论文研究-生物网络方法在DTN保管传递机制设计中的应用.pdf

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延迟容忍网络(DTN)中的保管传递机制存在着节点资源不足,束传输不可靠等问题。分析了存储资源的受限对束传输可靠性的影响,并借鉴生物网络机理,提出了基于生物网络的保管传递机制,设计具有免疫行为的生物实体并代理保管束,生物实体通过自组织协作完成保管传递,可以有效地降低分组丢失率。最后以智能服装无线传感器网络为例,通过试验评价该机制及其性能,证明了其有效性。
邵清,丁永生,胡志华,等:生物网络方法在DTN保管传递机制设计中的应用2009,45(36) 示。属性执行生物实体的描述信息,本体包含功能信息,行为包 Select(B 括生物学操作。生物实体能进化、对环境产生反应、响应其他的 Send(B;B;C(g))→B 生物实体以及与其他的生物实体通信。生物实体的进化过程包 Getack(B;B;C(g))/等待消息往返时间AckB;B;C(g)信息 含一些内部状态。能量驱动和信息传送被用来作为控制生物实 If (not rcccivcd Ack(B,; B; C(g))) 体状态转变的机制。在生物实体出生和消失期间,不同状态之 I Select(K) 间的转变能通过转换操作来完成。 Send(B;B;C(g)→K传送(B;B;C(g)到其中每 生物实体如果有效提供保管代理,会拥有较高的能量,而个个体 较差的保管代理会使生物实体能量降低,直至死亡。随着时间 GetAck(B;B;C(g)∥等待响应Ack(B;B;C(g)消息 的推移,实体代理会趋向更有效,从而按照“优胜劣汰”的自然 If(have not received Ack(B; B c(g))message 选择机理达到保管传递的自进化。同时对于网络环境的变化, Declare B; as failed 生物实体会按照生物行为对束进行相应的合并、分离等操作 End if j Else 动态地适应环境。通过这种方式来构建分布的保管代理,生物 i B Migrate(N (k)) 实体设计相对简单,而系统的自进化、自组织、自适应能力是智 能调节下多个生物服务实体共同作用的结果。 Cmin(h )=min,eNaC T=o Ce. =Cmin) 3.3保管传递设计模型 Q=Q→} 在基于生物网络的保管传递模型中,将节点定义为生物实 End if 体所在的组织。生物实体的集合定义为E=el,组织定义为 End while End O=[ol1,e.o∈O指定生物实体归属的组织,通过 oes co得到 这里DTN用有向图G=(V,E)表示,V是非空节点集,代 组织的生物实体集合。生物实体用于产生合适的保管代理,使 表节点υ的k跳内距离最近的节点集合,可表示为N(k)= 束尽可能向终点传递,产生方式定义为G=H。每一个保管代{ol(n,)≤h,eV。其中d(x,y)是路径xy的最小跳数 理的产生都可以在同一个组织内得到满足。因此,定义 gets C是跳数半径;E是连接节点的边集,代表网络中节点间的链路 ET表示一种生物实体序列。如果选择一个∈O执行gCG,则集合,如果i与j之间存在连接,且容量大于零,则边e在E 对于每一个e∈gels,都有相应的e∈O满足ee=el。对于每 中;权值ωr与ωs之和必须等于 个et∈ET,它的迁移代价可以统一为C(et),可以用一个正态 分布函数模拟其迁移,即C(et)=Na(et),(et)。从而对于任4应用实例 意一个gCG,可以通过式(1)计算其预计迁移代价,显然C(g 针对智能服装传感器网络,给出基于生物网络的保管传递 也满足正态分布。而对于每一个o∈O,其可以承受的最大负荷模型的具体应用。在生物网络平台上,设计和实现生物实体及 C(o)=N(u(o),O(o))。 其相互作用,验证基于生物网络的保管传递机制的优越性。 )=∑cet 智能服装无线传感器网络采用DIN网络体系结构,可以 实现短距离的人体健康监护等应用。在智能服装中采用新型传 在某一个时刻t≥0,使用Acme(t,e)判断生物实体的活动咸器检测人体的各种生理信号,通过网络传送至远程医疗服务 状态,如果 Active(,e)=1,则表明在时刻t生物实体处于激活站进行信息融合和计算识别诊断身体状况,并将诊断结果实时 状态,否则 Active(t,e)=0。可以通过式(2)计算当前的组织o∈ 反馈给用户,发现异常时回馈治疗建议。由于智能服装中每个 O的可用资源。 生理信号都非常重要,需要保证分组丢失率尽可能地小。 C(,o)=C(o)-2(Active(e).c(e)) 图4为面向保管传递的智能无线传感器网络结构。无线传 对于DIN,从性能目标来看,尽可能减少束在保管代理之 医疗 服务站 间振荡,把束传递到终点是最重要的。如果振荡过多,从该文关 专用网络 于保管代理的表示来看,就是将趋于正态分布的+∞方向。因 中央 此,建立式(3)所示的动态优化模型。 协周器 f(=Stdoeo(C(t,o)) (3) 简约节点 满足条件C(t,)≥0,Vo∈O 3.4保管传递设计模型生物实体迁移的通信算法 基于上述保管传递模型,给出实体迁移的通信算法。该算 法通过计算节点的迁移代价来选择合适的保管代理,具有低负 保管传递设计层 荷和低延迟的特点。实体迁移通信算法是生物实体迁移方式下 的通信管理。 监控 检测 管理 生 物 网 通信 转换 决策 Q←-{V while Q≠{}do [C(g=t(g)or+s(g)os 图4面向保管传递的智能无线传感器网络结构图 1222009,45(36) Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 感器网络部署在智能服装内。各简约节点部署在人体的不同部 45000 位,负责采集生理信号;中央协调器负责接收和转发各节点数 传统保管传递 40000 亡基于生物网络的保管传递 据,再通过专用网络将采集到的数据发送到医疗服务站作进 35000 步处理。 30000 41试验设计 H25000 基于生物网络的保管传递机制的仿真实验是在试验室的 20000 生物网络平台上进行的。该平台设计了Jaa编写的软件接口 -△ 15000 公用结构体、仿真器,并支持即插即用和灵活的操作。该试验对 500100015002000 节点存储容量/KB 原生物网络平台增加了保管传递设计模型,模拟了DTN环境, 图6节点存储容量与分组丢失次数的关系 实现了对保管传递的仿真操作。试验模拟了多节点的保管请 (设定间断链接次数为3) 求,模拟拓扑结构图是从一个实际的智能服装传感器网络(由 9个节点组成)借鉴的,传感器节点被放置在一个1mx1m的方案下节点存储容量与分组丢失次数的关系。当网络存在相同 网格中。通常传感器会出现周期性休眠,且以较低的占空比存间断链接次数的情况下采用基于生物网络的保管传递机制产 储能量。这会造成网络频繁地断开,且无法立即反馈传送。这里生分组丢失次数较少。 假定网络链接间断固定,每个间断连接的占空比为0.25(25% 试验表明具有生物个体特点的生物实体所构建的保管传 正常连接,75%间断)。每个连接的带宽为10kb/s,延迟时间递模型有效地提高了束传输的可靠性,能够满足DTN网络的 1ms开始时网络中所有连接都是正常的。生物实体布置在平需求。 台上,初始有4个生物实体。每个实体的能量初值为20000(生 物实体每秒花费1个能量单元使用平台资源),节点需求频率5结束语 为10次/。 提出了一种基于生物网络的保管传递机制,建立面向保管 该文设计了两个状态的对比试验,一个设置为传统保管传传递的生物网络平台,对生物实体组织计算进行建模,设计实 递,另一个为基于生物网络的保管传递。将消息传递请求随机体迁移通信算法,通过计算节点的迁移代价来选择合适的保管 地分配到每个节点,以网络间断链接次数、节点存储容量以及代理,具有低负荷和低延迟的特点。在应用于无线传感器网络 分组丢失次数作为测量指标,分析网络的基本特性。试验配置中,通过比较是否采用生物网络的策略,以及两种策略下间断 了运行生物实体(设计了变异和交叉、复制、死亡等生物操作)链接次数和节点存储容量对分组丢失次数的影响,表明了基于 的系统状态,分别作相关的数据仿真。在每项试验中,系统迭生物网络的保管传递机制具有较好的性能,在网络断开频繁和 代12000个时间单位,在统计试验结果时摒除前后的1000次点存储资源有限的情况下能够有效地减少分组丢失次数。下 迭代。 步的工作将会进一步扩充保管传递模型,进行应用,研究生 4.2试验结果分析 物网络机理对于DIN端到端可靠性优化的价值。 定义CT(g)表示产生保管代理g∈G的标准时间,而 CTg)则表示实际时间。网络的分组丢失次数通过式(4)中定参考文献: 义的Cg)度量。显然,C(g)越小则对g的响应越好。通过式 I Cerf V, Burleigh S, Hooke A, et al. Delay- tolerant networking archi-- (5)中定义的Cr(G)可以衡量网络对于整个保管代理序列G tectureeb/ol-2007].htTp://www.ipnsig.or [2] Delay Tolerant Network Research Group( DTNRG )[EB/OL].[2008] 的响应能力,计算分组丢失次数。 http://www.dtnrg,org C(g)= CTS( (4) [3] Jain S, Demmer M, Patra R Using redundancy to cope with failures CTR) in a delay tolerant network(CVISIGCOMM, Pennsylvania, USA, 2005 CT(G)=AugedcT(g)) (5) 363-373 图5显示了两种不同方案下间断链接次数与分组丢失次 [4 Lindgren A, Doria A, Schelen O Probabilistic routing in intermit- 数的关系。可以看出采用基于生物网络的保管传递机制比采用 tently connected networks[J].SIGMOBILE Mobile Computing Com- 传统保管传递机制分组丢失次数要少。图6则描述了两种不同 munications Review. 2003.7: 54-62 45000 5 Fall K, Hong W, Madden S Custody transfer for reliable delivery in 日传统保管传递 4000-4基于生物网络的保管传递 dclay tolerant nctworks, IRB TR-03-030[R.Intcl Rcscarch Bcrkclcy 35000 2007 16 Seligman M, Fall K, Mundur P Alternative custodians for congestion 30000 control in delay tolerant networks [Cy/SIGCOMM, Pisa, Italy, 2006 25000 20000 [7 Thomas M, Phand S, Gupta A Using group structures for efficient 间断链接次数 36 g in delay tolerant networks[J].Ad Hoc Networks,2009, 7: 344- 图5间断链接次数与分组丢失次数的关系 (下转243页)

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