延遲容忍網絡中自適應擁塞控制機制研究

覃秋玉，劉丹丹，張 健

QIN Qiuyu1,LIU Dandan2,ZHANG Jian2

1.武漢大學 計算機學院，武漢 430072

2.武漢大學 計算機學院 軟件工程國家重點實驗室，武漢 430072

1.Computer School,Wuhan University,Wuhan 430072,China

2.State Key Lab of Software Engineering,Computer School,Wuhan University,Wuhan 430072,China

1 引言

延遲容忍網絡[1-2]（Delay Tolerant Network，DTN）是一種自組織網絡，用于解決無線應用中無法提供穩定連接的問題。DTN技術能用于特殊的網絡應用場景，一些典型的應用有野生動物追蹤、手持設備組網、車載網絡服務和網絡接入服務等[3-4]。在DTN中，網絡節點之間的連接經常斷開，網絡拓撲結構動態變化，端到端傳輸路徑難以維持。為克服網絡的中斷性，DTN中采用“存儲-攜帶-轉發”的路由模式，利用節點移動帶來的相遇機會進行通信[5]。由于長延時和中斷特性，以及節點的資源受限性，在DTN中很容易出現擁塞。此外，很多現有路由協議采用多副本的傳輸方式[6-7]，冗余的副本可以顯著地提高交付率，但是另一方面，其也會帶來額外的開銷，從而加劇擁塞。如果不采取有效的擁塞控制策略，網絡性能可能會迅速地惡化，嚴重影響網絡的服務質量（Quality of Service，QoS）。

傳統的網絡中擁塞控制方法是基于端到端反饋機制。傳統Internet中TCP傳輸層的擁塞控制包括慢啟動、擁塞避免、快速重傳、快速恢復策略，是基于可靠的延時短的端到端反饋機制。然而在DTN中網絡之間的連接經常斷開，無法維持可靠的端到端的路徑，且消息傳輸延時長，無法使用基于反饋的控制策略，傳統網絡中控制擁塞的方法對DTN并不適用。作為一種受限網絡，DTN中的擁塞控制是一個更加重要的問題。

近年來，DTN中的擁塞控制策略[8-9]得到了廣泛的關注。在DTN中全局網絡信息是難以獲取和維持的，因此擁塞控制策略中節點要能夠僅僅利用局部信息來判斷當前擁塞程度并做出相應的措施。為避免冗余的副本消耗過多的資源帶來過多的開銷，多副本路由方式中必須對副本的數量加以控制。傳染路由[10]（Epidemic Routing）沒有限制消息副本的數量，會迅速耗盡節點的存儲空間。散發等待協議[11]（Spray and Wait）限定了消息的最大副本數，但是難以確定一個合適的副本數量，且固定的副本數量難以適應動態變化的網絡環境。簡單計數協議[12]（Simple Counting）是一種基于計數的副本控制方案，這是一種動態的副本控制方式。節點對于每個消息維持兩個計數，分別表示該節點連續遇到的攜帶或不攜帶該消息的其他節點的次數，如果計數超過閾值，就分別復制或丟棄消息副本。

網絡中流量分布是不均勻的，因此在產生局部擁塞的時候可以轉移部分負載到狀態比較好的區域。Seligman在文獻[13]中提出了一種節點間的數據轉移方案，通過將儲存的數據轉移到鄰居節點來解決DTN中的存儲擁塞問題。類似的，文獻[14]提出了一種存儲路由，其使用局部范圍的分布式算法來確定將哪些消息轉移到哪些鄰居節點。這些基于存儲轉移的調度方法能夠充分利用其他節點的空閑緩存空間，提高網絡存儲利用率，但是轉移算法會增加路由的復雜性，過多的消息轉移加重了網絡的通信開銷。

消息丟棄可以分為主動丟棄和被動丟棄。被動丟棄是指節點緩存空間滿時為了接收新的消息必須丟棄部分消息，關鍵在于確定重要性度量丟棄對網絡傳輸影響最小的消息副本。主動丟棄與存儲狀態無關，只要消息滿足設定的要求就刪除副本。Small等人在文獻[15]中介紹了幾種副本清除方法，包括JUST_TTL、FULL_ERASE和VACCINE等。其中最簡單的方法是JUST_TTL，節點刪除那些超過生存時間的失效消息。VACCINE方法引入了anti-packet這一標識，對成功交付的消息保持一個標識，代表該標識對應的消息已經傳輸成功。節點間通過共享這一信息可以刪除已有的無用消息，并拒絕再次接收同樣的消息，類似于免疫。在這種情況下，即使接收節點沒有存儲的分組的副本，節點也可以從另一節點接收反分組。

本文提出了一種基于節點狀態的自適應的擁塞控制策略（Adaptive Congestion Control mechanism based on Node State，ACC-NS），節點僅利用本地信息來自主決策消息的接收行為，從而動態地調整副本的數量。本文的主要貢獻如下：（1）將消息進行了分類。消息分為普通消息和特殊消息，在擁塞控制的同時針對消息類別做了些QoS控制。（2）提出了自適應的消息接收策略，節點可以根據自己的擁塞狀態動態地調整消息的接收概率，使得消息數據較為均勻地分布到網絡中。（3）針對冗余副本的清除，結合了VACCINE方法和基于消息相遇計數的方法，可以較為快速地清除消息副本同時保證較高的可靠性。

2 自適應的擁塞控制策略

2.1 消息類別和節點狀態劃分

為更好地反映現實組網的不同服務需求情況，本文對消息類別做出了一些差異化設定。將消息分為普通消息和特殊消息，根據消息的重要性進行歸類。例如興趣推送可以歸為普通消息，email可以歸為特殊消息，一般人們希望email能正確收到。因此特殊消息會要求更高的交付率，在傳輸過程中不會將其隨意丟棄。

根據節點的緩存空間使用率劃分節點的擁塞程度，將節點分為未擁塞（No Congestion，NC）、輕擁塞（Low Congestion，LC）和重擁塞（High Congestion，HC）三種狀態。定義r為緩沖空間使用率，其中r∈[0 ,1]。定義Rl為輕擁塞的緩存空間使用率臨界值，Rh為重擁塞的臨界值，其中0＜R1＜Rh＜1。未擁塞的節點的狀態為NC，其中其緩沖空間使用率滿足r∈[0 ,Rl]；輕擁塞的節點狀態為LC，r∈[Rl,Rh]；重擁塞的節點狀態為HC，r∈[Rh,1]。節點狀態描述圖如圖1所示。

圖1 節點狀態描述圖

隨著網絡不斷運行，節點可能在三種狀態間反復轉換。剛開始時節點處于NC狀態，隨著新消息的轉入和不能及時轉發出去的消息在緩存空間累積，節點逐漸進入LC狀態。隨著進一步的消息累積，可利用的空閑緩存空間越來越少，節點逐漸進入HC狀態。而處于HC狀態的節點可以通過一定的策略丟棄或轉移部分消息以釋放緩存空間，擁塞程度得到改善轉換為LC狀態，可能還進一步退回到NC狀態。

網絡的擁塞度會不斷處于動態變化中，每一時刻網絡中可能會存在三種狀態的節點，不同的是各種狀態節點所占比例。節點各自的擁塞狀態可以反映出網絡總體的擁塞狀況，如果網絡中處于NC狀態的節點占很大比例，那么網絡整體擁塞狀態較好。反過來如果網絡中處于HC狀態的節點占比例高，那么網絡整體擁塞情況較重。節點對于網絡整體的擁塞狀況并不知情，它們只是根據自己的擁塞狀況做出不同的反應策略。

NC狀態沒有產生擁塞，同時也意味著節點中緩存的消息較少，如果很多節點都處于NC狀態，就表明網絡總體較為空閑，負載較小，網絡使用率不高，沒有充分利用資源。HC狀態的節點處于重度擁塞，節點緩存中已經存在很多消息占用了大量存儲空間，如果網絡中很多節點處于HC狀態，表明網絡整體上已經出現較嚴重的擁塞，如果不采取措施會使得擁塞程度進一步惡化，節點的服務能力大幅下降，最終使得整個網絡性能惡化。因此比較理想的狀態是LC，網絡有著較高的使用率，同時又不至于過于擁塞降低網絡效用，在網絡利用率和資源消耗之間取得平衡。將節點狀態進行劃分，可以讓節點針對不同的擁塞程度做出不同的反映，實現動態控制。

2.2 自適應的接收策略

自適應的接收策略，就是節點根據自身所處的不同擁塞狀態和消息的類別動態調整消息的接收概率。使得節點既能夠充分使用資源提高網絡性能，又不至于讓資源過度消耗使網絡性能迅速惡化。總的來說，自適應的接收策略是一種動態調節策略，其目的是在網絡收益和資源消耗之間取得平衡，從而提高網絡性能。以下將根據不同的節點狀態分別進行討論。

2.2.1 未擁塞的節點

節點處于NC狀態時，緩沖空間充足，可以為所有其他節點的所有消息提供中繼服務，可以接收其他節點轉發的任何消息，存到緩沖區中攜帶。這樣可以迅速將存儲空間使用率提高到一個較高的水平，避免存儲空間長時間空閑，有利于提高消息的交付率和減小消息的傳輸延時。這個狀態下節點間的通信行為方式非常類似于傳染路由，只要有機會就相互交換彼此沒有的消息。因為此狀態下節點存儲空間尚且足夠，就盡可能的多攜帶多轉發消息，不對消息的接收作任何限定，充分使用較為空閑的網絡資源。

2.2.2 輕擁塞的節點

當節點處于LC狀態時，緩存空間使用率已經較高了，如果還按照之前的方式接收消息，節點的緩存空間會迅速占滿。為抑制緩存使用量的增長速度，同時保證特殊消息的服務，這個狀態下的節點以概率1接收特殊消息，以變化的概率接收普通消息。

定義該狀態下普通消息的接收概率為P，這一概率應該隨著緩存空間使用率的增加而減小，同時為了在進入這個狀態后達到較明顯的緩存增長抑制效果，接收概率減小的程度應該先迅速后逐漸趨于平緩。為此將P關于r的函數設計為一個遞減的凹函數，其中r∈[Rl,Rh]，在Rl處取得最大值，在Rh處取得最小值。考慮最簡單的二次函數 f(x)，端點Rl處 f(Rl)=1，頂點Rh處 f(Rh)=0，由此確定一個二次函數，如式（1）所示。

x從Rl到Rh的變化過程中，當x與Rl差值較小時，函數值接近于1，即這時候的接收概率太高，需要適度修正。于是在原 f(r)值的基礎上再乘以可用緩存的百分比1-r，最終得到P與r之間的函數對應關系，如式（2）所示。

2.2.3 重擁塞的節點

當節點處于HC狀態時，可用的存儲空間已經很小了。這時候節點不再作為中繼者接收普通消息，促使普通消息選擇狀態更好的下一跳節點。為避免頻繁的消息丟棄，只以一定的小概率接收普通消息，簡單將接收概率取為1-r。

值得注意的是，以上的接收概率都是指節點作為中間節點接收消息的概率，消息的目的節點總是以概率1接收發給自己的消息。節點在復制轉發每個消息前都要向接收節點發送一個包含該消息摘要信息的發送請求，則接收節點判斷是否接收該消息并返回應答，應答的類型決定了發送節點的下一步具體操作。

綜合以上不同節點狀態和消息類別下的消息接收概率如表1所示。節點根據自身不同的擁塞程度選擇不同的消息接收概率，擁塞情況越嚴重，其接收消息的概率越小。DTN中可能在某個相遇時刻，節點周圍有幾個鄰居節點，或者在后面移動過程中遇到多個不同節點。擁塞比較嚴重的節點有更高的概率拒絕接收消息，狀態好的節點卻可以更輕易接收消息，使得消息更有可能被傳遞到狀態較好的節點。這種控制方法可以有效指引消息選擇狀態好的下一跳節點并復制消息，使網絡流量較為均衡地分布到所有節點，起到負載均衡的效果。針對普通消息和特殊消息采用不同的接收策略，給特殊消息更多的接收機會，盡量滿足其傳輸率要求，又不至于讓特殊消息過多剝奪普通消息的資源，取得一個較好的平衡。

表1 不同節點狀態和消息類別下的消息接收概率

2.3 緩沖區管理

為清除冗余的消息副本，將VACCINE方法和基于相遇計數的方法[12]進行結合。VACCINE方法中每個節點維持一個已交付的消息標識列表，列表的基本元素是消息ID，代表對應的消息已經成功交付了。節點在相遇期間交換和更新彼此的標識列表，刪除并拒絕接收對應于列表中的消息。

VACCINE方法是在消息成功交付之后再擴散該消息的交付信息，在網絡中擴散這一信息讓所有節點都知道，可能要經歷很長時間。為此還采用基于消息相遇計數的副本清除方法。該方法中節點對每個消息維持一個相遇計數值，計數表示節點遇到攜帶有同樣消息的其他節點的次數。當遇到攜有相同消息的其他節點時對消息的相遇計數值加1，如果某一消息的計數值超過閾值，就將其從存儲空間中刪除，同時將消息的計數值設置為-1，并不再更新。與VACCINE相比這是一種不可靠的副本刪除方式，但是計數值超過閾值可以反映出網絡中已經產生較多該消息的副本了，刪除這類消息對消息傳輸影響較小。這兩種方式結合可以更有效清除多余副本，同時保證較高的可靠性。

為確定緩沖區中消息的發送和丟棄順序，將消息組織成一個優先級隊列。由于特殊消息要求較高的交付率，應該給予其較高的優先級。此外，每個消息都有一個相遇計數，計數的大小可以反映網絡中產生的該消息副本數的多少。應該給副本數較少的消息更多的發送機會，因此相遇計數較小的消息優先級更高。計數相同的消息，剩余生存時間較長的享有更高的優先級。按照以上規則，相遇期間優先發送隊首的消息，當存儲空間不足而必須接收新消息時優先刪除隊尾的消息。

2.4 ACC-NS路由策略

綜合以上內容，給出完整的基于節點狀態（Node State，NS）的自適應擁塞控制（Adaptive Congestion Control，ACC）路由策略，簡稱為ACC-NS。以節點 M和節點N相遇時它們之間的一次消息傳輸為例來說明，假設消息由M復制轉發給N，ACC-NS策略的流程圖如圖2和圖3所示。流程圖分別從節點N和節點M的角度闡述策略執行過程，其中圖2是描述節點N決策是否能接收消息m的過程，圖3是描述節點M嘗試給節點N發送消息的過程。節點具體的操作步驟如下所述：

（1）節點M和N之間相遇建立連接，執行VACCINE方法，兩節點相互交換彼此的已交付消息標識列表，更新各自交付列表并刪除相應消息。

（2）節點M從消息隊列中取出下一個消息m（初始的時候為隊首消息），如果已經位于隊尾沒有下一個消息，則停止發送過程。否則，節點M向節點N發出發送請求，請求中有消息m的關鍵信息。

圖2 節點N決策是否能接收消息m

圖3 節點M嘗試給節點N發送消息

（3）節點N檢查m相關信息，如果節點N是消息m的目的節點，則返回“接收”應答。跳轉到第（6）步。

（4）如果節點N的消息相遇計數列表中有m的記錄，則返回拒收應答。拒收的類型是“已有”，代表對方節點已經有該消息不必重復發送。如果計數不為-1，則對計數加1。如果加1后超過計數閾值，節點N就從消息隊列中刪除消息m，同時將其計數置為-1。跳轉到第（6）步。

（5）節點N計算自己的緩存使用率r，根據所處的擁塞等級和消息m的類別，按照自適應的接收策略，以表1中的概率，決定是否接收消息，分別向節點M返回接收或拒收的應答。拒收的類型是“擁塞”，表示對方節點為避免擁塞而拒絕此次發送嘗試。

（6）節點M 檢查應答的類型，如果是“接收”，則正式開始復制轉發消息m。否則重新返回到第（2）步，進行下一次嘗試。另外，如果拒收類型是“已有”，則對消息m的計數加1，超過閾值則刪除消息m并將計數置為-1。

（7）節點N開始接收消息m。如果可用緩存空間不足，就依次丟棄消息隊列的隊尾消息釋放空間。假設消息成功傳輸了，如果N是消息m的目的節點，則分別在M和N的交付消息標識列表中添加一條消息m的記錄；否則將消息m插入節點N中消息隊列的合適位置，在相遇計數列表中添加一條m的記錄并將計數初始化為0。

這種動態策略與靜態策略相比大大提高了控制的靈活性，可以根據網絡的狀態變化不斷調整，從而保證網絡的整體性能。且擁塞狀態劃分不依賴于全局的變量，每個節點僅僅根據自己的緩存利用狀態做出自主決策，空閑存儲空間較充足時作為中繼者多接收些消息，空閑空間不足時少接收消息，有必要時則采用消息丟棄策略舍棄部分消息。受限于DTN的網絡特殊性，全局網絡狀態變量很難獲得，這種不依賴于全局信息的節點自主局部決策是更符合實際需求的。

3 實驗仿真與結果分析

3.1 實驗設置

本文實驗所用的仿真工具是ONE模擬器[16]（Opportunistic Network Environment simulator），是專門設計用來評估DTN路由和應用協議的工具。實驗場景中，仿真世界大小為2 500 m×2 500 m，共有60個節點，采用RandomWaypoint移動模型。該模型中，節點以恒定的速度運動到目的位置后，在該位置停留一個隨機的時間，再以隨機生成的速度勻速運動到區域中另一個隨機產生的位置，以此往復。本文主要研究的是擁塞控制策略，需要獲得存儲空間條件下本文提出的策略的表現，為此改變緩沖空間大小多次重復實驗，其中存儲大小變化范圍為4～14 MB。實驗重要參數設置如表2所示。

ACC-NS策略中有三個重要的參數，包括兩個擁塞度臨界值Rl和Rh以及消息相遇計數閾值n。為了便于將ACC-NS策略與傳染路由（Epidemic）和散發等待路由（SNW）協議進行對比。固定ACC-NS策略中參數的取值，令Rl=0.6,Rh=0.9,n=4，將會在后面給出關于不同參數取值的結果與討論。

為了將ACC-NS協議與另外的兩種協議對比，Epidemic、SNW的相關設置與上面的設置保持一致。針對每個變化的存儲空間，調整最大副本數進行重復實驗，找出對應于每個緩沖空間大小的最合適的最大副本數值，以這種最好的路由狀態參與對比。

表2 仿真參數設置

實驗分別從消息交付率（delivery ratio）、消息傳輸開銷比（delivery overhead ratio）、消息平均延時（average delivery latency）和平均緩存使用率（average buffer usage ratio）四方面進行對比和分析，實驗結果和分析如下。

3.2 實驗結果分析

由圖4可知，ACC-NS策略可以保證特殊消息有較高的交付率，同時整體消息交付率也較另兩種協議有所提高。消息傳輸開銷比按式（3）計算，其中relayed為總的消息轉發次數，delivered為成功交付的消息數量。圖5表明，ACC-NS策略可以顯著減小消息傳輸開銷比。這是因為ACC-NS策略限制了消息的接收行為，避免盲目的消息接收帶來頻繁的消息丟棄。

圖4 消息交付率隨緩沖空間大小變化圖

圖5 消息傳輸開銷隨緩沖空間大小變化圖

由于限制了節點間消息的流通，ACC-NS策略的消息平均延時和另兩種協議相比有略微的增加，如圖6所示。最后對比了三種協議中平均緩存使用率隨時間的變化情況，如圖7所示。其中Epidemic算法和SNW算法的曲線變化趨勢圖有很多相似，平均緩存使用率會迅速增長達到高峰并趨于穩定。因為Epidemic路由對消息的發送和接收沒有限制，SNW路由噴射副本數對消息發送的限制作用也很小，故兩者的曲線變化很相似。隨著時間的變化消息迅速累積，平均緩存使用率迅速增長，直到緩沖空間幾乎被占滿，此后一直保持緩存占滿的狀態。而ACC-NS策略的使用率增長較為平和，且趨于穩定后的平均緩存使用率較另兩種協議低很多。ACC-NS則限制了節點接收新消息，當發生擁塞時擁塞程度越大則節點接收消息的概率越小，從而減緩了消息進入緩沖空間的速率。當網絡運行時間足夠長時，三種協議的平均緩存使用率隨著時間的變化趨于穩定，僅僅只有小幅度的波動。這表明ACC-NS策略可以較好地控制緩存空間的增長速度，將數據流量較為均勻地分布到網絡中的節點。

圖6 消息平均延時隨緩沖空間大小變化圖

圖7 平均緩存使用率隨運行時間變化圖

3.3 相關參數討論

在固定Rl和緩沖大小的情況下，Rh由0.65每次遞增0.1直到0.95，傳輸率、開銷比等隨著變化的結果如表3所示。總消息傳輸率和消息平均延時波動很小，而特殊消息傳輸率和傳輸開銷比隨著Rh的增加遞增很明顯。Rh設置得越小，節點越容易進入重擁塞狀態，網絡中進入重擁塞的節點占比越大，消息的傳遞方式越趨近于直接交付，而直接交付是開銷比最小的一種路由方式，使得網絡整體傳輸開銷比越小。節點在進入重擁塞之前是以概率1接收特殊消息，之后接收特殊消息的幾率大大減小，Rh設置越大意味著特殊消息有更多的機會和更久的時間享受特殊的接收待遇，導致明顯的特殊消息傳輸率的提升。特殊消息傳輸率更高的同時，也帶來了更大的傳輸開銷比，因此實際網絡中需要權衡選擇一個更恰當的值。

表3 重擁塞臨界值對仿真結果的影響

輕擁塞臨界值Rl對仿真結果的影響如表4所示。在固定緩沖空間大小和Rh的情況下，隨著Rl的變化，傳輸開銷比和消息平均延時波動很小，變化不是很明顯，總消息傳輸率隨著Rl增大而增大，特殊消息傳輸率隨著Rl增大而減小，這種趨勢是符合預期的。Rl是節點進入輕擁塞的臨界值，當緩存使用率低于Rl的時候所有消息都是以概率1被節點所接收，Rl越大會給普通消息更多的接收機會，從而提高總體的消息傳輸率；同時Rl增大會讓Rl到Rh的區段越小，當節點進入輕擁塞后特殊消息享有的特殊接收待遇區間也變小了，導致特殊消息傳出率會下降。可以看到特殊消息傳輸率和總的消息傳輸率是難以同時提高的，因為網絡中的資源是限定的。這兩種傳輸率是部分與整體的關系，依特殊消息的服務質量需求可以相應調整Rl的大小，在局部需求和總體需求之間取得最合適的平衡。

表4 輕擁塞臨界值對仿真結果的影響

固定Rl、Rh和緩沖空間大小，依次將計數閾值加1，最大相遇計數閾值對仿真結果的影響如表5所示。從表中可以看出，當計數閾值為2的時候，網絡各方面性能表現很差，此時相遇丟棄率更是達到了80%以上。消息副本的兩種丟棄方式中，VACCINE是一種可靠的消息丟棄，而基于計數閾值的消息副本丟棄是一種不可靠的估計丟棄。當計數閾值設置得太小，消息來不及生成很多副本就被清除了，表現為很高的相遇丟棄率。當計數閾值進一步增大，情況會好得多，表中閾值設置為3的時候總消息傳輸率和消息平均延時都是最好的，但是特殊消息傳輸率偏小。相遇計數閾值設置為4和5時顯著提高了特殊消息傳輸率。

表5 最大相遇計數閾值對仿真結果的影響

實際上，ACC-NS中的控制參數是可以根據實際網絡需求來調整的。在其他條件不變的情況下，增大Rh會提高特殊消息的傳輸率，但會造成更大的消息傳輸開銷比。增大Rl會提高總的消息傳輸率，但會降低特殊消息的傳輸率。在消息相遇計數很小的時候，因相遇計數超過閾值而丟棄的消息數量占丟棄總數的比例很高，而計數丟棄方式是一種不穩定的清除方式，不穩定因素占主導使得網絡各方面性能表現較差。增大相遇計數會提高消息的交付率，但是過大的計數閾值不會帶來性能的進一步提升，因計數超過閾值而清除的消息占比已經很小了。當節點緩沖空間較大時，相應的Rh和n的取值可以適當增大些。總之可以根據實際網絡環境和服務需求，調整參數使得網絡的性能達到較好的平衡。

4 結束語

本文提出了ACC-NS路由策略，這是一種動態的擁塞控制策略，節點根據自己的狀態和消息的類別動態調整消息的接收概率，使得數據流量可以較為均勻地分布到網絡中。針對網絡中的冗余副本，結合了兩種方法，可以更為有效地清除多余副本。除此之外，本文在擁塞控制的同時做了一些QoS方面的控制，可以滿足特殊消息的較高傳輸率要求，同時總體的消息傳輸率也有所提高。仿真結果表明，本文提出的策略可以提高網絡性能和減小傳輸開銷。

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