论文基于拥塞控制的dtn路由选择研究王琼佩本科论文Word下载.docx
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摘要
近年来开始出现各种新型网络，如军事无线网络、星际网络、车辆网络、人群网络、无线传感器网络等等，这是由于各类无线通信设备的普及和科学技术的迅速发展而造成的。
这些新型网络有很多特点，它们互相之间是不兼容的，各自的通信需求也不一样，还具有较高的误码率和数据传输延迟，这是因为其使用无线通信，且具有频繁变化的网络拓扑结构而导致的。
因此这些新型网络并不适合用当前的Internet协议及其体系结构。
以端到端为基础的通信协议（例如DSDV、DSR、AODV等）在Adhoc网络模型中不适合使用，这是因为网络中具有较稀疏的节点，不一定存在端到端的连接。
甚至，某些情况下使得设计路由算法更加困难，如端节点表现出严格的存储和能量限制时。
容迟网络（DelayTolerantNetworks，简称DTN）是一种新发现的新型的网络体系结构，就是为了在这些网络之间能够实现互联。
DTN网络在队列缓存、节点寿命、连接持续时间、动态拓扑结构等很多方面，具有许多不确定性，这是由于DTN网络的特殊性决定的，因此DTN技术中最重要的热点和难点之一就是路由技术。
针对于DTN网络的特殊性，提出了很多相关的路由协议，Epidemic，SprayandWait，Prophet等几个协议是其中较具影响力的。
每种路由协议可由多复制和单复制算法构成。
在多复制方案中，允许或者不允许将消息进行拷贝后并成倍地散发出去。
在单复制方案中，只有唯一一个中继节点存在于网络节点间，该中继节点可使得信息被转发到终点；
在洪泛机制里,节点在相遇的时候可相互进行简单的数据交换。
可采用一种变换的方式进行散发，一种方案是只允许源节点对其他节点散发消息，第二种方案是允许到达目的节点前的中继节点向相遇的节点散发消息，采用这样的散发方式可以限制消息的拷贝。
各种文献在研究各种DTN网络路由算法的性能时，一般会遵循环境特征的影响，例如节点密度和网络配置区域大小等。
然而节点自身的原因对路由算法的影响却较少考虑到。
节点所携带信息的重要程度及缓存能力、能量大小等可构成节点的自身因素。
本文首先提出DTN网络的概念和体系结构，分析了各种常见的路由算法，针对以上问题，本文的主要工作及创新点有以下三点：
1.首先研究并分析了几种较有影响的容迟网络路由算法和路由协议，讨论了各种协议的适用场合和实现方法，而且还说明了在目前状况下，各种路由协议对网络性能可能产生的不良影响。
2.在散发阶段中，散发等待路由算法协议可分为二分法散发和源端散发两种策略。
由于容迟网络环境中的很多节点具有寿命有限，能量紧缺的特点，因此很容易造成上述两种散发方式网络分割进一步增多，节点能量被耗尽。
3.提出了DTN网络蔓延路由协议中的拥塞控制方案，它是以数据包TTL门限为基础的。
当拥塞发生的时候，通过对数据包TTL门限进行设定，从而可以丢弃节点缓存中的报文。
通过仿真结果可以看出，这种方案对于DTN网络蔓延路由协议中的递交性能有很好的改进。
关键词：
容迟网络；
路由协议；
节能；
拥塞控制
ABSTRACT
Inrecentyearsallsortsofnewnetwork,suchasmilitarywirelessnetwork,interstellarnetwork,vehiclenetwork,crowdnetwork,wirelesssensornetwork,etc,thisisduetothepopularityofallkindsofwirelesscommunicationequipmentandtherapiddevelopmentofscienceandtechnologyandcause.Thesenewnetworkshavemanycharacteristics,theyarenotcompatiblewitheachother,andtheirrespectivetelecommunicationdemandisdifferentalso,alsohashighberanddatatransmissiondelay,thisisbecauseitsusewirelesscommunication,andhasthefrequentchangeofnetworktopologystructureandlead.SothesenewnetworkdoesnotfitwiththecurrentInternetprotocolanditssystemstructure.Withend-to-endbasedcommunicationprotocol（forexampleDSDV,AODV,DSR,etc）inAdhocnetworkmodelisnotsuitableforuse,becauseofthenetworkhasasparsenode,notnecessarilyexistend-to-endconnection.Even,insomecasesmakesdesignmoredifficult,suchasroutingalgorithmthree-wayhandshakeshowsstrictstorageandenergylimit.Letlatenetwork（DelayTolerantNetworks,referredto）istogrowindependently,anewdiscoveryofnewtypeofnetworkarchitecture,istointheseNetworkscanachieveinterconnection.
DTNnetworkinthequeuecache,nodelife,connectionduration,dynamictopologymanyrespects,havealotofuncertainty,thisisduetotheparticularityofDTNnetwork,andthereforethemostimportantDTNtechnologyisoneofthehotanddifficultroutingtechnology.
BasedontheparticularityofDTNnetwork,andputsforwardalotofrelatedroutingprotocols,Epidemic,Sprayandseveralagreement,Prophetproisoneinfluential.Eachroutingprotocolscancopyandsinglecopybymanyalgorithmiccomposition.Inmanycopyscheme,allowornotallowtonewscopyinganddistributedexponentially.Inasinglecopyscheme,onlyonerelaynodesexistbetweenthenodesinthenetwork,therelaynodecanmakeinformationistransmittedtotheend;
Inigapomechanism,nodecanbewhentheymeeteachotherinthesimpledataexchange.Canuseatransformationwaytosendout,aschemeisonlyallowedtosourcenodeothernodes,thesecondoutnewstothedestinationnodeschemeisallowedtomeettherelaynodebeforethenode,usingsuchoutnewsoutwaystolimitnewscopies.
InthestudyofvariousliteratureDTNnetworkroutingalgorithmoftheperformance,thegeneralwillfollowtheenvironmentcharacteristicsofinfluence,suchasnodedensityandnetworkconfigurationareasizeetc.Howevernodetheirownreasonstheinfluenceoftheroutingalgorithmconsideringless.Nodesoftheimportantdegreeandcarrytheinformationability,energysizecacheofitsownfactorsmayconstituteanode.
FirstlythispaperputsforwardtheconceptofDTNnetworkandsystemstructure,andanalyzesallkindsofcommonroutingalgorithm,thispaper,inviewoftheabovequestionthemainworkandinnovationpointshasthefollowingthreepoints:
1.Thefirststudyandanalyzesseveralinfluentialletlatenetworkroutingalgorithmsandroutingprotocols,discussedthevariousagreementapplicableoccasionsandrealizationmethod,butalsothattheinthepresentsituation,allsortsofroutingprotocoltonetworkperformancepossibleadverseeffects.
2.Outinthestageofwaitingforroutingalgorithmsagreement,sendoutcanbedividedintothesourceenddichotomysendoutandouttwostrategies.Becausemanyofthenetworkenvironmentletlatewithlimitedlife,energynodeshortagecharacteristics,itiseasytocausetheabovetwosendoutwaynetworkpartitionfurtherincreased,nodeenergyisexpended.
3.PutforwardthespreadofroutingprotocolDTNnetworkcongestioncontrolscheme,itisonthebasisofpacketTTLthreshold.Whencongestionoccurs,throughsettingofpacketTTL,thuscanthresholdcastnodecachedmessage.ThroughthesimulationresultsthatthisschemeDTNnetworkspreadtotheroutingprotocolsubmittedperformancehaveverygoodimprovement.
Keyword:
DelayTolerantNetworks；
routingprotocols；
energysaving；
congestioncontrol
目录
摘要I
ABSTRACTIII
目录V
第一章绪论1
1.1DTN网络研究背景1
1.2DTN网络定义3
1.3DTN网络主要特点3
1.4DTN网络结构5
1.5DTN网络应用6
1.6论文的选题和意义8
1.7论文的主要内容和结构9
1.8本章小结9
第二章DTN网络路由算法11
2.1概述11
2.2蔓延路由11
2.3散发等待路由13
2.4概率路由16
2.5其他路由19
2.6本章小结20
第三章DTN网络节点能量限制22
3.1概述22
3.2节点能量限制22
3.3节能策略25
3.4拥塞控制策略26
3.5本章小结29
第四章基于拥塞控制的DTN路由研究30
4.1概述30
4.2衡量DTN网络的性能指标30
4.3实验平台31
4.4仿真及结果分析32
4.5本章小结35
第五章结束语36
参考文献37
致谢40
第一章绪论
1.1DTN网络研究背景
当前全球应用最广泛的互联网是因特网（Internet）[1]，其前身是由美国国防部下属高级战略研究计划局（ARPA：
AdvancedResearchProjectsAgency）研制的ARPA网络。
现在因特网的用户在全球已经达到数亿人之多，并且在未来的若干年，因特网还将继续主导全球互联网。
因特网遵从TCP/IP协议[2]，其主要特点包括：
（1）支持多台计算机共享其软硬件资源；
（2）控制技术采用分布式方法；
（3）采用报文分组交换技术；
（4）在通信过程中，采用通信控制机；
（5）网络通信协议采用分层。
因特网的连接有如电缆、双绞线、光纤等有线连接，还有如短波、微波、无线通信等无线连接。
在一般的因特网连接中，采用有线连接还是占主要因素。
由于因特网遵循TCP/IP协议，所以链路链接是端到端的、持续的连接。
同时在网络性能上，信源到信宿的传输延迟以及误码率都是很低的，相对对称的数据率稳定。
进入新世纪后，随着科学技术的不断发展，由于诸多通信工具的不断增加，如短程无线通信以及卫星通信的不断兴起，使原本单纯的网络不断的扩大，出现了多种新型异构网络，如车辆网络、人群网络、军事网络、野生动物跟踪网络等等。
这些网络与传统网络相比，各自的网络都有特殊的通信要求，相互之间不能兼容，不使用统一网络协议。
通常把这一类网络称为受限网络，但他们具有一个共同点特性，即他们的网络传输延迟都非常巨大。
图1.1给出了这种异构网络的一个典型事例[3]。
图1.1各种受限网络
Fig1.1Thevarietyofchallengednetwork
由于这种挑战网络越来越受到人们的关注，在2002年时，国际互联网组专门成立了这种新型网络研究组，他们把这种挑战网络定义为DTN网络（DTN：
Disruption-TolerantNetworking）[4]。
DTN网络和传统网络相比，具有不同网络体系结构和协议。
在2003年时，K.Fall等人在一次国际会议上正式提出了DTN网络体系结构，自此DTN网络正式走入人们的视野。
DTN网络（DTN）包含若干个区域网络。
DTN网络是覆盖网络（overlay），而且是位于区域网络（包括因特网）之上的。
DTN支持区域网络之间的互操作性（interoperability），这点是通过容纳区域网络内部及相互之间的网络延迟、转换区域网络之间的通信特征。
正因为这些功能，DTN包容了有线电能特性和新兴无线通信设备的移动性。
无线DTN技术的种类是很多的，不仅包含了超宽带（UWB:
ultra-wideband）技术，还包含了无线电（RF:
RadioFrequency）技术、声学（包括声纳和超声波）技术、及自由空间的光学传输（optical）技术。
因为传统的Internet一般是使用TCP/IP协议，不能满足专用网络的通信需要，尤其是像星际空间、道路监测、野生动物追踪等方面的网络，于是人们提出DTN（Delay/DisruptionTolerantNetwork）的概念。
1.2DTN网络定义
DTN可以说是一种网络模型，而且是抽象的，这个概念最早是从星际通信[5]项目（IPN：
Inter-PlanetNetwork）中得来的。
由于在通信实体间，存在较大星体的阻挡或者很长的通信距离，在深层空间通信中，会使得存在通信方面的较大延迟，那么，将信息暂时存储在存储器中是有必要的，利用类似邮件的形式来进行信息传递，也就是利用“存储—携带—转发”的形式，如图1.2所示。
那么存在一个需要研究的问题是：
如何在这样的条件下满足信息的有效传输。
此外，WSN（WiselessSensorNetwork）和MANET（MobileAdhocNetwork）也是研究的热点，它们与IPN具有类似网络的约束条件。
图1.2深层空间通信
Fig1.2Thecommunicationofdeepspace
但是，可能造成网络很长时间的不连通状态的原因有很多，例如实际中节点稀疏、射频关闭、节点移动或者障碍物造成信号消失等，传统的MANET要求网络长时间连通，使其无法有效运行，这是因为它需要事先通过DSR（Dynamicsourcerouting）或者AODV（Adhocondemanddistancevector）等路由算法建立通信端点之间的路由。
DTN是一个覆盖层（Overlay），而且是区域网上的。
它能适应较长的时延，无论是区域网内或者是区域网间的。
DTN适用于功率受限的和移动的无线通信设备，是因为它能够实现信息的代理转发，而且是在通信节点之间。
1.3DTN网络主要特点
绝大部分因特网的连通性，都是依靠包括有线电话网和有线电视网在内的有线链路来完成的。
这些链路具有较低的超低传递延迟，在信源到信宿的链路上，而且具有端到端的持续连接，在因特网中具有相对对称的双向数据速率，且同时差错率在报文传递方面是很低的。
但是，这种端到端的连接在DTN网络中是间歇性的，DTN网络中的两个节点在很长一段时间里，报文的传递具有很大的延迟，且很有可能没有链接到端到端，此外，整个网络的拓扑结构呈现出动态变化，这是因为节点在DTN网络中的存储空间有限。
因此，这种新型的DTN网络都不能使得某些因特网应用和传统的TCP/IP协议得到满足。
DTN网络的数据传递不再采用传统的报文交换和报文分组，而采用数据束（Bundle）的形式。
DTN网络中的节点在数据传递的过程中，是采用存储——转发报文交换，因为它一般都是具有一定的存储能力的，如图1.3。
另外，DTN网络在网络结构方面，增加了一个聚束层（BundleLayer），是在传输层和应用层之间增加的。
聚束层能很好的融会功能多样的网络，更重要的是它可用于管理数据束在DTN网络中的存储和转发。
图1.3：
DTN网络中数据束的存储转发
Fig1.3Thestore-and-forwardmessageinDTN
总的来说，DTN网络与传统的网络相比，具有如下特点[6-8]：
（1）较长的或可变的延迟；
（2）节点存储有限；
（3）间歇连通性（IntermittentConnectivity）；
（4）动态网络结构；
（5）非对称数据速率；
（6）高差错率；
正因为DTN网络的表现出的以上特点，DTN网络之上不适合传统的TCP/IP协议簇的应用。
DTN网络的网络结构方面也具有自己的特点，因其是一个覆盖在其他网络之上的网络。
1.4DTN网络结构
为了使计算机网络的复杂性得到降低，现在的设计策略是行不通的，因此计算机网络被分成带有层次协议的网络体系结构，有两个网络体系结构在众多的结构中是比较典型的：
OSI参考模型和TCP/IP参考模型。
我们接下来分析这两种典型的网络体系结构，然后DTN网络结构[9]的参考模型就可以引出。
（一）OSI参考模型和TCP/IP参考模型
设计OSI模型的最初目的是为了改善私有网络模型使用的人太多所带来的低效性和障碍，使其成为开放网路模型，这是所有销售商都能实现的。
因其在每一层都执行一个特定的任务，所以可以说开放式的传统的系统互连参考模型是一种抽象的七层参考模型。
它的目的是在同一层次上，使得各种硬件能够方便地进行相互之间的通信。
然而，TCP/IP通信协议是利用其中的某一层呼叫它的下一层所提供的网络，一共只采用了4层的层级结构。
（二）DTN网络体系结构
综上所述，使得传统的网络体系结构OSI和TCP/IP参考模型为大家所了解。
在前一章节中可以得知，DTN网络的网络体系结构是对传统的网络体系结构的一种改进，因其是一种覆盖于其他网络上的网络，所以可以适用于带有挑战性的特殊的网络环境里，传统的端到端的路径在如此的网络环境中，是不存在的，而且还会受到环境的限制，联系在节点之间的是间断性的，数据的传递可能会有一些延迟。
DTN的体系结构与传统的网络参考模型相比较，多了一个聚束层（Bundlelayer），而且是在应用层和传输层之间。
DTN网络的数据传递，正因为引入了聚束层，不再采用传统的报文分组和报文交换形式，而采用数据束的形式。
另外，聚束层还能适应聚束层之下的网络，其功能大不相同，正由于这个重要的功能，可以借助来完成在不同子网之间数据包的传递，以及DTN网络的组网。
举个例子，在聚束层中被转化为数据束之后，数据接着能够被传递给其他子网，这是可以通过DTN路由和DTN网关完成的，当某些数据束被这些子网收到的时候，就可以转化为正常的数据包的形式，这是子网内部所需要的，而且是通过聚束层来完成的，最后就实现了DTN网络中的组网和相互通信。
与传统的互联网相比，DTN网络体系结构有较大的不同，这一点可以从对DTN网络的体系结构和传统的网络体系结构进行比较得到，这是因为能够适应DTN网络通信的环境不同。
数据链路在DTN网络中，其数据的传递存在较大的延迟，网络结构方面也呈现出动态的拓扑变化，而且数据链路是间歇性连接的。
1.5DTN网络应用
DTN网络应用前景是很广阔的，正因为其具有的技术特点是很独特的，其应用场合主要包括：
车辆网络[10-13]、偏远乡村通信[14-15]、军事网络[16]、湖水质量监测、传感器网络
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