应急通信场景下基于DTN的消息传输算法研究

摘  要：为了解决传统延迟容忍网络（Delay Tolerant Networks， DTN）路由算法在灾后复杂场景中数据投递率低、延迟高、路由开销大等问题，提出适用于灾后场景的DTN路由算法。该算法分析灾后场景中节点的特点，根据节点的规律性移动轨迹，计算每个节点到已知目的地的路径成本。再综合考虑节点的剩余缓存，使用熵权法平衡上述参数，计算副本分配数量。文中使用模拟器仿真了该方案，并将结果与以前的DTN路由算法进行了比较。评估结果表明，与以前的方法相比，文中方法减少了每条消息的资源开销，同时能够保持良好的传递率。

关键词：中继节点；DTN；路由算法；应急通信

中图分类号：TP391.4；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2023）09-0086-04

Abstract： In order to solve the problems of low data delivery rate， high latency， and high routing overhead of traditional delay tolerant network routing algorithms in complex post disaster scenarios， a DTN routing algorithm suitable for post disaster scenarios is proposed. This algorithm analyzes the characteristics of nodes in post disaster scenarios and calculates the path cost of each node to a known destination based on its regular movement trajectory. Taking into account the remaining cache of nodes， the entropy weight method is used to balance the above parameters and calculate the number of replica allocation. The scheme is simulated by using a simulator in this paper， and the results are compared with previous DTN routing algorithms. The evaluation results show that compared with previous methods， the proposed method reduces the resource overhead of each message while maintaining a good delivery rate.

Keywords： relay node; DTN; routing algorithm; emergency communication

0  引  言

网络中的所有节点设备均支持TCP/IP协议，网络中的安全机制可以保证消息的不丢包。然而近些年来，由于世界各地自然灾害频繁发生，造成了难以估量的经济损失以及无法抹去的伤害，并且使得许多情况无法使用TCP/IP协议。灾后恢复通信对于后期的救援工作非常重要，因为只有在了解灾后情况的前提下，救援队才能更好地组织救援行动。

在实际自然环境下，由于紧急、突发情况往往是不可预测的，因此重大的灾难发生后往往会造成大范围的电力、道路以及通信设备的损毁，同时还会出现通信业务需求激增等现象，这时便可能会出现灾区通信困难、网络资源受限、数据传输拥塞，从而出现不能正常进行通信等问题。因此，灾后应急通信网络如何有效地建立是一个具有重要研究意义的方向。

1  相关技术

延迟容忍网络（Delay Tolerant Networks， DTN）是美国NASA喷气式推进实验室为解决星际互联网（Interplanetary Internet）提出的一种网络体系。在应急通信网络场景中，由于节点具有移动性，节点之间通信链路不完整，网络拓扑结构动态变化，传统的TCP/IP协议无法使用，因此，通过在传输层和应用层之间引入Bundle层，采用“存储—携带—转发”机制解决网络中间歇性连接，高延迟高误码率等问题。对应的网络结构如图1所示。

容迟容断网络（Delay and Disruption Tolerant Networks， DTN）是一种适应较高延时、频繁中断、异构互联、端到端连接不能保证的新型网络体系，作为MANET和WSN的发展，在灾后场景中应用将十分广泛。

2  算法过程

2.1  路由算法

在災后场景中实体的运动不是完全随机的，灾害响应网络中存在着递归性。具有这样一些规律：物资被送到避难点，警车按照计划路线巡逻，消防车不断从消防站出发，志愿者最终到达相同的避难点。此外，还存在许多可用于消息的静态点交接。例如，避难点、学校、消防站和滞留在公共路线上的车辆都可以作为中继站，将数据从一个移动实体传递到下一个实体。

所以我们需要建立一个相互接触图，如图2所示，其中一个顶点表示两个节点之间的相遇。两个顶点之间的边表示两次相遇之间的延迟。例如ij表示节点i和j之间的相遇。如图2，假设节点i沿着一条路线行走30分钟。节点在这条路线上相继遇到j节点和k节点，大约间隔3分钟。之后，i在遇到k之后再间隔27分钟才会再次看到j。因此，在顶点ij和ik的接触图中存在延迟3分钟的有向边。在顶点ik和ij之间存在一个延迟27分钟的有向边。这种不对称性解释了为什么相互接触图中的边是有向的。

相互接触图中维护的每条边ij⟶ik都由两个值的元组（δ（ij⟶ik）， σ2（ij⟶ik））进行标记，其中δ（ij⟶ik）是节点i从经过节点j到经过节点k的平均延迟，σ2（ij⟶ik）是对应的延迟方差。我们将相互接触图中的路径表示为：ij⟼w是从联系人ij到节点w的路径。由于期望的线性和在边缘独立的假设下，我们定义路径延迟表示为d（ij⟼w），路径方差表示为σ2（ij⟼w）。如果从初始联系人到目的地有多个路径，则将存储最佳路径的参数以用于路由目的。通常并非所有节点都具有相同的网络视图，因此从给定节点的角度定义路径延迟和方差是有意义的。因此，我们定义di（ij⟼w）和σ2i（ij⟼w）来表示由节点i计算的路径延迟和方差。

在该算法中，接触图中顶点ij处的目的地w条目包含相应的路径延迟di（ij⟼w）和方差σ2i（ij⟼w）。我们将这两个值存储为节点i到达目的地w的最佳路径的参数。

该算法存储最优路径的参数。因为传递概率取决于消息在途中已经花费了多长时间。因此，无法建立与消息参数无关的最优路径。相反，为了确定要在路由表中存储其参数的路径，我们提出一个与消息无关的替代路径成本，定义为路径延迟的第95个百分位，如式（1）：

然后邻居按pk降序进行排序。每个邻居k按此顺序分配Pk×L个副本，并且从L中减去这些分配。该过程继续进行，直到L用完或直到所有邻居都已被考虑。

4  仿真结果

4.1  仿真实验概述

本文采用ONE（Opportunistic Network Environment）模拟器进行仿真实验，该仿真模拟器是基于Java开发，适用于DTN网络仿真环境的路由算法模拟，并提供数据研究分析工具。我们将本文算法（BDECS）与传统路由算法Epidemic算法相比较，通过平均时延、投递率和网络开销三个指标进行对比。该仿真环境中设置50～300个普通节点，仿真时间为72 h，所有结果均是10次仿真的平均值，默认仿真参数如表3所示。

4.2  仿真结果及分析

根据延迟容忍网络自身的特点，本文选用平均时延、投递率和网络开销三种指标分析该算法的性能。随着节点个数的增加，数据投递率都呈现出缓慢上升的变化趋势，但该算法明显较传统算法网络开销少，平均时延低。这是因为节点个数增多，增加了节点之间的接触，可以找到更好的中继节点选择，并且该算法考虑了节点的剩余缓存，从而减少了平均时延和网络开销。详细如图3至图5所示。

5  结  论

本文使用了一种用于容错网络的新型多副本路由协议，组建灾后场景中的通信网络，其目标是满足灾后场景中的通信需求。本文提出了一种基于路径成本的方法，该方法使用一种名为“接触间延迟”的新路由度量来计算到达目的地的路径和成本，并充分考虑了节点的剩余缓存，使用熵权法平衡参数，从而选择最佳中继节点。仿真结果表明，通过仿真评估不同节点数量对网络场景的影响程度与上述映射模型得到的理论结果相一致，验证了该模型的有效性。

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作者简介：董建华（1998—），男，汉族，黑龙江兰西人，硕士研究生在读，研究方向：延迟容忍网络、路由算法。