基于位置的内容中心WiFi网络转发策略研究.pdf

第 卷第 期 年 月 西安文理学院学报(自然科学版)()文章编号:()基于位置的内容中心 网络转发策略研究雷良发(福建商学院 信息技术中心福州)摘 要:利用内容中心网络的网络内缓存功能构建了一个可靠且耐延迟的 架构该架构可以在诸如野外、灾后场景的特殊网络场景中提供网络连接服务.基于 提出了一种基于位置的转发策略根据用户的位置和移动方向做出转发决策.在真实的环境中进行实验以评估转发策略的性能.实验结果表明基于位置的转发策略可以实现较短的内容传输时间.关键词:内容中心网络转发策略中图分类号:文献标志码:():.:内容中心网络采用了以内容为中心的通信模型网络中的内容由名字进行标识.内容中心网络中基于名字的路由具有高可扩展性可以支持以内容为中心的安全性和无缝的移动性.此外内容中心网络采用网内缓存可以减少内容获取的时间并提高在恶劣环境中的可靠性.许多研究工作旨在解决内容中心网络在互联网或物联网等网络中的关键问题如路由、移动性.然而现有的研究并没有完全解决在具有不可靠和间歇性无线信号的恶劣通信环境中应用内容中心网络的挑战.因此本文扩展了原始的内容中心网络架构设计了适用于恶劣环境的(内容中心网络的 系统即)架构并提出了基于位置的转发策略.收稿日期:基金项目:年福建省教育厅中青年教师教育科研项目()作者简介:雷良发()男畲族福建南安人福建商学院信息技术中心研究实习员主要从事计算机科学与技术网络技术研究.总体设计.的使用场景灾后场景中的:当发生自然灾害后蜂窝网络和 系统等地面通信网络可能会受到破坏.能够使用更细粒度的数据传输方式(例如智能手机)能在灾后场景(例如地震)中进行数据传输.基于内容中心网络的网络架构数据传输可以通过 信道以逐跳的方式进行.例如消费者设备可以向其邻居发送请求(例如地震后的新闻或警报消息的请求).请求数据包携带内容的名称和设备的位置信息(例如坐标).如果相邻设备缓存了请求的信息那么邻居则会立即返回内容.否则邻居设备将请求进一步转发给邻居的下一跳节点直到找到具有所请求内容的生产者设备为止.在此过程中内容的名字用于将请求从消费者设备转发到生产者设备.另外可以以单播或多播的形式发送请求.在内容返回的过程中路由路径是通过考虑消费者的名称及其位置信息来确定的.使用增强的内容中心网络坐标功能通过考虑节点的坐标和移动方向来选择用于中继数据的设备.现有的方法一般通过配备大型存储设备的车辆来进行中继转发而 可以安装在智能手机上因此 更灵活.与此同时当灾难发生时由于大型设备无法进入灾区或者灾区的设备被毁坏基于车载的方式无法确保网络传输的有效性.在灾难的情况下用户通常会请求小规模的数据内容(例如新闻或警报消息)而不是请求诸如视频的大规模数据内容.更能满足传递此类小型数据消息的需求.国家公园中的:尽管在我们的日常生活中几乎所有地方都可以使用互联网服务但是互联网服务可能无法覆盖某些大型室外区域例如野外或无人区.因此无法满足人们在这些区域中进行信息检索、网络通信等方面的需求.例如在野外进行徒步的人可能想下载区域的地图或者发送报警求救消息.尽管可以使用基于/的解决方案来提供此类服务但部署所需的基础设施来覆盖那些较大的野生区域会带来高昂的成本.而 则是一种具有成本效益的解决方案因为它引入了较低的成本和更高的数据安全性.可以安装在智能手机中这些智能手机可以用作为内容传输的中继节点以在用户之间传输数据.扩展了现有的内容中心网络协议:通过不仅允许手机等设备缓存内容而且还可以缓存无法立即被响应的请求.当用户在一个预设的时间段内仍未收到所请求的内容会重新发送请求以提高在国家公园等充满挑战的通信环境中检索和传递所请求内容的机会.系统架构 是一个完全分布式的架构该架构由消费者节点、中继节点和生产者节点构成.将安装并运行 的智能手机等设备视为 的用户.消费者通过向附近的最近 用户发送请求来启动通信.如果可以在 用户的缓存中找到所请求的内容则将该内容立即返回给消费者.否则 用户将充当中继节点将该请求携带到下一跳.中继节点将通过将请求与 表中的先前请求相同内容的请求进行聚合或在 中创建一个新条目来记录该请求.当中继节点遇到其他 用户时它将所有请求转发给 用户.如果这些 用户可以满足需求则所请求的内容将返回给消费者否则这些 用户将携带这些请求并将请求进一步中继到下一跳节点.当请求得到响应后 表中相应表项将会更新.用户定期向其邻居广播 消息以便维护附近 用户的列表.与常规内容中心网络相比 不会丢弃未被响应的请求而是允许中继节点暂时携带着这种类型的请求直到获取请求的内容为止.这种设计可以提高在较为恶劣的网络通信环境中提高不可靠且间歇性的无线信号下进行数据传输的机会.转发策略首次适应转发:首次适应转发是一种简单而有效的转发策略.首先消费者可以通过将兴趣发送给附近的邻居来请求内容.邻居收到兴趣后将首先检查其本地的缓存.如果该邻居节点缓存有请求的内容则节点将立即将内容返回给消费者.否则请求将被记录在中继节点的 中.然后当邻居成为中继节点时它将尝试从邻居那里获取请求的数据.中继将把兴趣发送给它的每个邻居.这样的过程将被重复第 期雷良发.基于位置的内容中心 网络转发策略研究执行直到中继找到请求的数据.如果找到了请求的数据则中继站可以将其返回给相应的消费者.如果邻居中没有一个拥有所请求的数据则该中继节点会继续携带着这个兴趣而不是丢弃兴趣.广播转发:广播是 中另一种常用的转发策略.如果中继节点没有缓存所请求的内容则首先将请求记录在其 中然后将请求广播到所有的邻居节点.广播可以进行多播通信因此可以更快地获得请求的内容.但是这可能会消耗更多的网络带宽.例如当生产者返回一个原始数据的时候其他中继用户也可能返回多个内容的副本.若中继节点接收到多个相同内容时会将其中一个内容缓存在节点中.当返回多个数据时只有第一个数据将被转发到消费者其余的副本将被丢弃从而浪费网络带宽资源.命中感知转发:命中感知可以在网络资源消耗和响应时间之间获得平衡以获取请求的内容.在这种方法中每个中继节点都维护着一个命中表.命中表记录着每一个 所对应的命中和缺失其中 与节点的设备号互相绑定.对于首次加入 的新用户会为该设备分配一个新的.命中感知将请求选择性地广播给具有较高命中率的邻居.具有较高命中率的邻居更可能返回请求的内容.与首次适应转发相比命中感知转发可以减少获取内容的时间.而与广播相比命中感知可以减少网络消耗.基于位置的转发策略.系统模型假设每个节点都配备了全球定位系统()来获取自己的实时地理信息包括移动方向、当前位置和移动速度.当节点相遇时它们将相互交换并更新自己的历史地理信息.使用基于时隙的冲突避免 协议每个时隙仅允许建立一次数据传输的连接.考虑一个节点密度稀疏的网络场景仅依赖于节点在其单跳邻居节点内进行通信的基本能力.当节点相遇时将基于遇到的节点是否具有更好的消息传递潜力来做出转发决策.否则将一直携带该请求直到到达目的地为止.转发目标是在低开销的情况下实现高传输率而由于恶劣的网络场景通常具有较高的网络延迟因此认为传输延迟不是主要的优化目标.提出的基于位置的转发策略()包括以下几个主要功能:信息更新:节点相遇时会交换它们的当前位置、相遇时间和移动速度.此信息记录在节点本地路由表中以便于估计每个节点的移动范围.数据转发:给定更新的信息估计目的地的移动范围.每一个请求都有一个最大可复制次数 的初始值为 .采用二分转发()来对 个请求副本进行转发.数据中继:当所有请求的副本均已完全发送到网络中(即 )时这些携带着请求副本的中继节点不再将请求转发给其他节点直到遇到目的地节点为止.候选中继节点的选择是根据其移动范围与目的地的移动范围来决定的:我们选择与目的地节点移动范围重叠较大的节点作为候选中继节点以进一步减少转发开销.转发策略设计.信息更新假设节点 携带着请求 并与节点 相遇节点 为请求 的目的地节点.节点 中记录着关于目的地节点 的历史信息()其中包括了节点 与 上一次相遇的时间 和相遇时 的坐标()以及节点 的平均移动速度.当节点 与 相遇时两个节点会进行信息更新信息更新过程如算法 所示.算法 信息更新:、记录对方的相遇时间、坐标和平均移动速度:属于 历史列表 西安文理学院学报(自然科学版)第 卷:也属于 的历史列表:用()更新关于 的本地历史信息:用()更新关于 的本地历史信息:用()初始化关于 的本地历史信息.候选中继节点选择假设 ()是从节点、中得到的 的位置当前的时间为 那么 的移动范围可以表示为:()()与此同时假设节点 与 的距离为 的移动方向为.当 不小于 且 往 所在的位置移动时将 进入 的范围所需要的时间表示为:()当 时将 作为候选中继节点.当 不小于 且 没有往 所在的位置移动时不将节点 作为中继节点.当 小于 时此时 位于 的范围内将 离开 的范围所需要的时间表示为:()()()当 时将 作为候选中继节点.数据转发当节点 无法获得关于 ()的历史信息时只能根据节点 与 之间的移动状态来进行消息转发.当节点 与 是相向而行时 将消息转发给 并指定消息的最大副本数为/.当节点 能够获得关于 ()的历史信息时则根据上述候选中继节点的选择方式来进行消息的转发.当 往 所在的位置移动时无论是 不小于 还是 小于 都会将消息转发给并指定消息的最大副本数为/.数据中继在数据中继的过程中每个携带请求 的节点的最大副本数 均为.此时当节点 只允许向一个节点转发请求 以减少传输的开销.当节点 与 相遇时若节点 已经携带了请求 的副本则仅进行信息的更新.若节点 往目的地节点 所在位置移动则将节点 中的请求副本转发至 处.性能评估使用 网络模拟器对 性能进行评估在 中实现了 架构和 策略.配置了 个移动节点移动节点的速度服从均匀分布()其中最小速度为 /最大速度为/.实验场景的大小为 节点的移动模型为 模型.节点的传输速率为 /传输范围为 .随机生成了大小在 到 之间的文件文件具有 的生存时间生成间隔为 .探讨内容传输时间与内容大小之间的关系结果如图 所示.其中 是提出的 策略 是广播策略 是首次适应策略 的命中感知策略.第 期雷良发.基于位置的内容中心 网络转发策略研究图 内容大小与传输时间的关系可以看到广播转发具有最佳性能其次是基于位置的转发策略.因为广播转发策略是广度优先搜索策略它可以快速返回请求的数据但会消耗大量的带宽.首次适应的效果最差因为该策略采用深度优先搜索策略这种策略通常需要更长的时间才能获取请求的数据但带宽消耗相对较小.由于使用了选择性广播并考虑了内容的命中率因此命中感知转发的性能比首次适应更好.还可以观察到基于位置的转发策要优于首次适应和命中感知.基于位置的转发策略通过考虑节点的位置和移动方向来选择下一跳中继用户实现了较短的内容传输时间.在大多数情况下基于位置的转发策略选定的中继用户位于消费者和生产者之间的最短路径上.另外所选的中继用户是朝目标目的地移动的.因此基于位置的转发策略会最大程度地减少转发路径的跳数.结语作为未来网络中最具有研究前景的架构内容中心网络的网内缓存等特性使其不仅适用于未来互联网等网络还能适用于诸如灾难后、偏远地区特殊网络场景中.针对这一类特殊网络场景提出了 的架构.除了具有内容中心网络的功能还能暂时携带未被满足的请求.然后提出了一种基于位置的转发策略该策略根据用户的位置和移动方向来选择下一跳中继节点.实验结果表明本策略具有较短的内容传输时间.未来的研究在于将 实现在真实的环境中进一步探讨基于位置的转发策略的性能.参 考 文 献 .():./().:./.:./.:.:.():.责任编辑 王新奇西安文理学院学报(自然科学版)第 卷