【文章內(nèi)容簡介】 d Hoc網(wǎng)絡(luò)場景提出了基于副本數(shù)并結(jié)合節(jié)點相遇交付概率的擁塞控制包丟棄策略CWDS（Copies based Weighted Dropping Strategy），CWDS通過統(tǒng)計跳數(shù)來估算消息數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的副本數(shù)并結(jié)合節(jié)點相遇交付概率確定包丟棄策略，顯著提升了該DTN網(wǎng)絡(luò)場景的包到達目的地的成功交付率，由于CWDS的延遲結(jié)果不佳，其又提出了改進的丟包策略TCWDS（TTL and Copies based Weighted Dropping Strategy），加入了對包生存時間和節(jié)點相遇時間的改進，其實驗結(jié)果表明TCWDS的包到達目的地的成功交付率和平均延遲都比較好。本文主要關(guān)注于延遲容忍網(wǎng)絡(luò)由于長延遲和泛洪路由等帶來的隊列堆積、網(wǎng)絡(luò)交付率低、網(wǎng)絡(luò)開銷大等問題，調(diào)研現(xiàn)有的研究結(jié)果，分析延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，提出新的擁塞控制策略。本文是在參考文獻[22]的研究工作基礎(chǔ)上，對擁塞控制策略做了進一步的研究，除了提出新的適應(yīng)典型稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景的基于緩存管理的擁塞控制策略，還提出了適應(yīng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景變化的自適應(yīng)的擁塞管理策略，并提出了全新的DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞避免策略，該擁塞避免策略大大降低了網(wǎng)絡(luò)開銷，節(jié)省了很多的網(wǎng)絡(luò)資源。 研究工作及結(jié)構(gòu)安排 本文主要分析延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，根據(jù)傳輸特性設(shè)計適應(yīng)DTN網(wǎng)絡(luò)場景的擁塞控制策略，主要包括擁塞控制中的緩存管理和擁塞避免策略的研究和實驗。本節(jié)介紹了論文的主要研究工作和本文的框架結(jié)構(gòu)。 主要研究工作論文主要對DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞控制的緩存管理和擁塞避免策略進行研究，研究流程見圖 ，論文主要內(nèi)容如下：l 具有DTN網(wǎng)絡(luò)特性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景的擁塞緩存管理策略研究研究DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞控制策略，并分析其規(guī)律和特點，設(shè)計適用于典型稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的新型擁塞控制策略，在仿真平臺ONE上實現(xiàn)并驗證其效率；研究稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景參數(shù)設(shè)置變化情況下?lián)砣刂撇呗孕实淖兓?guī)律，設(shè)計適于場景變化自適應(yīng)的擁塞控制策略，并進行實現(xiàn)和驗證。 l 具有DTN網(wǎng)絡(luò)特性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景的擁塞避免策略研究研究DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞避免策略，并分析其規(guī)律和特點，避免很大幾率會被丟棄的包的傳輸，設(shè)計適用于典型稀疏Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的新型擁塞控制策略，并設(shè)計自適應(yīng)的DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞避免策略，在仿真平臺ONE上實現(xiàn)并驗證。 圖 1. 1論文主要研究工作 本文的組織結(jié)構(gòu)和安排圖 1. 2論文框架結(jié)構(gòu)，后面章節(jié)主要內(nèi)容如下：1) 第2章研究延遲容忍網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) ，分析基于Bundle協(xié)議的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)。2) 第3章主要研究具有DTN特性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景的擁塞緩存管理策略，首先提出新的典型場景下的基于全局估值的擁塞控制策略GPE（Global Parameter Estimation based congestion control strategy），改善數(shù)據(jù)包的成功交付率和轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，接著提出適用性更廣的自適應(yīng)的擁塞控制策略APE（Adaptive Parameter Estimation based congestion control strategy）。3) 第4章主要研究具有DTN特性的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景的擁塞避免策略，提出新的典型場景下的基于全局估值的擁塞避免策略GPEA（Global Parameter Estimation based congestion Avoidance strategy）和適用性更廣的自適應(yīng)的擁塞避免策略APEA（Adaptive Parameter Estimation based congestion Avoidance strategy），在保障網(wǎng)絡(luò)交付率的同時，很大程度減少網(wǎng)絡(luò)開銷，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。4) 最后第5章是本文研究工作的總結(jié)和展望。在參考文獻之后，是本論文的致謝以及本人在攻讀碩士期間參與的研究工作和成果。第2章 延遲容忍網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)第2章 延遲容忍網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)本章介紹延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識。DTN網(wǎng)絡(luò)擁塞控制和路由算法共同影響網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。，介紹其組成模塊和運行模式。 延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議架構(gòu) 延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧簡述在延遲容忍網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，Bundle協(xié)議一般處在應(yīng)用層和傳輸層之間?，F(xiàn)有的Bundle層之下的傳輸層協(xié)議主要有TCP協(xié)議、UDP協(xié)議、Saratoga協(xié)議、LTP協(xié)議、TCP集中層協(xié)議。不同的傳輸層協(xié)議主要應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)場景中。其中Saratoga協(xié)議、LTP協(xié)議主要應(yīng)用于空間延遲容忍網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信，而且適應(yīng)的鏈路協(xié)議主要為空間鏈路協(xié)議。而TCP協(xié)議、UDP協(xié)議主要適用于地面延遲容忍網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信。Bundle協(xié)議為不同類型的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信提供一個通用的解決辦法。通過存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式進行組網(wǎng)通信。Bundle協(xié)議具有逐跳的傳輸確認機制和可選的端到端的傳輸確認機制，并規(guī)定了一個簡單但實用的安全模型。圖 2. 1延遲容忍網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧DTN協(xié)議架構(gòu)最特別的就是Bundle層的引入，這是與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的不同。Bundle層就是用于處理數(shù)據(jù)包的存儲轉(zhuǎn)發(fā)的。由于Bundle層傳輸?shù)奶厥庑?，其還需要適應(yīng)長或可變延遲的路由算法和擁塞控制策略。Bundle層之下的協(xié)議層與實際的DTN場景相關(guān)，由于場景的復(fù)雜性，在必要時，Bundle層也需具備一定的協(xié)議轉(zhuǎn)換能力。 Bundle協(xié)議數(shù)據(jù)處理流程圖 2. 2 Bundle層數(shù)據(jù)處理流程。Bundle協(xié)議的工作原理為存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式。在Bundle層，當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達時，Bundle層通常需要根據(jù)路由算法作出轉(zhuǎn)發(fā)判斷。如果數(shù)據(jù)包可以立即投遞出去，則進行轉(zhuǎn)發(fā)。否則就存儲該包，等待合適機會再去投遞。當(dāng)數(shù)據(jù)包存儲數(shù)目太多，填滿了緩存空間時，若要再接受 數(shù)據(jù)包，必須丟棄緩存中部分數(shù)據(jù)包，直到空間足夠接納新數(shù)據(jù)包為止，這個由緩存管理策略決定。當(dāng)相鄰節(jié)點通信時，將根據(jù)路由算法轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。這就是Bundle層的數(shù)據(jù)流程。 延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的路由研究延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由算法是Bundle層的一部分，它負責(zé)確定將緩存中的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到哪一條傳輸鏈路。本節(jié)主要內(nèi)容是介紹國內(nèi)外已有延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)，現(xiàn)有延遲容忍網(wǎng)絡(luò)路由按照是否采用網(wǎng)絡(luò)場景的先驗知識可以分為：零知識路由、部分知識路由和全知識路由。如果按照是否對消息進行復(fù)制，路由算法可以分為單拷貝路由和多拷貝路由，單拷貝路由是指網(wǎng)絡(luò)中只存在消息的一份拷貝的路由算法，而目前主流的是在網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包存在多個副本的方式，即多拷貝路由，本小節(jié)按照單拷貝路由和多拷貝路由的劃分，介紹現(xiàn)有的DTN路由算法。 單拷貝路由單拷貝路由在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，網(wǎng)絡(luò)中只存在消息的一份拷貝，其路由算法按照是否采用網(wǎng)絡(luò)場景的先驗知識，可以分為三類：零知識單拷貝路由、部分知識單拷貝路由和全知識單拷貝路由 [ ][ ]。零知識單拷貝路由包括三種路由方式，首先是最簡單的直接傳輸（Direct Transmission）方式，源節(jié)點一直保存消息，隨著節(jié)點不停地運動，直到和目的節(jié)點相遇，才將消息轉(zhuǎn)發(fā)給對方。這種傳輸方式必須要源節(jié)點和目的節(jié)點相遇，才能完成消息投遞，其消息轉(zhuǎn)發(fā)完全依賴節(jié)點的相遇，消息投遞的成功率很低，延遲也很大。其次是首次聯(lián)系（First Contact）算法，持有消息的節(jié)點將消息轉(zhuǎn)發(fā)給最先遇到的節(jié)點，這種算法是利用多次轉(zhuǎn)發(fā)，將消息轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點。由于其最先遇到的節(jié)點是無法預(yù)知的，所以該算法消息轉(zhuǎn)發(fā)的方式具有一定的盲目性，其投遞成功率也比較低。第三種是隨機路由（Random Routing）算法，持有消息的節(jié)點A遇到某一節(jié)點B時，會以一定的概率p（p0）將消息發(fā)送給節(jié)點B。隨機路由方式的投遞成功率依賴轉(zhuǎn)發(fā)概率p，在沒有網(wǎng)絡(luò)先驗知識的情況下，難以設(shè)置適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)場景的概率p，所以該路由算法的投遞成功率也比較低。為了進一步提高消息的成功投遞率，需要利用一定的網(wǎng)絡(luò)先驗知識，可以利用的先驗知識包括：節(jié)點與其他節(jié)點的聯(lián)系機會（即聯(lián)系信息）、節(jié)點的緩存占用情況（即隊列信息）、消息的產(chǎn)生規(guī)律（決定網(wǎng)絡(luò)中的流量需求）等。如果設(shè)計的路由算法需要這些全部的先驗知識，那么就稱之為全知識路由，如果只需要部分的先驗知識，則稱之為部分知識路由。全知識的單拷貝路由算法的典型代表是線性規(guī)劃（Linear Programming，LP）算法，LP算法需要獲知節(jié)點間的聯(lián)系信息、隊列信息和網(wǎng)絡(luò)中的流量需求，然后根據(jù)線性方程求解轉(zhuǎn)發(fā)決策。LP算法由于利用了很多先驗知識，所以較為明顯地提升了消息投遞的成功率，然而實際網(wǎng)絡(luò)中如果要獲取這些先驗知識，需要很大的額外開銷，所以其實用性不夠好。部分知識的單拷貝路由算法利用了部分的先驗知識，實用性要優(yōu)于全知識的路由算法。典型的有四種，第一種最早投遞（Earliest Delivery，ED）算法，其用加權(quán)圖描述網(wǎng)絡(luò)，利用Dijkstra算法求最短路徑，其鏈路延遲采用瞬時值。第二種是最小期望延時（Minimum Expected Delay，MED）算法，是對ED算法的改進，使用鏈路延遲的均值表示加權(quán)圖中的邊的權(quán)值，其能最大程度降低平均等待時間。第三種是本地隊列最早投遞（ED with Local Queue，EDLQ），也是對ED算法的改進，加入了結(jié)合本地隊列的代價函數(shù)，其在路由的每一跳重新計算最佳路由。第四種是全網(wǎng)隊列最早投遞（ED with All Queue，EDAQ），其使用的是結(jié)合全網(wǎng)隊列的代價函數(shù)，并且在消息的傳輸路徑上為該消息保留存儲空間，其在消息的路由選擇以后不需要在每一跳都重新計算路由。 多拷貝路由多拷貝路由算法是針對時斷時連的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景提出來的，在這種部分連接的網(wǎng)絡(luò)場景中，如果僅有一份消息拷貝，消息可能會到達分割網(wǎng)絡(luò)的邊緣，出現(xiàn)無法繼續(xù)投遞消息的情況。在這種場景中，即使采用先驗知識選擇中間路由節(jié)點，上一節(jié)的單拷貝路由算法的投遞成功率仍然不高。因此多拷貝路由就在部分連接、長延遲的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)場景中得到了廣泛的應(yīng)用。多拷貝路由算法在完成消息轉(zhuǎn)發(fā)后不會刪除本節(jié)點緩存中的數(shù)據(jù)包，繼續(xù)保存該消息，在遇到其他節(jié)點時，可以繼續(xù)發(fā)送該消息，這樣網(wǎng)絡(luò)中就同時存在一個消息的多個副本，這類路由算法通過消息的復(fù)制提高投遞成功率。下面介紹這些典型的多拷貝路由算法：Epidemic路由算法 [ ]、基于控制復(fù)制概率的PROPHET路由算法 [ ]和MaxProp算法 [ ]、基于拷貝配額的Spay and Wait路由算法 [ ]和利用節(jié)點運動特征的基于社交圖的路[ ]。Epidemic路由（1）路由思想Epidemic路由算法是源節(jié)點首先向其鄰居轉(zhuǎn)發(fā)消息數(shù)據(jù)包副本，接收到消息數(shù)據(jù)包的節(jié)點再向自己的鄰居轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包副本，這樣的轉(zhuǎn)發(fā)過程會一直遞歸下去，直到數(shù)據(jù)包到達目的地為止。其中每個結(jié)點維護自己的摘要向量（Summary Vector，SV），摘要向量是對自己存儲的所有數(shù)據(jù)包的摘要信息。相鄰節(jié)點通信時互相通報各自的摘要向量，并在數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)后更新摘要向量。Epidemic路由的優(yōu)勢是路由過程不需要任何先驗知識，遞歸轉(zhuǎn)發(fā)簡單也容易實現(xiàn)。然而其遞歸轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包副本的方式使得網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包副本數(shù)目膨脹得很快。網(wǎng)絡(luò)容易堵塞，所以需要好的緩存管理策略。（2）路由過程Epidemic 路由過程如下面兩張圖呈現(xiàn)，節(jié)點周圍的圓圈代表節(jié)點通信范圍，源節(jié)點S生成了消息數(shù)據(jù)包，目的地是較遠處的節(jié)點D。由于節(jié)點分布比較分散，S和D之間沒有可用的鏈路。因此S先后將消息數(shù)據(jù)包發(fā)給自己的鄰居C1和C2。經(jīng)過一段時間以后，C2運動到了C3附近，二者進入了可以通信的范圍，C2將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給了C3。而C3正好也是目的節(jié)點D的鄰居，之后C3將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給D，這樣數(shù)據(jù)包就到達了目的地。圖 2. 3典型算法Epidemic路由擴散1圖 2. 4典型算法Epidemic路由擴散2Epidemic 路由中，相鄰節(jié)點間的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)不需要知道網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布等先驗知識，節(jié)點只要接收對方節(jié)點緩存中自己沒有的數(shù)據(jù)包即可。每個結(jié)點維護自己擁有的數(shù)據(jù)包的摘要向量，NodeA和NodeB通信時，NodeA將自己的摘要向量先發(fā)給NodeB，NodeB就將自己的摘要向量取非并和NodeA的摘要向量求與，這樣得到NodeA擁有而NodeB沒有的數(shù)據(jù)包列表，NodeB再向NodeA請求傳輸這些自己沒有的數(shù)據(jù)包。然后NodeA將NodeB沒有的數(shù)據(jù)包傳輸給NodeB，每成功傳輸一個數(shù)據(jù)包給NodeB，NodeB更新自己的消息摘要向量。圖 2. 5 典型算法Epidemic擴散路由消息傳遞過程（3）優(yōu)缺點Epidemic 路由不需要知道網(wǎng)絡(luò)的先驗知識，其遞歸轉(zhuǎn)發(fā)簡單也容易實現(xiàn)。但是遞歸轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包副本的方式使得網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的副本數(shù)據(jù)膨脹很快。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和數(shù)據(jù)流量都不大時，Epidemic路由能明顯提高投遞成功率。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目比較多、數(shù)據(jù)傳輸頻繁的情況下，消息副本數(shù)膨脹很快，由于節(jié)點的緩存空間和通信帶寬有限，數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象將十分嚴重，Epidemic路由導(dǎo)致投遞成功率明顯下降。PROPHET路由PROPHET路由（probabilistic routing using history of encounters and transitivity，）是基于概率的多拷貝路由算法。當(dāng)節(jié)點A與節(jié)點B相遇時，按照彼此能將該消息投遞到目的節(jié)點的概率來確定是否進行復(fù)制。如果遇到的節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)概率更好，才進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送。PROPHET路由的延遲一般比較小，數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)得到有效地降低，減輕了網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度。當(dāng)相鄰節(jié)點開始通信時，互相通報摘要向量（不僅有數(shù)據(jù)包列表，還有PROPHET新增的節(jié)點交付概率）。如果通信的鄰居節(jié)點的節(jié)點交付概率比自己的大，那么進行包的投遞，否則不進行投遞操作。節(jié)點開始通信時先更新轉(zhuǎn)發(fā)的交付概率： if( a，b相遇) () else