災難場景下移動機會網絡路由策略研究

葛學鋒　楊勃

摘要：在發生災難、基礎通信設施癱瘓的情況下，可利用移動機會網絡提供網絡服務并實現數據交換，本文提出用于災后場景信息收集、分析的延遲容忍網絡（DTN）網絡體系結構，并且基于此體系結構，對現有的經典路由算法在仿真環境中進行性能比較分析，選用一種綜合效果表現最好的算法，使得機會網絡數據傳輸更加穩定、高效。

關鍵詞：機會網絡;災難;路由

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0121-02

0 引言

在發生如地震、泥石流等自然災害后，基礎通信等設施受到摧毀而無法使用，這時的災后現場很難進入，無法收集災后信息并計算、分析災情，不能及時為救災人員提供決策支持。基礎通信設施癱瘓的情況下，建立網絡架構，并使用它從受災區域收集信息是很難完成的任務。隨著手機、PDA等手持設備的大量普及，利用手持設備建立臨時的移動機會網絡，實現數據交換和提供網絡服務，使得這項任務具有可行性。研究人員提出由人隨身攜帶的手持設備形成的機會網絡，每個設備節點既可以通過人們相遇帶來的局部通信機會，也可以通過Wi-Fi或GPRS等接入Internet的全局連接轉發數據，機會網絡旨在充分利用手持設備的計算，存儲和寬帶資源，透明的利用各種連接方式，為用戶提供網絡服務。據此本文提出用于災后場景信息收集、分析的延遲容忍網絡（DTN）網絡體系結構，并且基于此體系結構，對現有的經典路由算法在仿真環境中進行性能比較分析，選用一種綜合效果表現最好的算法，使得機會網絡數據傳輸更加穩定、高效。

1 相關研究

機會網絡在災難場景下的應用受到了許多學者的研究，該領域產生了很多的研究成果，災后網絡體系結構的搭建和路由轉發機制是研究熱點，Stephen等提出的Serval Project利用手機作為基礎通信設施，手機通過Wi-Fi通訊;Ben-David提出的JaldiMAC利用自然界中的大山和山丘之類的“自然界的信號塔”建立網絡連接，能覆蓋相對廣闊的區域。由于這些通訊系統的組建需要比較長的時間，在災后實際情況中實現有很大的困難，并且它們的覆蓋面積相比廣大的受災區域來講還是太小。

機會網絡中數據轉發機制是非常重要的問題，在缺乏完整鏈路、持久聯通的網絡情況下，就沒法在某一刻將數據從源節點到目標節點建立通信路徑并傳輸，因此傳統的MANET路由機制無法適用，需要能夠容忍一定的延遲的DTN（延遲容忍網絡）。DTN網絡的主要目標是支持具有間歇性連通、延遲大、錯誤率高等通信特征的不同網絡的互聯和互操作。在環境監測、森林防火、地震監測、交通管理、水下探測、災難救援等方面具有廣泛的應用前景和實用價值。DTN的這些特點使得其非常適合應用于災區的通信系統、節點消息傳遞的選擇。災后場景下的DTN策略需要兼顧緩存容量、傳輸效率、延遲高低、數據丟包等問題，現有的路由算法很難全部兼顧，已提出的經典DTN路由算法有：（1）Epidemic路由算法，當兩節點相遇時交換對方沒有的數據分組，經足夠的交換后，理論上每個非孤立節點將收到所有數據分組，從而實現數據分組的傳輸，需要占用大量的網絡資源;（2）PROPHET路由算法，對于數據分組傳輸成功的概率進行估算，選擇性的復制數據分組，盡力避免生成低傳輸效率的數據分組副本，提高網絡資源的利用效率;（3）MaxProp路由算法，為數據分組設定優先級，當兩節點相遇時，依據數據分組優先級來決定復制次序，在該方法中優先級低的數據分組，不易得到傳輸機會，從而避免生成低效傳輸的數據分組副本;（4）Spray and Wait路由算法，在spray階段，算法采用復制策略，在wait階段，若spray階段沒有發現目的節點，則包含數據分組的節點通過直接傳輸的方式傳輸數據分組;（5）EBR路由算法，將信息分成塊，注入到網絡中，當目標節點收到數據塊的子集足夠大時，即可重構數據分組;（6）RAPID路由算法，基于洪泛的DTN協議，使用效用函數對消息排序，它以大量網絡開銷為代價，來提高數據傳輸率。

2 災難場景下的DTN網絡架構

（1）在災難場景下如何利用救災人員、救災物資、交通工具、手持設備等現有資源搭建臨時的延遲容忍網絡，形成一個DTN網絡體系結構，便于救災指揮中心快速、準確的收集災情信息，計算分析數據并及時做出救災決策。該網絡體系架構擬由4層結構組成：①將受災區域分成若干個塊，每一個塊可以利用學校、醫院等場所作為一個避難所（SP），每個避難所中有很多的救援人員;②每一個避難點所中設置一個救援控制中心（TB）;③救災現場的救護車、救火車、武警車、直升飛機等交通工具，它們可以為避難所之間提供通信;④整個救災指揮中心。每個救援人員都攜帶智能手機，相當于一個個移動的節點，他們從災難現場收集信息然后轉發給所屬區域的救援控制中心，所有的救援控制中心的數據又通過現場的交通工具轉發匯總至救災指揮中心，然后對收到的所有信息做進一步的計算分析處理，如圖1所示。

（2）在該DTN網絡體系架構基礎上，設置特定的場景，根據災后對消息轉發機制的特點，指定相應的性能評價指標（本課題選取消息轉發成功率、消息轉發延遲、網絡開銷、消息丟包數量共4個指標），通過機會網絡仿真環境ONE模擬實驗，對現有的6種機會網絡經典路由算法的性能、特點進行分析，選擇適合災難場景延遲容忍網絡的路由算法。

3 仿真結果

在上述災難場景下的DTN網絡架構基礎上，設定30個節點、圍繞上述4個性能指標進行仿真實驗，結果如圖2所示，從圖2（a）中可以看到MaxProp的消息轉發成功率高于其他5個，這6種路由算法都是基于節點過去移動情況來考慮，但MaxProp路由能更好地適應節點的運動方向，兩個看似有很大概率相互接觸的節點，但實際上是朝著遠離目標的方向移動，所以能將節點當前的移動方向考慮到最好;從圖2（b）中可以看到MaxProp的消息轉發延遲沒有優于其他5個;從圖2（C）中可以看到基于復制傳染的Epidemic路由將消息傳遞給所有其他的任意節點，這導致了巨大的緩沖區開銷，而MaxProp的網絡開銷比較較小，從圖2（d）中也可以看到MaxProp的消息丟包數量比較低。

圖3中繪制了基于該架構上不同節點密度的性能參數曲線圖。以密度為30節點、60個節點和100個節點在相同的維數2500米3500米范圍內進行測試，MaxProp路由相較于其他DTN路由方法也有著優異的表現，它提供較高的消息傳遞概率（圖3a），在密度較大的情況下，MaxProp可以更好地進行決策。MaxProp的網絡開銷（圖3c）以及消息丟包數（圖3d）也是總是相對較小，這歸功于MaxProp的緩沖區管理策略。

綜上所述，在災難場景下，結合實際情況，將場景下的相關人和物作為移動中的網絡節點，構造災難場景下的DTN網絡架構，可以有效解決救災問題，在該模型基礎上運用現有的6中DTN路由協議進行仿真測試，在綜合考慮4種性能的基礎上發現MaxProp路由算法更加適合。

Research on Mobile Opportunistic Network Routing Strategy in Disaster Scene

GE Xue-feng，YANG Bo

（Yinchuan Energy College， Yinchuan? Ningxia? 750105）

Abstract：In the case of disasters and basic communication facilities， mobile network can be used to provide network services and exchange data. This paper proposes a delay tolerant network （DTN） network architecture for post-disaster scenario information collection and analysis， and is based on This architecture compares the performance of existing classical routing algorithms in the simulation environment， and selects an algorithm with the best performance， which makes the opportunity network data transmission more stable and efficient.

Key words：opportunity network; disaster; routing