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延迟容忍网络中移动模型与路由技术研究

作　者: 彭敏
导　师: 洪佩琳
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 延迟容忍网络移动模型路由缓存管理摆渡节点连通性矩阵投递概率投递增益
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在传统网络中,消息转发之前需要先寻找一条从源节点到目的节点的端到端路径,怎样寻找合适的端到端路径是路由算法需要研究的核心问题。但是,在灾难救援和深空通信等网络环境下,由于通信环境恶劣,链路的频繁中断导致端到端的路径不一定存在,传统网络的处理方式将不再适用。这类网络具有链路频繁中断、通信延时大等特点,称为延迟容忍网络。为了完成消息投递,延迟容忍网络采用存储-转发的路由机制,中间节点可以将来自于其它节点的消息缓存起来并转发给此后遇到的节点,这样,即使不存在稳定的端到端路径,同样可以使消息逐跳向目的节点传递。由于网络分割现象频繁出现,如果仅保持消息的一份拷贝,很可能出现消息到达网络分割区域的边缘而无法继续投递的情况。为了提高消息投递成功率,可以允许节点在发送消息后继续保持该消息的备份,以便将消息复制给后续遇到的节点,此时,网络中会出现同一消息的多份拷贝,这种路由方式称为多拷贝路由。无论采用单拷贝路由还是多拷贝路由,消息投递成功率都取决于网络的连通度和中间节点的选择策略。网络连通度是消息投递的基础,如果网络分割现象持续出现,消息投递将无法顺利完成,因此,部署一些以提高网络连通度为目的的可控运动节点十分必要;在网络连通度得到一定的保证之后,需要选择合适的消息转发策略来完成消息投递,为了提高消息投递成功率和减小网络开销,需要充分利用节点的运动特征来选择合适的节点转发消息。本文将分别从网络连通度问题和消息转发策略问题出发,对可控运动节点的部署、非可控运动节点的移动模型检测、利用运动特性的路由算法进行研究。本文的主要研究内容与创新之处如下:(1)针对部署多个摆渡节点时邻接关系对网络性能的影响,分析了多摆渡节点运动路径设计的区域拓扑与协调方式。延迟容忍网络中有一类特殊的可控运动节点,它们像摆渡船只一样在网络中穿梭并为其它节点转发消息,被称为消息摆渡节点。现有研究表明,在具有较多摆渡节点时,各摆渡节点采用不同的运动路径能使消息投递延时更小。在这种多路径的运动方式下,消息转发分为区域内转发和区域间转发两种情况。摆渡节点的邻接关系会影响区域间转发的性能,因此在部署摆渡节点时需要考虑能表征邻接关系的区域拓扑问题。通过对常用区域拓扑下消息投递延时和节点缓存需求的分析,本文得到了不同摆渡节点数量下各区域拓扑的性能差异。在实际部署时,可以利用这一分析结果在给定的延时和缓存条件下选择合适的区域拓扑。通过对消息投递延时的分析,我们发现多路径的设计方式并非总是最优,因此本文提出了一种混合部署方式,使网络中的部分摆渡节点采用同样的运动路径。分析表明,在普通节点数量和摆渡节点数量满足一定条件时,采用混合部署的方式具有更小的消息投递延时。在实际部署时,需要根据网络参数和系统需求选择合适的混合部署比例。(2)提出了一种基于本地信息的移动模型检测框架,利用邻居发现机制获取本地连通性信息并实时地检测节点的移动模型。在无线网络中,大部分节点的运动是不可控的,所能做的就是尽可能利用它们的运动来提高消息投递成功率。在实际网络中,节点的运动往往并不是完全随机的,如果能识别其移动模型,将可以预测它们之间的联系机会,从而辅助节点进行路由决策。本文提出了一种基于本地信息的移动模型检测框架,利用本地连通性信息得到连通新矩阵,通过对连通性矩阵的处理,可以实时地检测节点的移动模型。这样的方式能较好地识别出一些典型的移动模型,并且具有易于实现、开销小、检测率较高等优点。获取节点的移动模型后,可以利用移动模型优化路由决策,根据实时移动模型信息在传统路由和存储-转发方式之间动态选择。(3)提出了一种基于投递概率预测的高效路由算法和一种适用于这类路由算法的缓存管理策略。基于配额的多拷贝路由通过限制消息的拷贝数量来控制开销,如何在给定的拷贝数量下尽可能提高消息投递成功率是其需要解决的关键问题。本文分析了在限定消息拷贝数量的情况下如何决策才能达到最高的投递成功率。由于这种最佳决策的复杂度过高,本文随后提出了一种基于投递概率预测的配额路由算法,利用节点的联系机会预测节点间的投递概率,然后根据投递概率的差别来分配消息拷贝配额。由于投递概率可以反映出节点间的联系机会,因此,这样的方式能充分利用节点的移动性规律,从而提高消息投递成功率,同时,由于消息的拷贝数量受到了严格限制,这种算法的网络开销并不大。在DTN中,缓存空间和通信带宽较为紧缺,因此,需要一定的缓存管理策略来确定合适的消息传输顺序和丢弃顺序。本文根据配额路由的特点,提出了一种投递增益感知的缓存管理策略,利用消息的拷贝配额和生存时间估计节点对该消息的投递增益,并根据投递增益确定消息的传输顺序和丢弃顺序。由于考虑了配额路由的特性,这种缓存管理策略能明显提高配额路由的性能。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
插图索引  13-15
表格索引  15-16
第1章绪论  16-30
  1.1 延迟容忍网络简介  16-22
    1.1.1 挑战性网络环境与延迟容忍网络  16-18
    1.1.2 延迟容忍网络体系结构  18-21
    1.1.3 延迟容忍网络的应用  21-22
  1.2 延迟容忍网络路由机制  22-26
    1.2.1 单拷贝路由  22-24
    1.2.2 多拷贝路由  24-26
  1.3 论文选题依据  26-27
    1.3.1 网络连通度问题  26-27
    1.3.2 投递策略问题  27
  1.4 论文结构与主要创新点  27-30
第2章摆渡节点运动路径设计  30-52
  2.1 摆渡节点简介  30-33
    2.1.1 摆渡节点的引入及其特点  30-32
    2.1.2 摆渡节点的应用  32-33
  2.2 摆渡节点运动路径设计  33-40
    2.2.1 单摆渡节点运动路径设计  33-36
    2.2.2 多摆渡节点运动路径设计  36-40
  2.3 多摆渡节点区域拓扑分析  40-46
    2.3.1 摆渡节点的区域拓扑  40-42
    2.3.2 不同区域拓扑下消息投递延时分析  42-44
    2.3.3 不同区域拓扑下缓存需求分析  44-46
    2.3.4 分析与讨论  46
  2.4 MFSR 与MFMR 协调部署研究  46-50
    2.4.1 相邻两MFMR 区域合并为MFSR 区域  47-49
    2.4.2 进一步考虑  49-50
  2.5 小结  50-52
第3章本地移动模型检测与移动模型感知路由  52-76
  3.1 移动模型概述  52-59
    3.1.1 个体移动模型  53-55
    3.1.2 整体移动模型  55-57
    3.1.3 移动模型特性  57-59
  3.2 移动模型检测研究现状  59-61
    3.2.1 移动模型检测的意义  59-60
    3.2.2 现有移动模型检测算法  60-61
  3.3 基于本地信息的移动模型检测  61-68
    3.3.1 连通性矩阵  62-63
    3.3.2 移动模型检测算法  63-65
    3.3.3 信令开销和算法复杂性分析  65
    3.3.4 仿真结果和分析  65-68
  3.4 移动模型感知路由  68-74
    3.4.1 移动模型感知路由的基本思想  68-69
    3.4.2 移动模型感知路由算法  69-70
    3.4.3 MAR 性能评估  70-74
  3.5 小结  74-76
第4章基于投递概率预测的配额路由  76-102
  4.1 多拷贝路由概述  77-79
    4.1.1 基于泛洪的多拷贝路由  77-78
    4.1.2 基于配额的多拷贝路由  78-79
  4.2 拷贝配额分配  79-82
    4.2.1 现有路由协议的拷贝配额分配策略  79-80
    4.2.2 拷贝配额分配策略分析  80-82
  4.3 基于投递概率预测的高效路由  82-91
    4.3.1 基于投递概率的配额分配策略  82-83
    4.3.2 DPER 算法  83-85
    4.3.4 DPER 性能评估  85-91
  4.4 适用于配额路由的缓存管理策略  91-101
    4.4.1 现有DTN 缓存管理策略  91-92
    4.4.2 消息的丢包优先级与传输优先级分析  92-94
    4.4.3 投递增益感知的缓存管理策略  94-96
    4.4.4 仿真及结果分析  96-101
  4.5 小结  101-102
第5章结束语  102-105
  5.1 全文总结  102-104
  5.2 未来研究展望  104-105
参考文献  105-113
攻读博士学位期间的研究成果  113-114
攻读博士学位期间的科研项目经历  114-115
致谢  115-116

延迟容忍网络中移动模型与路由技术研究

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