生物启发的多径优化传输模型与方案研究

发布时间：2017-12-30 12:02

本文关键词：生物启发的多径优化传输模型与方案研究　出处：《北京科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着互联网应用的迅速增加和新业务的不断涌现,网络流量极速膨胀。但是,由于缺乏有效的管理和控制,互联网流量分布不平衡的问题越来越严重,成为影响网络性能的一个重要因素。多路径传输作为一种具有平衡网络流量、提高传输健壮性和改善网络传输效率等优势的技术,正引起越来越多研究人员的关注。本论文借鉴生物系统中的一些生物数学模型,比如,模拟大肠杆菌在动态营养环境中新陈代谢行为的适应的吸引子选择模型和描述生态系统中物种种群数量动态平衡变化的物种竞争模型(如Lotka-Volterra模型)等,对无线传感网(wireless sensor networks,WSN)、有线网和multihomed网络中的多路径传输进行了深入的研究,主要工作和创新点包括：(1)提出了一个受大肠杆菌新陈代谢行为启发的适应的WSN多路径选择模型。针对WSN网络多路径传输中贪婪路径选择总是引发每对源目的地传感节点之间传输路径的频繁变化,并容易导致网络不可预知的拥塞和包重排序问题,为此提出了一个WSN多路径选择模型。此模型使用重新设计的多吸引子方程来模拟WSN多路径传输中适应的路径选择过程。在此方程中,提出了表达多路径传输对动态WSN网络的适应优度公式,此优度表达参数叫做路径活跃度(path-activity)。首次为多吸引子方程推导了一个带有噪声项的吸引子解析式,以具体指明噪声对路径选择过程的随机影响。通过调整OPNET网络仿真器中的单路径路由协议AODV(ad hoc on-demand distance vector routing)，建立了多路径AODV协议。为了获取路径质量和计算路径活跃度,在多路径AODV协议中设计了一个路径质量探测方案。仿真结果表明,在设定的WSN仿真场景中,提出的模型比贪婪路径选择方案能更好的降低平均网络延迟和减少路径振荡率。(2)提出了一个基于适应吸引子选择模型的OSPF(open shortest path first)路径选择方案。由于当前IP(Internet protocol)路由器仅支持等价多路径传输模式(equal cost multipath),并且其只能随机的选择传输路径或在等价路径上均匀的分配流量,所以,提出此受适应的大肠杆菌新陈代谢行为启发的OSPF路径选择方案。在IP网络层中设计了一个路径选择器,主要用于实现提出方案的实时路径选择所需的实时路径质量探测和路由更新等必要功能。通过将路径选择器嵌入到OPNET仿真器的OSPF协议中,搭建了基于FTP(file transfer protocol)服务的IP网络仿真场景。仿真结果显示,在一定IP网络场景和仿真参数设定下,与贪婪路径选择方案和均匀随机路径选择方案相比,提出的方案可更好的降低FTP服务的文件传输时间、丢包率和吞吐量。(3)提出了一个基于Lotka-Volterra生物竞争模型的CMT(concurrent multipath transfer)流量分配方案,用于优化multihomed网络多路径传输中的流量适应分配。在nultihomed网络场景中,总结了两种网络资源竞争模式,一个是多个源目的地流对共享路径带宽的竞争,另一个是multihomed源目的地对之间多路径对流量的竞争。根据这两种竞争模式,重新设计了两个基于Lotka-Volterra模型的网络竞争模型。为了将两个竞争模型应用到multihomed网络系统中,建立了一个用于嵌入流量分配方案的流量分布器。基于此流量分布器,在OPNET网络仿真器中对比了提出方案与其他三个方案对FTP业务的传输性能的影响,如均匀流量分配方案、贪婪路径选择方案和均匀随机路径选择方案。经测试,在配置的multihomed网络仿真场景下,提出的方案可更好的减少文件传输时间和提高吞吐量。本文尝试深入的从生物领域寻找改善多路径传输性能和效率的研究模型和技术方案,有助于缓解当前网络发展遇到的各种问题,如动态性、生存性和异构性等,为当前网络的演进和下一代Internet设计提供科学的参考。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP393.06

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