容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法

2023-10-06 10:48:09 2

專利名稱：容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法
技術領域：
本發明主要涉及到網絡通訊領域，特指一種容延網絡中被轉移報文的多階段處理方法。
背景技術：
現有的Internet體系結構和TCP/IP協議族以及在此基礎上進行改進的許多協議 都無法很好的適應長時延鏈路和間歇性連結的網絡，當通信節點能量和存儲資源限制十分 有限時，問題將更加惡化。在挑戰網絡環境中，如Ad-hoc網、無線傳感器網、軍事移動網、 衛星網等，由於節點的快速移動性和連結的時常中斷性，網絡中沒有「端到端」的連接，並 且許多異構的區域網絡因為各自獨立的應用而使用自己的獨有協議，網絡中充斥著各種協 議標準，使得實現網絡互聯互通比較困難，所以需要建立一種新的網絡體系結構，用以滿足 在沒有端到端連接並且網絡節點資源極其有限條件下的網絡報文的可靠傳輸，這就促成了 一種新的稱為「容延網絡」的新型網絡體系的興起。容延網絡又叫容遲網絡，它不滿足端 到端路徑存在和低延時等傳統Internet中的基本假設，它採用了一系列不同於Internet 的設計數據束代替報文分組、可靠安全的逐跳路由(hop-by-hop)傳輸代替終端到終端 (end-to-end)、基於名稱的路由代替基於地址的路由、部分連接網絡圖代替全連接網絡圖。 同時，它的協議在不改變原有網絡協議體系結構的基礎上，在傳輸層和應用層之間添加了 一個「束(Bundle)層」，使用面向信息的「存儲-轉發」模式管理異構網絡中的數據束的轉 發，尤其是採用保管傳送(CustodyTransfer)機制處理挑戰網絡間的頻繁斷開、高延遲、異 構性和多相性(不對稱性)等問題，保證通信數據在複雜網絡環境中的可靠傳輸。保管傳 送機制通過逐跳確認實現了數據傳輸的可靠性，同時能夠儘快地釋放通信節點的中繼存儲 器資源，提高網絡存儲資源的利用率。但是為了滿足持久性的要求，一個通信節點通常不能 釋放沒有完成保管傳送的報文，因此它的存儲器面臨最終被耗盡的危險，而這種情況很容 易導致該通信節點沒有足夠的存儲器資源去承擔後來的必須要通過它的其他報文，即使這 些報文的輸出鏈路當時是可用的也無法讓其通過本該通信節點，在某些情況甚至可能造成 鏈路丟棄報文，因此由於通信節點的存儲器資源耗盡，必然會導致通信效率的降低、通信質 量的下降。現有的被轉移報文處理策略主要是「Push-Pull操作」中的「Pull操作」，即源節 點存儲資源緊張狀況有所緩解後，將向代理節點發出Pull操作請求，代理節點在收到請求 後將執行Pull操作，將被轉移來的報文傳送回源節點。該方法並沒有充分考慮容延網絡節 點的動態移動性帶來的節點間鏈路易中斷的特點，有其固有的不足，容易造成報文傳輸率 下降以及新的擁塞節點的出現。如果由於容延網絡拓撲的時變性，原有的鏈路中斷，被轉移 報文還在代理節點等待源節點的Pull請求，而源節點也無法找到它先前轉移的報文的位 置，使用發洪泛詢問包的方式去尋找其他的鄰近通信節點，必然無法完成取回被轉移報文 操作，這種情況將被原保管節點視為報文被成功轉發。被轉移報文最終將因生存期到期被 代理節點丟棄，除非這期間該鏈路恢復，但可能性很小。
現有的被轉移報文處理策略的主要不足(I)Push-Pull機制中，代理節點收到取回請求之前，會根據原路由表信息判斷是否具有轉發被轉移的報文的路徑，並被動等待源節點發出Pull請求，並沒有賦予代理節點 在鏈路中斷後重路由轉發的機制，在間歇性連接的容延網絡中，可能造成報文可能無法發 送成功，最終將被丟棄。(2)代理節點或者源節點沒有主動詢問機制，而是被動等待源節點發出Pull請求 取回報文，由於容延網絡連接的間歇性，在取回報文之前很長時間(與等待時間相比)連接 可能已經中斷，而由於沒有主動詢問機制，在源節點發出Pull請求之前源節點和代理節點 都無法及時得知鏈路斷裂情況，那麼這段無用等待的時間將是極大的浪費，加大了報文傳 輸的時延，導致新的擁塞節點出現，還可能導致報文的超時丟棄，報文傳輸的可靠性得不到 保障。

發明內容
本發明要解決的技術問題就在於針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一 種能夠對被轉移報文的處理過程進行有效優化、從而提高報文傳輸率、降低時延、預防新擁 塞節點產生的容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法。為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案一種容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法，其特徵在於，步驟 為(1)查表直接轉發階段被轉移報文從源節點轉移至代理節點後，首先對代理節 點的路由表進行查找，如果路由表中有被轉移報文的下一跳路由路徑，則將被轉移報文發 送至下一跳；如果路由表中沒有被轉移報文的下一跳路由路徑則進入報文等待被取回階 段，報文等待被取回階段包括定時等待階段和主動探詢階段，所述定時等待階段和主動探 詢階段各佔報文等待被取回階段總等待時間的一半；(2)定時等待階段被轉移報文在代理節點中只等待源節點發出取回報文的消 息；(3)主動探詢階段由源節點按照一定時間間隔交替發送探詢消息包至代理節 點，用以判斷容延網絡中鏈路斷裂情況；(4)報文重路由轉發階段當被轉移報文經過查表直接轉發階段、報文等待被取 回階段後，此時由於總等待時間到期或者代理節點和源節點之間鏈路斷裂無法送回被轉移 報文，則啟動重路由轉發機制。作為本發明的進一步改進所述步驟(1)中，如果在代理節點的路由表中查到了被轉移報文的下一跳路由路 徑，則對被轉移報文與本地存儲器中的報文進行報文緊急度、最遲可用路由、報文大小、生 存期剩餘參數的比較，如果該被轉移報文符合優先發送的條件則發送到下一跳，如果不符 合優先發送條件，則在代理節點等待發送直到源節點發送消息要求取回被轉移報文。所述步驟(1)中，報文等待被取回階段的總等待時間是根據報文生存期剩餘時間 和鏈路中斷概率計算得到。所述步驟(3)中，所述時間間隔是根據報文生存期剩餘時間和網絡帶寬佔用率計算得到。
所述步驟(3)中，所述發送探詢消息包包括三個無需回復的消息包和一個需要回 復的消息包；在主動探詢階段中，如果源節點空閒了，將取回報文的消息附加在任何一個消 息包中發送到代理節點。所述步驟(4)中，代理節點找到了被轉移報文的路由路徑，則根據被轉移報文與 本地存儲中其它報文的優先級比較進行發送，如果優先級低，在等待途中收到源節點發來 的取回報文請求，則將被轉移報文發回源節點，否則由代理節點轉發被轉移報文；當沒有發 現被轉移報文的路由路徑，被轉移報文將在代理節點中繼續等待源節點發出的取回報文消 息，直到報文生存期到期而被丟棄。與現有技術相比，本發明的優點在於1.本發明採用多階段處理策略，充分合理地利用了被轉移報文優先級、緊急性不 高，通常是從當前時間開始最晚才能具有可用的轉發路由的報文(最遲可用路由)和最長 生存期報文的特點，基於時間先後將每個階段最合適的處理策略組合起來，達到存儲資源 利用率和報文傳輸性能的最優化。2.在本發明處理方法的開始階段，根據原路由表信息判斷是否具有轉發被轉移報 文的路徑，這樣就加快被轉移報文的轉發，降低了報文傳輸時延，提高了報文的傳輸機率； 同時儘快的轉發，也利於緩解代理節點本身的擁塞狀況。3.本發明採用定時等待機制，其充分考慮到源節點從保管新報文開始到轉發出去 可能會有一定的時延，如，該保管報文優先級並不比節點中原來就有的所有報文都高，而造 成在隊列中等待的時延，所以一開始就發包探詢並不經濟，而且定時等待階段沒有探詢數 據的發送，從另一方面降低了鏈路和存儲資源的開銷，避免新的擁塞。4.本發明採用主動探詢機制，這樣避免了長時間等待源節點取回報文的過程中， 鏈路過早中斷造成的代理節點無用等待時間，代理節點和源節點都能及時發現鏈路中斷， 採取下一步操作，減小了報文傳輸的時延。另一種情況是避免了鏈路中斷時間超長，代理節 點等待時間超長後報文生存期到期，而丟棄報文的情況發生。另外HELLO包「3不應答+1 應答」的機制，也是符合鏈路不對稱特點的，相對不易造成鏈路堵塞。5.本發明採用重路由機制，充分考慮了被轉移報文生存期長，最遲可路由以及節 點連接機率公平的特點，該機制是在第一階段策略中原路由表無鏈路的基礎上實施的，當 採用HELLO包探詢機製得知鏈路中斷後，立即啟動重路由機制尋找路徑，全權代替源節點 將報文轉發到目的節點，降低報文丟棄率，提高報文傳輸的可靠性。


圖1是本發明處理方法的流程示意圖。
具體實施例方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。如圖1所示，本發明容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法主要包 括四個階段，其分別為查表直接轉發階段、定時等待階段、主動探詢階段以及報文重路由 轉發階段。
第一階段查表直接轉發階段；被轉移報文Wi在被成功地從源節點η轉移至代理節點後，首先對代理節點中的原 路由表進行查找，如果沒有查到被轉移報文Wi直接轉發的下一跳(或者下一跳就是目的 節點)，則進入報文等待被取回階段，報文等待被取回階段包括定時等待階段和主動探詢階 段，定時等待階段和主動探詢階段各佔報文等待被取回階段總等待時間的一半。定時等待 階段即被轉移報文Wi就在代理節點的永久性存儲器中等待源節點η空閒出來後發出取回 報文的消息。在等待時間內，若收到取回報文消息，則將被轉移報文Wi發回源節點η，否則 將一直等待到策略的下一操作階段，也就是主動探詢階段。如果在代理節點中的原路由表中查到了被轉移報文Wi路由路徑的下一跳，那就要 將被轉移報文Wi加入到等待隊列中，與代理節點本地原來的報文進行比較，考慮報文緊急 度、最遲可用路由、報文大小、生存期剩餘等參數，判斷是否優先發送。如果符合優先發送條 件，則將其發送到具有目的節點路由信息的下一跳；否則，該被轉移報文Wi還得繼續等待到 所有本地報文優先級都低於該被轉移報文Wi轉發優先級後才發送。在等待時間內，甚至超 過報文等待被取回階段總等待時間。如果被轉移報文Wi的優先級一直沒有符合轉發規則， 也一直沒有等到源節點取回報文的消息，則直接轉入主動探詢階段。第二階段定時等待階段；充分考慮到被轉移報文Wi的優先級緊急性不高、報文生存期長以及具有最遲路 由 等特性，讓其等待一定時間是合理的，這樣還可以把更多的網絡資源給配給緊急性強優先 級高的報文先行傳輸使用，此時默默的等待沒有詢問消息包的發送和接受，節約了節點資 源和鏈路資源，從另外一方面也防止了擁塞程度的加重。報文等待被取回階段的總等待時間的合理取值與否關係到報文的時延和傳輸率， 需要綜合考慮報文生存期、鏈路中斷概率來構建等待時間。定時等待階段和主動探詢階段 各佔報文等待被取回階段總等待時間的一半。設報文等待被取回階段的總等待時間為Ttinre，報文生存期剩餘時間為Traiiain，源 節點和代理節點之間鏈路中斷概率Pdisrant，則報文等待被取回階段的總等待時間計算公式 為Ttime= (Tremain (I-Pdiscont))/2其中，T
remain ^survival ^current 『
Tsurvival為報文生存期到期時間，Tcurrent為當前時間； Pdis。。nt屬於網絡連接知識庫，來源於網絡連接的經驗值積累，該值是全網範圍內每個節點上 已經計算並時常利用空閒更新的數據，pdis。。nt e W，1]，1表示鏈路斷開概率最大，即在很長 時間(該值每次更新所間隔的時間)一直不存在鏈路，0則表示鏈路是一直通暢的，取值精 確到小數點後一位。通過上述公式可以看出，當Pdis。。nt — 1的時候，Ttime — 0，當斷開概率逐漸變小的時 候，等待時間會按比例遞增，在這裡規定最長等待時間只能是報文生存期剩餘時間的1/2。第三階段主動探詢階段；在合理的定時等待以後，仍舊沒有收到源節點的取回報文消息，則進入源節點主 動詢問階段。因為容延網絡拓撲的時變性和網絡連接機率的公平分布性，在等待一定時間 後，網絡連接斷裂的可能性就變高了，此時開始主動詢問比較合適，該階段主要是探詢路徑 (鏈路)的斷裂情況，能在最可能發生斷裂的時候進行探詢。如果在源節點空閒之前，探詢到鏈路中斷了，源節點放棄回收該被轉移報文，此時代理節點將全權代理源節點的工作，實 施下一階段策略，根據報文中的目的節點地址開始重路由。容延網絡拓撲的劇烈變化，導致鏈路常中斷，加之鏈路前向信道的帶寬往往大於 反向信道的帶寬，通常相差幾十倍，甚至上百倍，由於反向信道的帶寬過窄，就會造成應答 信息的擁塞，使傳輸協議性能下降。為了降低報文傳輸時延，提高報文轉發率以及考慮到信道的不對稱容易造成的應 答信息擁塞的問題，現有的Pull機制都是代理節點等待源節點發送取回報文的消息。源節 點發出取回報文之前，如果鏈路斷開了，被轉移報文Wi就將不用等待，浪費了時間，佔據了 空間，只有等待鏈路重新連接或者因生存期滿而丟棄被轉移報文K。因此在現有的Pull機 制上，為源節點加入一種主動探詢機制——HELLO包探詢機制。當被轉移報文Wi成功發送 到代理節點後，經過查表直接轉發階段和定時等待階段後，仍舊沒有被轉發出去，也沒有被 源節點取回，此時開始發送HELLO探詢信息包。考慮到要儘量早地發現鏈路開裂情況以及前後向信道的帶寬差異，將HELLO包的 發送規定為由源節點發送HELLO包，間隔相同時間交替發送3個無需回復的HELLO包和 1個需要回復的HELLO包，明顯降低了反向信道的佔用率，非常適合鏈路不對稱的網絡。該 方法，不需要代理節點回復，代理節點如果有連續3個時間段都沒有收到HELLO包就說明鏈 路斷開了，此時代理節點會馬上知道鏈路斷開，進而採取下一階段的處理策略。而對於源節 點，規定如果在5個時間段內(3個不需回復時間段+1個需要回復時間段+1個應答傳輸時 間)都沒有收到應答包，說明此時鏈路已經斷開了，源節點停止發送HELLO包，放棄對被轉 移報文Wi的回收，全權委託代理節點處理被轉移報文&。在鏈路沒有斷開之前，如果源節 點空閒了，則需要收回被轉移報文，取回報文的請求可以加載到即將發送的任意一個HELLO 包中一同發送。Hello包的格式如下 源節點主動的HELLO包機制，主要需要考慮的是包發送的時間間隔，因為HELLO包 的主動探詢會增加網絡資源的消耗，時間間隔的取值合不合理關係到網絡帶寬利用率和佔 用率的平衡，還關係到報文傳輸時延和效率。該時間間隔取值算法如下設網絡帶寬佔用率Pbandwidth,報文生存期剩餘時間為TMain，時間間隔為Tsl。t，構建 算法公式 其中，Pbandwidth屬於網絡連接知識庫，取值範圍為0-1，取值精確到小數點後一位， 值越大說明帶寬越緊張；T
remain —TsurvivaI-Tcurrent, Tsurvival 為 艮文生存期到期時間，Tcurrent 為
當前時間。由於Pbandwidth e (0,1),把它直接作為乘數用以將報文剩餘生存期TMain分為若干 段來生成時間間隔Tsltrt是不符合實際情況的，這裡需要將該值放大，考慮網絡帶寬佔用率Pbandwidth對n取具體值的影響，取n= 1/P Pbandwidth' 當Pbandwidth-1的時候，n取值從10遞減取
值到1。通過上述公式我們可以看出，當Pbandwidth — 1的時候，隨著該值的變大網絡帶寬越 發緊張，當達到最大值的時候，Tslot也取到最大值，表示隨著帶寬佔用率的提高，消息包發 送的時間間隔也要加大，以少發消息包來降低帶寬佔用率。第四階段報文重路由轉發階段；當被轉移報文^經過查表直接轉發階段、定時等待階段、主動探詢階段後，此時由 於代理節點和源節點之間路徑斷裂無法送回報文。由於被轉移報文^擁有低優先級、最遲 可用路由和長生存期，此時並不馬上採取丟棄策略，而是採用代理節點根據被轉移報文 中的目的節點的地址信息發起路由尋找，儘可能的將被轉移報文^發送到目的節點。這是 綜合考慮了報文本身的特性和網絡連結的動態公平性(在容延網絡中各個節點相遇的機 會是均等的)，因此對於被轉移報文&在原來沒有到達目的節點路由路徑的前提下，經過一 段時間後，從代理節點出發能夠找到路由路徑的機率已經大幅度提高，所以進行路由尋找 是合理的，也是提高整個網絡報文傳輸率，降低擁塞和時延的較好策略。這裡採取的路由方 法同全網路由，如果重路由沒有找到到達目的節點的路徑，此時才丟棄該被轉移報文巧。以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例， 凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的 普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護 範圍。
權利要求
一種容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法，其特徵在於，步驟為(1)查表直接轉發階段被轉移報文從源節點轉移至代理節點後，首先對代理節點的路由表進行查找，如果路由表中有被轉移報文的下一跳路由路徑，則將被轉移報文發送至下一跳；如果路由表中沒有被轉移報文的下一跳路由路徑則進入報文等待被取回階段，報文等待被取回階段包括定時等待階段和主動探詢階段，所述定時等待階段和主動探詢階段各佔報文等待被取回階段總等待時間的一半；(2)定時等待階段被轉移報文在代理節點中只等待源節點發出取回報文的消息；(3)主動探詢階段由源節點按照一定時間間隔交替發送探詢消息包至代理節點，用以判斷容延網絡中鏈路斷裂情況；(4)報文重路由轉發階段當被轉移報文經過查表直接轉發階段、報文等待被取回階段後，此時由於總等待時間到期或者代理節點和源節點之間鏈路斷裂無法送回被轉移報文，則啟動重路由轉發機制。
2.根據權利要求1所述的容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法，其特 徵在於所述步驟(1)中，如果在代理節點的路由表中查到了被轉移報文的下一跳路由路 徑，則對被轉移報文與本地存儲器中的報文進行報文緊急度、最遲可用路由、報文大小、生 存期剩餘參數的比較，如果該被轉移報文符合優先發送的條件則發送到下一跳，如果不符 合優先發送條件，則在代理節點等待發送直到源節點發送消息要求取回被轉移報文。
3.根據權利要求1所述的容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法，其特 徵在於所述步驟(1)中，報文等待被取回階段的總等待時間是根據報文生存期剩餘時間 和鏈路中斷概率計算得到。
4.根據權利要求1所述的容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法，其特 徵在於所述步驟(3)中，所述時間間隔是根據報文生存期剩餘時間和網絡帶寬佔用率計 算得到。
5.根據權利要求1所述的容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法，其特 徵在於所述步驟(3)中，所述發送探詢消息包包括三個無需回復的消息包和一個需要回 復的消息包；在主動探詢階段中，如果源節點空閒了，將取回報文的消息附加在任何一個消 息包中發送到代理節點。
6.根據權利要求1或2或3或4或5所述的容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文 的處理方法，其特徵在於所述步驟(4)中，代理節點找到了被轉移報文的路由路徑，則根 據被轉移報文與本地存儲中其它報文的優先級比較進行發送，如果優先級低，在等待途中 收到源節點發來的取回報文請求，則將被轉移報文發回源節點，否則由代理節點轉發被轉 移報文；當沒有發現被轉移報文的路由路徑，被轉移報文將在代理節點中繼續等待源節點 發出的取回報文消息，直到報文生存期到期而被丟棄。
全文摘要
一種容延網絡中存儲器路由機制下被轉移報文的處理方法，其步驟為(1)查表直接轉發階段被轉移報文從源節點轉移至代理節點後，首先對代理節點的路由表進行查找，如果路由表中有被轉移報文的下一跳路由路徑，則將被轉移報文發送至下一跳；如果路由表中沒有被轉移報文的下一跳路由路徑則進入報文等待被取回階段；(2)定時等待階段被轉移報文在代理節點中只等待源節點發出取回報文的消息；(3)主動探詢階段由源節點按照一定時間間隔交替發送探詢消息包至代理節點，用以判斷容延網絡中鏈路斷裂情況；(4)報文重路由轉發階段。本發明能夠對被轉移報文的處理過程進行有效優化，從而提高報文傳輸率、降低時延、預防新擁塞節點的產生。
文檔編號H04L12/56GK101854304SQ20101019348
公開日2010年10月6日 申請日期2010年6月9日 優先權日2010年6月9日
發明者吳純青, 吳鵬, 彭偉, 時向泉, 李剛, 王小峰, 胡曉峰, 虞萬榮, 趙寶康, 趙鋒, 陶靜, 黃杰 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學