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计算机硕士毕业论文:机会网络中数据传输策略研究

添加时间:2017-11-26 20:48:38   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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第 1 章 绪 论

 
1.1 课题背景和意义
随着无线通信技术的飞速发展,越来越多的数据通过无线网络传输。然而,在实际的应用场景中,因为节点移动,稀疏或者通信链路质量差等因素可能会造成无线网络端到端的连接出现中断,致使传统的移动自组织网[1]性能显著下降,甚至难以运行。在此应用背景下,机会网络(Opportunistic Network)[2]应运而生。机会网络的概念主要来源于星际网络(Inter-Planetary Network)1和延迟容忍网络(Delay Tolerant Network, DTN)[3]。机会网络目前尚无统一的定义,本文引用文献给出一种描述性定义[2]:机会网络是一种不需要消息源点和目的节点间存在一条完整持续的端到端路径,而是利用节点移动带来的相遇机会实现消息的逐跳转发,并最终交付到目的节点的自组织网络。机会网络既是一种具体的网络形式,也是一种网络通信新技术,能够在无线链路间断连通时进行通信。同时,机会网络特殊的传输模式对数据传输策略设计提出了更高的要求,也给节点缓存、带宽、能量等资源的管理带来了新的挑战。首先,网络的间断连接及资源受限会引起多种业务流的服务质量(QoS)下降,为满足多种业务流的QoS需求对路由策略的设计提出了更高的要求。其次,机会网络特殊的传输模式,节点之间难以实现统一信息管理,使得节点之间的合作、消息副本数的控制,以及节点资源的有效利用成为数据传输中需要解决的核心问题。最后,由于机会网络利用相遇机会传输数据,当网络中存在自私节点,或者恶意节点时,会对网络性能造成严重的影响。因此,在节点自私或恶意情形下的数据传输也成为此领域研究的难点之一。满足多业务流的QoS需求是数据传输中的关键问题之一。在间断性连通环境中,当网络出现中断时,传统路由必须重新寻路,端到端的QoS难以得到保障;此外,网络资源(带宽、能量等)有限或路径选择不合理都会影响QoS。针对前者,机会路由[4]的出现很好的解决了这个问题,它不需要任何事先确定好的路由,仅由接收数据的候选节点动态决定数据转发情况,从而可以保障网络端到端的QoS。而针对资源受限及路径不合理选择问题,大部分研究工作采用接入控制策略有效保障QoS。据本文调研,目前在机会路由中考虑接入控制的研究工作非常匮乏。虽然近年来有学者研究了基于接入控制的带宽感知机会路由[5],但其研究工作只针对单一业务流。然而,在实际中,各种不同类型的业务流 (比如,音频流、视频流、以及数据流等)有不同的QoS需求,尤其在网络资源 (如能量,带宽和缓存)不足的情况下。而多种类型业务流又对机会路由候选集以及优先级的选择造成新的挑战。因此,如何设计一个基于多种业务流接入控制的机会路由策略是一个非常值得研究又很有挑战性的任务。
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1.2 国内外研究现状
路由技术是网络层的关键技术,其最基本的作用是发现、管理及维护路由,同时根据所选的路由转发数据。在无线自组织网络中,传统的路由策略如AODV (Ad hoc On-dem and Distance Vector Routing)[6], DSR (Dynamic SourceRouting)[7]等,这些都依赖于事先确定的路径。当事先确定的路径由于各种原因出现间断、无法成功传输数据时,源点又得重新寻路,所以端到端的服务质量 QoS (Quality of Servers) 很难得到保障。如何既能利用无线网络的广播特性,又在链路间断时不需要重新寻路,机会路由的出现很好的解决了这个问题。机会路由不同于以往这些传统路由,它不需要任何事先确定好的路由,仅由接收数据的候选节点动态决定数据转发情况,从而可以保障网络的服务质量 QoS。接下来,首先介绍机会路由的相关技术。在 2005 年的 SIGCOMM 会议上,Biswas 和 Morris 提出了极限机会路由(Extremely Opportunistic Routing,ExOR)[4]。在机会路由中,它充分利用无线介质的广播特性,利用与无线传输相关联的数据包监听。发送者的所有候选节点都有可能接受到数据包。候选节点根据它自身目前的接收情况,决定是否转发所接收的数据,这和事先确定传输路径的传统路由有本质的不同。在机会路由中,发送者逐跳选择候选转发节点,一个数据包可以被广播给多个一跳的候选节点,这些节点接收到数据包后先存储在自己的缓存中,然后多个候选节点协作传输数据直至目的节点,从而提高了数据传输成功率。本文用图 1-1 简要说明机会路由的转发过程,以及如何通过多个节点协作传输数据。在数据传输过程中,它可以同时采用质量好的链路和质量差的链路协作进行数据传输。如图 1-1 所示,由源点 S,目的点 D 及它们之间的 5 个中间节点组成的一个链式拓扑网络。本文假设所有具有等距离的节点之间都具有相同的数据传输成功率。
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第 2 章 基于接入控制的机会路由传输策略研究
 
2.1 引言
机会网络既是一种具体的网络形式,也是一种网络通信新技术。机会网络是一种特殊的无线自组网络,而无线自组织网络结合机会路由技术可看成是机会网络在节点不移动时的特殊形态。由于在机会路由中,数据包并不是事先选好路径,而是在传输过程中逐跳选择候选节点,并且,机会路由也是采用“存储-携带-转发”的模式转发数据包,一个数据包可以被广播给多个一跳的候选节点,这些节点接收到数据包后先存储在自己的缓存中,然后多个候选节点合作转发直至目的节点。这种通信技术都和机会网络中的通信技术是一样的。只是机会网络中节点移动,无线自组织网络节点不移动或者很低速度的移动,所以将无线自组织网络结合机会路由划分到机会网络中。随着各种实时业务的增加,传统网络的尽力而为策略已经不能满足用户的QoS 需求,其主要原因为:第一,网络带宽资源有限,网络节点之间常常需要相互竞争带宽资源,从而影响带宽利用率。其次,由于节点之间的路径选择不合理,大多都是选择投递率大的节点,这样很容易造成拥塞,导致网络丢包大,时延长。再次,网络的控制开销太大。最后,节点能量有限。为了解决以上问题,需要一种全新的节点接入控制策略。然而,在多跳无线网络中,接入控制和路由策略是紧密联系在一起的,若不考虑路由而只考虑接入控制很难优化网络整体性能,为用户提供良好的 QoS保障。但是传统的无线网络路由策略当传输路径中断或者不连续时,必须重新寻路,浪费节点资源的同时也需要大量的重新寻路时间。机会路由的出现有效的解决了这个问题。机会路由是一种合作路由策略,它有效利用无线信道的广播特性,可以将每个数据包给多个一跳的邻居候选节点。当传输路径中断,或者部分的数据包没有传输成功时,这些候选集中收到广播数据包的邻居节点可以合作继续转发目的节点未收到的数据包。因此有效地提高了网络的吞吐量,并减少了数据重传次数。但是传统的机会路由中没有考虑节点的处理能力,总是选择期望传输次数最大的节点作为首选转发节点,这样会因为流量分配不均而造成带宽不足,节点的拥塞等现象,很大的影响了网络的传输性能。并且传统的分配策略使网络中节点的能量消耗不均匀,缩短网络寿命。因此,在机会路由中融合接入控制策略,可以有效利用节点资源,并提高数据的传输成功率,为用户提供更好的服务质量。
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2.2 基于不同流的接入控制模型
在此部分,针对机会路由的特点,本文提出了一种流量控制策略。其目的是利用此流量控制模型为新进入网络的流选择合适的候选转发节点。首先,每个节点估计其自身的空闲可用带宽,如果一个新的流到达网络中的某个节点,首先比较它的速率与当前节点的可用带宽,确定此流是否可以接入到该节点。其次,为了给用户提供更好的 QoS 保障并且避免长时间的排队时延,在候选转发节点选取时,这些节点缓存队列中的累计包的大小也应予以考虑。如果一个节点的缓存中已经存在大量的累计包,该节点应该拒绝接入一条新的流。再次,节点的能量也是影响网络性能的一个重要因素,如果一些关键节点的能量过度的消耗,会造成网络瘫痪。因此,当一个节点满足这几个因素时,它将在寻路阶段处于活跃状态,并且有可能成为最终路由的一部分。若当节点不满足上述的几个因素,此节点将在路由发现阶段一直处于休眠状态,从而避免被选为路由转发节点。另外,该模型假设物理层采用单信道模型。以下对本文提出的接入控制模型进行详细地描述。
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第 3 章 机会网络中基于合作博弈论的数据传输策略.........39 
3.1 引言.......39 
3.2 纳什讨价还价解的概念描述 ..........40 
3.3 利用纳什讨价还价解对机会网络数据传输进行建模......41 
3.3.1 GameR 路由策略设计目的 ....41 
3.3.2 分布式消息分发策略....44 
3.3.3 纳什讨价还价博弈进行消息分发的效用函数.....45 
3.3.4 局部博弈区域内的纳什讨价还价解.....47 
3.4 基于纳什讨价还价解的路由转发策略 ....49
3.5 GAMER 路由的性能评估.........54
3.6 本章小结........64 
第 4 章 自私性机会网络中激励感知路由策略研究.....66 
4.1 引言.......66 
4.2 系统模型........67 
4.3 影响节点自私的因素......68 
4.4 激励感知路由策略 .........70
4.5 激励感知路由策略性能评估...........74
4.6 本章小结........83 
第 5 章 机会网络中基于社会信任的安全路由策略.....84 
5.1 引言 .......84 
5.2 网络模型与攻击模型 .....85 
5.3 基于社会信任的安全路由 ......86 
5.4 安全路由性能评估.........98 
5.5 本章小结......102
 
第 5 章 机会网络中基于社会信任的安全路由策略
 
5.1 引言
在第 4 章的研究中,我们只考虑由于节点自私造成的不合作行为,并针对其提出了有效的激励感知路由策略。但是在实际中,节点可能会表现出一定的恶意行为,故意破坏或者攻击其他节点。本章主要针对此问题展开研究,即如何在自私并且恶意节点攻击的情形下高效、安全的传输数据。机会网络非常适用于那些缺乏网络基础设施的多跳无线网络环境。但是,由于机会网络以下的一些特性:源端与目的端之间不存在完整的端到端路径;通信连接经常中断;延迟容忍特性,进而使得机会网络经常遭受到一些潜在的安全威胁与风险,如路由安全,隐私安全等。对于这些安全威胁与风险,研究人员试图通过密码学,信任管理等技术来保障。但是,由于基于密码学的安全策略在机会网络中实现起来比较困难,研究者们尝试通过网络中节点之间的信任关系的建立来实现机会网络数据传输安全。在本章节中,本文主要考虑基于信任的机会网络安全路由。为了解决机会网络的路由安全问题,研究者们已经开展了相关研究并取得了一些成果。Bulut 等人[84]考虑到恶意节点对 DTN 网络性能的影响,提出了基于两阶段分发的多拷贝安全路由策略(常数信任模型与组信任模型),通过利用传输截止时间保证数据包的投递率。陈曦博士在其博士论文[92]中提出了一种基于身份信任和行为信任的安全路由策略,作者在密钥管理时,考虑了社会属性,但在行为信任时,忽略了社会属性对机会网络数据传输带来的影响。考虑到机会网络 QoS,Chen 等人[93]提出一种结合社会属性与 QoS 的信任路由策略。在此信任路由中,作者构建了一种基于连接性、诚实及非自私性的信任度量标准并提出了对应的计算方法及基于此信任值的安全路由协议。另外,作者分析了协议在 Whitewashing,Bad-Mouthing 和 Good-Mouthing 攻击下的协议性能。考虑到能量因素,作者在文献[94]中进一步完善基于社会属性与 QoS的信任路由,提出了一种面向最小化信任偏差值与最大化路由应用性能的动态信任管理策略。
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结 论
 
为了解决在一些特殊的应用场合传统无线组组网络中出现的间断连通性问题,机会网络应用而生。作为一种特殊的无线自组织网络,机会网络已成为当今无线网络领域研究的热点之一。由于机会网络中数据通信是利用节点之间的相遇机会,并采用“存储-携带-转发”的模式,这对数据传输带来极大的挑战。为此,本文主要围绕机会网络数据传输中的一些关键性问题进行了研究,主要研究成果如下:
(1) 为了在网络间断连通时给不同种类的业务流提供有效的QoS保障,提出了一种基于接入控制的机会路由策略,ORAC。该路由策略不同于以往的机会路由策略,它采用面向多业务流的基于接入控制策略的方法选取候选转发节点,使得选取的转发节点具有足够的能力为新接入的业务流服务。这样可以缩小候选集的大小、减少路由开销,而且不会因为节点资源不足或者拥塞而造成不必要的丢包。此外,给出了一种新的标准来确定这些候选节点的转发优先级,并且为不同类型的流设置不同的处理优先级和时延界,使得提出的路由策略能为不同类型的业务流提供更好的QoS保障。最后,通过两组仿真实验,比较了所提策略ORAC和经典机会路由策略ExOR对三种不同业务流的平均时延,验证了ORAC可以有效的保障各种业务的时延要求。此外,还比较了ORAC与基于接入控制的带宽感知机会路由BOR/AC在系统吞吐量、流接受率、平均时延、开销、节点平均能耗和网络寿命方面的性能。结果表明,本文所提策略ORAC可以取得较好的网络性能。
(2) 针对机会网络中现有单拷贝和多拷贝路由策略存在的不足,本文结合机会网络数据传输的特点,提出了一种新的基于纳什讨价还价解的合作路由策略。该策略将机会网络中的分布式消息分发映射为一个多方纳什讨价还价博弈模型,并且论证了该模型应用到机会网络数据传输中的适用性和正确性。同时,为了求解多方博弈的均衡点和解集,采用了一种基于空间距离代替的方法,从而可以有效地降低多方博弈求均衡解的计算成本。通过此博弈模型,GameR 路由策略可以很好的在单拷贝和多拷贝之间做一个折中,能够灵活控制消息副本数,并且可以根据节点资源情况调整数据的转发,避免了节点资源使用不均衡。最后,通过实验仿真,比较了所提策略和其他六种经典的单拷贝、多拷贝和固定副本数的路由策略分别在网络中节点资源(缓存和带宽)相同以及异构的情形下的各种性能。结果表明,所提路由策略在成功传输率、有效吞吐量,以及综合性能方面明显优于其他所比较路由策略,并且其开销和平均时延也较低。
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参考文献(略)

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