【NDN DTN】移动机会网络路由问题研究进展 学习笔记

1、在传输感知数据之前,无线传感网络需要预先通过CTP(collection tree protocol)协议生成一棵以Sink 为根节点的汇聚树;移动自组织网络则需要AODV(ad hoc on-demand distance vector),DSR(dynamic source routing)等路由算法建立端到端的通信路径.这两种工作模式隐含的一个共同假设是网络拓扑在绝大部分时间是连通的,即:对于任意一对节点,在它们之间至少存在一条完全连通的路径.而在移动机会网络中,网络拓扑有可能被分割成几个不连通的子区域,发送端和接收端有可能位于不同的子区域而导致常规的CTP
等路由算法无法正常工作.实际上,节点对之间不存在端到端连通的路径并不意味着不能实现通信,由于节点的移动,两个节点可以在进入相互的通信范围后完成数据交换[14].移动机会网络正是利用节点之间的这种机会式接触,将感知数据从发送端逐跳地转发至接收端.

2、移动机会网络的部分概念来源于早期的间歇式连通网络ICNs(intermittently connected networks)和延迟容忍网DTNs(delay-tolerant networks)研究.ICNs 是为了解决不连通区域之间的数据收集问题而提出的,通过部署往返于不连通区域之间的移动节点来完成数据收集任务;DTNs 最初由IETF 的DTNs 工作组提出,其主要技术路线是采用存储-携带-转发的路由机理解决深空通信中带来的长延时、高误码率问题.ICNs
和DTNs 的相关研究共同构成了机会组网的理论基础.对比ICNs 和DTNs,移动机会网络包括的范围更广一些;ICNs 和DTNs 着重强调应用的延迟容忍特性.

3、为了支持在具有长时间的数据传输、间歇式的链路连通、机会式的节点接触等特征的不同子网之间实现互联和通信,移动机会网络在现有的TCP/IP 协议栈的传输层与应用层之间插入了一个新的协议层-束层(bundle layer).这里,束是指多个数据包融合在一起所形成的数据协议单元.束层通过与特定网络类型下的底层协议进行配合,可以使应用程序运行在不同的网络类型之上(如图2 所示,这里的T1/T2/T3,N1/N2/N3
分别代表不同的传输层、网络层协议).在同一个网络内,束层使用该网络本身的协议进行通信;在不同网络之间,束层通过提供:(1) 基于保管方式的重传;(2) 处理间歇式连通的能力;(3) 利用机会连接的能力;(4) 通过标识符后绑定来形成网络地址等功能来实现跨域通信.



4、移动机会网络研究内容
（1） 移动机会网络中的用户激励
      用户的广泛参与是移动机会网络众多实际应用的基础.移动机会网络中,参与用户在数据传输过程中具有不同的社会行为.有的用户只愿意接收或转发自己感兴趣的数据,有的用户只愿意与自己熟悉的用户共享数据.用户的参与程度将不可避免地影响移动机会网络的性能.因此,有必要采取切实可行的激励机制来刺激用户之间的相互协作.

      相关工作主要围绕以下几个方面开展研究:

      a) 基于信誉度的激励机制.节点信誉度指的是网络中其他节点对该节点的信用评价.信誉度低的节点被认为协作性差,信誉度高的节点则具有较好的协作性.具体实施时,每个节点通过观察其他节点在网络中的转发行为对节点的信用进行打分;

      b) 基于等价交换的激励机制.等价交换的主要特点是简单易行.两个节点相遇时,它们交换相同数量或价格的数据;

      c) 基于虚拟货币的激励机制.该机制主要是用来避免等价交换机制所带来的一些问题(比如说在等价交换机制中,两个节点只能交换各自所需数据量的最小值,影响数据传输效率).如果一个节点参与到数据转发的过程中,它会收到一部分虚拟货币作为回报;同样,当它需要数据时,它要花费一部分虚拟货币进行购买;

      d) 基于逆向拍卖的激励机制.在传统的数据竞拍过程中,出于成本的考虑,有的用户报出的竞拍价格较高,使得连续竞拍失败而退出转发过程.为了避免这种情况发生,近期的工作采用逆向拍卖的激励机制.当用户转发数据时,接收方采用逆向拍卖机制来对其进行收购;如果数据被收购,接收端将会支付给用户竞拍时要求的费用,从而达到刺激用户参与转发的目的.

（2）移动机会网络中的隐私保护
（3）移动机会网络中用户接触行为分析

      a) 基于数据集进行实际观察.通过对用户的移动轨迹进行分析,文献[58]发现,每个用户每天的平均活动时间呈明显的幂率分布;文献[59]的研究结果显示,用户的接触次数、接触时长均呈现重尾分布；

      b) 基于随机移动模型进行理论分析.文献[62]利用传染病模型对节点的接触情况进行了分析,研究结果表明:在随机移动模型下,节点之间的接触时长及间隔时长均服从指数分布.文献[63]分析了用户位置分布的时空相关性对其接触情况的影响,利用马尔可夫链对用户的接触情况进行了合理抽象,给出了文献[62]所获结论的一种更紧的上限表示.
（4）移动机会网络中的路由问题
5、路由问题评价指标
（1）投递率

投递率是指成功接收的数据包个数与发送的数据包个数之间的比值.

（2）转发代价

转发代价是指在数据包传输过程中,转发的数据包总量与成功接收的数据包总量之间的比值.

（3）传输延时

传输延时是指数据包从发送端传输至接收端花费的时间.在移动机会网络中,该指标一般以分钟或小时为单位.

      除此之外还有一些衍生指标,比如能量有效性(通常与转发代价正相关)、传输抖动(前后两次传输延时的差值)、传输效率(相同时间内传输的成功率)等.

6、路由算法分类

      机会路由最初是为了满足稀疏移动的自组织网络环境下的数据通信需求而提出的.2003 年,Fall 等人在SIGCOMM 会议上进一步提出存储-携带-转发的数据传输机制来解决由节点的移动性所带来的链路间歇式连通性问题.从那时开始,机会路由便引起多个领域研究人员的关注(如深空通信、车载网络、P2P 系统、3G 网络).按照在设计数据转发策略过程中是否需要额外信息的辅助,我们把目前的机会路由算法划分为零信息型和信息辅助型两类(如图3 所示).



（1） 零信息型

      零信息型又可以细分为洪泛机制、直接等待、两跳转发、固定备份这4 类.

      a) 洪泛机制.文献[69]提出了一种类似传染病扩散的洪泛算法Epidemic.当两个节点相遇时,首先交换对方缓存队列中的数据包ID.在此基础上,进一步判断并交换对方携带而自己没有携带的数据包.Epidemic 算法具有最优的延时性能,但同时,网络的负载最大,算法的可扩展性最差;

      b) 直接等待.Shah 等人[70]提出了一种源节点直接等待的数据传输机制,源节点只有在遇到目的节点时才将数据发送出去.显然,该机制的转发代价最低,但同时,在投递率和延时方面表现最差;

      c) 两跳转发.为了提高直接等待策略的传输效率,Zhao 等人提出了一种两跳转发的路由机制.源节点首先将感知数据转发给与之相遇的移动节点,然后由这些移动节点负责将数据转发给目标节点.通过将数据的多个备份限制在两跳范围之内,该机制降低了转发代价,同时,在一定程度上也加快了传输过程;

      d) 固定备份.与洪泛机制和两跳转发机制中不限制数据的备份数不同,文献[71]通过向网络中扩散一定数量的备份数据达到降低传输延时的目的.当两个节点相遇时,各自将携带的数据备份数目的一半分配给对方.当节点携带的数据备份数为1 时,则采取直接等待策略.文献[72,73]通过在系统中的热点地区放置静态节点来改善固定备份策略的性能.当静态节点遇到移动节点时,将携带数据的一个备份转发给移动节点;当两个移动节点相遇时,采取二分法分配数据备份.

      零信息型转发策略设计思路直观、易于实现,但由于在转发过程中没有考虑传输的数据、参与转发的节点、网络拓扑等因素对路由算法性能的影响,导致数据传输效率低,在投递率-延时-代价方面并没有达到比较好的平衡(见表1).近年来,不少学者围绕信息辅助型转发策略展开研究,这也是当前研究的主流方向.



（2）信息辅助型

      根据在设计转发策略时辅助信息的来源,信息辅助型转发策略又可以进一步划分为基于数据属性、基于节点信息、基于拓扑信息以及信息融合这4 类.表2 总结了各类转发策略的研究内容.



7、研究进展
      由于物联网动态时变性强,传统的IP 网络路由方式难以适应,我们将IP 网先路由后传输两者分离的方式,转变为物联网环境感知、传输、路由紧密联系、相互优化、协同应用三者不可分的方式,采用“存储-融合-携带-转发”的思想,从移动机会网络的信息扩散机理、能量有效的数据转发策略、节点社会性辅助的路由机制这3个方面,深入研究移动网元的机会转发策略.

8、机会路由亟待解决的问题

（1）用户参与转发的个性化激励

（2）辅助信息的自适应获取

（3）感知数据的时效转发

（4）路由性能的通用性评价