容迟网络中的路由算法（四）转

谁践踏了优雅 2022-09-15 12:53 152阅读 0赞

# 第四章 基于社会属性的路由算法 #

**背景**：传统容迟网络路由协议通常只依赖节点的物理属性例如链路状态、地理位置等做岀路由选择。而在**社交容迟网络中，节点间的社会关系呈现出长期稳定的特征**，因此其更加强调利用节点间的潜在社会属性进行路由协议的设计。

## 研究意义 ##

随着社交需求的深入发展， 用户之间的数据共享也由最初的文字和文本共享转为目前的照片、音频、视频等多媒体数据共享，因而产生的“爆炸式”移动数据流量给移动运营商带来了很大的带宽负担。但昂贵的通信资费和差异的地区覆盖使得4G短时间难以普及，而社交容迟网络的“存储-携带-转发”的路由模式为大数据时代下的信息共享提供了新的思路。  
**社交容迟网络中数据共享**不需要移动运营商提供的数据接入服务，避免了传统集中式服务中的“登录-上传-查找-下载”的数据共享模式，它利用**手持设备的移动性，当进入彼此通信范围时，利用蓝牙等短距离无线通信技术，实现设备之间端到端(peer-to-peer)的数据交换和共享**。传统容迟网络路由算法多数只考虑节点的物理属性，而**移动社交网络是由大量携带无线通信设备的人组成，因此节点的移动模式完全受携带者的行为模式影响，具有一定的社交属性。**

## 基于动态社交群的自适应路由算法（DGA） ##

**1.动机**  
社会网络中节点具有一定的**集群**特性，它的行为模式会表现出一定的社交特征，节点之间往往具有特殊的社会关系或者某种共同爱好。因此如果能够准确定位目的节点所在的社交群，就可以在该社交群内洪泛消息副本，在控制消息洪泛范围的情况下，依靠更多的消息副本增加消息成功投递的可能性。最后我们统一地用**节点间的相遇概率表示节点间的关系强度**。这也符合客观规律，相遇频率越高，表明节点间的社会关系越强，则它们再次相遇的概率也就越高。  
**友谊定义**：将**一对具有一定社会关系的节点**定义为一对朋友节点。  
**式（4.1）来计算节点间的相遇可能性**。考虑到随着时间推移，节点间的友谊有可能破裂的情况，用**式(4.2)的衰减函数来实时更新节点间的相遇可能性**。为了评估节点间的友谊程度，用**式(4.3)来测试两个节点之间是否能够建立友谊**。  
![在这里插入图片描述][7ecc98c45b3245878b6eaa0921c120fe.png]

**2.自我群定义**  
自我群模型用来**描述节点的朋友圈**。**节点S的自我群定义为一个由节点S及其所有朋友组成的集合**。随着时间推移，如果节点与自我节点间的友谊断裂，则自我节点将该节点从自身的自我群中删除。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5rex5rW36Zu25aiE_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

**3.社交群**  
存在这样一群节点，节点彼此之间紧密联系，相比于群外的节点，**群内的节点彼此之间相遇非常频繁**。如果能够探测到目的节点所在的这类节点群，就可以在这个群内实现受控的洪范策略，进而提高消息投递率。  
当节点满足下列两种情况中的任意一个时，节点可以被划分到一个社交群内。  
(1)如果两个节点的自我群几乎重合，并且它们彼此都是对方的朋友，则这两个节点应该被划分到同一个社交群中。  
(2)如果一个社交群中的大部分节点都是一个节点的朋友，则该节点应该被添加进该社交群内。

**4.基于社交群的洪泛模型**  
路由模型的核心是**在目的节点所在的社交群内洪泛消息副本**，即基于社交群的洪泛模型。为了计算节点完成消息传输的潜在可能性。**首先需要将消息在社交群内的洪泛过程建模为虚拟的两跳路由模型**。  
![在这里插入图片描述][f3b612eb622c429caa33ab8bb73e5be3.png]

前一个式子表示gs沿着该路线可以将消息成功传递给节点gd的可能性。最后一个式子表示用 (gi，gd)表示节点gi沿着虚拟路径将消息成功传递给节点gd的可能性。  
![在这里插入图片描述][5d772567fa7b4f3db4d0b466b3bff607.png]

在多数DTN应用场景中，带宽资源异常珍贵，控制消息投递经过的跳数也是非常重要的路由目标。因此我们进一步简化虚拟路径，即只考虑在两跳范围内可以到达目的节点的情况。  
一跳的投递可能性：  
![在这里插入图片描述][efdf534b8d834b70a1ce601245eb838c.png]

两跳投递可能性：  
![在这里插入图片描述][2d49f74445fa47ad9a547505b06b3fff.png]

两跳内成功的可能性：  
![在这里插入图片描述][511bc7c287be448d867e9c04e54abc55.png]

每一个社交群需要维持一个**概率矩阵PM来记录和更新两个群成员间的相遇概率**。通过该矩阵可以**进一步得到矩阵PMSGd,SGd ,其中第i行第j列的元素表示最终所有的投递可能性的值。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5rex5rW36Zu25aiE_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

**中继节点的选择**：当前节点遇到一个具有更高投递可能性的非目标群节点时，需要选择它作为下一跳的中继节点。假定当前节点i携带一个目的节点为gd的消息。如果当前节点遇到一个与gd同属于社交群SGd的节点，当前节点需要将消息传递给该节点。但是当前节点遇到非目标群节点时，当前节点需要决定是否将消息传递给遇到的节点。通过**比较投递可能性**来决定。P(i,gi)代表节点i遇到目标群成员节点gi的可能性，图片后一个式子代表节点gi将消息传递给目标节点的投递可能性值。因此**矩阵Mp中的每一个元素都代表着节点i通过某个遇过的目标群成员节点可以成功交付消息的可能性**。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5rex5rW36Zu25aiE_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]

**5.消息冗余控制模型**  
**背景**：假定节点i和节点j同时携带有相同的消息副本，如果这两个节点都遇到同一个节点，则对该节点来说，其中的一个消息副本是冗余的。**具体地，如果节点i会遇到的大部分节点也会被节点j遇到，则其中的一个消息副本是不必要的。**

![在这里插入图片描述][f20357bec9644917bcf41872e5526e26.png]  
![在这里插入图片描述][80cbe379cdd2421e800aa45dd7a48543.png]  
![在这里插入图片描述][045d8b3016bd445dba2c0f3552dd8ee8.png]  
![在这里插入图片描述][2a063961de6148be891f4750bcf53d50.png]

Yk代表节点k是否会冗余。MR（i,j）代表将节点i的消息传递给j时j点上的消息冗余度。k为节点i和节点j节点集相交的点。  
![在这里插入图片描述][2a8d73e29b6f446daf9daa1ccc27fb03.png]

如果消息冗余的程度接近于1.0,则表明节点j可能会遇到的节点都可能被节点i遇到，因此没有必要再将同一个消息副本复制给节点j。相反，如果消息冗余度接近于0,则节点j是很好的中继节点，因为节点i和节点j属于不同的社交圈。

## 基于社会感知的机会路由（CAOR） ##

**1.动机**  
在真实的社交网络中， 由于**共同的兴趣节点通常会经常访问一些特定的区域**。基于此提出了一种社区感知模型，**具有共同兴趣的节点会自动形成社区，它们经常访问的区域被称之为社区家园，每个社区家园都具有一个真实的或者虚拟的投掷盒**。 基于该社区感知模型，进一步提出了一种基于社区感知的机会路由算法CAOR。  
**2.网络模型假设**  
将**节点频繁访问的区域称为社区家园**，假设节点对社区家园的访问服从泊松分布。并且假定，由于相遇持续时间受限，节点在社区家园外的偶尔相遇并不能进行消息传输。不同于当前的其他路由协议，**假定每个社区家园都持有一个用来存储和传输消息的投掷盒**。对于不存在真实投掷盒的应用场景，让频繁访问或者驻留在社区家园的节点担任虚拟投掷盒的角色。  
移动模型做出如下假设：每个节点v大部分时间只访问有限几个社区家园，并且节点v在家园的滞留时间服从参数λ(v,l)的指数分布。  
**3.社区感知模型**  
**(1)家园感知的社区概念**:一个家园感知的社区就是一个节点频繁访问同一个给定家园的社区，被频繁访问家园是所有社区成员的社区家园。并且家园l配有一个真实或者虚拟的投掷盒。  
(2)在社交容迟网络中，中心性通常被用来衡量节点在消息投递过程中的重要性。 一个具有较高中心性的节点具有更强的连接能力。通过社区内的中心性指标和社区间的中心性指标，以此来分别衡量节点在社区内和社区间进行消息传输的重要性。  
**社区内的中心性**：**是节点访问社区家园l的期望时延的倒数，即Il(v) = 1/D(v,l)=λ(v,l)**。具有最高社区内中心性的节点具有投递消息的最好能力，这也是让此类节点担任虚拟投掷盒的原因。  
**社区间的中介度**：**社区间的中介度Bl,l’(S)是中继集合S(S⊆Cl∩Cl’)中的节点相互合作将消息从社区l传递到社区l’的期望时延**。中介度越小，集合S的传输能力越强。它是衡量一个节点集连接不同社区的能力。  
**机会路由**：**每一个消息发送者（社区家园或者节点）有一个中继集合 （社区家园或者节点集合）**。一旦集合内的某个中继节点遇到消息的发送者，发送者便让这个中继节点来传输该消息。换句话说\*\*，中继集合中第一个遇到消息发送者的中继节点将承担消息传输的任务\*\*。  
**4.CAOR概述**  
**（1）最优机会路由**：消息发送者总是将消息传递给这样一个中继节点，**该节点到目的节点的最小期望时延更小**。（只需计算并且比较从消息发送者到目的节点的最小期望时延和从中继节点到目的节点的最小期望时延即可）  
**（2）基本思想**：分为**初始化阶段和路由阶段**。初始化阶段通过网络建模将具有|V|个节点的网络简化为具有|L|个社区家园的网络。进而基于这个简化模型，路由阶段基于上述最优机会路由规则进行消息路由。  
**初始化阶段**：首先，每个社区家园l评估从自身到其他社区家园的最优中介集合。其次社区家园l将整个最优中介集合看作一个虚拟的节点，为社区l与社区l’通过进行的消息传递**建立一个虚拟的连接并且为该虚拟连接赋予一个权重值**。最后，社区家园l将该连接的权重值告知其他节点，并从其他节点获得类似的权重值。基于这些权重值，社区l可以构建一个加权图G =<L,W>。此外，当连接权重的变化超过预设的门限值时，社区家园需要将更新的值告知其他节点。  
![在这里插入图片描述][b809e372d02b4d4da307bc0145ec157b.png]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5rex5rW36Zu25aiE_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]

当最优中介集合为\{v1\}时，最小期望时延12。当节点v2被加入后，期望时延变为15/2。然而当节点v3被加入后，期望时延增加，变为55/7。因此得岀最优中介集合为\{v1,v2\}。  
**路由阶段**：**首先，节点V从社区家园li得到加权图G,然后将其自身和目的节点加入图G,进而得到扩展图G+=〈L+,W+〉**。其次，在扩展图G+中， 家园（也就是节点v）通过一个逆向Dijkstra算法计算期望时延D(ln,lo)和D(li,lo)。最后家园ln(也就是节点v)比较D(ln,lo)和D(li,lo)的大小，让具有更小时延的节点负责传输消息。

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