王汝言 楊慧娉 應(yīng) 俊 舒 娜

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節(jié)點(diǎn)狀態(tài)感知的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié)作緩存機(jī)制

王汝言①②楊慧娉*①③應(yīng) ?、佗凼?娜①②

①(重慶高校市級(jí)光通信與網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400065)②(重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶 400065)③(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院 重慶 400065)

合理利用節(jié)點(diǎn)間的協(xié)作關(guān)系及相鄰節(jié)點(diǎn)的緩存資源可有效提高機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)緩存的利用率與消息的投遞率。該文提出一種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)感知的分布式協(xié)作緩存機(jī)制，通過(guò)感知消息擴(kuò)散程度動(dòng)態(tài)估計(jì)消息的重要程度，確定消息在緩存操作中的優(yōu)先級(jí)。進(jìn)而根據(jù)節(jié)點(diǎn)的活躍度及相對(duì)粘度獲知給定消息與其目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相遇概率，并針對(duì)消息源節(jié)點(diǎn)的差異設(shè)計(jì)分區(qū)協(xié)作緩存方法，同時(shí)在本地緩存處于存滿狀態(tài)時(shí)動(dòng)態(tài)選取協(xié)作節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)本地消息到相鄰節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，以達(dá)到高效利用緩存資源的目的。結(jié)果表明，所提出的協(xié)作緩存機(jī)制能夠有效地利用節(jié)點(diǎn)有限的緩存資源，并大幅度地改善消息投遞率及節(jié)點(diǎn)緩存利用率。

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)；擴(kuò)散程度；相遇概率；協(xié)作節(jié)點(diǎn)

1 引言

隨著普適計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和移動(dòng)應(yīng)用環(huán)境的逐漸成熟，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)[1]得到了廣泛的關(guān)注。此種網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分布比較稀疏，節(jié)點(diǎn)頻繁移動(dòng)使其連接呈現(xiàn)出顯著的間歇性，導(dǎo)致源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的端到端路徑頻繁斷裂。為了解決路徑斷裂所引發(fā)的通信中斷問(wèn)題，人們提出了使用“存儲(chǔ)-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”的異步路由方式來(lái)傳送消息[2]。然而，由于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)頻繁，使得消息端到端的延時(shí)較大，導(dǎo)致消息在網(wǎng)絡(luò)中滯留較長(zhǎng)時(shí)間，極大地消耗了中繼節(jié)點(diǎn)有限的存儲(chǔ)空間。與傳統(tǒng)的移動(dòng)自組網(wǎng)相比，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)緩存資源有更高的要求。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有大量消息傳輸時(shí)，由于緩存資源受限，將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的緩存空間被迅速消耗，進(jìn)而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。

為解決上述問(wèn)題，研究人員提出了帶有節(jié)點(diǎn)協(xié)作的緩存管理機(jī)制。文獻(xiàn)[3]采用面向群組的緩存消息共享機(jī)制，各個(gè)節(jié)點(diǎn)以分布式的方式根據(jù)關(guān)系緊密程度建立相應(yīng)的群組，同一群組內(nèi)的節(jié)點(diǎn)能夠協(xié)作地分享彼此有限的緩存空間，從而為其他節(jié)點(diǎn)提供消息緩存服務(wù)。然而，文中在設(shè)計(jì)協(xié)作緩存機(jī)制時(shí)，將“幽靈”消息無(wú)差別地廣播至通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)，極大地占用了其他節(jié)點(diǎn)有限的緩存空間。文獻(xiàn)[4]根據(jù)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息的概率和歷史相遇信息來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)中的消息存儲(chǔ)至中心節(jié)點(diǎn)及其鄰近節(jié)點(diǎn)，充分利用節(jié)點(diǎn)有限的緩存空間，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)緩存節(jié)點(diǎn)之間消息的有效傳輸。然而，文中為了提高數(shù)據(jù)的訪問(wèn)率，降低數(shù)據(jù)的訪問(wèn)時(shí)延，將數(shù)據(jù)都存放于網(wǎng)絡(luò)的中心地區(qū)，極大地增加了網(wǎng)絡(luò)中心地區(qū)節(jié)點(diǎn)的緩存負(fù)載。與文獻(xiàn)[4]類似，文獻(xiàn)[5]針對(duì)社會(huì)性機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)訪問(wèn)問(wèn)題，提出了一種分層協(xié)作緩存機(jī)制，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的社會(huì)特性將緩存空間劃分為3個(gè)部分，分別存儲(chǔ)本地節(jié)點(diǎn)、朋友節(jié)點(diǎn)及陌生節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的消息，并且針對(duì)每個(gè)部分設(shè)計(jì)不同的緩存替換策略以提高節(jié)點(diǎn)的緩存利用率和消息投遞率。然而，當(dāng)緩存將滿時(shí)，文中提出將本地訪問(wèn)頻率最低的數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除，用數(shù)據(jù)訪問(wèn)頻率最高的數(shù)據(jù)進(jìn)行替換，而直接刪除訪問(wèn)頻率最低的數(shù)據(jù)會(huì)影響其他用戶對(duì)該數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，增大興趣用戶訪問(wèn)該數(shù)據(jù)的時(shí)延，造成該數(shù)據(jù)被訪問(wèn)率的進(jìn)一步降低?，F(xiàn)有的研究表明，以人類為載體構(gòu)成的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出“大世界、小世界”特性[6]，具有相同或相近的社會(huì)屬性的節(jié)點(diǎn)之間，部分活躍節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間連接較為頻繁。節(jié)點(diǎn)之間社會(huì)屬性的不同造成其移動(dòng)模式與活躍程度有明顯的差異。因此，在節(jié)點(diǎn)之間采用協(xié)作的方式進(jìn)行消息的緩存時(shí)，應(yīng)充分考慮節(jié)點(diǎn)之間活躍程度的差異，以提高消息的緩存效率。

為了解決上述問(wèn)題，在利用消息擴(kuò)散程度動(dòng)態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)感知的分布式協(xié)作緩存機(jī)制(Node Status aware Distributed Cooperative Caching strategy, NS-DCC)。未對(duì)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式作同質(zhì)假設(shè)，而是基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)理論，通過(guò)感知節(jié)點(diǎn)的活躍度及相對(duì)粘度，評(píng)估節(jié)點(diǎn)間的相遇概率，并根據(jù)消息的源節(jié)點(diǎn)將消息分類緩存，以協(xié)作的方式將節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)的消息替換為與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)具有較高相遇概率的消息。這樣所有的節(jié)點(diǎn)都參與消息的緩存過(guò)程，而非將所有消息都集中于網(wǎng)絡(luò)中心地區(qū)的節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)，以此提高節(jié)點(diǎn)的緩存利用率。為了避免盲目地刪除緩存內(nèi)的消息，所提出的策略采用分布式協(xié)作緩存轉(zhuǎn)移方法，通過(guò)動(dòng)態(tài)建立給定節(jié)點(diǎn)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)集合，將節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)的消息轉(zhuǎn)移至通信范圍內(nèi)的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，而非上述文獻(xiàn)中所提出的無(wú)差別地廣播或直接刪除機(jī)制，從而提高緩存資源的利用率及消息的投遞率。

2 擴(kuò)散程度感知的消息重要程度估計(jì)方法

根據(jù)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)的消息轉(zhuǎn)發(fā)原理可知，消息的擴(kuò)散程度與其被成功投遞的概率直接相關(guān)，擴(kuò)散程度越高的消息到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的概率越大，導(dǎo)致繼續(xù)攜帶此消息的必要性下降，消息的重要程度也就隨之下降?？梢?jiàn)，消息的擴(kuò)散程度直接決定了消息的投遞狀態(tài)。因此，本文根據(jù)擴(kuò)散程度估計(jì)給定消息的重要程度，從而避免節(jié)點(diǎn)在有限的鏈路持續(xù)時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)冗余程度較高的消息，以達(dá)到更加合理地利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的。

研究表明，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的社會(huì)屬性，具有相似社會(huì)屬性的節(jié)點(diǎn)以自組織的形式聚合為一個(gè)社區(qū)[7]，因此，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)從邏輯上分布在多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的社區(qū)中。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的社會(huì)屬性可知，不同社區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)建立連接的密集程度并不相同，所以在估計(jì)消息的重要程度時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮該消息在各個(gè)社區(qū)中的擴(kuò)散程度。

對(duì)于分布式運(yùn)行的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，難以通過(guò)洪泛的方式獲知消息的全部轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，因此，本文通過(guò)節(jié)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所獲知的局部歷史狀態(tài)信息近似地預(yù)測(cè)消息的擴(kuò)散程度。節(jié)點(diǎn)在本地以三元組維護(hù)其相遇狀態(tài)表項(xiàng)信息，其中表示相遇節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)，由社區(qū)號(hào)與編號(hào)組成；為相遇時(shí)間；為相遇持續(xù)時(shí)間。節(jié)點(diǎn)與相遇后交互雙方節(jié)點(diǎn)的表項(xiàng)信息，進(jìn)而在較短的收斂時(shí)間內(nèi)可建立相遇狀態(tài)矩陣。定義表示網(wǎng)絡(luò)中的社區(qū)集合，表示第個(gè)社區(qū)，則節(jié)點(diǎn)通過(guò)在本地查詢相遇狀態(tài)矩陣，搜索節(jié)點(diǎn)本地存儲(chǔ)的中有相同社區(qū)號(hào)的相遇表項(xiàng)信息，并除去節(jié)點(diǎn)編號(hào)重復(fù)的相遇表項(xiàng)信息，通過(guò)查詢經(jīng)過(guò)處理后的相遇表項(xiàng)數(shù)量即可獲知社區(qū)的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

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由于網(wǎng)絡(luò)中消息由節(jié)點(diǎn)攜帶轉(zhuǎn)發(fā)，則可利用網(wǎng)絡(luò)中攜帶過(guò)該消息的節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)衡量給定消息在網(wǎng)絡(luò)中的擴(kuò)散程度。令表示時(shí)刻社區(qū)中存儲(chǔ)消息的節(jié)點(diǎn)數(shù)，為社區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，由上可知，可通過(guò)查詢消息的存儲(chǔ)狀態(tài)集合得到，可通過(guò)查詢本地相遇狀態(tài)矩陣獲取，那么節(jié)點(diǎn)可預(yù)測(cè)消息在社區(qū)內(nèi)的擴(kuò)散程度，即

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最終，根據(jù)消息的擴(kuò)散程度可估計(jì)消息的重要程度()。

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3 相遇概率估計(jì)的協(xié)作緩存替換方法

機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)具有間斷連接特性，消息需要存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)以等待節(jié)點(diǎn)相遇帶來(lái)的通信機(jī)會(huì)，進(jìn)而執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)操作?？梢?jiàn)，消息的投遞狀態(tài)與節(jié)點(diǎn)間的相遇概率相關(guān)。為了提高消息的投遞概率，需估計(jì)節(jié)點(diǎn)間的相遇概率，從而在節(jié)點(diǎn)建立連接后選擇合適的消息進(jìn)行交互。

3.1 節(jié)點(diǎn)活躍度感知的相遇概率估計(jì)

如前所述，消息的傳輸狀態(tài)與消息緩存節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的相遇概率直接相關(guān)[8]。消息攜帶節(jié)點(diǎn)的活躍程度越高，則該節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)相遇的機(jī)會(huì)越多，使得消息的擴(kuò)散速度越快，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與消息攜帶節(jié)點(diǎn)相遇的概率就越大，消息的成功投遞率也就越高。由此易知，消息成功投遞概率與節(jié)點(diǎn)的活躍度直接相關(guān)，可通過(guò)準(zhǔn)確地獲知節(jié)點(diǎn)的活躍度來(lái)估計(jì)節(jié)點(diǎn)間相遇概率，從而有效地控制消息的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，達(dá)到提高緩存資源利用率的目的。

定義1 節(jié)點(diǎn)活躍度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入通信范圍，并建立通信連接的次數(shù)占網(wǎng)絡(luò)中全部連接次數(shù)的比例。其反映了該節(jié)點(diǎn)相對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的活躍程度。

定義2 節(jié)點(diǎn)相對(duì)粘度：任意節(jié)點(diǎn)針對(duì)某個(gè)特定節(jié)點(diǎn)的活躍度。其反映了該節(jié)點(diǎn)相對(duì)網(wǎng)絡(luò)中某給定節(jié)點(diǎn)的活躍程度。

根據(jù)“大世界、小世界”特性可知，節(jié)點(diǎn)間的關(guān)系存在較大差異，節(jié)點(diǎn)與關(guān)系較親密的節(jié)點(diǎn)頻繁相遇，而與其他節(jié)點(diǎn)相遇頻率則較低。因此，在估計(jì)節(jié)點(diǎn)活躍度時(shí)，若單純地考慮節(jié)點(diǎn)的活躍度無(wú)法準(zhǔn)確地評(píng)估其攜帶消息并投遞至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的能力，還需要考慮當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)消息目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)粘度。此外，消息攜帶節(jié)點(diǎn)通過(guò)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)直接相遇的方式也能夠?qū)崿F(xiàn)消息的投遞，因此在估計(jì)節(jié)點(diǎn)相遇概率時(shí)也需要考慮節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的直接相遇概率。

綜上，本文所提出的相遇概率估計(jì)方法根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，預(yù)測(cè)消息緩存節(jié)點(diǎn)的活躍度及相對(duì)粘度，進(jìn)而結(jié)合節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的直接相遇概率估計(jì)節(jié)點(diǎn)相遇概率。如前所述，單位時(shí)間內(nèi)給定節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的相遇次數(shù)越多，則通過(guò)給定節(jié)點(diǎn)所攜帶的消息成功投遞率越高。因此，給定節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的相遇次數(shù)是評(píng)估節(jié)點(diǎn)活躍度的關(guān)鍵參數(shù)。定義為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集合，那么網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量為。將給定節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)的相遇次數(shù)n()定義為該節(jié)點(diǎn)的相遇總次數(shù)，那么網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)相遇次數(shù)為各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入其他節(jié)點(diǎn)通信范圍的相遇總次數(shù)，定義為。進(jìn)而可得出節(jié)點(diǎn)的活躍度L()。

同理，可獲知當(dāng)前節(jié)點(diǎn)相對(duì)消息目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的活躍程度，即節(jié)點(diǎn)相對(duì)粘度。

(10)

研究表明，節(jié)點(diǎn)相遇間隔時(shí)間服從指數(shù)分布[9]，則節(jié)點(diǎn)在時(shí)間內(nèi)與節(jié)點(diǎn)相遇的概率為

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3.2消息源感知的分區(qū)協(xié)作緩存方法

理論研究和實(shí)際測(cè)量表明，機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)具有極強(qiáng)的社會(huì)屬性，節(jié)點(diǎn)不僅需要緩存自身產(chǎn)生的消息，還需為其他節(jié)點(diǎn)提供緩存與轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)[10]。然而，為保證自身產(chǎn)生的消息被順利投遞，節(jié)點(diǎn)通常表現(xiàn)出一定的自私性，即為自身產(chǎn)生的消息賦予較高的緩存優(yōu)先級(jí)。由于節(jié)點(diǎn)的緩存空間有限，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中存在大量消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)自身產(chǎn)生的消息較容易得到存儲(chǔ)、攜帶及轉(zhuǎn)發(fā)，而為其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的消息分配較少的緩存空間，此種方式將造成嚴(yán)重的緩存競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)緩存管理策略時(shí)應(yīng)考慮消息源的因素，針對(duì)自身產(chǎn)生的消息與其他節(jié)點(diǎn)的消息分別進(jìn)行緩存資源的配置。為不失一般性，本文依據(jù)節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)消息的來(lái)源，將節(jié)點(diǎn)緩存劃分為本地緩存區(qū)和協(xié)作緩存區(qū)，分別存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)本地產(chǎn)生的消息和其他節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的消息。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)緩存分區(qū)

為了能夠提高消息在存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的魯棒性，并有效地降低負(fù)載，針對(duì)來(lái)自不同分區(qū)的消息，提出消息源感知的分區(qū)協(xié)作緩存替換方法，對(duì)于不同緩存區(qū)的消息采取不同的緩存替換方法。該方法的基本過(guò)程如下：初始狀態(tài)下，對(duì)本地緩存區(qū)消息設(shè)置較高的緩存替換與轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級(jí)，而對(duì)協(xié)作緩存區(qū)消息設(shè)置較低的優(yōu)先級(jí)。節(jié)點(diǎn)相遇后在進(jìn)行緩存替換或消息轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，首先根據(jù)消息的重要程度優(yōu)先向?qū)Ψ焦?jié)點(diǎn)復(fù)制或轉(zhuǎn)移本地緩存區(qū)內(nèi)的消息，如圖2中節(jié)點(diǎn),優(yōu)先復(fù)制本地緩存區(qū)消息集合與，此時(shí)若有剩余緩存空間，則繼續(xù)提取協(xié)作緩存區(qū)消息與；然后，節(jié)點(diǎn)交互雙方到達(dá)消息目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的概率，分別為和，并提取彼此自身有較高相遇概率的消息，即從,,與中分別提取出與；最后，節(jié)點(diǎn)將本地緩存區(qū)內(nèi)的消息復(fù)制至對(duì)方節(jié)點(diǎn)的協(xié)作緩存區(qū)中，若對(duì)方仍有緩存空間，則將節(jié)點(diǎn)協(xié)作緩存區(qū)內(nèi)的消息直接轉(zhuǎn)移至對(duì)方協(xié)作緩存區(qū)。上述的協(xié)作緩存替換過(guò)程如圖2所示。

圖2 協(xié)作緩存替換過(guò)程示意圖

4 分布式協(xié)作緩存轉(zhuǎn)移方法

由于節(jié)點(diǎn)的活躍度存在差異，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)，將導(dǎo)致部分活躍節(jié)點(diǎn)的緩存出現(xiàn)溢出。傳統(tǒng)的緩存管理策略通過(guò)直接刪除緩存內(nèi)的消息來(lái)釋放緩存空間，對(duì)消息投遞率造成極大的影響。為避免節(jié)點(diǎn)直接刪除消息造成投遞率下降，本文提出協(xié)作緩存轉(zhuǎn)移方法。當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩存已滿時(shí)，通過(guò)將消息轉(zhuǎn)移至具有剩余緩存空間，且具有較強(qiáng)協(xié)作能力的節(jié)點(diǎn)，從而以協(xié)作的方式緩存消息，以充分利用節(jié)點(diǎn)的緩存資源，達(dá)到提高消息投遞率的目的。

4.1 Top-k協(xié)作節(jié)點(diǎn)集選取方法

顯然，若協(xié)作節(jié)點(diǎn)選取不合理會(huì)進(jìn)一步占用其他節(jié)點(diǎn)有限的緩存資源，影響其他節(jié)點(diǎn)的消息投遞過(guò)程。因此，協(xié)作緩存節(jié)點(diǎn)集合的選取是協(xié)作緩存轉(zhuǎn)移方法的關(guān)鍵。

如前所述，相遇概率較高的節(jié)點(diǎn)再次相遇的機(jī)率較大，便于節(jié)點(diǎn)之間的緩存轉(zhuǎn)移與回傳。由于機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的連接頻繁斷裂，為了保證消息可被成功轉(zhuǎn)移，還應(yīng)考慮節(jié)點(diǎn)間的相遇持續(xù)時(shí)間。因此，選取協(xié)作節(jié)點(diǎn)集時(shí)應(yīng)綜合考慮節(jié)點(diǎn)間的相遇概率與相遇持續(xù)時(shí)間。

(16)

因而，可進(jìn)一步定義節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的歸一化協(xié)作系數(shù)，其綜合考慮了節(jié)點(diǎn)間的相遇概率與相遇持續(xù)時(shí)間狀態(tài)，反映了節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)提供協(xié)作緩存服務(wù)能力的歸一化數(shù)值。

(18)

由于同一社區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的相遇概率較高，則將消息轉(zhuǎn)移至此類節(jié)點(diǎn)可有效提高消息的投遞率。若在節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)存在屬于消息的目標(biāo)社區(qū)的節(jié)點(diǎn)，則也將該節(jié)點(diǎn)并入節(jié)點(diǎn)的協(xié)作緩存節(jié)點(diǎn)集中，因此定義節(jié)點(diǎn)的協(xié)作緩存節(jié)點(diǎn)集為

當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩存已滿時(shí)，若節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)存在多個(gè)協(xié)作緩存節(jié)點(diǎn)集中的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)則按照消息的重要程度將消息廣播至協(xié)作集中有剩余緩存空間的節(jié)點(diǎn)，并將廣播后的消息從本地刪除。反之，若節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)不存在協(xié)作節(jié)點(diǎn)集中的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)則按照消息的重要程度優(yōu)先刪除本地緩存區(qū)的消息。當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)與消息轉(zhuǎn)移節(jié)點(diǎn)再次相遇時(shí)，若節(jié)點(diǎn)此時(shí)有剩余緩存空間，則比較雙方節(jié)點(diǎn)與消息目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相遇概率，若該節(jié)點(diǎn)的相遇概率較低，則將消息回傳至節(jié)點(diǎn)。反之，則不把消息回傳給節(jié)點(diǎn)。

4.2 NS-DCC機(jī)制

為提高節(jié)點(diǎn)的緩存利用率，在利用消息擴(kuò)散程度動(dòng)態(tài)估計(jì)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)感知的分布式協(xié)作緩存機(jī)制(NS-DCC)。當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)相遇，首先判斷相遇節(jié)點(diǎn)是否為消息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，若不是消息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，則進(jìn)一步判斷相遇節(jié)點(diǎn)是否有剩余緩存空間。當(dāng)相遇節(jié)點(diǎn)有剩余緩存空間時(shí)，則采用協(xié)作緩存替換方法，使得節(jié)點(diǎn)在本地存儲(chǔ)自身與消息目標(biāo)節(jié)點(diǎn)有較高相遇概率的消息。當(dāng)節(jié)點(diǎn)緩存已滿時(shí)，則采用協(xié)作緩存轉(zhuǎn)移方法，將節(jié)點(diǎn)本地消息轉(zhuǎn)移至協(xié)作節(jié)點(diǎn)，避免消息丟失所造成的消息投遞率下降。因此，本文所設(shè)計(jì)的分布式協(xié)作緩存機(jī)制的執(zhí)行流程如下：

步驟1 若相遇節(jié)點(diǎn)為消息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，直接將消息發(fā)送給對(duì)方節(jié)點(diǎn)；

步驟2 若相遇節(jié)點(diǎn)不是消息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)且都有空余緩存空間，則按照前述的緩存替換方法進(jìn)行緩存內(nèi)消息的替換。依據(jù)前述估計(jì)所得的雙方節(jié)點(diǎn)與消息目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的相遇概率，并結(jié)合消息的重要程度，優(yōu)先將雙方節(jié)點(diǎn)本地緩存區(qū)內(nèi)的重要程度較高的消息復(fù)制到對(duì)方的協(xié)作緩存區(qū)。若仍有緩存空間，則繼續(xù)將雙方節(jié)點(diǎn)協(xié)作緩存區(qū)內(nèi)對(duì)方有較高相遇概率的消息轉(zhuǎn)移至對(duì)方的協(xié)作緩存區(qū)；

步驟3 若相遇節(jié)點(diǎn)不是消息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)的緩存已滿時(shí)，則采用所提出的分布式協(xié)作緩存轉(zhuǎn)移方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)本地緩存內(nèi)消息的轉(zhuǎn)移。節(jié)點(diǎn)首先動(dòng)態(tài)選取協(xié)作節(jié)點(diǎn)集，以確定鄰居節(jié)點(diǎn)中協(xié)作節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而依據(jù)消息的重要程度將較為重要的消息廣播至協(xié)作節(jié)點(diǎn)，并將該消息從節(jié)點(diǎn)本地刪除；

步驟4 在分布式協(xié)作緩存轉(zhuǎn)移方法中，若在節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)未找到合適的協(xié)作節(jié)點(diǎn)時(shí)，將根據(jù)消息的重要程度優(yōu)先刪除節(jié)點(diǎn)本地緩存區(qū)內(nèi)重要程度較低的消息；

步驟5 協(xié)作緩存消息的回傳。節(jié)點(diǎn)與存儲(chǔ)該節(jié)點(diǎn)所轉(zhuǎn)移消息的協(xié)作緩存節(jié)點(diǎn)相遇后，若本地節(jié)點(diǎn)此時(shí)有剩余緩存空間，將比較此時(shí)雙方節(jié)點(diǎn)與消息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相遇概率。若對(duì)方較小時(shí)，則將消息重新轉(zhuǎn)移至節(jié)點(diǎn)本地，對(duì)方節(jié)點(diǎn)將該消息從其緩存內(nèi)刪除。反之，則不作任何操作。

5 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

本文使用機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境(Opportunistic Network Environment, ONE)[11]，分別從3個(gè)方面對(duì)所提出的協(xié)作緩存機(jī)制進(jìn)行性能評(píng)估，主要包括消息成功投遞率、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率及平均時(shí)延。其中，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率定義為消息的冗余投遞次數(shù)與成功投遞消息數(shù)之間的比例關(guān)系，其反映了所設(shè)計(jì)的緩存管理機(jī)制的運(yùn)行效率。

其中，OR為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率，N為轉(zhuǎn)發(fā)消息的總次數(shù)，N為成功投遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)。消息的冗余投遞次數(shù)為消息被轉(zhuǎn)發(fā)的總次數(shù)與成功投遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的消息數(shù)的差值，即消息的無(wú)用轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)。消息成功投遞次數(shù)為網(wǎng)絡(luò)中的全部消息成功到達(dá)其目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。

仿真環(huán)境參數(shù)設(shè)置如表1所示。表中，網(wǎng)絡(luò)大小表示節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)范圍；行人組中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為2~4 km/h，汽車組中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)速度為20~35 km/h;為消息擴(kuò)散度閾值，為協(xié)作集節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)默認(rèn)值。

表1參數(shù)設(shè)置

為了更加全面地驗(yàn)證所提出機(jī)制的有效性，本文將與機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)的緩存管理機(jī)制最老刪除(Drop-Oldest)、基于消息傳播狀態(tài)的緩存替換機(jī)制(MTSBR)[12]及帶有消息投遞率估計(jì)的自適應(yīng)緩存管理策略(ABMDPE)[13]進(jìn)行對(duì)比。在節(jié)點(diǎn)緩存空間不足的情況下，MTSBR機(jī)制優(yōu)先刪除副本數(shù)目較多的消息，從而有效地抑制網(wǎng)絡(luò)中該類消息的過(guò)分復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)。若消息的副本數(shù)目相等時(shí)，則按照消息在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞速率進(jìn)行依次刪除。ABMDPE則依據(jù)所估計(jì)消息的投遞概率，直接刪除已投遞概率最高的消息，為已投遞概率較低的消息分配緩存資源。

5.1協(xié)作集節(jié)點(diǎn)數(shù)量對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響

該節(jié)驗(yàn)證本文提出的NS-DCC中不同協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能造成的影響，仿真結(jié)果如圖3-圖5所示。

圖3 不同協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的投遞率????????圖4 不同協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率????????圖5 不同協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的平均時(shí)延

如圖3所示，隨著協(xié)作集中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增大，消息的成功投遞概率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。這是由于協(xié)作節(jié)點(diǎn)集的增大，使得節(jié)點(diǎn)在緩存將滿時(shí)有較高的概率將消息轉(zhuǎn)移至有較高協(xié)作能力的節(jié)點(diǎn)，從而避免了消息被直接刪除，提高了消息的投遞概率。但是，當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量過(guò)大(超過(guò)3個(gè)時(shí))，就會(huì)導(dǎo)致該消息的副本同時(shí)被轉(zhuǎn)移至多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，從而占用了其他消息的緩存資源，造成消息的整體投遞率的下降。因此，消息投遞率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。

圖4中，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率隨協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增大先降低后升高。這是由于當(dāng)增大協(xié)作節(jié)點(diǎn)集時(shí)，消息被轉(zhuǎn)移至有剩余緩存空間的協(xié)作節(jié)點(diǎn)的概率增大，消息被刪除的概率隨之減小。由式(20)可知，消息被成功投遞的次數(shù)增多，使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率降低。但是，當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量超過(guò)3個(gè)時(shí)，節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行消息轉(zhuǎn)移時(shí)有較高的概率轉(zhuǎn)移至多個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn)，造成消息的冗余投遞次數(shù)增多，從而使得網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率增大。因此，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率隨協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增大先上升后下降。

如圖5所示，消息的平均時(shí)延隨協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增多呈現(xiàn)先快速下降后逐漸上升的趨勢(shì)。這是因?yàn)閰f(xié)作節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行消息的轉(zhuǎn)移，合理地利用了節(jié)點(diǎn)的緩存資源，降低消息被直接刪除的概率，使得有更多的節(jié)點(diǎn)緩存該消息，則消息被快速投遞至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的概率變大。但是當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)集過(guò)大時(shí)，同一消息的副本就會(huì)占用多個(gè)節(jié)點(diǎn)的緩存資源，從而增大了其他消息被刪除的概率，因此，造成消息整體投遞時(shí)延的增大。因此，消息的平均投遞時(shí)延隨協(xié)作節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)先下降后上升。

綜上所述，協(xié)作節(jié)點(diǎn)集的設(shè)置所帶來(lái)的協(xié)作開(kāi)銷對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有一定的影響，由上述仿真結(jié)果可知，當(dāng)協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)置為3時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的投遞率、負(fù)載率與消息平均時(shí)延可取得較好的性能表現(xiàn)。因此，通過(guò)均衡考慮協(xié)作開(kāi)銷對(duì)網(wǎng)絡(luò)的投遞率、負(fù)載率及消息平均時(shí)延的影響，本文將協(xié)作節(jié)點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為3個(gè)，以此降低協(xié)作緩存中的協(xié)作開(kāi)銷。

5.2 緩存空間對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響

本小節(jié)針對(duì)節(jié)點(diǎn)緩存空間在4~22 MB的情況對(duì)NS-DCC機(jī)制與其它3種機(jī)制的性能進(jìn)行比較。

從圖6中可知，隨著緩存空間的增大，4種機(jī)制的投遞率都相應(yīng)增加，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的緩存空間越大，消息被刪除的可能性就越小，能被成功投遞的概率就越大。在緩存空間較小的情況下，NS-DCC機(jī)制的性能更突出。同時(shí)，在相同情況下，由于NS-DCC機(jī)制采用分區(qū)協(xié)作緩存消息以充分利用自身及其協(xié)作節(jié)點(diǎn)的緩存空間，因此其投遞率較MTSBR機(jī)制提高了20.8%，較Drop-Oldest機(jī)制提高了24.9%，較ABMDPE提高了13.1%。

圖6 不同緩存空間下的投遞率

從圖7中可知，隨著緩存空間的增加，負(fù)載率越來(lái)越小，且NS-DCC的負(fù)載率較MTSBR與Drop-Oldest低38.4%以上，較ABMDPE則減少了17%另外，NS-DCC的負(fù)載率變化比較平穩(wěn)，原因在于該機(jī)制采用合理的協(xié)作緩存管理策略將已成功投遞的消息及時(shí)地從緩存中刪除，使其受緩存變化的影響較小。

圖7 不同緩存空間下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率

如圖8所示，隨著緩存空間增大，4種機(jī)制的消息平均時(shí)延逐漸減少，且NS-DCC機(jī)制的平均時(shí)延明顯小于另外3種機(jī)制。這是因?yàn)镹S-DCC采用協(xié)作的方式將消息存儲(chǔ)至其協(xié)作節(jié)點(diǎn)，使得有較多的空閑緩存資源存儲(chǔ)大量消息，從而提高了消息與其目標(biāo)節(jié)點(diǎn)相遇的機(jī)會(huì)，進(jìn)而有效降低了消息平均時(shí)延。

圖8 不同緩存空間下的平均時(shí)延

由上可知，當(dāng)緩存空間較小時(shí)，所提NS-DCC機(jī)制較其他3種算法的性能表現(xiàn)更為突出。這是由于NS-DCC對(duì)消息的擴(kuò)散程度進(jìn)行了有效感知，使得節(jié)點(diǎn)可初步估計(jì)本地緩存內(nèi)消息的重要程度。進(jìn)而，根據(jù)所提相遇概率估計(jì)方法，估計(jì)節(jié)點(diǎn)與消息的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相遇概率。相遇的節(jié)點(diǎn)間通過(guò)比較雙方與消息目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相遇概率，將節(jié)點(diǎn)緩存內(nèi)的消息替換為雙方有較高相遇概率的消息。當(dāng)緩存空間較為有限時(shí)，NS-DCC可充分利用節(jié)點(diǎn)有限的緩存空間，盡可能地緩存節(jié)點(diǎn)有較高投遞概率的消息。并且，緩存空間較小易引起緩存溢出，NS-DCC通過(guò)將消息轉(zhuǎn)移至協(xié)作能力較強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)，從而避免了消息被直接刪除，大大提高了消息被成功投遞的概率，增加了成功投遞消息的個(gè)數(shù)，并減少了消息的平均投遞時(shí)延。因此，當(dāng)緩存空間較小時(shí)，所提NS-DCC機(jī)制可取得相對(duì)較好的網(wǎng)絡(luò)性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

為提高節(jié)點(diǎn)的緩存利用率與消息的投遞率，本文提出了一種節(jié)點(diǎn)狀態(tài)感知的分布式協(xié)作緩存機(jī)制。該機(jī)制通過(guò)分析消息的擴(kuò)散程度動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)消息的重要程度。進(jìn)而，通過(guò)動(dòng)態(tài)感知節(jié)點(diǎn)的緩存狀態(tài)，自主決策適用于當(dāng)前緩存狀態(tài)的協(xié)作緩存機(jī)制，以在本地緩存適當(dāng)?shù)南ⅲ蛟诰彺婕磳⒁绯鰰r(shí)轉(zhuǎn)移本地消息至合適的協(xié)作節(jié)點(diǎn)，避免盲目刪除消息。仿真結(jié)果表明，所提出的NS-DCC協(xié)作緩存機(jī)制可有效改善節(jié)點(diǎn)的緩存，并大幅度提升網(wǎng)絡(luò)性能。

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Node Status Aware Distributed Cooperative Caching Mechanism for Opportunistic Networks

WANG Ruyan①②YANG Huiping①③YING Jun①③SHU Na①②

①(Optical Communication and Network Key Laboratory of Chongqing, Chongqing 400065, China)②(College of Telecommunication and Information Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)③(College of Electron Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

By reasonably exploiting the collaborative relationships between nodes and the limited cache resources of neighbor nodes, the cache utilization rate and the message delivery probability of opportunistic networks can be effectively improved. A node status aware distributed cooperative cache management mechanism is proposed in the paper, where the importance degree of a given message can be dynamically estimated by perceiving its spreading degree to determine the caching priority. Furthermore, according to the active degree and the relative viscosity, the encounter probability of a given message to its destination node can be obtained for the design of adaptive cooperative cache management strategies for messages in each cache area respectively. When the cache is fully occupied, the collaboration node within the transmission range is dynamically selected, thus the message transferring to the collaboration node and the efficient utilization of caching resources can be ideally achieved. The results show that the proposed caching mechanism can fully exploit the limited cache resources and greatly improve the message delivery rate and the buffer utilization rate.

Opportunistic networks; Spreading degree; Encounter probability; Collaboration node

TP393

A

1009-5896(2016)09-2194-08

10.11999/JEIT151374

2015-12-08；

2016-04-18；

2016-06-16

國(guó)家自然科學(xué)基金(61371097, 61271261)，重慶市自然科學(xué)重點(diǎn)基金(CSTC2013JJB40001, CSTC2013JJB40006)，重慶市教委項(xiàng)目(KJ1400402)，重慶市青年科技人才培養(yǎng)計(jì)劃(CSTC2014KJRC-QNRC40001)

The National Natural Science Foundation of China (61371097, 61271261), Chongqing Natural Science Foundation (CSTC2013JJB40001, CSTC2013JJB40006), Chongqing Education Commission Project (KJ1400402), Youth Talents Training Project of Chongqing Science & Technology Commission (CSTC2014KJRC-QNRC40001)

楊慧娉 yanghuiping78@163.com

王汝言： 男，1969年生，教授，博士，研究方向?yàn)榉涸诰W(wǎng)絡(luò)、全光網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)、多媒體信息處理等.

楊慧娉： 女，1989年生，碩士生，研究方向?yàn)闄C(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)緩存管理及路由技術(shù).

應(yīng) ?。?女，1976年生，副教授，碩士，研究方向?yàn)殡娮有畔⒓夹g(shù).

舒 娜： 女，1980年生，副教授，博士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)性能分析.