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在开放环境中有关延迟容忍网络路由引发的持续流失的现实框架

摘要：延迟容忍网络（DTN）路由的常规分析假定节点移动的地形是闭合的，这意味着当节点击中边界时，它们会绕过或被反射。在这项工作中，我们研究放宽该闭合地形假设对路由性能的影响，其中连续的节点流进入地形并在击中边界时被吸收。

我们引入一个现实的框架，将开放地形作为队列建模，并将性能与各种路由协议的封闭地形进行比较。 通过三个不同的移动性场景和四个不同的路由协议，模拟表明，开放地形中的路由延迟在统计上等同于所有路由协议的闭合地形中的路由延迟。然而，在成本方面，一些协议在两种情况下广泛存在，而有些则继续表现出统计学上的等效性。我们认为，这可能是基于流失行为的差异来对路由协议进行分类的新方式。

关键词：延时网络，路由，移动模型，开放地形

1引言

延迟容忍网络（DTN）是一类网络，其特征在于间歇连接，长可变延迟和异构操作环境，覆盖层或捆绑层在其上工作[5,6,7]。DTN在诸如卫星网络，车辆网络和灾难响应系统等许多领域找到潜在的应用。

DTN中的路由协议基于存储，携带和转发范例[5]，其中节点携带消息，直到遇到目的节点或任何其他具有高目的节点概率的节点。基于此范例，已经提出了各种DTN路由协议。诸如流行路由的朴素方法[16]相当于以消息的副本淹没网络，并且诸如基于实用的路由的更复杂的方法[12,15]将消息转发到被发现是良好的消息载体的遇到的节点 （基于启发式估计）。

DTN路由协议不受封闭地形假设约束，然而，基于理论分析和仿真的结果[8,14]的标志是基本假设：节点移动的地形是关闭的，即它们是 两个假设：节点环绕或反映在地形边界。例如，这个类“spray-n-wait”路由协议[13]中最好的协议之一计算从递归方程系统喷射的总数，这些递归方程假设任何时候的节点感染数为 单调递增的函数以节点总数为界。

在这项工作中，当放宽了闭合地形的假设时，我们将考察DTN路由协议的性能分析。特别地，我们假设一旦节点到达模拟区域的边界，它被“吸收”，因此不再参与路由，因为它有效超出范围。这种情况模拟了一个现实的情况，即通过某个地区（如体育馆或露天剧场）的特定边界移动的节点很可能通过其中一个出口移出。边界墙等物理障碍物一旦越过边界就会阻止节点参与路由。我们还明确地模拟网络中的流失，将这些节点作为泊松过程进入地形，并通过击中边界之一退出。

总之，本文的贡献有三个方面：

（1）引进了一个新颖而现实的开放地形框架，明确地模拟了地形中节点的流入和流出。 该框架还提供了一种在路由性能方面比较开放和封闭地形的方法。

（2）使用上述框架，在不同的移动性场景下模拟各种路由协议并得出结论，在路由延迟方面，开放地形在统计上等同于封闭地形。

（3）观察到一些协议在发送成本方面表现出统计学上的等价性，但是有些协议没有，这可能为我们提供了一种分类路由协议的新方式。

2相关工作

在分析蜂窝网络时，已经考虑开放地形，用户根据某些移动性模型动态进入和离开六边形小区。用户在塔（服务于任何一个蜂窝）的范围内花费的时间，或用户在两个塔的重叠区域花费的时间被认为是该移动性模型的重要派生属性。 这些时间的分布在设计蜂窝网络的合适手机方案中是有用的[9]。然而，由于这些塔作为通过电缆形成稳定的有线骨干通信的基础设施，塔格塔作为一个基础设施，情况并不完全相同；另一方面，我们建立了完全机会主义和合作的路由，其中没有基础设施支持。

在适用于DTN方面最接近我们的工作是在道路网络上建立行人内容分发的工作[17]。每个街道段被建模为M / G /infin;队列，其中每个节点选择从入口点到街道上出口点的速度，均匀分布在[vmin，vmax]范围内。道路网被视为这种队列的网络。 然而，我们在这里考虑的情况是路由而不是内容传播。此外，街上的流动性是一维的。

3开放地形中连续流失的研究框架

在本节中，我们将描述将开放地形建模为一个队列的框架，使其能够在研究路由性能时与封闭地形进行公平的比较。

3.1模型

在我们的框架中，节点在边界上的某个点进入正方形地形，该点在地形的周边上均匀地选择。 根据一些移动性模型，该节点继续移动，直到它到达其被吸收的边界之一。 在这个框架下，封闭地形和开放地形之间的根本区别是：

1. 当一个节点碰到边界时，它会在闭合地形的情况下反射或缠绕，但只是在开放地形的情况下被吸收并死亡。
2. 连续的流失意味着随时会有一些节点涌入地形，并且节点的外流被吸收。 下一节将介绍流入过程。

我们相信这个开放地形的模式是现实的，因为它代表许多日常的场景，其中移动到诸如剧院的封闭空间边界的节点可能通过出口移出。除此之外，边界使节点之间的任何点对点通信成为可能。

3.2依队列打开地形

假定节点作为泊松过程到达。 这个马可夫到达过程也模拟连续的流失。 因此，作为一个系统的地形表现得像一个无限的服务器队列，具有马尔可夫到达过程和一般分配给出的服务时间。所以，在肯德尔的符号中，它是一个M / G /infin;队列。继续使用这种排队模型，节点的居住时间E（t）是其停留在地形边界内的时间。

3.3打开和关闭地形的条件

除非有一种比较任何给定应用程序的开放和封闭地形的方法，否则此框架将不会完整。我们“平衡”两个地形如下：

（1）将N作为闭合地形中的节点总数。

（2）开阔地形的预期休息时间或服务时间E [t]作为地形尺寸和地形内节点移动模型的函数。

E [t] = f（T变量维度，M容忍模型） （1）

这也可以通过模拟经验计算（如我们在本工作中所做的那样）。

1. 应用小定律来确定到达率lambda;，使得开放地形E [n]中的平均节点数与节点N的总数相同，从而与闭合地形的平均数相等。

请注意，封闭地形情况下的到达率是无关紧要的，因为只有一旦所有节点都在里面，封闭地形中的模拟才会开始。根据上述程序，开放和封闭地形的相等性如图1所示，图1为三个不同的移动模型。100的直线表示封闭地形中的节点数。

图1.节点数与时间的变化

4模拟设置

我们使用了众所周知的离散事件网络模拟器ns-2 [1]来模拟在开放和封闭地形情景下的各种路由协议，使用第3节所述的框架。仿真参数如表1所示。我们没有考虑任何流量 因为目标是通过开放地形和封闭地形来研究单个信息的传播。

表1.模拟参数

4.1路由协议

用于仿真的四种路由协议如下所述：

1. 流行路由：在该方案中，每个节点将消息转发到其遇到的每个其他节点，由此，它在延迟方面是最佳的，但是以牺牲非常高的成本为代价1。为了在所测试的路由协议之间保留公分母，没有明确的恢复机制被认为是停止复制。相反，我们考虑到消息到达目的地节点之前发生的成本和延迟。
2. 双跳路由：源节点将消息转发到中继节点或目的节点，中继节点又将消息转发到目的节点。
3. Spray-n等待路由：这里，如[13]所述，将固定数量的消息（例如L）交给源节点，源节点将消息副本的一半交给任何节点 直到源节点用完消息副本（二进制喷雾）为止。接收消息副本的每个节点都做同样的事情：即如果已经说出x个副本并且遇到没有副本的节点，那么它会将x / 2个副本交给该节点，并将其余部分自身保留。该过程对于任何节点继续，直到该节点仅具有与其自身一起留下的消息的一个副本，在这种情况下，它切换到路由的第二阶段：等待，在此阶段，只有一条消息的节点等待直到与目标节点直接接触。
4. 直接传输：在这种方案中，源节点等待直到它与目标节点接触，然后才发送。它具有最低成本，但是因此具有最小的传送率和最大的传送延迟。

4.2节点的移动性

我们使用两种形式的移动模型进行我们的模拟，如下所述：

1. Random Walk移动模型（RWMM）：在该模型中，在整个模拟持续时间内，节点按照恒定速度V进行估计，无暂停时间。速度的选择只会影响模拟所需时间的缩放。在每个时期，节点从给定平均值的指数分布随机变量中选择一个飞行。 这意味着地形侧的缩小版本（假设平方的地形）。接下来，节点从具有[0,2pi;]值的均匀分布中取出方向，然后在该方向上执行飞行。一旦飞行终止，节点将再次重复相同的过程，直到其中一个航班在刚刚被吸收的开放情况下将节点带到地形边界。我们使用[4]中描述的移动性模型的变体，并为此修改[3]中提供的代码。
2. 时间变异社区模型（TVCM）：在这个模型[11]中，地形被划分成许多子地形，每个都被称为社区。在每个时间点，给定的节点可以在任何一个社区中。节点从一个社区移动到另一个社区（以固定的全局速度V），使用类似于马尔可夫链的转移概率。社区的这种整体结构及其相关的转移概率在一段时间内保持一段时间。节点执行不同时间段的序列，然后再次恢复到其原始的启动时间段。每个节点可以为自己拥有一个独立的TVCM模型，或者像他们可以看到的香草模型一样。这个模型所捕获的基本组成部分是倾斜的位置偏好（人们喜欢坚持自己的家庭或办公室）和人类流动性的反复行为（即，工作日期间的一个社区结构，一个在周末的时间，一个是周末时间周末早上，周末晚上一次，等等，同时观察一下，每周都会重复。在这种情况下，通过假设如果一个时代落在地形的边界之外，它已被吸收，就会建立一个开阔的地形。另一方面，如果只是落在当前社区的边界之外，那就像在封闭的地形情况下一样。该模型具有更加现实的优点，并已被证明可以通过模型中适当的参数选择来成功捕获真实世界的踪迹。我们使用两种类型的真实世界模型来产生痕迹。一个是VANET的代表，并在[10]中实现。第二个模型用于基于通过将TVCM模型与[2]中观察到的跟踪相匹配而得到的参数生成跟踪。我们使用TVCM模型来模拟刚被引用的两条轨迹，并将在以后讨论MIT和VANET的轨迹。

如上所述，我们使用三种移动模型：一种香草RWMM模型和两种基于TVCM的模型，称为MIT和VANET。

4.3处理瞬变

必须特别注意确保开放地形情况下的模拟仅在静止阶段进行。图中的模拟图。图1显示了地形中节点的数量如何建立到一个特定的点，然后围绕平均值振荡大部分。

相对振荡阶段对应于固定相，并且该时间周围的平均值是开放情况下模拟区域中的平均节点数。 为了照顾瞬变，我们使用通过在大的节点集合（在我们的情况下为10000）运行移动性模型并且经验地计算平均值来找到特定地形的平均逗留时间。 平均逗留时间足够大，队列能够稳定到平均值。 如前面提到的平衡两个地形的框架中需要经验估计。 一旦过渡时间过去，源开始发送其消息。

4.4处理源和目的地

由于我们打算比较开放地形和封闭地形之间的交付延迟，所以我们必须确保在足够的模拟时间内，信息必须以高概率从源传送到目的地。为了保证这一点，源和目的地在开阔的地形被视为“封闭的”地形节点，以至于它们中的任何一个都不会流淌。我们的工作侧重于中间中继节点上的开放地形的效果，并且我们设法避免由于地形中没有源节点或目标节点而导致的消息过早终止。

4.5性能指标

（1）交付比率：实际到达目的地的消息传输的平均分数。

（2）传送延迟：从源节点向目标节点发送消息所用的平均时间。

（3）发送成本：从源节点向目的节点发送消息的所有节点发送的消息副本的平均数。

5模拟结果lt;

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