延迟容忍网络中拥塞控制策略研究

发布时间：2020-04-02 14:12

【摘要】：随着无线通信的快速发展,越来越多的数据通过无线网络进行传输。在深空通信、灾难救援网络、军用通信网络以及移动车载网络等无线网络中,存在节点频繁移动、链路时断时续、无法保证端到端路径、网络拓扑结构动态变化的问题,传统的TCP/IP网络协议不再适用于这些挑战性网络,因此Kevin等提出了一种面向消息的可靠覆盖层网络体系结构,称为延迟容忍网络(Delay Tolerant Network,DTN),来实现这些挑战性网络的通信。DTN虽然被广泛应用,但是由于网络链路频繁中断、长延迟、资源受限等特征及其采用的存储-携带-转发通信方式,很容易使网络受限资源快速耗尽,导致网络拥塞,进而使网络性能下降,所以实现拥塞控制是延迟容忍网络中的一个研究重点。本文在对DTN的网络特性及体系结构进行深入学习的基础上,重点从路由方法和缓存管理两个方面对网络拥塞控制进行研究,主要研究工作如下:(1)对DTN传统路由算法进行深入研究,通过分析比较,指出各自的优缺点;对现有的典型缓存管理方案进行学习与分析,归纳现有的典型缓存管理方案的优点与存在的问题;对DTN通信进行建模,并搭建DTN仿真平台。(2)针对基于社会感知的路由算法对节点的能量与缓存资源考虑不足的问题,本文提出一种改进的基于社会感知的路由算法。该算法引入节点的能量与缓存资源作为衡量节点选择下一跳的依据,避免选择转发能力大但存在拥塞的节点作为下一跳节点,从而可以平衡节点的传输能力和负载,保证消息递交率的同时减少网络资源消耗,有效地预防网络拥塞。仿真结果表明,该算法在保证了消息递交率的基础上,同时延长了网络生命周期。(3)针对现有的基于消息权重的缓存管理方案普遍只采用单一度量标准,不能合理丢弃消息的问题,本文提出一种改进的基于消息权重的缓存管理方案。该方案将节点缓存区分为源、中继、目标消息队列,每个队列根据不同消息属性设定的丢弃度量标准,为队列中的消息分配权重。当网络拥塞时,依据目标、中继、源消息队列的顺序,优先丢弃队列中权重较高的消息,从而缓解网络拥塞。仿真结果表明,该方案提高了消息递交率,降低了网络开销和平均递交延时。(4)基于对DTN拥塞控制中路由方法和缓存管理的研究,进一步提出一种路由方法与缓存管理联合的拥塞控制策略。该策略首先根据中继选择度量选择合适的下一跳节点,然后依据改进的基于消息权重的缓存管理方案确定消息的丢弃顺序,且引入逐跳ACK确认机制,及时删除网络中已经传递到目的节点的消息及消息副本。仿真结果表明,该联合拥塞控制策略进一步提高了网络性能。
【图文】：

体系结构图,体系结构,消息,缓存

是导致高延迟的另一因素。这些特性导致 DTN 中资源和流量分布不均衡，容易发生拥塞，所以需要制定合理的路由算法，从而提高节点资源利用率，尽可能实现网络负载同时保证消息递交率。另一方面，随着 DTN 中节点拥塞，节点缓存区会可能会丢弃新传入的消息。这会增加网络消息丢弃率，增加网络开销，带的低效使用，并进一步恶化拥塞状况。因此对于节点的缓存区管理也重要的，在网络拥塞时合理丢弃对影响网络性能最小的消息。（2）DTN 体系结构如图 2-1 所示，DTN 体系结构[51]通过在应用层下面叠加一个称为捆绑ndle Layer）的协议层，为在不同传输介质上运行的异构网络提供网络互联提出了一种新的通信模式，将端到端通信路径分解为逐跳会话，从而在迟或中断的网络环境中实现异步消息（即捆绑）传送。捆绑协议是端到强异步的和面向捆绑的。

架构图,架构,消息

应用数据单元被集合到一个或者是多个称为“捆绑”的可变长度协议数据单元中。这个想法是将会话所需要的信息（即整个应用程序数据块和元数据信息）“捆绑”在一起，可以最大限度地减少往返交换的次数，在往返时间非常大时是非常有用的。捆绑协议还提供可选的可靠传递的逐跳传输，称为捆绑保管传输，以及可选的端到端确认功能。当节点接收并保管一个消息时，承诺保留消息的副本，直到这个消息被传输到另一个节点。DTN 采用存储-携带-转发（Store-Carry-Forward，SCF)的通信方式，利用节点的移动性，避免了连续连接的需要，被用来在整个地区移动捆绑。这个模式可以描述如下：发起一个消息的源节点使用某种形式的永久性存储（如硬盘）来存储消息，，并在等待通信机会变得可用的同时携带着消息。当发生联系机会（即两个节点在通信范围内）时，根据逐跳转发路由算法将该消息转发到中继节点。然后，重复这个过程，消息将被逐个中继，直到到达消息的目的节点，如图 2-3 所示。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN92

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