由算法[0]，控制网络开销的SpnyandW ait路由算法1] (SnW)和考虑 的DPER进行 。

数设置见表2。

3.2 与节点
设置网络节点的数目为120,节点缓存空间变化范围为 5 M至50 M，变化间隔为5 M。

仿真结果如图5〜图 B所示。

图5可以看出网络中消息投递率随节点缓存的增加 而提高，在 效 趋于 ，然后消息投递率不再受缓存增加的影响。

相比于Prophet、SprayandWait 和
• 632 •
计算机工程与设计2018 年
D P
E R 路由算法，N M A R 的消息投递率分别提升了
9. 55%、5. 72%和3. 21%。

图6为路由算法的平均传输时 延与节点缓存
的对比图，
传输时延
缓存
的增加呈现出先下降后上升的趋势直至趋于平_ N M A R 路由算法的平均传输时延低于Prophet 、Sprayand - W a it 和D PER 路由算法。

图7描述了网络的开销：节点
缓存 的变化趋势。

从整体看，4 算法的开销比缓存的
减小，逐步趋于
，N M A R 路由算法的开销比整体较小，优于
3
算法。

表1 N M A R 路由算法实现代码
Algorithm 1 ：NMAR Routing AlgorithmCNo^e a)
# I 2 ^ 5投递率随节点缓存大小的变化
5
10
15
20 25 30 35
40
45
50
节点缓存大小/Mbyte
—Prophet SprayandWa.it —末—DPER —B — NMAR
DPER 2 IF Node b
is in the communication range of node a THEN
3 FOR M ： messages collect in node a //messages in node a
4 IF Node b is the destination of message M THEN
5 Send M to Node b
6 ELSE
IF Replicates of b_M_a〉0 THEN//nodeb had 7 . 一一this message
8 //do not send message
9 ELSE //node b do not have this message 10 IF Re_b〉Re_a && for_b 〉f 〇r_a THEN 11 Send replicates of M_send_a to Node b
1213ELSE
Wait for the destination or other contact node
14 END IF 15 END IF 16 END IF 17
END IF 18
End
表2
仿真参数设置
数
设置值
仿真总时长/s
432 000(12 h)仿真预热时间/s 8000传输范围(蓝牙)/m 10传输速率(蓝牙)/bps 250 k 消息大小/b 500 k〜1 M 消息生存时间/s 3600(1 小时）消息间隔时间/s 25〜35时间周期/s
600
图6平均时延随节点缓存大小的变化
图7 开销比随节点缓存大小的变化
3.3网络性能与节点数目
结合上一小节的仿真实验结果，将节点缓存空间大小 设置为38 M ，
数保
，
数目变化范围
为40到200，增幅间隔为40。

仿真结果如图8〜图 10所示。

第39卷第3期 胡敏，王言通，黄春妮：节点关系强度感知的延迟容忍网络路由机制
• 633 •
从图8可以看出消息投递率随节点数目增加而增加， 相比于 Prophet、SprayandWait 和 D PER 路由算法，NM AR 的消息投递率优于
3
算法，分别提升了
15.47%、12. 02%和5. 68%。

由图9可以看出随着网络节 点数目的增加，消息平均传输时延不断减小后趋于 ，
N M A R 的平均传输时延低于Prophet 、SprayandW ait 和
研究了延迟网络
强度，通 通状
态的 出了节点强 的感知
方法，进一步
给出了基于 强度感知的延迟容忍网络
用
中相遇
数量的增减描述 间关强度的变化，同时依据
之间的连接 预测
相遇概率，并
评估 的转发能力，根据
，
强
发能力
适的转发
，优化消息的
传输，提升消息的转发效率。

仿真实验验证了该路由机制具有很高的扩展性，提 消息传输效率，改善了网络性
能，提升了资源的利用率。

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4结束语
DPER
算法。

图10描述了网络开销
数目
的变化趋势。

从整体看，4 算法的开销
数目的
表现出上升趋势。

从局部看，N M AR
算
的 开销 整体 小， 优于
3
算 。

图8
消息投递率随节点数量的变化
图9平均时延随节点数量的变化......^
.......Jk
>80 120
160 20
节点数目/个
-Prophet —e -- SprayandWait —*— DPER —日—NM^
图10开销比随节点数量的变化
30
29
m
/^fe ^7t
7
6
5
4
2
2
2
2纪班
fc
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