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1、Adhooc网络络寻路阶阶段的合合作激励励机制研研究黄蕾，刘刘立祥（中国科科学院软软件研究究所综合合信息系系统技术术国家级级重点实实验室，北北京，11000080）摘要：如如何激励属于于不同利利益最大大化实体体的自私私节点合合作是当当前Add hooc网络络研究中中的一个个热点问问题。现现有的自私节节点检测测和激励励机制主主要针对对数据传传输阶段段，不能能适应寻路路阶段的的特点。本本文基于于邻居节节点中继继和生成成的路由由请求包之间的统统计关系系，提出出了一种适用用于按需需路由协协议寻路路阶段的的自私行为为检测和和惩罚机机制，并利用博博弈论工工具将其其建模为为噪声环环境下的重复复囚徒困困境博弈
2、弈，对算算法激励励合作的的有效性性进行分分析。理理论分析析和仿真真结果显显示，本本算法能能够有效效地惩罚罚寻路中中的自私私行为，促促进节点点合作。关键词：Adhooc网络络，路由由，自私私检测，合合作激励励，博弈弈论StuddyonncoooperratiionsstimmulaatioonmeechaanissminnrouuteddisccoveeryoofaddhoccnettworrksHuanngLeei, LiuuLixxianng(NattionnalKKeyLLaboorattoryyofInnteggrattedIInfoormaatioonSyysteemTeechnnol
3、oogy, InsttituuteoofSooftwwaree, ChhineeseAAcaddemyyofSccienncess, Beeijiing, 10000880)Absttracct: Howtosttimuulatteseelfiishnnodeeswhhichhbellonggtodiiffeerenntuttiliity-maxximiizinngenntittiesstocooopeeratteissahotttoppiciinaddhoccnettworrkreeseaarchhcommmunnityy. Cuurreentmmechhaniismssproopossed
4、ssofaarfoocussmaiinlyyondeetecctinngseelfiishbbehaaviooranndsttimuulattinggcoooperratiioniindattafoorwaardiingsstagge.Theeyarrenootapppliicabbleiinroouteedisscovveryystaage. Baaseddonsttatiistiicsrrelaatioonshhipoofroouteereqquesstpaackeetsrrelaayeddanddgenneraateddbyaneiighbbornnodee, thhisppapeerp
5、rropooseddanallgorrithhmtoodettecttanddpunnishhtheesellfisshneessiinroouteedisccoveerysstagge fforoon-demmanddrouutinngprrotoocolls. Theealggoriithmmwassmoddeleedwiithtthettoollofgaamettheooryaasthhereepeaateddpriisonnerddileemmaainnooisyyenvviroonmeent,andd ittsefffecctivveneessttosttimuulattecooop
6、eerattionnwassanaalyzzed witth tthe moddel. Thheorretiicannalyysissanddsimmulaatioonreesulltssshowwedtthattourrschhemeecouuldppuniishtthesselffishhnesssinnrouuteddisccoveeryeeffeectiivellyanndthhussstimmulaatennodeestoocoooperratee.Keywwordd:Adhoocneetwoork, rooutiing, seelfiishnnesssdettecttionn, c
7、ooopeerattionnstiimullatiion, gaamettheoory1 引言Ad hhoc网网络由一一组移动动或固定定的无线线节点组组成，信信息交流流等网络络关键任任务的实实现需要要各节点点之间的的相互协协作，这这种合作作性也是是现有诸诸多路由由协议设设计的一一个基本本假设前前提。但但是当节节点属于于不同实实体时，其其合作性性缺乏内内在的保保证，理理性节点点更倾向向于采取取能够使使得自身身利益最最大化的的行动，而而不是完完全遵从从协议。由由于无线线传输需需要耗费费大量的的能量，因因此理性性的自私私节点会会尽量避避免为其其他节点点中继数数据，从从而导致致网络性性能下降降，合作作
8、用户利利益受损损。Ad hhoc网网络中自自私节点点的激励励机制是是当前的的一个研研究热点点，提出出的解决决方案可可分为三三种类型型1：基于于信用的的方法（credit-basedmethod），基于声誉的方法（reputation-basedmethod），和博弈论方法（gametheorymethod）。基于信用的方法一般建立在虚拟货币机制的基础上，通过精心设计的支付方式，使得节点只有在合作的时候才能使自己的利益最大化2-4。这种方法的缺陷在于作为其基础的虚拟货币管理系统，或者需要抗篡改硬件的支持2，或者需要集中的支付服务4，尚未有令人满意的解决方案；基于声誉的方法记录节点的过往行为，综合
9、直接观察结果和第三方信息形成对节点合作性的判断，对不合作的自私节点以拒绝服务的方式进行惩罚，从而达到促进合作的目的5-8。目前声誉系统采用基于Watchdog8的隐式响应或基于ACK的显式响应作为监测的主要方式，19-10等文献指出现有监测机制的不准确性是声誉系统应用的主要障碍；博弈激励机制大多建立在 “针锋相对（TFT）”策略及其变种的基础上，目前提出的方案多是各节点根据自己数据传输的成功率来调整为网络中其它节点中继分组的概率11-一三。这类文献重在纳什均衡的证明，使用了较强的假设条件，距离实际应用尚有一段距离。上述文献献提出的激励机机制大多多是针对对数据传传输阶段段节点的的自私行行为而设设
10、计的，一个基本假设是节点在路由发现阶段采取合作策略，而只在数据传输阶段自私丢包5811一三，显然这个假设不尽合理。对于Ad hoc网络中通常采用的按需路由来说，节点在寻路阶段的自私行为可以使它免于后续的数据中继任务，“合法”的节省更多的能量，因此节点倾向于在寻路阶段采用自私策略，我们必须考虑相应的检测和合作激励机制。寻路阶段的自私行为可以分为两大类型：l 主动篡改改路由控控制包。当当自私节节点接收收到RRREQ（路路由请求求）、RREEP（路路由响应应）等控控制包时时，它改改变其中中一些关关键域如如AODDV中的的跳数、DSR中的中间节点列表，从而使自己避免出现在源和目的均为其他节点的路径上，
11、逃避中继任务。这类自私行为的应对方式已经被广泛研究714。l 被动丢弃弃。自私私节点丢丢弃所接接收到路路由控制制包，避免免成为中中继节点点。两种类类型的路路由控制制包中，RREEP的性性质与数数据包类类似，可可采用WWatcchdoog机制制检测自私私丢弃行行为。但是RREEQ包为广播包，而而且它的的传输是是有条件件的，存存在大量量合法丢丢包，因此Waatchhdogg机制不能能有效检检测被动动丢弃RRREQQ包的自自私行为为。目前尚尚未有应应对这类类自私行行为的有有效方式式。本文主要要研究RRREQ丢丢弃的检测、惩罚和激激励机制制，因此此后续章章节所提提及的自自私行为为将主要要指RRREQ的
12、的被动丢丢弃。虽然RRREQ的的有条件件传输和和邻居集集的不确确定性使使得基于于单个包包检测的的Watcchdoog机制制失效，但是，由由于每一一个RRREQ都都会被接接收到的的节点再再次广播播直到该该节点拥拥有到目目的节点点的路径径或者TTTL超超时，因因此从统统计角度度来看，合合作节点点中继的的RREEQ与返返回的RRREPP之和应应该远大大于自身身所生成成的RRREQ数数。这一一点可作作为检测测被动丢丢弃的基基础。本本文提出出一种被被动丢弃弃行为的的检测和和激励机机制，基基本思想想是节点点监测过过去一段段时间内内的邻居居中继和和生成的的RREEQ数量量，如果果两者比比率超过过一定门门限，
13、则则认为邻邻居是合合作节点点，否则则认为邻邻居是自自私节点点。节点点以一定定的概率率丢弃来来自自私私节点的包包，作为为对自私私行为的的惩罚，从从而激励励合作。由于Add hooc网络络中节点点移动模模型、业业务模型型、通信信模型等等均不相相同，包包括Watcchdoog在内内的各种种检测算算法都不不可避免免的存在在一定的的误判率率，我们们的算法法也不能能例外。我们建立简化的博弈模型对算法进行分析，研究误判率对合作激励的有效范围的影响。分析结果表明，即使存在一定的误判率，本文算法也能够激励节点达成合作。最后我们通过仿真对算法进行验证，仿真结果表明本文算法能够对自私节点进行有效的惩罚，从而激励合作
14、。 2 节点寻路路阶段自自私行为为的检测测和惩罚罚算法2.1 基本思想想本算法的的出发点点来自于于这样一一个观察察：由于于RREEQ的广广播本质质，对于于业务量量较均匀匀的网络络来说，从从统计上上来看，合合作节点点自身所所生成RRREQQ数应小小于其中中继的RRREQQ数和响响应的RRREPP数之和和。在AAd hhoc按按需路由由中，节节点接收收到RRREQ后后是否继继续广播播与RRREQ的的内容以以及本地地路由表表有关。例例如，如如果节点点曾经接接收过该该RREEQ，那那么这个个包将被被丢弃；如果节节点具有有到目的的地的路路径，这这个包也也不再前前传，而而是生成成RREEP返回回源节点点。
15、因此此，一个个节点自自私与否否无法逐逐包来判判断。但但是，对对按需路路由协议议来说，当当节点有有数据要要发送且且没有可可用路由由的时候候，必须须首先通通过RRREQ/RREEP来建建立数据据传输路路径。这这里的RRREQQ既可以是是节点自自己生成成的，也也可以是是中继其其他节点点的。由由于Add hooc按需需路由协协议中的的寻路都都是通过过广播实实现的，因因此节点点中继的的RREEQ数与与响应的的RREEP数之之和应大大于它自自身生成成的RRREQ数数。后续续章节中中我们将将只考虑虑相应的的RREEQ数量量，这是是因为除除了节点点数极少少的网络外，RREEQ的数数量将远远大于RREEP。我们
16、通过过仿真来来验证这这个观察察。仿真真建立在在NS2的的平台上上。在110000m*10000m的区域域内分别别随机抛抛洒30和100 个节节点，节节点位置置服从均均匀分布布。每个个节点从从剩余节节点中随随机选择择其目的的地，每每一源-目的对对建立一一个CBBR流，包包长度为为5122字节，两两包之间间间隔为为1s。采用用RanndommWayyPoiint的的随机移移动模型型。这种种模型中中，节点点随机移移动到某某一位置置后停顿顿一段时时间再开始新新的移动动。设节节点的移移动速度度在1m/s到10m/s之间均匀匀分布，停停顿时间间在10s和50s之间均均匀分布布。传输输模型为为TwooRayyGrooundd，节点通信信半径约约为2550m。采用DSSR作为为路由协协议。仿仿真持续续10000秒。在每个节节点的路路由aggentt中设置置一张表表，记录录过去2000秒内
