自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制機(jī)制.pdf

1、傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)無法搭建的場景(如戰(zhàn)場、自然災(zāi)害等惡劣環(huán)境)下可為用戶提供快速的通信訪問。自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)是傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)分支，該網(wǎng)絡(luò)在基礎(chǔ)設(shè)施無關(guān)的分布式環(huán)境下，利用用戶的社會(huì)屬性，如社會(huì)圖、社群、中心度、相似度、聯(lián)系強(qiáng)度和人類移動(dòng)模式等，為用戶間提供更簡單的通信方式，同時(shí)促進(jìn)資源的高效利用。自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)在通信過程中通常交換兩種類型的數(shù)據(jù)，分別為社會(huì)元數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)。其中，前者是為了獲取節(jié)點(diǎn)間的相似興趣或者分享節(jié)點(diǎn)

2、的社會(huì)流行度，后者是為了在節(jié)點(diǎn)間傳輸文件或數(shù)據(jù)。但是，由于自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)處于無線通信環(huán)境下，其帶寬十分有限，經(jīng)常導(dǎo)致社會(huì)元數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的傳輸擁塞。并且，當(dāng)用戶在單點(diǎn)運(yùn)行多個(gè)社會(huì)應(yīng)用時(shí)，很多情況下也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，具體包括:(Ⅰ)源節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)的興趣不匹配;(Ⅱ)中間節(jié)點(diǎn)隊(duì)列容量有限;(Ⅲ)數(shù)據(jù)包調(diào)度不當(dāng);(Ⅳ)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)鏈路容量不足;(Ⅴ)不必要的確認(rèn)消息等。
　　通過研究移動(dòng)設(shè)備用戶間的社會(huì)聯(lián)系，自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

3、的最重要的形式之一。由于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)用戶的急劇增長，以及多個(gè)社會(huì)應(yīng)用的同時(shí)運(yùn)行，自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的擁塞現(xiàn)象十分嚴(yán)重。因此，如何在資源稀缺的條件下最大限度的利用網(wǎng)絡(luò)帶寬是自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)最具挑戰(zhàn)的任務(wù)之一。為了解決網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議(TCP)采用往返時(shí)延機(jī)制使用戶共享網(wǎng)絡(luò)帶寬。然而，該機(jī)制沒有利用節(jié)點(diǎn)的社會(huì)屬性，不能有效區(qū)分丟包類型。同時(shí)，應(yīng)用的多樣性和網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性也將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞，進(jìn)而大大降低中間節(jié)點(diǎn)的服務(wù)質(zhì)量。因此，為了避免擁塞

4、，中間節(jié)點(diǎn)經(jīng)常采用棄尾或者隨機(jī)早期丟棄技術(shù)來丟棄緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)包。此外，為了控制中間節(jié)點(diǎn)的擁塞并最先獲取最重要的數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)通信過程中的數(shù)據(jù)調(diào)度技術(shù)對于自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)是十分必要的。通常，自組織網(wǎng)絡(luò)采用先進(jìn)先出機(jī)制來進(jìn)行數(shù)據(jù)包調(diào)度。最后，在多跳組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中，可靠的社會(huì)聯(lián)系和流行節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸問題在擁塞控制中極其重要。由于數(shù)據(jù)包和確認(rèn)包使用同一條路徑，使得節(jié)點(diǎn)間競爭無線通信信道，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包的碰撞，造成了多跳自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的不可靠性。同時(shí)，

5、不必要的確認(rèn)消息和單節(jié)點(diǎn)的大量數(shù)據(jù)共享都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。
　　自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中涉及到大量的用戶，每位用戶都希望高效的利用資源，與擁有相同興趣的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。因此，在這樣的網(wǎng)絡(luò)中，研究用戶的社交屬性是非常必要的，例如相似性、聯(lián)系強(qiáng)度和社會(huì)圖等。而且，為了更好的利用資源，中心度這一社會(huì)屬性則是重中之重。所以，如何基于社會(huì)感知進(jìn)行資源共享并且如何通過擁塞控制機(jī)制最大限度減少資源浪費(fèi)是一個(gè)非常有意義的研究方向。為了解決自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)

6、的資源浪費(fèi)現(xiàn)象，首先要考慮網(wǎng)絡(luò)擁塞問題，使得用戶能在有效時(shí)間內(nèi)獲得所需的數(shù)據(jù)包。由于傳統(tǒng)自組織網(wǎng)絡(luò)沒有考慮節(jié)點(diǎn)間的社會(huì)行為，所以現(xiàn)有的機(jī)制并不能滿足自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的需求，而且在擁塞的情況下性能表現(xiàn)不佳。
　　為了更好的控制自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的擁塞問題，本文從網(wǎng)絡(luò)屬性（如可用帶寬、節(jié)點(diǎn)隊(duì)列容量）和社會(huì)屬性（如相似度、接近中心度、度中心度）兩大方面出發(fā)，針對數(shù)據(jù)包的控制問題進(jìn)行深入研究。本文主要解決了如下四個(gè)問題:
　　(a)當(dāng)中間

7、節(jié)點(diǎn)帶寬有限，且只愿意為擁有相同興趣的發(fā)送方分享資源時(shí)，如何更好的在發(fā)送方之間分配帶寬？
　　(b)當(dāng)中間節(jié)點(diǎn)接收到大量發(fā)送方傳輸過來的數(shù)據(jù)包，但自己的隊(duì)列容量無法容納所有的數(shù)據(jù)包時(shí)，哪種丟包機(jī)制和社會(huì)屬性對于自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)更有意義？
　　(c)中間節(jié)點(diǎn)如何最先傳輸具有社會(huì)優(yōu)先權(quán)的數(shù)據(jù)包并保障服務(wù)公平性？并且，哪種社會(huì)屬性有助于提高節(jié)點(diǎn)間的資源利用率，進(jìn)而更高效的調(diào)度數(shù)據(jù)包？
　　(d)哪種方法有助于解決擁塞控制機(jī)制中

8、的可靠性問題？同時(shí)，當(dāng)數(shù)據(jù)包經(jīng)過多跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸時(shí)，會(huì)遇到由于隱藏/暴露節(jié)點(diǎn)的問題和不必要的確認(rèn)消息而造成目標(biāo)節(jié)點(diǎn)和中間節(jié)點(diǎn)容量有限的困難，該方法如何保證資源的充分利用？
　　首先，本文提出了一種基于社會(huì)感知的擁塞避免協(xié)議，稱之為TIBIAS。該協(xié)議利用中間節(jié)點(diǎn)的相似度匹配，來提高自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中的資源利用率，進(jìn)而提升了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸性能。在帶寬資源分配的過程中，TIBIAS將高優(yōu)先權(quán)賦予興趣最相似的TCP連接，并且下層協(xié)議和

9、接收節(jié)點(diǎn)都不需要做任何修改，保證了協(xié)議的獨(dú)立性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在鏈路利用率、擁塞窗口不必要的減小、吞吐量和重傳率方面，TIBIAS協(xié)議比現(xiàn)有的擁塞控制協(xié)議表現(xiàn)的更好。
　　其次，本文提出了一種基于生物啟發(fā)的丟包算法(BPD)。該算法模擬免疫系統(tǒng)中受體和表位間的匹配過程來檢測擁塞，基于節(jié)點(diǎn)的流行程度設(shè)置丟包概率。受到免疫系統(tǒng)中B細(xì)胞刺激過程的啟發(fā)，BPD利用節(jié)點(diǎn)的兩種社會(huì)屬性，即相似度和接近中心度，來選擇最優(yōu)先的節(jié)點(diǎn)，并為數(shù)據(jù)包公平

10、的賦權(quán)。大量的實(shí)驗(yàn)證明，在平均有效吞吐量、平均丟包率、總吞吐量、時(shí)延、獲得帶寬率和超載率方面，BPD算法勝過現(xiàn)有的方法。
　　然后，為了解決自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)的擁塞問題，本文提出一種基于用戶流行度的數(shù)據(jù)包調(diào)度算法，稱為Pop-aware。該算法先計(jì)算中間節(jié)點(diǎn)的通信負(fù)載，接下來使用度中心度這一社會(huì)屬性來計(jì)算發(fā)送方的社會(huì)流行度，進(jìn)而對輸入流進(jìn)行優(yōu)先權(quán)值排序。同時(shí)，Pop-aware通過計(jì)算主動(dòng)服務(wù)率來保證數(shù)據(jù)流所獲得服務(wù)的公平性。一系列仿

11、真實(shí)驗(yàn)表明，在控制開銷、總開銷、平均吞吐量、丟包率、包交付率和平均時(shí)延方面，該算法性能優(yōu)于現(xiàn)存的調(diào)度算法。
　　最后，本文提出一種適用于自組織社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中流行數(shù)據(jù)的可靠傳輸控制協(xié)議，名為RTPS。該協(xié)議利用度中心度這一社會(huì)屬性來計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)的社會(huì)流行度，并以此為依據(jù)來分配帶寬，從而提高了傳輸可靠性。同時(shí)，額外的帶寬則分配給那些社會(huì)流行度更高的節(jié)點(diǎn)，且它們的確認(rèn)消息也擁有更高的優(yōu)先級。另外，通過延遲確認(rèn)消息的傳輸，RTPS進(jìn)一步減少了