摘 要: 在“ferry”概念的基礎(chǔ)上，提出容遲網(wǎng)絡(luò)中一種新的路由算法CB-NIMF（Cluster-Based Node Initiated Message Ferrying），在該算法下，利用普通節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和通信能力，縮短了數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點向“ferry”移動的非正常工作時間，降低了隱性的數(shù)據(jù)丟失，增加了節(jié)點的工作時間以及采集的數(shù)據(jù)量。?
關(guān)鍵詞: 容遲網(wǎng)絡(luò)； ferry； 簇； 路由
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Internet作為當(dāng)今全球信息交互的工具，無疑已經(jīng)取得了巨大的成功。它使用了大量的通信協(xié)議（TCP/IP協(xié)議族）來確保通信的正常工作。組成Internet的成千上萬的子網(wǎng)內(nèi)的所有設(shè)施都使用這些協(xié)議來進行數(shù)據(jù)路由以及確保信息交換的可靠性。不過，Internet上工作的協(xié)議都是基于一個假設(shè)才能正常工作的：所有的通信鏈路都穩(wěn)定地、不間斷地連接在一起。近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)等發(fā)展迅速，不過這類網(wǎng)絡(luò)都存在著相同的問題，即網(wǎng)絡(luò)的鏈路連接是間斷性的，傳統(tǒng)Internet上的協(xié)議并不能直接使用。針對以上問題，F(xiàn)ALL K于2003年在參考文獻[1]中給出了一個解決該問題的框架，即DTN網(wǎng)絡(luò)。之后，關(guān)于DTN網(wǎng)絡(luò)的研究越來越受到重視[2-6]。
2004年， ZHAO Wen Rui提出了“ferry”的概念[2]： “ferry”的移動路徑是固定的，不存在隨機性，該路徑稱為路由路徑，并且假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中的其他正常節(jié)點只產(chǎn)生數(shù)據(jù)，并不參與路由過程?！癴erry”路由的基本思想是：整個網(wǎng)絡(luò)的路由由快速移動的“ferry”節(jié)點完成，當(dāng)經(jīng)過某一個節(jié)點時，“ferry” 節(jié)點從該節(jié)點上獲取要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后沿著路由路徑移動。當(dāng)遇到目的節(jié)點時，把數(shù)據(jù)傳輸給目的節(jié)點。在參考文獻[2]中，提出了一種普通節(jié)點和“ferry”節(jié)點信息通信的路由算法：NIMF(Node-Initiated Message Ferrying)。在NIMF路由算法中，當(dāng)節(jié)點上有數(shù)據(jù)要傳輸時，它將停止當(dāng)前工作并向“ferry”的路由路徑移動；在“ferry”節(jié)點要傳輸數(shù)據(jù)給普通節(jié)點時，也需要普通節(jié)點移動到“ferry”的路由路徑。如圖1所示，其中黑點表示節(jié)點，黑色方塊表示“ferry”，實圓圈是“ferry”的路由路徑。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時，所有節(jié)點都會獨自按照最短的距離移動到圓圈的位置，然后等待“ferry”。
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當(dāng)一個用于數(shù)據(jù)采集的DTN網(wǎng)絡(luò)使用NIMF進行路由時，可以把數(shù)據(jù)丟失分為兩部分：由于路由超時而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失,對此本文稱之為顯性數(shù)據(jù)丟失；由于節(jié)點移動,節(jié)點離開工作地點到再次返回工作地點這段時間稱為節(jié)點的非正常工作狀態(tài)，由此導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失本文稱之為隱性數(shù)據(jù)丟失。如果節(jié)點離 “ferry”路由路徑很遠，往返的時間將會嚴重影響數(shù)據(jù)采集的正常工作，隱性數(shù)據(jù)丟失問題將會比較嚴重，其影響甚至可能超過了顯性數(shù)據(jù)的丟失。而且，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，節(jié)點數(shù)目增多，這種損失就會越大。針對NIMF在節(jié)點移動時間上的缺陷，本文利用節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將節(jié)點按位置先組成一個個簇，并且在簇內(nèi)建立一個邏輯樹，讓節(jié)點也參與數(shù)據(jù)路由，以減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的移動時間，從而有效降低節(jié)點因移動而導(dǎo)致的隱性數(shù)據(jù)丟失。由于節(jié)點的非正常工作時間減少，因節(jié)點處于正常工作狀態(tài)的時間就會相應(yīng)增多，這也增大了節(jié)點在固定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集量。
1 CB-NIMF的設(shè)計
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模比較大，節(jié)點和“ferry”路由路徑離得較遠時，節(jié)點的非正常工作時間會比較長，因此會造成隱性數(shù)據(jù)丟失問題。對此，本文提出一種新的路由: CB-NIMF。在一個用于數(shù)據(jù)收集的DTN網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點分布一般會有一定的規(guī)律，比如，在比較重要的區(qū)域，一般會有較多的節(jié)點，即節(jié)點的分布一般是不均勻的，很容易形成一個個區(qū)域簇。在這些簇內(nèi)，各個節(jié)點和路由路徑的距離是不相同的，有些離節(jié)點很近甚至就在節(jié)點的路由路徑上，而有些節(jié)點則離得比較遠。CB-NIMF利用網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與“ferry”路由路徑之間距離的差異讓普通節(jié)點也進行數(shù)據(jù)路由工作，盡量減少由于節(jié)點移動而導(dǎo)致的隱性數(shù)據(jù)丟失。在CB-NIMF中，對“ferry”的功能進行一定的強化?！癴erry”除了進行數(shù)據(jù)路由之外，還將進行網(wǎng)絡(luò)分簇并替簇內(nèi)的節(jié)點建立一個邏輯樹。
1.1 分簇
在CB-NIMF中，假設(shè)每個節(jié)點都知道了“ferry”的路由路徑，同時都能準(zhǔn)確定位自己在網(wǎng)絡(luò)中所處的位置——可以通過GPRS之類來獲得。在布置網(wǎng)絡(luò)的時候，每個節(jié)點首先獲取自己的位置坐標(biāo)，計算與“ferry”路由路徑之間的距離，然后通過一次長距離的通信，將該坐標(biāo)和距離發(fā)送給“ferry”節(jié)點?！癴erry”在收集到網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的坐標(biāo)位置后，根據(jù)節(jié)點的位置分布，將距離比較靠近的節(jié)點分配成一個簇。如圖2所示，其中虛線圓圈覆蓋的范圍是一簇。當(dāng)某個節(jié)點位于兩個簇之間時，“ferry”節(jié)點將根據(jù)以下方法來確定將該節(jié)點加入哪一個簇：
(1)當(dāng)某個簇A中不存在與該節(jié)點距離比較小的節(jié)點，
而在另一個簇B中存在與該節(jié)點距離較小的節(jié)點時，“ferry”將會把該節(jié)點加入簇B的樹。
(2)當(dāng)該節(jié)點在２個網(wǎng)絡(luò)簇中都存在與它距離差不多一樣的節(jié)點時，“ferry”節(jié)點將分別比較該節(jié)點在２個樹中的深度，同時選擇將其加入深度較小的那個邏輯樹所在的簇。如果該節(jié)點在兩棵邏輯樹中的深度一樣時，“ferry”將會把該節(jié)點加入節(jié)點數(shù)目較少的那個簇。
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1.2 邏輯樹的形成
當(dāng)“ferry”接收到所有節(jié)點的坐標(biāo)，并把節(jié)點分配到相應(yīng)的簇之后，它將根據(jù)節(jié)點與自己路由路徑的距離，建立一棵邏輯樹。首先，簇中距離最小的節(jié)點將會成為該簇與“ferry”通信的門節(jié)點。以門節(jié)點為根，將簇內(nèi)其他所有節(jié)點以距離為因素來組成邏輯樹:在形成的樹中，父節(jié)點與“ferry”路由路徑的距離總是比其子節(jié)點與“ferry”路由路徑的距離要短。為了使簇內(nèi)所有節(jié)點的移動距離總和最小化，可以使用Prim算法來生成一棵最小生成樹。在成功建立了樹之后，“ferry”替每個節(jié)點計算它們各自在樹中的深度，然后用深度來標(biāo)記節(jié)點。如果2個節(jié)點在樹中的深度一樣，就稱這2個節(jié)點在樹中屬于同一層次。然后，“ferry”把節(jié)點的深度以及其父節(jié)點和子節(jié)點的坐標(biāo)位置都通過一次長距離通信發(fā)送給節(jié)點。最終結(jié)果如圖3所示，其中虛圓包圍的是簇，a、b、c、d、e是各個簇的門節(jié)點，虛線形成的是一個邏輯樹。
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1.3?網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸
??? 當(dāng)把網(wǎng)絡(luò)分成N個簇之后，整個網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸主要可以分為兩類：簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸和簇間數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)一個節(jié)點有數(shù)據(jù)需要傳輸時，它首先判斷目的節(jié)點和自己是不是屬于同一個簇，如果是同一個簇內(nèi)的節(jié)點，則按照簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞竭M行路由。發(fā)送節(jié)點首先判斷自己與目的節(jié)點之間深度的大小，當(dāng)目的節(jié)點深度比自己小時，發(fā)送節(jié)點將向父節(jié)點移動，把數(shù)據(jù)傳輸給父節(jié)點后返回原位置正常工作；當(dāng)目的節(jié)點深度比自己大時，發(fā)送節(jié)點將向自己一個子節(jié)點移動，把數(shù)據(jù)傳輸給自己的子節(jié)點后返回原位置正常工作；當(dāng)目的節(jié)點深度和自己一樣時，發(fā)送節(jié)點將向與自己最為臨近的同層次節(jié)點移動，數(shù)據(jù)傳輸完成后返回原位置正常工作。
當(dāng)發(fā)送節(jié)點和目的節(jié)點不屬于同一個簇時，路由過程將經(jīng)由門節(jié)點和“ferry”來完成。當(dāng)一個簇內(nèi)有節(jié)點要傳輸數(shù)據(jù)后，它將會向父節(jié)點移動，在與父節(jié)點相遇后，把數(shù)據(jù)傳輸給父節(jié)點，然后返回原位置開始正常工作；而父節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)后，將會開始新一輪的路由選擇過程，這一過程將一直持續(xù)到數(shù)據(jù)到達門節(jié)點。當(dāng)門節(jié)點要傳輸數(shù)據(jù)時，它將會向“ferry”的路由路徑移動，成功地把數(shù)據(jù)傳輸給“ferry”后，返回正常工作。而“ferry”將會把要路由的數(shù)據(jù)按照目的節(jié)點所在簇分類，當(dāng)遇到一個簇的門節(jié)點時，將所有目的節(jié)點位于該簇內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給該門節(jié)點。然后該門節(jié)點將按照簇內(nèi)數(shù)據(jù)路由的過程將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到各個目的節(jié)點。如圖4所示，其中路徑1屬于簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸，不需經(jīng)過 “ferry”；路徑2屬于簇間數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)由門節(jié)點和“ferry”來完成。
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2 節(jié)點平均的非正常工作時間?
在CB-NIMF路由方式中，筆者把普通節(jié)點N的非正常工作時間分成兩個部分TNm和TNw,其中，TNm是節(jié)點N移動到父節(jié)點所需要的時間，這個時間當(dāng)網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后就是固定不變的，可以用兩個節(jié)點之間的距離來衡量；TNw是節(jié)點N在父節(jié)點的初始位置等待父節(jié)點的時間。這樣，節(jié)點N的非正常工作時間為：
對于門節(jié)點，Tw是 “ferry” 沿路由路徑移動一圈所需時間的一半。假設(shè)“ferry”移動一圈所需要的時間是T，則門節(jié)點的平均等待時間Tw=T/2。那么門節(jié)點移動一次的非工作時間的平均值是：
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??? 從上述不等式(9)右邊的最后一項可以看出，在簇內(nèi)層次越高的節(jié)點，其移動時間受“ferry”路由周期的影響就越低。事實上，當(dāng)n≥3時，T/(2×4n)≤T/192，當(dāng)且僅當(dāng)Twk=Tab時取等號，而且，在一個正常工作的網(wǎng)絡(luò)中， Twk>>Tab，則不等式的最后一項其分母將會變得更大，因此，可以認為當(dāng)節(jié)點在簇內(nèi)的層次k≥3之后，節(jié)點的非正常工作時間就與“ferry” 的路由周期關(guān)系不大，甚至可以忽略 “ferry”的路由周期的影響，只與節(jié)點間的距離有關(guān)而已。
3 仿真結(jié)果
??? 本文使用了C語言實現(xiàn)了CB-NIMF的仿真過程。為了簡化非正常工作時間的分析，在仿真過程中，并沒有把能量和延遲等因素考慮在內(nèi)。
??? 系統(tǒng)概述：
在假設(shè)的DTN網(wǎng)絡(luò)模型中，所有節(jié)點隨機分布在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)， “ferry” 的路由路徑是固定的。
(1)將整個網(wǎng)絡(luò)分成50×50的方格，只有處于同一個方格內(nèi)的節(jié)點才能進行正常通信。
(2)每個節(jié)點都擁有與 “ferry”進行長距離通信的能力，不過由于長距離通信消耗的能量比正常通信消耗的能量大得多，節(jié)點只會在網(wǎng)絡(luò)初始化時期通過該長距離通信向 “ferry”通知自己的坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及從 “ferry”處獲取初始化信息。
(3)在模型中，ferry每一個系統(tǒng)時間前進一個單位格，即ferry在當(dāng)前的方格只停留一個單位時間，普通節(jié)點只有與ferry處于同一方格內(nèi)才能進行普通數(shù)據(jù)傳輸。
(4)每個節(jié)點的移動速度是每個單位時間可以前進一個單位格，包括斜對角方向的單元格。
為了比較網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目導(dǎo)致的NIMF和CB-NIMF兩種算法節(jié)點移動時間的差異，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目分別為10、25、50、75、100、125、150、175、200時，分別仿真了兩種算法下節(jié)點的移動時間，結(jié)果如圖5所示:當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目較少時，CB-NIMF和NIMF 兩種方式中的總節(jié)點移動時間相差不多，但是隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目增加，CB-NIMF 方式下總節(jié)點移動時間將會比NIMF方式下總節(jié)點移動時間越來越少，也就是說，當(dāng)節(jié)點數(shù)目比較大的時候，CB-NIMF比NIFM具有明顯的優(yōu)勢。這也與前面的分析一致，當(dāng)節(jié)點的數(shù)目增多，簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)目相應(yīng)增多，高層次的節(jié)點將會增加，而層次越高的節(jié)點，其非正常工作時間與“ferry”路由周期T的關(guān)系就越小，甚至可以說只與節(jié)點間的距離有關(guān)。而在一個基于NIMF的DTN網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點的非正常工作時間都與 “ferry” 路由周期T密切相關(guān)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的非正常工作時間總和與節(jié)點數(shù)目以及T成正比。
當(dāng)節(jié)點數(shù)目較少時，每次簇內(nèi)的節(jié)點會比較少甚至可能只有1~2個節(jié)點存在。因為本算法規(guī)定每個簇內(nèi)只有一個節(jié)點能與“ferry” 節(jié)點進行直接通信，如果簇內(nèi)節(jié)點很少時，采用CB-NIMF方式并不合適。不過，一般用于數(shù)據(jù)采集的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點數(shù)目都比較多。而從前面的研究中看出，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)目的增加，CB-NIMF的優(yōu)勢也會逐漸增加。因此，CB-NIMF相比較于NIMF還是有巨大優(yōu)勢的。
本文針對用于數(shù)據(jù)采集且基于“ferry”的容遲網(wǎng)絡(luò)中采用NIMF路由時節(jié)點移動時間過長的缺陷，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中普通節(jié)點也可以進行數(shù)據(jù)路由以及網(wǎng)絡(luò)分布的特點，提出新的基于簇的路由算法CB-NIMF，理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果說明，CB-NIMF能有效地減少節(jié)點的移動時間，從而增加節(jié)點在固定時間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集量。
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