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基于马尔可夫相遇时间间隔的延迟容忍网络路由策略论文
摘 要：在延迟容忍网络中，节点间的连接具有间断性和未知性，源节点和目的节点间不存在完整的通信路径，使得节点仅能通过移动获得的通信机会对待转发消息进行转发，易导致其转发成功率较低。对此，本文提出了基于马尔可夫相遇时间间隔预测的拥塞控制策略(CCSMP)主要是通过规定节点缓存的排队方式和丢弃机制，将预测得到的较早与目的节点相遇的报文排于队首，尽可能丢弃效用值较低的报文，进而解决由于节点缓存有限而带来的拥塞问题。
关键词：延迟容忍网络 CCSMP 通信路径
随着延迟容忍网络的兴起，以存储-携带-转发的方式转发消息的方式通常被利用在此种网络之中。当节点拥有待转发消息，但节点并没有和其他节点进行连接时，将消息暂时存储在本地缓存当中，直到节点和其他并未存储该消息的节点进行连接;若所遇节点有利于将该消息转发到目的节点，则将该消息转发给所遇节点[1]。利用此种方式的基础转发策略有单副本、多副本和编码副本等。以往的延迟容忍网络路由策略，如Epidemic路由机制，利用节点的相遇机会泛洪消息副本。虽然这种泛洪机制可以使消息在最短的时间内到达目标节点，但是产生的消息副本数量大，网络易发生拥塞，导致网络资源的浪费[2]。而利用相遇概率的有选择性的类单副本转发机制，如PRoPHET路由机制[3]，利用统计节点相遇概率的方法，有选择性的发送消息副本，减少网络资源的浪费。但可能错失一些转发机会，增大了传输时延。
利用节点相遇机会与相遇概率的转发机制，为设计延迟容忍网络路由提供了一个新思路。本文提出了基于马尔可夫[4]相遇时间间隔预测的拥塞控制策略，该策略应用马尔可夫模型对携带报文的源节点和该报文的目的节点之间的相遇时间间隔序列进行预测，在预测出缓存的报文中哪一个最有可能最早遇到其目的节点之后，通过模型将这种可能性量化，进而通过量化值结合报文剩余生命期(TTL)对其进行缓存排序，提出一种新的拥塞控制方法中的排队策略。根据报文在网络中已经复制或者传递的次数确定该报文已经交付到目的节点的可能性，根据剩余TTL值确定该报文未来可能交付到目的节点的可能性，再根据马尔可夫模型预测到的时间间隔即可确定报文下几跳到达目的节点的可能性，结合这三种可能性确定报文在缓存中的丢弃策略，最后将排队策略和丢弃策略结合应用到节点缓存的管理中，即得到本文所述的基于马尔可夫相遇时间间隔预测的拥塞控制策略。
1 马尔可夫模型统计条件相遇时间间隔
在某些含有兴趣节点的场景中，比如校园网络中学生经常出现在教学楼，食堂和宿舍，这些节点间的相遇并不是偶然的，或者说节点之间相遇的时间间隔存在着一种内在规律，因此他们可以通过马尔可夫模型统计以往的时间间隔序列来预测下一个时间间隔的大致范围，这样就能够尽可能准确地找到缓存中有可能最早交付的报文。
节点间的相关性不仅体现在直接相遇次数和相遇时间上。节点的移动行为往往受其他因素的影响。例如：在现实生活中，人与人之间的交往，使得每个人都不是孤立存在的，必然与其他人产生相关性。这种相关性，可通过节点间的条件相遇历史信息估测。以下给出利用节点间的条件相遇历史信息预测节点相遇情况的理论依据。已有的估计方法中，大多数通过相遇频率、总的或者平均接触时间和平均断开时间来评估节点对间的链路质量，然而这些参数都不能够准确的表示节点间的转发概率。
图1中的阴影区域表示在节点i和j时间间隔T内的相遇持续时间。在a和b两种情况下，相遇频率相同而b中相遇持续时间明显高于a。因此，b情况能够提供更好的通信服务。相比较b与c，相遇持续时间相同而频率不同，显然频率更高的c具有更高的转发概率。因此，进根据相遇频率和总的持续时间来评估节点转发能力是不科学的。在c和d情况下的相遇频率和总的持续时间都相同，然而c因为更加均匀的接触，使其比d更加胜任消息的转发。总之，仅仅依靠这些参数难以全面的估计节点转发数据的能力，因此需要设计更好的度量指标来准确估计节点转发数据能力[5]。
2 相应路径计算方法
传统的最短路径策略仅凭借节点之间的通信距离选择最佳通信路径;但此种方法仅适用于传统网络。在网络拓扑动态变化的延迟容忍网络中，最佳通信路径受限于节点连接时间，节点移动速度等客观因素。选择合适的通信路径是延迟容忍网络的研究重点。由于马尔可夫相遇时间间隔可较为准确的体现节点之间的相关性，因此，利用该相遇时间间隔作为选择最短路径的依据，从而动态选择中继节点，组成最优通信路径。
其中， 表示两节点的连接紧密程度，连接紧密程度越大，其转发消息的成功率越大。
由公式可选出节点间的最短路径，待转发消息通过分布式的转发模式，逐步转发到目的节点，实现延迟容忍网络中的通信，从而减少不必要的中继转发次数，降低网络中冗余副本的数量和传输时延。
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