災(zāi)難場(chǎng)景下移動(dòng)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由策略研究

葛學(xué)鋒　楊勃

摘要：在發(fā)生災(zāi)難、基礎(chǔ)通信設(shè)施癱瘓的情況下，可利用移動(dòng)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，本文提出用于災(zāi)后場(chǎng)景信息收集、分析的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并且基于此體系結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有的經(jīng)典路由算法在仿真環(huán)境中進(jìn)行性能比較分析，選用一種綜合效果表現(xiàn)最好的算法，使得機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定、高效。

關(guān)鍵詞：機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò);災(zāi)難;路由

中圖分類號(hào)：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）03-0121-02

0 引言

在發(fā)生如地震、泥石流等自然災(zāi)害后，基礎(chǔ)通信等設(shè)施受到摧毀而無(wú)法使用，這時(shí)的災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)很難進(jìn)入，無(wú)法收集災(zāi)后信息并計(jì)算、分析災(zāi)情，不能及時(shí)為救災(zāi)人員提供決策支持。基礎(chǔ)通信設(shè)施癱瘓的情況下，建立網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并使用它從受災(zāi)區(qū)域收集信息是很難完成的任務(wù)。隨著手機(jī)、PDA等手持設(shè)備的大量普及，利用手持設(shè)備建立臨時(shí)的移動(dòng)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，使得這項(xiàng)任務(wù)具有可行性。研究人員提出由人隨身攜帶的手持設(shè)備形成的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)既可以通過(guò)人們相遇帶來(lái)的局部通信機(jī)會(huì)，也可以通過(guò)Wi-Fi或GPRS等接入Internet的全局連接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)旨在充分利用手持設(shè)備的計(jì)算，存儲(chǔ)和寬帶資源，透明的利用各種連接方式，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。據(jù)此本文提出用于災(zāi)后場(chǎng)景信息收集、分析的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)（DTN）網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并且基于此體系結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有的經(jīng)典路由算法在仿真環(huán)境中進(jìn)行性能比較分析，選用一種綜合效果表現(xiàn)最好的算法，使得機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定、高效。

1 相關(guān)研究

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)在災(zāi)難場(chǎng)景下的應(yīng)用受到了許多學(xué)者的研究，該領(lǐng)域產(chǎn)生了很多的研究成果，災(zāi)后網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的搭建和路由轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制是研究熱點(diǎn)，Stephen等提出的Serval Project利用手機(jī)作為基礎(chǔ)通信設(shè)施，手機(jī)通過(guò)Wi-Fi通訊;Ben-David提出的JaldiMAC利用自然界中的大山和山丘之類的“自然界的信號(hào)塔”建立網(wǎng)絡(luò)連接，能覆蓋相對(duì)廣闊的區(qū)域。由于這些通訊系統(tǒng)的組建需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，在災(zāi)后實(shí)際情況中實(shí)現(xiàn)有很大的困難，并且它們的覆蓋面積相比廣大的受災(zāi)區(qū)域來(lái)講還是太小。

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制是非常重要的問(wèn)題，在缺乏完整鏈路、持久聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)情況下，就沒(méi)法在某一刻將數(shù)據(jù)從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)建立通信路徑并傳輸，因此傳統(tǒng)的MANET路由機(jī)制無(wú)法適用，需要能夠容忍一定的延遲的DTN（延遲容忍網(wǎng)絡(luò)）。DTN網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)是支持具有間歇性連通、延遲大、錯(cuò)誤率高等通信特征的不同網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)和互操作。在環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林防火、地震監(jiān)測(cè)、交通管理、水下探測(cè)、災(zāi)難救援等方面具有廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。DTN的這些特點(diǎn)使得其非常適合應(yīng)用于災(zāi)區(qū)的通信系統(tǒng)、節(jié)點(diǎn)消息傳遞的選擇。災(zāi)后場(chǎng)景下的DTN策略需要兼顧緩存容量、傳輸效率、延遲高低、數(shù)據(jù)丟包等問(wèn)題，現(xiàn)有的路由算法很難全部兼顧，已提出的經(jīng)典DTN路由算法有：（1）Epidemic路由算法，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)相遇時(shí)交換對(duì)方?jīng)]有的數(shù)據(jù)分組，經(jīng)足夠的交換后，理論上每個(gè)非孤立節(jié)點(diǎn)將收到所有數(shù)據(jù)分組，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的傳輸，需要占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源;（2）PROPHET路由算法，對(duì)于數(shù)據(jù)分組傳輸成功的概率進(jìn)行估算，選擇性的復(fù)制數(shù)據(jù)分組，盡力避免生成低傳輸效率的數(shù)據(jù)分組副本，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率;（3）MaxProp路由算法，為數(shù)據(jù)分組設(shè)定優(yōu)先級(jí)，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)相遇時(shí)，依據(jù)數(shù)據(jù)分組優(yōu)先級(jí)來(lái)決定復(fù)制次序，在該方法中優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)分組，不易得到傳輸機(jī)會(huì)，從而避免生成低效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組副本;（4）Spray and Wait路由算法，在spray階段，算法采用復(fù)制策略，在wait階段，若spray階段沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目的節(jié)點(diǎn)，則包含數(shù)據(jù)分組的節(jié)點(diǎn)通過(guò)直接傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)分組;（5）EBR路由算法，將信息分成塊，注入到網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)塊的子集足夠大時(shí)，即可重構(gòu)數(shù)據(jù)分組;（6）RAPID路由算法，基于洪泛的DTN協(xié)議，使用效用函數(shù)對(duì)消息排序，它以大量網(wǎng)絡(luò)開銷為代價(jià)，來(lái)提高數(shù)據(jù)傳輸率。

2 災(zāi)難場(chǎng)景下的DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（1）在災(zāi)難場(chǎng)景下如何利用救災(zāi)人員、救災(zāi)物資、交通工具、手持設(shè)備等現(xiàn)有資源搭建臨時(shí)的延遲容忍網(wǎng)絡(luò)，形成一個(gè)DTN網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，便于救災(zāi)指揮中心快速、準(zhǔn)確的收集災(zāi)情信息，計(jì)算分析數(shù)據(jù)并及時(shí)做出救災(zāi)決策。該網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)擬由4層結(jié)構(gòu)組成：①將受災(zāi)區(qū)域分成若干個(gè)塊，每一個(gè)塊可以利用學(xué)校、醫(yī)院等場(chǎng)所作為一個(gè)避難所（SP），每個(gè)避難所中有很多的救援人員;②每一個(gè)避難點(diǎn)所中設(shè)置一個(gè)救援控制中心（TB）;③救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救護(hù)車、救火車、武警車、直升飛機(jī)等交通工具，它們可以為避難所之間提供通信;④整個(gè)救災(zāi)指揮中心。每個(gè)救援人員都攜帶智能手機(jī)，相當(dāng)于一個(gè)個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，他們從災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)收集信息然后轉(zhuǎn)發(fā)給所屬區(qū)域的救援控制中心，所有的救援控制中心的數(shù)據(jù)又通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的交通工具轉(zhuǎn)發(fā)匯總至救災(zāi)指揮中心，然后對(duì)收到的所有信息做進(jìn)一步的計(jì)算分析處理，如圖1所示。

（2）在該DTN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)置特定的場(chǎng)景，根據(jù)災(zāi)后對(duì)消息轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的特點(diǎn)，指定相應(yīng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)（本課題選取消息轉(zhuǎn)發(fā)成功率、消息轉(zhuǎn)發(fā)延遲、網(wǎng)絡(luò)開銷、消息丟包數(shù)量共4個(gè)指標(biāo)），通過(guò)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境ONE模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有的6種機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典路由算法的性能、特點(diǎn)進(jìn)行分析，選擇適合災(zāi)難場(chǎng)景延遲容忍網(wǎng)絡(luò)的路由算法。

3 仿真結(jié)果

在上述災(zāi)難場(chǎng)景下的DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)定30個(gè)節(jié)點(diǎn)、圍繞上述4個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，從圖2（a）中可以看到MaxProp的消息轉(zhuǎn)發(fā)成功率高于其他5個(gè)，這6種路由算法都是基于節(jié)點(diǎn)過(guò)去移動(dòng)情況來(lái)考慮，但MaxProp路由能更好地適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向，兩個(gè)看似有很大概率相互接觸的節(jié)點(diǎn)，但實(shí)際上是朝著遠(yuǎn)離目標(biāo)的方向移動(dòng)，所以能將節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的移動(dòng)方向考慮到最好;從圖2（b）中可以看到MaxProp的消息轉(zhuǎn)發(fā)延遲沒(méi)有優(yōu)于其他5個(gè);從圖2（C）中可以看到基于復(fù)制傳染的Epidemic路由將消息傳遞給所有其他的任意節(jié)點(diǎn)，這導(dǎo)致了巨大的緩沖區(qū)開銷，而MaxProp的網(wǎng)絡(luò)開銷比較較小，從圖2（d）中也可以看到MaxProp的消息丟包數(shù)量比較低。

圖3中繪制了基于該架構(gòu)上不同節(jié)點(diǎn)密度的性能參數(shù)曲線圖。以密度為30節(jié)點(diǎn)、60個(gè)節(jié)點(diǎn)和100個(gè)節(jié)點(diǎn)在相同的維數(shù)2500米3500米范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，MaxProp路由相較于其他DTN路由方法也有著優(yōu)異的表現(xiàn)，它提供較高的消息傳遞概率（圖3a），在密度較大的情況下，MaxProp可以更好地進(jìn)行決策。MaxProp的網(wǎng)絡(luò)開銷（圖3c）以及消息丟包數(shù)（圖3d）也是總是相對(duì)較小，這歸功于MaxProp的緩沖區(qū)管理策略。

綜上所述，在災(zāi)難場(chǎng)景下，結(jié)合實(shí)際情況，將場(chǎng)景下的相關(guān)人和物作為移動(dòng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造災(zāi)難場(chǎng)景下的DTN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以有效解決救災(zāi)問(wèn)題，在該模型基礎(chǔ)上運(yùn)用現(xiàn)有的6中DTN路由協(xié)議進(jìn)行仿真測(cè)試，在綜合考慮4種性能的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)MaxProp路由算法更加適合。

Research on Mobile Opportunistic Network Routing Strategy in Disaster Scene

GE Xue-feng，YANG Bo

（Yinchuan Energy College， Yinchuan? Ningxia? 750105）

Abstract：In the case of disasters and basic communication facilities， mobile network can be used to provide network services and exchange data. This paper proposes a delay tolerant network （DTN） network architecture for post-disaster scenario information collection and analysis， and is based on This architecture compares the performance of existing classical routing algorithms in the simulation environment， and selects an algorithm with the best performance， which makes the opportunity network data transmission more stable and efficient.

Key words：opportunity network; disaster; routing