机会网络详细介绍讲述

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1、机会网络专题 文章框架结构 1.引言 2.机会网络的概念和体系结构 3.机会网络的特点和应用 4.机会网络的路由协议 5.机会网络未来的发展方向 小结 1.引言 当前，无线网络逐渐扩展到人们的工作和生活中，随着应用的逐步 深入和规模的日益增加，无线网络分裂和连接中断的恰当处理变得愈加 重要。传统的多跳无线网络，如移动Ad Hoc网络(Mobile Ad-Hoe NET work，MANET)、无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)和 无线Mesh网络等，缺少专门针对困难环境中无线网络分裂和连接中断进 行处理的方案，因此当断裂发生时，网络性能会显著下降，甚至造成

2、网 络不能运行。随着可预见的、在挑战性的网络环境中对数据通信需求的 上升，需要人们付出更多努力去发展相应的网络技术以满足这些预期的 需要。 以上背景和需要促进了机会网络(Opportunistic Networks)的诞生和 发展。作为一种新型网络，机会网络能够在无线链路断开和网络分裂情 况下完 成通信任务，即使端到端路径不存在也不妨碍它传输信息。它既 是一种具体的网络形式，也是一种网络通信新技术，被视为移动Ad Hoe 网络发展的重要方向，对未来普适计算(ubiquitous computing)具有重要 意义。 2.机会网络的概念和体系结构 目前机会网络尚无统一的定义，综合现有的文献我给出

3、以下描述性的 定义：机会网络是一种不需要源节点和目的节点之间存在完整路径，利用 节点移动带来的相遇机会实现网络通信的、时延和分裂可容忍的自组织网 络。机会网络又被叫做稀疏ad hoc 网络、ICN (Intermittently Connected Network)或DTN（Delay/Disruption Tolerated Network） ，机会网络不同 于传统的多跳无线网络，它的节点不是被统一部署的，网络规模和节点初 始位置未进行预先设置，源节点和目的节点之间的路径事先并不能确定是 否存在。 机会网络的体系结构与传统的多跳无线网络稍有不同，它通过在节点的应 用层与传输层之间插入一个新的

4、协议层来执行“存储一携带一转发”的信息 交换机制，该层称为束层(bundle layer)，如图1所示。当节点作为主机时 ，束层可以发送和接收束(融合在一起传递的消息被称为束)，但不转发束 。当节点作为路由器时，在同一区域的节点之间，束层可以进行存储、携 带和转发整个束(或束片段)。当节点作为网关时，网关的束层需要有储存 能力并能进行安全检查，以确保消息转发，能够在不同的网络区域之间传 输信息。 机会网络的概念和体系结构 Application Network (IP) Link Physical Transport (TCP) Internet Layers Application Bund

5、le Transport (TCP) Network (IP) Link Physical Opportunistic Networks Layers 图1 机会网络体系结构与因特网体系结构对比图 3.机会网络的特点和应用 3.1 机会网络的特点 机会网络具有一些区别于传统无线网络的特点，它主要表现在以下3 点： 1）从源节点到目的节点之间不一定存在完整通信路径，网络和链路通 常频繁地断开和重新连接； 2）网络之间的联系(即通信机会)是通过节点相遇获得的； 3）机会网络是一种异质的无线网络，即网络节点可以包括不同种类的 无线通信设备，如Wi Fi设备、蓝牙装置和卫星等。 机会网络的特点和应用

6、3.2 机会网络的应用 机会网络主要应用于缺乏通信基础设施、网络环境恶劣以及应对紧急突 发事件的场合，由于机会网络能够处理网络分裂等已有无线网络技术难以解 决的问题并能满足恶劣条件下的网络通信需要，因此在军事和民用无线通信 领域都具有重要的研究和应用价值，相关研究的开展也越来越广泛，目前机 会网络主要的应用领域有以下几个。 1）野生动物的监控 2）袖珍型交换网络 3）偏远地区互联网无线接入 4）车载网络 4.机会网络的路由协议 4.1机会网络路由协议的新机制 机会网络研究的关键的问题是路由转发。在机会网络中，移动节点稀疏 分布，移动速度快，网络连接机会性地出现，源结点和目的节点之间可能始 终不

7、存在同时的端到端路径，传统的Internet 路由协议与MANET 路由协议 都不再适用。因此需要设计机会网络路由，能使没有端到端路径的节点相互 通信。 为了适应机会网络的特点，新的机制被设计并运用到机会网络路由中， 这些机制主要包括以下几点。 机会网络的路由协议 1)“接收携带转发”机制。与传统多跳无线网络路由的“接收 转发”机制不同，机会网络路由协议采用了“接收携带转发”机制 ，节点收到分组后，通常不是立即把它转发出去，而会将分组保存一段 时间，携带着分组运动，在运动中如果遇到了其他节点，再分组转发出 去。该种机制能够克服网络分裂和端到端的路径不存在的困难,依靠节 点的运动和位置改变把分组

8、送到目的节点(如图2所示)。 2）多次转发机制。在一些路由协议中，数据分组在不同节点相遇时会 被多次转发，相当于多个数据副本被注入网络，这和传统多跳无线网络 路由中的“一次性发给确定的下一跳节点”有所不同。 机会网络的路由协议 S 2 3 D 1 4 接收 S 1 4 3 2 D 携带 S 3 1 4 2 D 转发 图2 “接收携带转发”机制 机会网络的路由协议 下面给大家举一个实际的例子，如下图3所示。 图3 Opportunistic networking 机会网络的路由协议 3）节点两两成对交换信息机制。由于网络分裂，广播消息难以到达所 有节点，因此节点两两成对交换信息机制成了信息传播的

9、有效途径； 节点相遇时通过相互传送对方没有的消息来完成消息的扩散，能够达 到不广播操作更高的可靠性。 4.2 机会网络路由协议分类和原理 基于上述3种机制，人们设计了许多路由协议。根据协议原理的不 同，可按如图4所示的分类。 机会网络的路由协议 机会网络路由协议 有基础设施 固定设施移动设施 Infostations; SWIM Ferries; Data MULEs 基于场景基于传播 无基础设施 CAR; MobySpac e 基于复制基于编码 EC; H-EC Epidemic ; MaxProp; MVRouti ng PROPHE T; Spray and Wait 图4 机会网络路由

10、协议分类图 机会网络的路由协议 4.2.1 基于复制 1） Epidemic路由协议：该协议本质上是一种泛洪路由协议，该协议在 相遇的成对移动节点中交换信息，每一个携带数据的节点都将数据的副本 传递给它所遇到的节点。其工作原理如图5所示，每个节点的缓存区中都 存储需要传递的消息，并且每个节点都存储一个SV (Summary Vector)， SV中含有该节点缓存区存储的消息。当两个节点相遇时，他们相互交换 SV，然后将对方的SV和自己的SV比较，判断出自己缓存中没有而对方有 的信息，接着向对方发送请求信息，请对方发送自己没有的消息，然后节 点收到对方发过来的消息，并完成自己的SV更新。 AB

11、1 2 3 1节点A向节点B发送自己的SV 2节点B向节点A发送请求信息 3节点A根据节点B的请求信息 发送信息 图5 Epidemic路由协议工作原理 机会网络的路由协议 2）Max Prop路由协议：该协议采用了Epidemic路由算法的基本原理但进 行了改进，改进之处在于：转发节点携带消息并可能多次转发，但当消息的 有效期到了，或者节点收到了一个ack消息，或者节点的数据缓存区被装满 时，节点讲丢弃该消息。MaxP rop的数据缓存区管理策越是：设定一个门 限值，如果消息的转发跳数小于此门限，则按跳数值对消息排序。如果大于 门限，则按传送概率进行排序并在数据缓存区被装满时删除传送概率值低

12、的 消息。该算法避免了每个消息都被泛洪到全网，减少了开销，但消息有效期 的合理设置有一定难度。 3）MV Routing路由协议：该协议采用交换机制传递消息，但在被传递消 息的选择上使用了节点相遇和访问某个区域的历史记录。其算法，当节点A 和B相遇时，A将自己所携带的消息清单发给B，清单中包含消息的目的地和 A对它的传送概率；B也发给A一份同类的清单；A收到B的清单后根据传送 概率对所有消息进行排序，删除B具有更高传送概率的消息，确定保留传送 概率最高的n个消息，然后B请求将自己没有存储的消息发给自己。 机会网络的路由协议 B也进行同样的操作。该算法根据概率值确定被转发消息，能够减少消息 的无

13、用传递，有助于减少路由开销，但根据历史信息进行概率估算有可能 与实际情况不符，影响分组的传送成功率。 4）PROPHET路由协议：也是一种基于概率的路由协议，在操作上和 Epidemic路由协议相似。在该协议中，节点不盲目的转发消息给全部或部 分的邻居节点，而是预先估计到达目的节点每条链路的传送预测概率，并 利用该概率值来决定是否应该存储该消息以等待更好的转发机会，以及决 定由哪些节点来实现转发。当节点A携带一个送往节点D的消息message 与节点B 相遇时，节点A、B间的传送预测概率根据下式计算： 其中 【0,1】，是一个初始化常数。 机会网络的路由协议 5）Spray and Wait路

14、由协议：该协议是控制泛洪的路由协议。分两个阶 段：在Spray阶段，源节点在网络中产生L份副本，使用交换机制，实现 把待传送信息从源节点扩散到L(L 1)个中继节点的功能；在Wait阶段，如 果在Spray阶段没有发现目的节点，那么每一个节点通过直接传输的方式 把信息传送到目的节点。 4.2.2 基于编码 1）EC (Erasure-Coding)路由协议：该协议中源节点将消息分成M块， 然后将其块编码N个部分消息，平均分配给N个中间节点，目的节点接收 每个中间节点所携带的部分消息，通过运算将消息重组。在网络连接最 差的情况下表现出很好的性能，但是在网络连接很好的情况下，使得总 的传输延迟变大

15、则是它的主要缺点。 2）H-EC路由协议：该协议是一种混合式路由机制，它充分利用了EC路 由吸引的特性，而且也保留了复制转发机制的特点。 机会网络的路由协议 该协议中源节点将编码后部分消息生成两个副本，当它遇到中间节点时， 就将第一个副本传递给它，这种方式类似于EC路由协议。然后再剩余的连 接时间，将第二个副本传递给该节点，这样就充分利用每次连接机会获得 更好的转发性能。 4.2.3 基于场景 1）CAR (Context-Aware Routing)路由协议：该协议中每个节点负责计算 自己能到达目的节点的传递概率，然后将传递概率进行周期性的交换，最 终每个节点能够计算出该使用哪一个中间节点才

16、能更好的实现转发到达目 的节点，而这中间节点就是基于场景，使用卡尔曼滤波计算来的。当中间 节点收到消息，它首先将消息存储在缓冲区内，然后当它遇到目的节点时 就转发，或者传递给另一个更高传递概率的节点。当节点的缓存较小时， CAR路由协议的包传输率比Epidemic高些，因为在该协议中每个消息仅产 生一个副本，节省了存储空间和网络带宽资源。而当节点的缓存较大时， 结果却相反。 机会网络的路由协议 2）Moby Space路由协议：该协议建立了高维欧氏空间，该空间中的每个 轴表示一队节点存在相互联系的可能，轴线的长度则表示发生联系的可能性 。最好的转发节点就是离目的节点最近的那个节点，显然在虚拟空间中需要 了解所有轴线的信息，也需要了解所有节点的信息。在消耗存储和网络带宽 资源方面，与Epidemic相比，它消耗较少。 4.2.4 基于固定设施的路由协议 1）Infostations路由协议：在该协议中，源节点希望可以存储消息直到到达 属于基础设施的基站，然后把消息传递给它。基站的网关一般面向