机会网络的路由性能影响因素研究

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摘 要：影响机会网络路由性能的因素较多，为进一步研究机会网络中路由算法对路由性能的影响，从提高机会网络路由性能的角度出发，研究了如何在路由算法中加入控制消息复制和删除冗余消息对机会网络路由的影响。仿真结果表明，这两种机制的加入能有较改进路由的综合性能，显著提高交付率，减少路由开销，降低传输延迟。

关键词：机会网络；路由性能；路由算法

中图分类号：TP393

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2015）005-0145-03

作者简介：龚丁海（1979-），男，湖南桂阳人，硕士，河池学院数学与统计学院讲师，研究方向为无线网络、机会网络，车载网络。

0 引言

具备短距离无线通信能力的智能设备的普及，推动了移动网络和无线自组织网络的发展和深入研究。作为无线自组织网络的一种，机会网络（opportunistic network）[1]利用节点移动带来的相遇机会从而实现通信。机会网络中，不需要源节点与目的节点间存在完整的链路，网络通信是通过节点移动的相遇机会实现的，具有时延和分裂可容忍的特性[2]。机会网络的特性使其能应用于野生动物追踪、车载网络、偏远地区的网络传输等缺乏通信基础设施、网络环境恶劣的场景。

1 相关工作

由于机会网络在源与目的节点间不存在完整的路径，导致传统的无线自组织网的路由协议无法适用于机会网络中。为实现网络中的通信，机会网络路由采用“存储D携带D转发”机制。在这种机制中，当路由表中不存在通往目的节点的下一跳时，就将消息暂时存储在当前节点中，并随该节点移动，利用与其它节点相遇的机会，将消息副本转发给合适节点，重复该过程，直到将消息成功传递给目标节点。因此，机会网路中的消息不仅存储在节点缓存中，而且为了保证传输成功率，往往要产生多个副本[3]。机会网络中，由于节点在能量、缓存等方面的限制，大量消息副本会将节点中的存储空间占满，导致节点无法携带后续消息，因此无法存储网络中产生的所有消息副本；另外，多副本路由中的消息被多次复制，网络资源有可能被这些消息副本大量消耗，从而造成路由性能急剧降低，易产生“消息风暴”，可通过控制消息复制数量，消除冗余消息等方式，防止“消息风暴”[4]。

由于机会网络的固有特点，影响路由算法性能的因素很多，如节点能量、节点缓存空间、节点移动速度等节点固有特性，以及网络中节点数、消息数量、消息生存时间等网络特性。此外，路由算法等也会对机会网络中的路由性能产生影响。

根据路由过程中是否对消息进行复制分发，可将机会网络中的路由算法分为单副本路由和多副本路由。本文以简单的多副本路由算法为基础，通过仿真实验，研究多副本路由算法中，加入控制消息复制和删除冗余消息两个机制对路由性能的影响。

2 仿真与分析

2.1 仿真环境

为研究控制消息复制与删除冗余消息机制对机会网络路由的影响，以机会网络仿真工具The ONE中自带的赫尔辛基地图为仿真场景[5]。仿真环境设置如表1所示。

仿真中设定节点数为 126，包括80个步行者、40 辆小汽车、4辆有轨电车和2辆带有高速传输接口有轨电车。步行者、小汽车节点的缓存大小为5MB。有轨电车节点的缓存大小为 50MB。步行者、小汽车、有轨电车移动速度分别为[1.8，5.4]km/h、[10，50]km/h 和[25.2，36]km/h。信道带宽为 250Kb/s，高速传输接口的带宽为10M/s。

本文将机会网络中典型的路由算法Epidemic进行修改，并将控制消息复制机制和删除冗余消息副本机制分别加入改进后的Epidemic路由算法中，消息发送队列根据消息的复制次数进行排序，复制次数少的消息有优先发送的机会，以减少复制次数多的消息产生更多的消息副本，降低网络中消息的冗余度。

从消息交付率、路由开销和平均延迟3个方面评价这两种机制对机会网络路由性能的影响。仿真实验结果如图1―图3所示。图1―图3中，Router_Cf_Df表示两种机制均没有加入，Router_Cf_Dt表示只加入了消除冗余消息副本的机制，Router_Ct_Df表示只加入了控制消息复制数量的机制；Router_Ct_Dt表示两种机制均加入。

2.2 仿真结果分析

从图1可以看出，在路由算法中加入控制消息复制机制和删除冗余消息机制，其交付率要远远好于没有加入这两种机制的路由算法。网络中的消息数从500增加到4 500时，Router_Cf_Dt的路由算法交付率比Router_Cf_Df提高了13%～33%，而Router_Ct_Df的交付率比Router_Cf_Df提高了16%～37%，当两个机制都加入进去时，效果更明显，其交付率提高了23%～43%，这说明这两种机制的加入，对消息交付率影响非常大。在当前仿真环境下，当网络中的消息数控制在2 500以内时，加入两个机制后的路由算法表现出更好的性能。这是因为网络中消息数量较少时，所消耗的网络资源较少，而控制消息复制数量和删除冗余消息机制的加入，进一步减少了网络资源的消耗，提高了网络中消息到达目的节点的成功率。

加入两种机制后对路由开销的影响如图2所示。可以直观地看出，加入两种机制中的其中一种都对路由开销有较大影响，随着消息数量的增多，3种加入了机制的算法相比没有加入两种机制的算法Router_Cf_Df，路由开销平均降低了48%。当网络中消息数量在3 000以内时，两种机制都加入的路由算法Router_Ct_Dt的路由开销相比Router_Cf_Df甚至降低了60%左右。由于两种机制的加入有效控制了网络消息副本数量，减少了网络资源消耗，因此路由开销也相应降低。

控制消息副本数量机制和删除冗余消息机制对传输延迟的影响如图3所示。从实验结果看出，在路由算法中加入控制消息副本数量的机制在平均延迟控制方面要好于删除冗余消息机制。当网络中的消息数量从500增加到4 500时，加入控制消息副本数量机制的两个算法，其平均延迟的平均值为4 000s，而没有加入控制消息副本数量机制的两个算法，其传输的平均延迟平均值为6 500s。这说明在路由算法中加入控制消息副本数量机制在平均延迟方面所表现的性能要优于删除冗余消息机制。

由实验结果可知，在路由算法中加入控制消息数量复制和删除冗余消息这两个机制，对路由算法的性能有显著提高。当两个机制都加入到路由算法中时，其交付率、路由开销和平均延迟都比没有加入时表现更优。当单独添加一种机制时，以上3个图的结果表明，单独添加控制消息数量机制（Router_Ct_D*）比单独添加删除冗余消息机制（Router_C*_Dt）表现出更好的性能，这说明对于网络中消息副本的控制，直接控制消息复制机制比删除冗余消息机制更有效。

3 结语

本文构造仿真场景，对影响机会网络路由性能的控制消息复制机制和删除冗余消息机制进行了分析。结果表明，这两种机制能有效控制消息副本数量，提高路由算法性能。机会网络中多数路由算法是通过消息复制分发的，该研究为进一步研究基于复制和冗余机制的路由算法打下了良好基础。

参考文献：

[1] 熊永平，孙利民，牛建伟，等.机会网络[J].软件学报，2009，20（1）：124-137.

[2] 任智，黄勇，陈前斌.机会网络路由协议[J].计算机应用，2010，30（3） ：723-728.

[3] 吴大鹏，周建二，王汝言，等.机会网络中消息冗余度动态估计的缓存管理策略[J].电子与信息学报，2012，34（1）：101-108.

[4] 徐佳，王汝传，徐杰，等.容迟网络多副本路由技术研究[J].计算机科学，2011，38（8）：74-79.

[5] CAO Y，SUN Z L，AHMAD N，et al.A mobility vector based routing algorithm for delay tolerant networks using history geographic information[C].Proceedings of the International Conference on Wireless Communications and Networking，2012：2757-2762.