面向延迟容忍网络的拥塞控制机制研究

【摘要】延迟容忍网络(DelayTolerantNetworks,DTN)是为节点资源严格受限,网络链路具有大延迟或频繁中断等特性的挑战环境提出的种新型的网络体系结构。在这种极端恶劣的网络环境下,如何实施有效的拥塞控制成为保证通信服务质量、提升网络性能的关键问题。然而,由于DTN不满足传统网络模型中存在持续的端到端路径的基本假设,基于端到端反馈的传统方式无法对其直接应用并发挥预期的作用。本文针对延迟容忍网络不同应用环境下的拥塞控制机制进行了研究,其主要贡献包括以下几个方面。(1)提出了一种拥塞程度自适应的端到端确认机制CL-ACK(CongestionLevelbasedACKnowledgementmechanism)。实际的网络应用证明,逐跳的确认方式无法替代端到端确认来保障消息的可靠传输。端到端确认消息在通告消息交付状态的同时能有效地减少冗余的传输,然而确认消息的传输方式对于网络开销和传输延迟均有着较大的影响。CL-ACK机制利用消息丢弃次数与复制次数的比值评估节点的拥塞程度,并根据拥塞程度的估计值来自适应地调整确认消息的传输方式,即实现在主动传输和被动传输方式间的动态切换。实验结果表明,CL-ACK实现了存储开销和延迟性能的合理平衡,并提高了消息的到达率。(2)提出了一种基于概率接纳和丢弃的拥塞控制算法PAD(ProbabilisticAcceptanceandDropalgorithm)。在间歇性连接的DTN网络环境下,消息通过复制的方式进行传输以降低网络中断对消息交付造成的影响。针对消息复制产生的大量冗余容易导致网络拥塞的问题,PAD算法利用节点的队列长度以及输入/输出速率来检测拥塞状态,并根据拥塞程度来确定消息的接收或丢弃的概率。通过消息的概率性接收和丢弃实现了有效的拥塞避免,降低了网络开销并获得了较高的到达率。此外,利用马尔科夫生灭过程构建了一个针对多副本路由的到达率分析模型,理论分析和仿真实验一致地表明了该算法的优越性。(3)提出了一种基于订阅时效性的缓存管理机制TVBBM(TemporalValidityBasedBufferManagementmechanism)。内容中心网络是为缓解传统的“主机-主机”的通信方式无法适应用户对内容共享的需求而提出的一种新型的网络解决方案,它通过用户的订阅兴趣来驱动数据的分发。但由于节点存储能力的限制,分发的效率极易受到网络拥塞的影响。订阅兴趣的时效性是一个常被忽略的因素,然而,实际应用表明,它对于消息的分发和丢弃决策有着重要的意义。TVBBM算法首次将用户兴趣的有效时间运用到消息的丢弃决策中,定义了一个多属性的效用,从节点、数据消息和用户兴趣等多个角度综合决定消息的丢弃优先级。仿真结果证明TVBBM机制能够有效地提高消息到达率和分发速度,并降低了网络开销。(4)提出了一种基于节点介数的拥塞感知路由算法BCBCA(BetweennessCentralityBasedCongestion-Awarerouting).在确定性DTN环境下,通常根据确定的网络拓扑变化时间表将时变网络转换为传统的静态网络序列,然后利用经典算法来计算最佳路由。然而由于无法根据网络状态的变化自适应地调整路由,网络流量容易集中到部分的活跃节点,从而形成通信热区并最终导致拥塞。BCBCA算法根据网络演化图利用改进的Dijkstra算法选出延时开销最小的前w条路径构成备选路径集合,并以节点介数作为反映节点拥塞程度的指标。在路由决策时,结合路径的延迟开销和节点的介数值来确定各条备选路径的选中概率。实验结果表明BCBCA算法在较合理的延迟开销下实现了节点间的网络负载均衡,并提高了网络消息的交付比率。
【作者】安莹；
【导师】陈建二；王建新；
【作者基本信息】中南大学，计算机应用技术，2013，博士
【关键词】延迟容忍网络；内容中心网络；确认机制；拥塞控制；路由算法；

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