鐘 贇,夏靖波,付 凱,尹 譯,李智偉
(1.空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院,陜西 西安710077;2.75150部隊(duì),湖南 衡陽421131)
在容遲容斷網(wǎng)絡(luò) (DTN)[1]中,節(jié)點(diǎn)分布稀疏、移動(dòng)頻繁且緩存和能量有限,傳統(tǒng)的路由算法并不適用。消息的傳遞主要采用 “store-carry-forward” (存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā))機(jī)制,通過中繼節(jié)點(diǎn)傳送給目的節(jié)點(diǎn),常用于農(nóng)地?cái)?shù)據(jù)收集網(wǎng)絡(luò)[2]、車載網(wǎng)絡(luò)[3]和水下網(wǎng)絡(luò)[4]等延遲較大、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠嘧兊木W(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
目前,研究人員提出的典型DTN 路由算法包括Epidemic算法、PROPHET 算法以及Spray and Wait算法。Epidemic傳染機(jī)制算法中,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將消息副本復(fù)制給相遇節(jié)點(diǎn),但由于節(jié)點(diǎn)能量和緩存受限,容易造成消息的大量重傳和丟棄,網(wǎng)絡(luò)開銷大[5];PROPHET 算法根據(jù)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,利用歷史相遇信息預(yù)測到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的概率,將消息復(fù)制給完成數(shù)據(jù)傳遞概率更大的節(jié)點(diǎn),從而限制了消息副本的數(shù)量,降低了網(wǎng)絡(luò)資源消耗[6,7];Spray and Wait算法限制消息轉(zhuǎn)發(fā)的上限數(shù)目n,這種機(jī)制避免產(chǎn)生過多的消息,從而造成網(wǎng)絡(luò)開銷的爆發(fā)式增長[8]。
DTN 網(wǎng)絡(luò)資源受限的特性,決定了節(jié)點(diǎn)的緩存狀況是制約路由算法效能的關(guān)鍵因素。文獻(xiàn) [9]提出一種考慮由于節(jié)點(diǎn)緩存不足出現(xiàn)擁塞情況的概率路由算法,結(jié)合節(jié)點(diǎn)相遇概率和節(jié)點(diǎn)擁塞時(shí)間得到消息的遞交概率,提高了消息的遞交率,但是節(jié)點(diǎn)擁塞時(shí)間是動(dòng)態(tài)變化的,難以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì);文獻(xiàn) [10]考慮了在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)因緩存不足出現(xiàn)擁塞時(shí),丟棄低優(yōu)先級消息以保證高優(yōu)先級消息傳輸,并沒有考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生之前緩存大小的影響作用;文獻(xiàn)[11]為了緩解DTN 中熱點(diǎn)區(qū)域的擁塞狀況,定義了節(jié)點(diǎn)的擁塞率,依據(jù)對接觸歷史、節(jié)點(diǎn)預(yù)期緩存的分析,重新進(jìn)行了轉(zhuǎn)發(fā)效用整合,但算法的計(jì)算復(fù)雜度較高。
針對現(xiàn)有算法的不足,本文關(guān)注節(jié)點(diǎn)緩存狀況對DTN路由算法的影響,設(shè)計(jì)了基于節(jié)點(diǎn)緩存剩余率的DTN 概率路由算法,在計(jì)算相遇概率值和消息丟棄時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)緩存狀況,并在消息轉(zhuǎn)發(fā)和丟棄時(shí)設(shè)置合理閾值,避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞造成的網(wǎng)絡(luò)性能下降,提高了消息遞交率,降低了網(wǎng)絡(luò)開銷。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)緩存受限時(shí),往往不能無限制地接受其它節(jié)點(diǎn)的消息轉(zhuǎn)發(fā),而是要選擇性地進(jìn)行接收。PROPHET 算法沒有采用洪泛機(jī)制進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā),而是根據(jù)節(jié)點(diǎn)記錄的歷史相遇消息確定是否進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),能夠有效地降低網(wǎng)絡(luò)資源的消耗[6],但還存在一定的問題。設(shè)想以下場景:節(jié)點(diǎn)a攜帶發(fā)往節(jié)點(diǎn)d的消息,節(jié)點(diǎn)b和c都進(jìn)入了節(jié)點(diǎn)a的通信范圍,且兩節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)概率基本相同,而節(jié)點(diǎn)b的緩存較大,節(jié)點(diǎn)c的緩存較為有限。在此種條件下,節(jié)點(diǎn)c可能會(huì)在以后與其它節(jié)點(diǎn)的接觸中出現(xiàn)擁塞,從而影響消息的轉(zhuǎn)發(fā)。PROPHET 算法單純以歷史相遇概率作為轉(zhuǎn)發(fā)依據(jù),則a將消息轉(zhuǎn)發(fā)給b和c的概率基本相同,而沒有考慮節(jié)點(diǎn)緩存的影響,實(shí)際上節(jié)點(diǎn)b為較為理想的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。
為避免上述情況的發(fā)生,本文基于PROPHET 算法,提出一種考慮節(jié)點(diǎn)緩存狀況的節(jié)點(diǎn)緩存感知算法NBAPR(node buffer-aware probabilistic routing algorithm),該算法在計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)效用時(shí)引入了節(jié)點(diǎn)緩存的影響,在轉(zhuǎn)發(fā)消息有兩個(gè)備選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí),盡量選擇節(jié)點(diǎn)緩存剩余比值較高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),從而減少因節(jié)點(diǎn)緩存不足造成的消息丟失。
DTN 中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)緩存單元用于存儲(chǔ)等待轉(zhuǎn)發(fā)的消息,各個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存大小都是有限的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始緩存記為Binit,節(jié)點(diǎn)的剩余緩存記為Bcur,節(jié)點(diǎn)剩余緩存率記為BE。顯然,有BE=Bcur/Binit。
本文根據(jù)節(jié)點(diǎn)緩存剩余率設(shè)置節(jié)點(diǎn)狀態(tài),定義節(jié)點(diǎn)緩存剩余率門限η1、η2,按照節(jié)點(diǎn)緩存占用率,將節(jié)點(diǎn)劃分為高緩存節(jié)點(diǎn) (HBN)、中緩存節(jié)點(diǎn) (MBN)和低緩存節(jié)點(diǎn) (LBN),特別地,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余緩存率為0時(shí),則稱節(jié)點(diǎn)進(jìn)入擁塞狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的劃分規(guī)則定義為
式中:Node(i)——節(jié)點(diǎn)i所屬的節(jié)點(diǎn)類型。
在DTN 的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,PROPHET 算法只考慮了節(jié)點(diǎn)的相遇概率,而沒有考慮影響制約消息傳輸性能的節(jié)點(diǎn)緩存狀況。因此,本文算法在PROPHET 算法上針對更新公式和老化公式進(jìn)行了改進(jìn)。
首先,在更新公式中引入節(jié)點(diǎn)剩余緩存占比的影響,若節(jié)點(diǎn)的剩余緩存占比越高,則更新后概率越高,從而緩存剩余率較高的節(jié)點(diǎn)更有可能被選擇為消息傳輸節(jié)點(diǎn)。具體計(jì)算方法如下
式中:Pinit——初始概率值,BE——節(jié)點(diǎn)的剩余緩存占比,D——緩存剩余率對轉(zhuǎn)發(fā)概率的影響因子 (D>1,Pinit×D<1)。
其次,節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)效用的老化不僅受節(jié)點(diǎn)間未相遇時(shí)間間隔的影響,而且與節(jié)點(diǎn)的剩余緩存率有關(guān),節(jié)點(diǎn)的剩余緩存率越高,則對該節(jié)點(diǎn)的遞交效用老化的速率也就越慢。如下式所示
式中:γ——節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)概率的老化因子,控制節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)概率老化的速度;k 是兩節(jié)點(diǎn)上次相遇時(shí)刻到當(dāng)前時(shí)刻的時(shí)間間隔。
再次,傳遞公式反映了消息遞交概率的傳遞性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)a、b經(jīng)常相遇,b、c兩節(jié)點(diǎn)也經(jīng)常相遇,則可以認(rèn)為節(jié)點(diǎn)b是a、c的良好中繼節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)a、c間的概率定義如下
式中:β——轉(zhuǎn)移因子,取值范圍為 (0,1],表示概率傳遞性對消息遞交概率的影響大小。
本文算法需要每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)節(jié)點(diǎn)緩存剩余率表,用于記錄該節(jié)點(diǎn)可用緩存占總緩存的比值。為了便于研究,假設(shè)節(jié)點(diǎn)緩存剩余率表的大小相對于消息大小來說較小,并不占用緩存空間。
對于DTN 網(wǎng)絡(luò)來說,節(jié)點(diǎn)的緩存狀況很大程度上會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)性能。因此,在每次進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)之前,對自身節(jié)點(diǎn)和對方節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)檢測可以有效減少因?yàn)槊つ哭D(zhuǎn)發(fā)而造成低緩存節(jié)點(diǎn)陷入擁塞的機(jī)率,從而提高節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的效率。具體的轉(zhuǎn)發(fā)策略規(guī)定如下。
(1)在自身為低緩存或中緩存節(jié)點(diǎn),對方為高緩存節(jié)點(diǎn)時(shí),判斷對方節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)效用P(b,c)>ρ1 是否成立,若成立,則進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。ρ1 是一個(gè)非負(fù)常量,表明節(jié)點(diǎn)b的轉(zhuǎn)發(fā)概率必須多大時(shí)才能從低緩存節(jié)點(diǎn)獲得消息。設(shè)置合理的ρ1 值可以避免發(fā)送節(jié)點(diǎn)陷入擁塞狀態(tài)后進(jìn)行消息丟棄策略后刪除消息,從而導(dǎo)致消息遞交率的降低,并且在一定程度上有利于緩解自身的低緩存狀況。
(2)在檢測對方節(jié)點(diǎn)為低緩存節(jié)點(diǎn)時(shí),判斷對方節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)效用P(b,c)<ρ2 是否成立,若成立,則不進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。ρ2 是一個(gè)非負(fù)常量,表明節(jié)點(diǎn)b的轉(zhuǎn)發(fā)概率必須多小時(shí)才拒絕接收消息。設(shè)置合理的ρ2 值可以避免消息轉(zhuǎn)發(fā)后加重對方節(jié)點(diǎn)的低緩存狀況,以致陷入擁塞。
(3)在其它情況下,消息進(jìn)行正常轉(zhuǎn)發(fā),按照轉(zhuǎn)發(fā)效用的相對大小決定消息是否進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
節(jié)點(diǎn)的緩存資源是有限的,在緩存達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí),必須進(jìn)行消息丟棄,以釋放緩存空間,減少不必要的資源浪費(fèi)。目前,丟棄消息的策略主要包括:①DF (drop front):丟棄緩存空間中存在時(shí)間最長的消息;②DO (drop oldest):丟棄緩存空間中生存時(shí)間最小的消息;③DY (drop youngest):丟棄緩存空間中生存時(shí)間最大的消息。
本文提出一種綜合考慮消息TTL和消息進(jìn)入緩存時(shí)長的組合丟棄策略,定義消息生存度值
式中:RTTL——消息的TTL剩余率,TB——消息進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存的時(shí)長。消息的MSD 值越小,則消息的生存性越差,消息的緩存利用效率越低,因此在出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)擁塞時(shí)優(yōu)先丟棄MSD 值最小的消息,減少剛進(jìn)入節(jié)點(diǎn)緩存和剩余生存時(shí)間較長的消息就被刪除的可能性。
傳統(tǒng)的PROPHET 路由算法是多副本路由算法,節(jié)點(diǎn)將消息轉(zhuǎn)發(fā)后將繼續(xù)保存該消息副本直至節(jié)點(diǎn)緩存達(dá)到飽和,然后節(jié)點(diǎn)對緩存內(nèi)的消息進(jìn)行相應(yīng)的丟棄策略,這種緩存管理機(jī)制勢必會(huì)造成緩存資源的浪費(fèi)。節(jié)點(diǎn)將消息轉(zhuǎn)發(fā)后,合理地刪除保存在自身緩存中的消息副本,能夠充分利用節(jié)點(diǎn)的緩存資源,減小網(wǎng)絡(luò)資源的消耗。本文算法設(shè)置副本刪除閾值Pth,當(dāng)更新后的轉(zhuǎn)發(fā)概率P(b,c)>Pth時(shí),認(rèn)為節(jié)點(diǎn)b將消息轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)的概率較大,a無需再進(jìn)行消息的保存。
參數(shù)D 為節(jié)點(diǎn)緩存剩余率對轉(zhuǎn)發(fā)概率的影響因子,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剩余緩存比較多時(shí),即BE趨近于1,緩存對轉(zhuǎn)發(fā)概率的影響較小,則D 的取值應(yīng)該相應(yīng)較?。环粗?,節(jié)點(diǎn)緩存對轉(zhuǎn)發(fā)概率的影響較大,則D 的取值應(yīng)該相應(yīng)較大。本文近似認(rèn)為D 的取值與節(jié)點(diǎn)緩存剩余率成線性關(guān)系,D 值定義如下
其中,Dinit=1,代表通信進(jìn)入初始階段,各節(jié)點(diǎn)剩余緩存率接近于1,轉(zhuǎn)發(fā)概率更新公式退化為經(jīng)典PROPHET 算法中的公式,顯然有D>1,Pinit×D=1- (1-Pinit)×BE<1。
本文采用ONE 仿真平臺(tái)[12],它是基于Java開發(fā)的,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型、路由算法的可配置圖形化仿真,并可以提供結(jié)果報(bào)告和分析模型;使用OpenJUMP軟件繪制WKT 格式的節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)地圖文件,模擬了空中信息網(wǎng)絡(luò)飛行節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)路徑。
仿真場景的設(shè)置對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是顯著的,本文采取的仿真區(qū)域大小為2000×2000 m,模擬了實(shí)際通信環(huán)境。包含24個(gè)節(jié)點(diǎn),共分為3組,其中臨近空間飛行節(jié)點(diǎn)10個(gè),高空飛行節(jié)點(diǎn)9個(gè),低空飛行節(jié)點(diǎn)5個(gè),均采用基于地圖路線的移動(dòng)模型,各組節(jié)點(diǎn)按照其功能特點(diǎn)設(shè)置對應(yīng)的通信范圍和移動(dòng)速度。設(shè)置仿真時(shí)間為12h,消息生成間隔時(shí)間為60s,消息大小為0.5 MB。表1為本文算法的參數(shù)配置,其它算法采用默認(rèn)配置。
表1 本文算法參數(shù)
(1)消息遞交率:衡量DTN 網(wǎng)絡(luò)性能的主要指標(biāo)包括消息遞交率、網(wǎng)絡(luò)開銷和平均時(shí)延,DTN 路由設(shè)計(jì)的目的就是最大化消息遞交率,最小化平均時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)開銷。消息遞交率是其中最重要的指標(biāo),消息遞交率定義為
式中:Nt——網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的消息總數(shù),Nr——網(wǎng)絡(luò)中被目的節(jié)點(diǎn)成功接收的消息總數(shù)。
(2)網(wǎng)絡(luò)開銷:網(wǎng)絡(luò)開銷是指網(wǎng)絡(luò)中未被中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)目與成功被轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)消息數(shù)目的比值。網(wǎng)絡(luò)開銷定義為
式中:Np——中繼的消息數(shù)量,Nr——成功遞交的消息數(shù)量。
(3)平均時(shí)延:平均時(shí)延是指所有被目的節(jié)點(diǎn)成功接收的消息從源節(jié)點(diǎn)發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)所花費(fèi)的平均時(shí)間。平均時(shí)延定義為
式中:Ti,t——第i個(gè)消息由源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的時(shí)間,Ti,r——第i個(gè)消息被目的節(jié)點(diǎn)接收的時(shí)間,n——所有被遞交的消息數(shù)。
仿真實(shí)驗(yàn)首先對比了NBAPR、PROPHET 和Epidemic這3種算法下網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)受消息生存時(shí)間 (TTL)影響的情況,然后對比了3種算法在不同鏈路帶寬下的性能差異。
3.3.1 消息生存時(shí)間因素
圖1和圖2顯示,隨著消息生存時(shí)間的增大,網(wǎng)絡(luò)中的消息數(shù)目越來越多,包括節(jié)點(diǎn)緩存在內(nèi)的大量網(wǎng)絡(luò)資源被占用,網(wǎng)絡(luò)開銷隨之漸增,消息的傳遞效率相應(yīng)降低。Epidemic算法性能最差,說明在資源受限的真實(shí)場景中,洪泛式的轉(zhuǎn)發(fā)算法并不能取得良好的效果;NBAPR 算法在進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),引入了節(jié)點(diǎn)緩存狀況的影響,調(diào)整了消息丟棄策略和副本刪除策略,很好地控制了消息的復(fù)制數(shù)目,提升了節(jié)點(diǎn)緩存的利用效率,從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)開銷的下降和消息遞交率的提高;PROPHET 算法在消息遞交率上略優(yōu)于Epidemic算法,在網(wǎng)絡(luò)開銷上介于Epidemic和NBAPR 算法之間。
圖1 TTL對遞交率的影響
圖2 TTL對網(wǎng)絡(luò)開銷的影響
圖3顯示,隨著消息生存時(shí)間的增大,3種算法的平均時(shí)延總體上呈現(xiàn)增長態(tài)勢。由于Epidemic算法采用洪泛機(jī)制,容易使網(wǎng)絡(luò)陷入擁塞,所以平均時(shí)延增長較快;NBAPR算法在進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí),在對中繼節(jié)點(diǎn)的選擇上條件更加苛刻,從而導(dǎo)致了NBAPR 算法的平均時(shí)延要大于PROPHET 算法;PROPHET 算法在消息生存時(shí)間大于2h時(shí),平均時(shí)延變化不大,趨于穩(wěn)定。
圖3 TTL對平均時(shí)延的影響
3.3.2 鏈路帶寬因素
圖4描述了此場景下的消息遞交率變化情況。NBAPR算法比PROPHET 算法平均提升了14.7%,且隨著鏈路帶寬的提高有逐漸擴(kuò)大的趨勢;當(dāng)帶寬在2 Mbps-5 Mbps區(qū)間內(nèi)時(shí),Epidemic算法的消息遞交率高于PROPHET 算法,但當(dāng)帶寬達(dá)到6 Mbps左右時(shí),PROPHET 算法的遞交率出現(xiàn)了躍升。
圖4 鏈路帶寬對交付率的影響
圖5顯示,NBAPR 算法在網(wǎng)絡(luò)開銷方面同樣表現(xiàn)最好,比PROPHET 算法平均提升了44%,且隨著鏈路帶寬的提高,NBAPR 算法的網(wǎng)絡(luò)開銷下降趨勢較為明顯;Epidemic算法在網(wǎng)絡(luò)開銷方面的性能則遠(yuǎn)遜于NBAPR 和PROPHET 算法。
在平均時(shí)延方面,圖6顯示了3種路由算法的平均時(shí)延均隨著鏈路帶寬的增大而減小。在網(wǎng)絡(luò)資源有限的條件下,Epidemic算法的平均時(shí)延較大;NBAPR 算法受鏈路帶寬影響較大,鏈路帶寬在2 Mbps-4 Mbps時(shí),平均時(shí)延出現(xiàn)陡降,隨后平均時(shí)延趨于穩(wěn)定,與PROPHET 算法接近;PROPHET 算法的平均時(shí)延受鏈路帶寬的影響不像另外兩種算法大,總體上較為穩(wěn)定。
圖5 鏈路帶寬對網(wǎng)絡(luò)開銷的影響
圖6 鏈路帶寬對平均時(shí)延的影響
DTN 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境苛刻,其網(wǎng)絡(luò)資源受限的特性給設(shè)計(jì)合理高效的路由協(xié)議帶來了極大的挑戰(zhàn),如何充分考慮節(jié)點(diǎn)能量、緩存等網(wǎng)絡(luò)資源狀況,以較少的網(wǎng)絡(luò)資源消耗實(shí)現(xiàn)較高的網(wǎng)絡(luò)性能,是DTN 路由協(xié)議設(shè)計(jì)的重要方向。
本文結(jié)合PROPHET 算法,綜合考慮節(jié)點(diǎn)緩存狀況和歷史相遇信息計(jì)算節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)效用,合理設(shè)置消息轉(zhuǎn)發(fā)策略中的遞交閾值控制消息的復(fù)制;同時(shí),在緩存管理策略和冗余副本刪除策略也做出對應(yīng)的優(yōu)化。在網(wǎng)絡(luò)性能評估中,本文算法在消息遞交率和網(wǎng)絡(luò)開銷兩個(gè)性能指標(biāo)上得到了較大提升,同時(shí)網(wǎng)絡(luò)的平均延遲也控制在較好水平。下一步的研究重點(diǎn)是如何設(shè)置更加科學(xué)合理的遞交閾值,實(shí)現(xiàn)算法在不同環(huán)境中性能提升的普適性。
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