延迟容忍网络路由技术综述杨炎21060406探讨.docx
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延迟容忍网络路由技术综述杨炎21060406探讨
延迟容忍网络路由技术综述
摘要:
延迟容忍网络及其新型体系结构提出后,路由作为延迟容忍网络的核心之一,成为了研究的重点和热点。
本文针对单播路由协议,将路由协议的分类进行总结,并详细介绍新近的DTN路由算法;文章路由研究中的仿真平台进行了概括性的论述,基于各路由协议的仿真结果列出了路由性能对比表。
最后总结现阶段DTN路由所面临的问题和缺陷,并在此基础上指出未来路由的研究方向。
【关键词】延迟容忍网络(DTN),体系结构,路由协议,仿真器
1引言
延迟容忍网络(DelayTolerantNetworks,简称DTN),也称为“挑战性网络”,来源于行星际通信网络[1]。
现泛指在任意时间点,几乎不存在源地址到目的地址的端到端的路径的无线网。
随着计算机技术的发展以及其他领域研究的需要,这样的挑战网络已相继出现,并在人们的日常生活的幕后扮演着重要的角色。
现有的挑战性网络主要包括生态环境监控网络[2][3],Peoplenet[4],海洋无线传感网络[5],无线车载自组织网络[6],军事网络[7],灾难恢复网络[8]以及边远乡村的访问[9]等。
延迟容忍网络的主要研究机构有三个:
星际互联网(interplanetarynetworking,IPN)[10],互联网研究任务组(InternetResearchTaskForce)[11]建立的DTNRG(DTNResearchGroup)[12]以及美国国防部高级研究局(DARPA)。
延迟容忍网络的研究方向主要分为DTN体系结构路,DTN路由和DTN安全问题。
路由作为延迟容忍网络的研究核心之一,成为DTN学者们研究的重点和热点。
延迟容忍网络往往具有高延迟,低传输率,间歇型连接、节点频繁移动,延迟容忍、错误容忍、有限的存储以及通信环境恶劣等特点,使得传统的基于TCP/IP的端到端通信的互联网技术无法很好地为其提供服务。
主要体现在如下方面:
表1TCP/IP网络与DTN网络对比
传统网络
(TCP/IP)
延迟容忍网络
(DTN)
端到端的连接
传输层提供
未提供
数据传输率
高
低
连接时间
持续的双向的端到端的连接
周期性或者间断性的连接
传输错误率
低的端到端的数据传输错误率
数据传输错误率高,丢包频繁
传播延迟
网络传播时延小
由于网络分割,传播时延大
节点属性
普通节点,资源相对充足,路由不受资源限制
资源、寿命有限,节点计算、处理与存储空间比普通节点差
可靠传输
网络拥塞控制使其吞吐量随着往返延迟、信息丢失概率的增加而降低
网络拥塞管理、流量控制异常困难
安全性
节点存在于虚拟网络空间,安全较高,但仍然存在安全威胁
节点处于真实物理世界,安全性低,除受传统网络威胁外还遭遇窃听修改消息、路由欺骗等攻击
网络协议
网络协议统一,端到端的路径采用单一的路由
网络通信环境的异构导致通信协议多样性,路由协议非常复杂
面对着延迟容忍网络以上所述的特性,若仍然使用传统的TCP/IP体系结构,会造成极大的传输时甚至几乎不可达的网络传输。
为了使这种网络更好地与现有Internet之间实现互操作,并改善网络的传输性能,K.Fall等科学家提出了延迟容忍网络的架构——Bundles[1]。
此后,学者们纷纷在此架构上研究提出新型的DTN路由。
由于DTN网络的特殊性质,实现高性能的延迟容忍网络路由面临着新的挑战。
主要体现在:
可靠的传输率和可容忍的延迟,最大化消息传输的成功率和最小化传输延迟是DTN路由的首要目标;合理的资源分配,低资源消耗,DTN中路由算法大多以牺牲资源消耗来获取可靠的传输率;一定安全性和可靠性,延迟容忍网络的安全性虽已独立展开研究,但路由的安全性严重的影响了整个网络的安全;较低的算法复杂度,易于部署,大部分路由协议由于算法的复杂度高而难于部署;良好的可扩展性,可扩展性可保障路由算法对不同的网络做出适当修改以适用于该网络。
DTN路由的研究也可大体划分为移动模型、单播路由、组播路由和选播路由四个小方向。
学者们在传统的随机移动模型的基础上相继提出建立基于地图驱动的车载移动模型、基于角色分配的灾难移动模型[26]等,而CRAWDAD工程[13]也提供部分场景生活的真实跟踪及记录,这些都为更好的研究路由中的移动模型打下坚实的基础。
近年来,在研究者的共同努力下,DTN单播路由不断改进和完善,已将部分路由发挥到极致,比如传染路由(epidemicrouting)[14]。
启发式的机会主义路由[10]和社会路由[28]近期成为路由的热点,在DTN路由界引起新一轮的热潮。
2现有路由协议及其分类
由于当前DTN网络所涉网络类型甚广,而各个网络特征差异较大,因此目前不存在DTN网络路由的统一分类。
本节主要针对单播路由,总结近年来国内外在DTN路由上的分类及分类标准。
文献[16]根据路由协议在数据包的转发过程中是否创建了数据包副本,将DTN路由划分为基于转发的路由(forwarding-based)和基于复制的路由(replication-based),基于复制的路由又被划分为洪泛路由和限额路由。
基于转发的路由主要传统的IP[15]、AODV[30]、DSR[31]和Jain提出的改进路由算法[32];基于复制的洪泛路由主要为epidemic路由、MaxProp[33]、Prophet[34]、RAPID[29]和PREP[41];基于复制的限额路由主要有SprayandWait[42]和SprayandFocus[43]和EBR[16]。
文献[18]根据路由决策是否需要全局拓扑知识,将DTN路由划分为几乎不使用拓扑知识的机会主义路由和使用拓扑知识及受控移动模型的路由算法。
以epidemic路由为首的机会主义路由不需要或者很少用到拓扑信息,更不需要特殊的受控移动模型,节点将消息的副本发送至相遇的其他节点,而会面的机会和概率是随机的。
这样的路由的代表还有Prophet、SprayandWait、SWIM[19]。
使用拓扑知识和受控移动模型的路由算法基于这样的假设,拓扑结构将节点划分为几个“小岛”,本地岛内部的节点连接状态良好,而岛与岛之间间歇性连接。
在网络中引入摆渡节点(ferry)在网络中频繁移动收集岛间的连接信息,其代表有DataMULES[20]、MessageFerry[21]、DTMN[22]。
文献[44]首先根据网络中是否引入辅助节点设施,分为基础设施辅助路由和无基础设施辅助路由。
无基础设施辅助路由中,根据路由机制中是否使用先验知识,可以分为依靠先验知识的和基于模型的路由以及无先验知识的机会主义路由算法。
基础设施辅助路由的代表有:
引入Agent[45],Throwboxes[46]以及摆渡节点[47]等参与者的路由机制;先验知识路由主要MED、EDAQ、LP、PLSR等,并将Jain的路由纳入先验知识路由;基于模型的路由主要有SocialCast[48]、SimBet[13]、BUBBLE[17]等,并把Maxprop归类为此类;机会主义路由相对更多,主要有epidemic路由、PROPHET路由、SprayandWait及SprayandFocus路由,CAR[49],RAPID等。
本文结合前面研究学者对DTN路由的认识和新近的路由算法方向,将DTN路由首先划分为基于消息转发的路由、基于消息复制的路由。
由于新近路由中ST-DTN网络[50]概念的提出,而增加ST-DTN网络路由一类。
并在基于消息转发的路由中,划分为基础设施辅助路由、社会网络路由和其他三类;而在基于消息复制的路由中,根据算法应用的不同移动模型,将其详细划分为机会主义路由、基于预算的模型路由、ST-DTN路由这五种基于ST-DTN的路由。
在基于复制的路由中,根据路由算法思想抽象出基于资源分配的路由、网络编码路由两类路由。
各分类的路由及其算法在第3节具体描述。
3具体路由算法介绍
3.1基于消息转发的路由
之前人们所熟知的传统路由,比如IP、AODV、DSR均为消息转发的路由,在消息创建时,通过计算出一条端到端的路由路径,消息直接按照改路径转发到目的节点。
而这一类的传统路由都被证实在DTN网络中效率低下、不稳定甚至不可达,不适用于该网络。
DTN研究学者根据传统的网络思想,进行改进,提出适合于DTN的基于转发的路由。
基于消息转发的路由在整个数据包路由的过程中,中继节点根据网络拓扑知识选择最佳转发路径,从而不断的转发原始数据包,而不需要产生该消息的副本或仅存在消息的单副本。
3.1.1基础设施辅助路由
为改善DTN的恶劣通信环境。
提出基础设施辅助路由,这类路由通过部署特定的固定、移动基础设施以增强网络的连接特性,从而缓解和补偿DTN的恶劣通信环境。
在具体的DTN通信环境中,引入一些特殊的节点,这些节点要么动态运动,要么在通信热点区域静态部署,旨在为DTN通信创造更多的接触机会。
比如在网络中引入数据骡子[51]和移动代理[52]等(datamulesandmovingagents)来控制消息的轮渡,移动节点将接收消息,移动到下一跳,然后传输消息,以实现中继节点不存储携带消息的传递。
如在文献[52]中,协议利用移动实体数据骡mules收集、存储传感器节点的感知数据,然后将数据传至接入点,建立了mules的3层体系结构(自上而下分别为接入点、mules和传感器)。
3.1.2社会网络路由
随着社会网络的出现,社会网络路由相继提出,用于平民百姓使用的DTNs中,比如PeopleNet,PocketSwitchedNetwork[28]。
典型的社会网络模型有SocialCast、SimBet和BUBBLE。
SocialCast是是一个在间歇性连接的人类网络中支持发布—订阅的路由协议。
在DTN的社会网络中,建立发布—订阅的路由机制,利用基于社会互动矩阵的预知去确认最佳的信息载体。
网络中的每个节点定义一个兴趣集合,表示他们对某些有特性的消息的订阅,而每个消息创建之初都会对该消息根据内容赋予兴趣标签,消息发布后,根据消息的兴趣中继节点选择性的转发和存储。
消息的载体跟消息的转发中继节点独立开来。
普通订阅了某兴趣的节点直接接收含有该兴趣标签的消息,并按照需求转发消息,但并不对消息进行存储。
各个节点根据其移动特性对不同的兴趣有着不同的贡献,即效用值,消息的存储即消息的载体就由该效用值来确定。
节点的效用值主要由节点是否订阅该兴趣和节点的移动性来决定,然后通过Kalman滤波技术预测下一阶段的效用值。
节点通过不断更新自己对各个兴趣的效用值以供消息选择载体时使用。
实验结果表明,SocialCast工作地更加的精准,在路由性能上能很好地适应社会网络,并提供了在网络通信量和存储器两方面都更有效的资源的利用。
3.1.3其他
DTN网络环境采用单跳转发机制,消息不再只是在源节点计算路由路径然后传输到目的节点,而转变为“逐跳机制”即消息每到一个中继节点选择一次下一跳节点。
以此为基础,Jain提出的转发路由算法函数化未来知识路由LP,包括节点移动性和特定的节点相遇次数。
将消息定义为四元组(src,dst,time,size),分别表示为源、目的节点、消息产生时间、消息大小,它可利用的知识包括链路连接信息统计、节点之间连接信息、每个节点缓冲队列占用信息、通信需求信息,从而将路由问题归结为多重货物流的问题,路由目标就是为所有的消息计算最小延迟路径。
以此来改进传统路由协议以提高路由传输率。
MaxProp协议利用路径历史信息对消息按照优先级排序转发消息,并且在网络内泛洪ACK(acknowledgement)以移除网络中过时的信息。
该协议对节点存储的数据包进行成本等级划分,成本通过估计数据包传输率获得,从而确定数据包传输的优先级,对于新接收的数据包分配最高的优先级。
采用确认机制,避免同一数据包被同一节点接收两次。
图2给出了MaxProp协议的路由策略,依图可知,该协议设定了数据包门限跳数值t,若数据包跳数 该协议具有传输率高、时延低等特点。 图1MaxProp路由策略 Erramillideng等人提出了委托转发(delegationforwarding)路由[53]的基本思想是借鉴了概率中的“雇员机制”,即如果需要从N个节点中选取一个最佳中继节点a,可以采取对前M个节点进行观察,从M中选择最佳节点b的机制,理论上b将会非常接近a,同时较大幅度地降低了开销。 在消息转发和路由中,仅存在一个消息的副本。 通过对实际数据的分析表明,该委托转发路由方法能够取得与其他路由协议近似的性能,同时降低了开销。 Jones等人在传染路由思想的影响下,提出对转发路由的优化。 通过观察节点之间接触的历史信息,使用消息到达下一跳估计需要等待的时间作为边度量标准,从而提出了一种基于Epidemic的链路状态协议[39]。 使用Epidemic方式以分发全局拓扑总结知识,对于消息的分发仍然采用单副本的方法。 然而,基于链路状态协议的不足之处在于每个节点必须存储整个网络拓扑路由表,而实际上综合多个节点上的拓扑信息非常复杂。 研究者们提出的基于转发的路由在一定程度上改进了传统路由在DTN网络中的性能,然而无副本的转发路由近年来被证实在DTN网络中未能充分利用网络连接机会,不能达到有效的路由性能。 学者们提出基于消息复制的路由,使用存储并转发的路由方式。 3.2基于消息复制的路由 基于消息复制的路由也可理解为携带存储并转发的路由,在消息的转发过程中,中继节点先储存该消息的副本然后转发给相遇的其他节点。 路由过程中会产生许多该数据包的副本直至数据包的某个副本到达目的地。 基于消息复制的路由现在成为DTN路由研究者们的研究重点和热点,按照路由算法特性又可将其分为机会主义路由、基于资源分配的路由、基于预算的路由、网络编码路由四类。 3.2.1机会主义路由 DTN网络中有部分网络的节点移动不可预测、调度信息无法预知,呈现出机会主义的特征。 学者们相继提出感染路由,并对其进行优化,尤其在消息副本数量和资源消耗上,提出新的spraying系列路由机制解决了此问题。 机会主义路由策略中,根据节点的移动性,节点在不定期或者随机的连接机会中转发和传输消息。 机会主义路由中最主要的两大路由家族为epidemic路由和spraying路由。 a.Epidemic路由 Epidemic路由的概念最初由Vahdat等人提出,路由中每个节点不进行路由决策,而将消息泛洪至所有的邻居节点。 其具体工作原理如下: 网络中产生的每一个消息都以节点标识符键值进行哈希后存储,并维护摘要矢量SV(summaryvector)以标识哈希表中的每一项的“有”或“无”。 当节点A,B进入通信范围连接以后,数据通信过程由3个阶段完成: (1)节点A向B发送自己的SVA; (2)B收到SVA后与自己维护的SVB进行比较,并判断哪些数据未被自己存储,并且发送ASV+SV给A;(3)A根据请求发送数据给B。 仿真结果显示如果所有的节点都能够充分移动,传染路由能够几乎将所有的数据都正确分发,从而克服传统路由协议由于有限的连通性而不能分发任何消息的缺点。 然而由于传染路由基于高带宽的输路径,无限制的缓冲空间的假设,因此消耗资源严重。 在现实的场景中,能量、带宽、缓冲等资源都可能缺乏而造成资源短缺,传染路由性能会因此而严重降级。 Ram提出PREP路由协议,一种基于优先级的传染性路由协议。 该协议对每个bundle分配1个丢弃优先级pd和1个传输优先级pt,分别用于bundle丢弃和传输。 其中,pd与pt可取任意实数,其取值越小,优先级越大,并根据优先级函数将bundle以优先级方式作区分排序。 优先级函数的输入包含到目的节点的成本、到源节点的成本、终止时间和生成时间。 节点间成本由平均可用性(averageavailability)作为度量标准,链路平均可用性通过传染性路由方式传输到其他节点。 该协议具有传输率高的特点。 b.Spraying路由 由于Epidemic路由所造成的高资源消耗率并未在其改进算法中得到有效控制,基于效用的单副本的路由协议虽然降低了资源的消耗,但大大增加了传输时延。 Spyropoulos在此基础上提出基于副本限制的传染路由——sprayandwait。 Sprayandwait协议将路由过程分为spray(喷射)和等待两个阶段,喷射阶段实际上是一种基于L邻居的泛洪,源节点将L个消息副本独立地分发给L个中继节点;在等待阶段,L个中继节点执行直接传输,即仅将消息传输到目标节点。 如果节点限制在较小的移动范围或者移动具有很强的关联性,则喷射等待路由协议的性能将会有所下降。 Spyropoulos又提出sprayandfocus协议以提高sprayandwait路由算法的传输率。 在喷射聚焦路由协议中,喷射阶段仍然沿用之前的思想,而在聚焦阶段使用了基于效用的路由协议,使消息转发给具有更高效用的节点。 为了优化喷射路由协议,作者进一步讨论了L值的选择,以及将L个消息快速分发的方法等,并分析了喷射等待路由协议延迟上界。 最近,Eyuphan等人在原有的思想上,对spray路由作出新的改进,提出资源节约型的多阶段喷射路由[40]。 算法思想在大体上沿用sprayandwait的副本控制策略: 到达消息传输截止时间前,首先喷射一定数量的消息副本,这个数量一定是小于确保消息达到要求的传输率的副本数量值。 然后等待消息的传播,若在这段时间内消息未成功传达,则会继续喷射少量消息副本以提高消息传输机率。 但在本算法中,将一个消息从创建到传输截止的时间分成了若干个可变长短的时间段,每个时间段都由一个喷射紧接着一个等待传输两部分构成。 在喷射阶段,仔细计算预定好的定量的副本将被发送至不存在该副本的节点;然后在等待阶段,每个副本将由副本承载者独立完成消息的传输,传输过程中,整个副本的数量是有限制的,一旦达到最大限制副本量,则不再继续转发,等待下一时段的到来。 c.基于节点信息的启发式路由算法 基于控制机会主义路由中消息泛洪引起的资源消耗,许多研究人员提出了一些启发式算法,以在减少资源开销的同时,提高传染路由算法的性能。 这些方法可以分为限制副本数量、基于历史信息、概率估计、预测、效用等方法,在利用这些启发信息进行转发决策的同时,会得到近似于传染路由的延迟,而资源消耗则大幅降低。 基于概率估计的PROPHET路由,与传染路由盲目地向所有邻居节点转发消息不同,概率路由中的每个节点将会估计到达目的节点的概率。 PROPHET在每个节点a上为每个已知目的节点b估计一个预测分发概率值P(a,b),表示从节点a到节点b的成功分发概率,当节点a和b接触的时候,根据公式更新其分发概率: ,其他情况下按照 对P(a,b)进行衰减,其中 表示初始常量。 所有的P(a,b)初始化时都设置为 表示衰减因子,k表示节点a和b上一次接触以后所经过的时间。 同时,节点之间预测分发概率值P(a,b)也具有传递性,如果a,b经常接触,而b,c也经常接触,这就意味着如果将消息传递到a,那么节点c将是一个好的中继节点。 此时,P(a,c)将按照公式更新: , 其中,β表示传递性影响因子。 但在一般情况下,该概率算法性能依赖于节点的移动模型,PROPHET在组移动模型中性能较好。 Mirco等提出一种使用上下文信息进行预测的路由协议CAR,将同步和异步的报文分发机制结合在一起。 同步机制指的是,在到达目的节点的端到端路径时,使用原有路由协议转发报文。 当不存在端到端路径时,节点通过综合上下文信息,比如主机位置、主机移动模式、能量等。 假设节点上下文信息属性集合为 ,其中,Xi表示该属性可能值的集合,xi是Xi的特定值。 将这些属性联合得到其效用值 ,其中,Ui为属性Xi的效用函数,其效用函数采用卡尔曼滤波方法加以预测,并选取具有最大效用值的节点作为候选节点,以增加消息成功分发概率。 Etienne提出的NECTAR协议[54]基于连接历史创建一个邻居特征值,选择最合适的DTN路由路径。 NECTAR使用机会主义连接计算出一个邻居特征值(比如N(i,d)表示节点i到节点d的邻居特征值),然后以受控方式传播消息。 在连接阶段,节点首先传输那些目的节点存在连接的消息,然后交换邻居特征值,最终转发其他消息(转发顺序应该按照邻居特征值的大小顺序来转发)。 邻居特征值使得网络节点了解了更加准确的网络拓扑。 NECTAR存在两种工作机制,在消息的TTL值比较大时改变消息调度成为epidemic。 因此每个消息存在着两个域值: MinEpidemicLevel和MaxEpidemicLevel。 当α-TTL 当MinEpidemicLevel<(α-TTL) 这种方式,可以通过修改MinEpidemicLevel和MaxEpidemicLevel的值来适应不同的应用场景,通过修改域值γ来模拟节点拥有的不同大小的资源。 实验表明,在真实的有限资源移动场景下,其路由性能超越Epidemic及PROPHET。 3.2.2基于资源分配的路由 大部分DTN路由在达到可靠的传输率的情况下,以大量消耗系统资源作为代价。 要在达到可行的传输率的同时最小化消息传输的资源消耗成为DTN路由中的一大重要问题,也是DTN最主要的性能指标之一。 基于资源分配的路由由此提出,主要考虑路由过程中资源的消耗和合理的资源利用,将路由决策与资源分配的最优化问题统筹为一体。 Aruna等人在文献[29]中首先提出基于资源分配的路由概念,并提出相应的RAPID路由算法,使用效用函数化将路由决策转化为资源分配的最优化问题。 其主要思想是,通过由应用显式的指定路由目标,将路由目标转换成为每个消息的效用。 即在给定的有限带宽中,决定对哪些消息进行复制可以优化一个特定的路由目标。 RAPID首先使用带内控制信道,用于节点之间交换网络状态元信息,其元信息主要是从历史接触中收集得到,包括消息副本的数量、节点之间接触的期望时间、分发延迟估计信息等;选择算法决定在到达目的节点之前,哪些消息可以进行机会主义复制,令Ui表示消息i对于路由目标的效用,δUi表示通过复制报文i而增加的效用值,si表示消息的大小,选择算法将根据资源的限制,优先对其边际效用δUi/si较大的消息进行复制;推理算法用于推断在给定路由目标的情况下消息的效用。 通过实验证明,RAPID即使使用部分的、不准确的元信息,与现有的方法相比,仍能明显地改善特定的路由指标的性能。 文献[55]提出基于能源限制优化的DTN路由,给出能源限制的epidemic路由的最优静态和动态的转发策略。 传统的epidemic路由中,每个消息(i)以一定的概率(pi(t))被转发和泛洪。 pi(t)若为衡量则是静态转发,相反则为动态转发。 文献明确建立能源限制模型: 每个消息的能量限制为Ψ,与消息在生命周期T内预期转发次数成比例,公式化为: 。 其中,Xi(t)表示消息i在网络中的副本数量。 定义Fi(t)为消息i在时间点T已被成功转发到目的地的概率。 作者将最优化路由转发转化成为了一个求最优解的问题: Max. s.t. 仿真结果显示,最优化的动态路由策略在传输率上超越普通静态策略26%(静态路由策略中,消息的数量会降低平均传输率),在有能源限制的DTN网络中,起性能大大超越传染路由家族。 文献[56]从网络用户的角度出发,基于当前社会网络自私性的特性,提出社会自私意识路由(SSAR)算法。 该算法可容忍用户的自私性,并能提供更好
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