0 引言

    機(jī)會網(wǎng)絡(luò)^[1-2]是一種不需要在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間存在完整鏈路、利用節(jié)點(diǎn)移動帶來的相遇機(jī)會實(shí)現(xiàn)通信的時延和分裂可容忍的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，在軍事、災(zāi)難救助以及偏遠(yuǎn)野外地區(qū)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。目前，機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的研究是基于節(jié)點(diǎn)具有良好的協(xié)作性，然而，由于機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的資源有限，為節(jié)約資源，節(jié)點(diǎn)都存在一定的自私性，自私節(jié)點(diǎn)通常會拒絕為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，這種自私行為勢必會嚴(yán)重影響機(jī)會網(wǎng)絡(luò)正常的路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能退化。

    目前，國內(nèi)外對于含自私節(jié)點(diǎn)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)取得了一些成果，人們提出了各種激勵機(jī)制來激勵節(jié)點(diǎn)協(xié)作^[3-7]，尤其是近年來越來越多地采用了經(jīng)濟(jì)學(xué)方法中的博弈理論^[4-6]?；贐arter機(jī)制的算法是一類典型的基于博弈論的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)路由算法，該算法基于互惠機(jī)制，博弈雙方互相交換彼此感興趣或者具有潛在價(jià)值的消息。BUTTYAN L等^[4]提出了Barter機(jī)制，主要用于激勵網(wǎng)絡(luò)中自私節(jié)點(diǎn)對自己不感興趣分組的“存儲-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”。LIN C S等^[5]提出了基于Barter機(jī)制的針對對等網(wǎng)絡(luò)(P2P)流媒體系統(tǒng)中自私節(jié)點(diǎn)的機(jī)制。ZHANG C等^[6]結(jié)合信譽(yù)機(jī)制中虛擬貨幣交易的特點(diǎn)改進(jìn)了原始Barter機(jī)制，提出了一種全新的激勵范式C4，但未考慮分布式網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的自私性。由上可知，現(xiàn)有基于Barter機(jī)制的路由算法仍然是僅考慮兩兩節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行的交易，未考慮分組交易存在的僵局問題，有進(jìn)一步改善的需要。

    本研究基于上述研究成果，并在文獻(xiàn)[4]的基礎(chǔ)上，提出了一種全新的角度——基于協(xié)作中繼的博弈模型，對歸一化時間內(nèi)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)吞吐量及時延進(jìn)行了分析，仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了本模型的有效性。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述

1.1 系統(tǒng)描述

    設(shè)任一含自私節(jié)點(diǎn)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中，自私節(jié)點(diǎn)只轉(zhuǎn)發(fā)自己感興趣的數(shù)據(jù)分組。BUTTYAN L等^[4]提出任何分組都有其潛在價(jià)值，當(dāng)前不感興趣的分組將來可用來交換感興趣的分組。在Barter機(jī)制中，節(jié)點(diǎn)感興趣的分組初始價(jià)值量為1，不感興趣的分組初始價(jià)值量是自身采取的博弈策略S_i={S₁，S₂，…，S_m}（0＜S_i＜1）。部分變量定義如表1所示。

1.2 機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的博弈模型

    含自私節(jié)點(diǎn)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)具有自私而有理性的特點(diǎn)，在模型方面與傳統(tǒng)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)有所不同，故作出如下定義。

    定義1 博弈模型：機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的博弈模型為G=[V，{S_i}，{π_i}]；其中，節(jié)點(diǎn)集合V={v₁，v₂，…，v_n}，n>1，即為博弈參與者；策略集合S_i={S₁，S₂，…，S_m}，1≤m≤n(n-1)，表示節(jié)點(diǎn)對自己不感興趣分組與感興趣分組的比值；收益函數(shù)?仔i(S1，S2，…，Sm)表示網(wǎng)絡(luò)中參與者采取策略后網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際吞吐量。

    定義2 數(shù)據(jù)分組屬性：含自私節(jié)點(diǎn)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)分組主要有兩種屬性：分組興趣屬性ζ(0<ζ<<1)與分組價(jià)值折扣屬性(見式(3))。

    定義3 實(shí)際吞吐量模型：實(shí)際吞吐量G_i(0≤G_i(t)≤1)是節(jié)點(diǎn)i在每個歸一化時間內(nèi)成功傳遞分組獲得的累計(jì)價(jià)值，節(jié)點(diǎn)i的該值可以在一個理想的情況下表示為：

    在RACR中，博弈參與者的收益只依賴于其選擇的博弈策略，且博弈參與者在其策略空間中選取惟一確定的策略進(jìn)行博弈，因此，這個博弈有對稱的純策略均衡解。

    綜上分析可知，不難判斷一個策略組合{s′}是否是納什均衡。對任意參與者i(i∈V)，若i采取背叛策略能夠獲得更多的收益，則{s′}不是納什均衡。由于參與者具有相同的收益函數(shù)，若{s′}是參與者i的最優(yōu)策略，則{s′}也是其他參與者的最優(yōu)策略。

1.3 問題描述

    (1)僵局問題：由于交易的公平性要求，分組交換由可交換數(shù)目小的一方?jīng)Q定，進(jìn)行等量交換。若一個節(jié)點(diǎn)有分組需要轉(zhuǎn)發(fā)，對方節(jié)點(diǎn)無該節(jié)點(diǎn)需要的分組或無足夠分組與前者交換，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)陷入僵局，造成網(wǎng)絡(luò)等待時延，稱之為“僵局問題”。

    (2)現(xiàn)有的Barter機(jī)制在數(shù)據(jù)分組交易過程中存在冗余交互操作。

    (3)根據(jù)現(xiàn)有Barter機(jī)制，價(jià)值量達(dá)到某一閾值的消息就簡單丟棄，然而，這樣很可能刪除即將到達(dá)目的地址的分組，增大了消息傳輸時延。

2 RACR算法

    本文提出一種基于協(xié)作中繼的高吞吐量機(jī)會網(wǎng)絡(luò)路由算法——RACR。RACR算法采用引入?yún)f(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)方式，對分組交易僵局問題加以有效解決，并重新設(shè)計(jì)滿足協(xié)作中繼的分組交易過程，引入多方交易以激活數(shù)據(jù)分組的單向傳遞，從而削減數(shù)據(jù)分組傳遞次數(shù)。同時，對價(jià)值量小于閾值的分組先判斷其目的地址是否是鄰居節(jié)點(diǎn)，從而提高分組傳送成功率，降低數(shù)據(jù)分組傳輸時延。

2.1 RACR算法新機(jī)制

2.1.1 協(xié)作中繼

    RACR算法針對現(xiàn)有Barter路由算法分組交易過程中的交易僵局問題，引入?yún)f(xié)作中繼機(jī)制加以解決。考慮如下網(wǎng)絡(luò)場景：假設(shè)節(jié)點(diǎn)u、v已完成兩兩之間的交易或節(jié)點(diǎn)u、v不存在相應(yīng)的分組交易，若節(jié)點(diǎn)v仍有節(jié)點(diǎn)u需要而不能與之交易的分組。同時，節(jié)點(diǎn)u、v收到共同的鄰居節(jié)點(diǎn)w廣播的目的地址為v的分組索引，若節(jié)點(diǎn)w在節(jié)點(diǎn)v與w、u與w兩兩交易完成后，節(jié)點(diǎn)u、v根據(jù)節(jié)點(diǎn)w的分組索引計(jì)算發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)w仍有節(jié)點(diǎn)v需要的分組，同時節(jié)點(diǎn)u也有節(jié)點(diǎn)w需要的分組。

    協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的選取思路為：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)上述情況時，如圖1(a)所示，根據(jù)Barter算法的原理，消息交易將陷入僵局。圖1(b)表示RACR算法的分組交易示意圖，如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)上述情況，則節(jié)點(diǎn)w將會向節(jié)點(diǎn)v發(fā)送一個額外分組，節(jié)點(diǎn)v收到節(jié)點(diǎn)w發(fā)送的額外分組后會給節(jié)點(diǎn)u發(fā)送一個額外分組。最后，節(jié)點(diǎn)u給節(jié)點(diǎn)w需要的一個額外的分組。若存在能滿足以上描述條件的節(jié)點(diǎn)，即是協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)。

2.1.2 分組傳遞次數(shù)削減

    RACR算法引入多方交易以激活數(shù)據(jù)分組的單向傳遞，對數(shù)據(jù)分組的傳遞次數(shù)進(jìn)行削減。考慮如下網(wǎng)絡(luò)場景：節(jié)點(diǎn)u、v和w在同一通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)u需要通過節(jié)點(diǎn)v交易獲取節(jié)點(diǎn)v中的分組，節(jié)點(diǎn)v需要獲取節(jié)點(diǎn)u中的分組用來交換節(jié)點(diǎn)w中的分組，同時節(jié)點(diǎn)u也有節(jié)點(diǎn)w需要的分組。

    分組傳遞次數(shù)削減思路為：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)上述情況時，如圖1（a）所示，在Barter路由算法中，中間節(jié)點(diǎn)v進(jìn)行一次分組交換需要收、發(fā)2個分組才能完成交易。如圖1（b）所示，在RACR算法中，首先發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間存在上述關(guān)系的節(jié)點(diǎn)向需要自身數(shù)據(jù)分組的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組，收到該額外分組的理性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相同的操作，最后完成一個公平的交易。則RACR算法的中間節(jié)點(diǎn)v僅需要收、發(fā)1個分組，從而實(shí)現(xiàn)分組傳遞次數(shù)的削減，減少數(shù)據(jù)分組的冗余交互操作。

2.1.3 分組刪除判定優(yōu)化

    原始Barter路由算法中，節(jié)點(diǎn)對價(jià)值小于分組刪除閾值的數(shù)據(jù)分組采取簡單的丟棄策略。然而，雖然刪除的分組價(jià)值量小，但很有可能即將到達(dá)分組的目的節(jié)點(diǎn)。在RACR算法中，節(jié)點(diǎn)對價(jià)值量低于刪除閾值的分組，首先判斷該分組的目的地址是否為該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，若是則發(fā)起新的分組交易，否則直接刪除該分組。這樣在不影響網(wǎng)絡(luò)開銷的前提下，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，同時降低傳輸時延。

2.2 RACR算法操作

    RACR算法主要操作步驟如下：

    (1)節(jié)點(diǎn)u、v相遇，按Barter機(jī)制兩兩之間交易完畢。此時，若節(jié)點(diǎn)v仍有節(jié)點(diǎn)u需要而不能與之交易的分組，則進(jìn)行步驟(2)，否則結(jié)束；

    (2)節(jié)點(diǎn)u、v收到公共鄰居節(jié)點(diǎn)w發(fā)送的分組索引，根據(jù)節(jié)點(diǎn)w的分組索引計(jì)算判斷節(jié)點(diǎn)w是否符合協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)的要求。若符合，則進(jìn)行步驟(3)，否則結(jié)束；

    (3)若節(jié)點(diǎn)u通過計(jì)算，最先獲知協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)w的參與情況。節(jié)點(diǎn)u向節(jié)點(diǎn)w發(fā)送一個節(jié)點(diǎn)w需要的分組，節(jié)點(diǎn)w收到u發(fā)送的分組后，立即向節(jié)點(diǎn)v發(fā)送一個節(jié)點(diǎn)v需要的分組。同理，節(jié)點(diǎn)v向節(jié)點(diǎn)u發(fā)送一個u需要的分組。

3 仿真

3.1 仿真環(huán)境

    本文使用OPNET軟件作為仿真平臺，選取Barter算法^[4]和DT算法^[8]作為比較對象，在相同仿真條件下分析比較它們的網(wǎng)絡(luò)吞吐量、時延等性能。主要仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

3.2 仿真結(jié)果及分析

    (1)歸一化網(wǎng)絡(luò)吞吐量

    由圖2可知，與DT算法和Barter算法相比，RACR算法在網(wǎng)絡(luò)吞吐量上提高了7.9%以上。主要原因是：①采用協(xié)作中繼機(jī)制，從而選取合適的協(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，對分組交易僵局問題加以有效解決；②對價(jià)值量小于刪除閾值的分組首先判斷其目的地址是否為鄰居節(jié)點(diǎn)，若是則發(fā)起新的分組交易，從而提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量。

    (2)分組平均端到端時延

    由圖3可知，RACR算法的分組平均端到端時延低于DT和Barter算法。主要原因是：①RACR算法通過引入?yún)f(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，解決了交易的僵局問題，有效地減少網(wǎng)絡(luò)等待時延；②分組傳遞次數(shù)削減機(jī)制通過引入多方交易以激活數(shù)據(jù)分組的單向傳遞，從而加快數(shù)據(jù)分組的交換，縮短數(shù)據(jù)分組交換的時延。

    (3)歸一化控制開銷

    由圖4可知，RACR算法能夠明顯減少歸一化控制開銷。開銷減少的原因主要是RACR協(xié)議引入?yún)f(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，提高了消息的交付率，減少了消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸?shù)钠骄鴶?shù)。同時，優(yōu)化了分組交易機(jī)制，削減了分組交換次數(shù)，減少了消息交易過程中的額外開銷，從而降低歸一化控制開銷。

    (4)分組傳送成功率

    由圖5可知，與DT算法和Barter算法相比，RACR算法顯著提高了分組傳送成功率。主要原因是：①引入?yún)f(xié)作中繼節(jié)點(diǎn)，增加了分組交易機(jī)會；②優(yōu)化分組刪除判定機(jī)制，刪除緩存消息之前先判斷其目的地址是否是其鄰居節(jié)點(diǎn)，若是則重新發(fā)起分組交易，從而提高了數(shù)據(jù)分組傳送成功率。

4 結(jié)束語

    本文通過深入研究博弈理論在含有自私節(jié)點(diǎn)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，提出了一種基于協(xié)作中繼的高吞吐量機(jī)會網(wǎng)絡(luò)路由算法RACR。RACR算法通過在Barter機(jī)制中采用協(xié)作中繼機(jī)制并引入多方交易以激活數(shù)據(jù)分組的單向傳遞，同時優(yōu)化分組刪除的判定條件。仿真結(jié)果顯示，與DT路由算法和Barter路由算法相比，RACR算法能夠更加有效地促使含自私節(jié)點(diǎn)的機(jī)會網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)分組交易，從而增加網(wǎng)絡(luò)吞吐量，降低數(shù)據(jù)分組端到端時延。

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作者信息:

任  智，王中永，張  勇 

（重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）