1、机会网络移动普适计算环境中的一种通信模式摘要：普适计算网络是以多种无线网和移动网接入互联网实现的异构集成网络。机会网络对于实现普适计算有重要影响。本文首先介绍机会网络的概念和理论基础,并给出了当前机会网络的一些典型应用,然后详细阐述了机会网络的路由协议。最后进行总结并展望了机会网络未来一段时间内的研究重点。关键词：机会网络 普适计算 路由协议1、机会网络的提出背景大量具备短距离通信能力的智能设备的出现推动了无线自组网应用的迅速发展。传统的无线移动自组织网络路由协议，如 AODV、DSR 等，在传输用户数据之前，都需要先进行路由发现，建立端到端的路由，之后再进行数据传输。这就意味着传统无线自组织
2、网络通信模式能够正常工作的前提是网络连通性得到保证，数据在路由或者发送阶段，网络中一定存在源端到目的端的连通路径。然而在很多情况下这一条件不不能得到满足。天气恶劣导致信号衰减，节点为了节能关闭射频，节点随机移动导致链路时断时连，网络稀疏等。这些情况将会导致连接中断，网络难以维持端到端的路径，大多数时刻被分裂成多个区域而不能连通，网络连接和通信机会都是间接性的。因此传统的 MANET 路由协议在路由发现阶段就无法发现能够达到目的节点的路由，使得 MANET 中路由设计在实际应用中会不稳定和失效，网络性能将会急剧下降，甚至造成网络瘫痪，这给传统的基于端到端连接的通信协议带来了严峻的挑战。层出不穷的
3、新应用和新环境改变了传统 MANET 的组网模式，研究人员开始更多地关注这种时断时连的网络场景。在这种情况下，机会网络技术应运而生，致力于解决该网络通信难题。通信源和目标不存在完整连通路径并不意味着不能实现通信,由于节点的移动,两个节点可以进入相互通信范围而交换数据,机会网络就是利用这种节点对之间的逐跳转发将数据从源节点传输到目标节点.。机会网络不要求网络的全连通,更适合实际的自组网需求,且对于实现未来普适计算具有重大影响,因而近年来引起了科研人员的密切关注。2.机会网络的概念和实现原理机会网络是指不需要源节点和目的节点之间有完整的路径，利用节点移动带来的相遇机会实现网络通信的、时延和分裂可容
4、忍的网络。作为一种新型网络，机会网络能够在无线链路断开和网络分裂情况下完 成通信任务，即使端到端路径不存在也不妨碍它传输信息。它既是一种具体的网络形式，也是一种网络通信新技术，被视为移动 Ad Hoe 网络发展的重要方向，对未来普适计算(ubiquitous computing)具有重要意义。机会网络的体系结构与传统的多跳无线网络稍有不同，它通过在节点的应用层与传输层之间插入一个新的协议层来执行“存储一携带一转发” 的信息交换机制，该层称为束层 (bundle layer)。当节点作为主机时，束层可以发送和接收束(融合在一起传递的消息被称为束) ，但不转发束。当节点作为路由器时，在同一区域的节
5、点之间，束层可以进行存储、携带和转发整个束(或束片段)。当节点作为网关时，网关的束层需要有储存能力并能进行安全检查，以确保消息转发，能够在不同的网络区域之间传输信息。机会网络的概念有一部分是从早期延迟容忍网络的研究中延伸过来的。DTN 的概念最早是由延迟网络研究组在星际网络通信项目中提出的，致力于在延迟巨大、链路间断性连接的情况下，实现行星之间数据的传递，解决缺乏连接性的异构网络之间的通信问题。机会网络、延迟容忍网络和无线移动自组织网络之间的关系如下图所示：机会网络示意图如下图所示：t1 时刻源节点 S 希望将数据传输给目标节点 D,但 S 和 D 位于不同的连通域而没有通信路径,因此,S 首
6、先将数据打包成消息发送给邻居节点 3,由于 3 并没有合适的机会转发下一跳节点,它将消息在本地存储并等待传输机会,经过一段时间到达 t2 时刻,节点 3 运动到节点 4 的通信范围并转发给节点 4,在 t3 时刻 ,节点 4 将消息传输给目标节点 D,完成数据传输。3、当前机会网络的应用机会网络主要应用于缺乏通信基础设施、网络环境恶劣以及应对紧急突发事件的场合，由于机会网络能够处理网络分裂等已有无线网络技术难以解决的问题并能满足恶劣条件下的网络通信需要，因此在军事和民用无线通信领域都具有重要的研究和应用价值，相关研究的开展也越来越广泛，目前机会网络主要的应用领域有以下几个。1、车载网络：Car
7、Tel 是 MIT 开发的基于车辆传感器的信息收集和发布系统，能够用于环境监测、路况收集、车辆诊断和路线导航等。安装在车辆上的嵌入式 CarTel 节点，负责收集和处理车辆上多种传感器采集的数据，包括车辆运行信息和道路信息等。使用 Wi -Fi 或蓝牙等通信技术，CarTel 节点在车辆相遇时可以直接交换数据，同时，CarTel 节点也可以通过路边的无线接入点将数据发送到 Internet 上的服务器。2、偏于地区网络传输：DakNet 是由 MIT 开发、部署在印度偏远地区提供互联网服务的机会网络。DakNet 包括：部署在村庄的 Kiosk 设备、公交车辆上的 MAP(mobile acc
8、ess points)设备以及部署在城镇的互联网 AP 设备，这些设备之间使用 Wi-Fi 接口通信。村民通过 PDA(Personal Digital Assistant)与 Kiosk 设备交换数据；往返农村和城镇的公交车经过 Kiosk 设备附近时， MAP 和Kiosk 设备交换数据，当公交车到达城镇时，MAP 通过 AP 连接到互联网上传或下载数据。3、野生动物追踪：ZebraNet 是一个由普林斯顿大学设计，用来追踪非洲草原斑马的机会网络系统。它由安装在斑马脖子上的低功耗传感器和移动基站组成。传感器收集斑马的迁徙数据，并与相遇的斑马传感器交换数据，研究人员定期开车携带移动基站穿越追
9、踪区域收集数据4、手持设备组网：剑桥大学和 Intel 研究院提出的PSN(pocket switched network)是由人随身携带的手持设备形成的机会网络。每个设备节点既可以通过人们相遇带来的局部通信机会。当目标节点位于当前节点附近区域或不能接入 Internet，或者用户应用需要很高的带宽和很小的延迟时，局部连接能比全局连接提供更好的服务。4、机会网络的路由协议1、Epidemic 路由协议：该协议本质上是一种泛洪路由协议，该协议在相遇的成对移动节点中交换信息，每一个携带数据的节点都将数据的副本传递给它所遇到的节点。其工作原理如下图所示，每个节点的缓存区中都存储需要传递的消息，并且每
10、个节点都存储一个 SV (Summary Vector)，SV 中含有该节点缓存区存储的消息。当两个节点相遇时，他们相互交换 SV，然后将对方的SV 和自己的 SV 比较，判断出自己缓存中没有而对方有的信息，接着向对方发送请求信息，请对方发送自己没有的消息，然后节点收到对方发过来的消息，并完成自己的 SV 更新。A B1231节点A向节点B发送自己的SV2节点B 向节点A发送请求信息3节点A根据节点B的请求信息发送信息2、Max Prop 路由协议：该协议采用了 Epidemic 路由算法的基本原理但进行了改进，改进之处在于：转发节点携带消息并可能多次转发，但当消息的有效期到了，或者节点收到了
11、一个 ack消息，或者节点的数据缓存区被装满时，节点讲丢弃该消息。MaxP rop 的数据缓存区管理策越是：设定一个门限值，如果消息的转发跳数小于此门限，则按跳数值对消息排序。如果大于门限，则按传送概率进行排序并在数据缓存区被装满时删除传送概率值低的消息。该算法避免了每个消息都被泛洪到全网，减少了开销，但消息有效期的合理设置有一定难度。3、Spray and Wait 路由协议：南加利福尼亚大学的 Spyropoulos 等人提出了 SAW 路由协议，将基于复制机制的路由算法与直接传输的路由算法结合起来，在增加投递率的同时也控制了泛洪的程度。SAW 算法分为散发和等待这两个阶段，分别对应英文原
12、文中的 Spray 和 Wait。在散发阶段，当一条消息产生之后，源节点会产生 L 份副本，当遇上没有该副本的中继节点时，源节点发送一部分的副本给它，自己留下剩余的副本。此后，该过程重复进行，直到节点中只剩下一份消息副本，该过程将消息从源节点散发到 L 个中继节点上。如果在散发阶段，消息已投递到目的节点，则该路由过程结束，否则进入下面的等待阶段。在等待阶段，所有携带该消息副本的节点采用直接传输（DD，Direct Delivery）策略，即携带消息副本的中继节点一直携带该消息，直至运动过程中遇到目的节点，才将消息进行投递。SAW 算法主要有两个版本：Vanilla 和二叉树，二者的区别在于 L
13、 的处理上。Vanilla 算法非常简单直观，每次对消息拷贝转发时，L 变成 L-1，而中继节点没有复制转发的权利；二叉树处理方法就是，L 变成 L/2，而源和中继节点都有转发的权利，每转发一次，L 减半。当然，二叉树还有很多变异的版本，如三叉树，四叉树等。研究表明，二叉树在所有版本中是最优的，有最小的平均延迟。在数据量低时，SAW 和感染路由算法的性能一样好。但数据量较大时，SAW 算法的性能要远优于感染路由。经研究表明，在链接情况不同的场景下，SAW 体现了很好的稳健性，有较高的效率。Spray and Focus(SF)改进了 Spray and Wait(SW)中的 Wai t 阶段,
14、下图对比了 SW 和 SF 两种转发机制的工作过程 ,其中,深色节点表示携带消息拷贝的节点,颜色越深,节点效用值越大.Spray 阶段将消息分发到 L 个不同的中继节点后,SW 机制中 L 个不同的中继节点将等待直到遇到目标节点,而 SF 机制中,消息不断地从效用值低的节点转发到效用值高的节点,直到遇到目标节点.当节点效用值在网络分布适当时,SF 机制可极大地提高传输性能。4、MPSF 路由协议：该算法由散发和转发阶段组成，散发阶段实现消息的多拷贝并行传输，在转发阶段，携带消息副本的节点在运动过程中，会将消息转发给比自己在未来时刻距离目的节点更近的中继节点，接着中继节点也重复同样的过程，消息不
15、断被转发给与靠近目的节点的中继节点，直至相遇目的节点，消息投递成功。左半图示意了散发阶段消息 m 和其对应的令牌数目的分发过程。源节点 S 产生了目的节点为 D 的消息 m 及其 4 个消息令牌。当 S 相遇节点 A 时，先进行位置信息交互，接着通过 SV 交互，发现其缓存中没有消息 m，于是 S 将 m 复制给 A，并赋予其一半的令牌，自己剩下 2 个令牌。此后，源节点 S 和中继节点 A 都将重复该过程，自身携带的消息令牌数逐渐减少，直至自身剩下 1 个令牌，即进入转发阶段。 5、CAR (Context-Aware Routing)路由协议：该协议中每个节点负责计算自己能到达目的节点的传
16、递概率，然后将传递概率进行周期性的交换，最终每个节点能够计算出该使用哪一个中间节点才能更好的实现转发到达目的节点，而这中间节点就是基于场景，使用卡尔曼滤波计算来的。当中间节点收到消息，它首先将消息存储在缓冲区内，然后当它遇到目的节点时就转发，或者传递给另一个更高传递概率的节点。当节点的缓存较小时，CAR 路由协议的包传输率比 Epidemic 高些，因为在该协议中每个消息仅产生一个副本，节省了存储空间和网络带宽资源。而当节点的缓存较大时，结果却相反。6、Moby Space 路由协议：该协议建立了高维欧氏空间，该空间中的每个轴表示一队节点存在相互联系的可能，轴线的长度则表示发生联系的可能性。最
17、好的转发节点就是离目的节点最近的那个节点，显然在虚拟空间中需要了解所有轴线的信息，也需要了解所有节点的信息。在消耗存储和网络带宽资源方面，与Epidemic 相比，它消耗较少。7、SWIM (Shared Wireless Infostation Model)路由协议。该协议允许节点与基站、节点与节点之间的联系。当源节点希望发送消息给目的节点时，它可以直接传递消息给基站；否则，源节点将消息传递给它的邻居节点，然后由邻居节点传递给基站，基站接收数据并等待目的节点到其通信范围内，再将消息传递。5、机会网络性能测试以下是由机会网络环境模拟器依据 Epidemic 路由协议得出的测试结果。下图描述了在
18、机会网络建立前后预期的平均传送延迟。若使用直接链路，可以看出平均传输时延在 13s 左右，然而用机会网络调度后可以得到显著的下降到 2.3s.下图描述了在机会网络建立前后数据传输所需要的总能耗。它考虑了宏蜂窝中的所有节点和基础设施元素（宏基站） 。机会网络的建立可以减少 22%的传送功率。6、总结机会网络是一种不需要源节点和目标节点之间存在完整链路,利用节点移动带来的相遇机会实现通信的自组织网络.作为一种全新的组网方式,机会网络在很多领域存在着巨大的潜力,并对于实现未来普适计算具有重大影响。机会网络领域未来一段时间内研究的重点方向包括：机会网络移动模型与高效转发机制的研究；结合特定应用,如水下传感器网络数据收集、车载网络信息分发等,研究跨应用层、网络层甚至 MAC 层等多层的优化通信协议等方向。
