基于合并的DTN訂閱查詢傳輸協(xié)議*

曹 佩，錢江波，陳葉芳，陳華輝

（寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 寧波 315211）

基于合并的DTN訂閱查詢傳輸協(xié)議*

曹 佩，錢江波，陳葉芳，陳華輝

（寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 寧波 315211）

DTN是從自組織無線網(wǎng)絡(luò)中抽象出來的網(wǎng)絡(luò)模型，它不要求網(wǎng)絡(luò)的全連通，因此更適合實(shí)際自組網(wǎng)的需求。大部分DTN傳輸協(xié)議研究的是如何把數(shù)據(jù)高效、無區(qū)分地傳給匯聚點(diǎn)。本文提出的基于合并的DTN訂閱查詢傳輸協(xié)議（如SMR），充分利用DTN節(jié)點(diǎn)自身的處理能力，能夠在有限的時(shí)間內(nèi)利用節(jié)點(diǎn)間的每一次相遇機(jī)會(huì)盡可能多且有效地傳輸有用信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著傳輸時(shí)間的延長，SMR在DTN廣播式訂閱查詢系統(tǒng)和洪泛式訂閱查詢系統(tǒng)中都顯示了良好的性能，增強(qiáng)了DTN訂閱查詢系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求。

延遲容忍網(wǎng)絡(luò)；訂閱查詢處理；信息合并

1 引言

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展促使許多新型無線網(wǎng)絡(luò)誕生，如車載網(wǎng)絡(luò)、外太空網(wǎng)絡(luò)、野生動(dòng)物追蹤網(wǎng)絡(luò)和稀疏傳感器網(wǎng)絡(luò)等。這些網(wǎng)絡(luò)有一些共同的特點(diǎn)：間歇連接、長時(shí)延、不對(duì)稱數(shù)據(jù)速率、低信噪比、端到端的鏈接很多時(shí)候都是不存在的。DTN（delay tolerant network，延遲容忍網(wǎng)絡(luò)）就是從上述新型網(wǎng)絡(luò)中抽象出來的網(wǎng)絡(luò)模型。這類網(wǎng)絡(luò)利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來的相遇機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)通信，按照“存儲(chǔ)—移動(dòng)—轉(zhuǎn)發(fā)”的方式傳輸數(shù)據(jù)。傳輸方法如圖1所示：①試圖把數(shù)據(jù)傳送給⑤，但是由于通信距離有限，①無法直接與⑤通信，由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，某一時(shí)刻①可以與②通信，然后②可以把數(shù)據(jù)傳給④，④再傳給⑤，從而完成數(shù)據(jù)的傳輸。

圖1 存儲(chǔ)—移動(dòng)—轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸

目前，DTN中數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的絕大部分研究是考慮如何把節(jié)點(diǎn)攜帶的數(shù)據(jù)沒有區(qū)分地、盡量地傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。但實(shí)際應(yīng)用中單個(gè)節(jié)點(diǎn)收集的信息種類多，信息接收者可能只想接收某類信息，同時(shí)也為減少網(wǎng)絡(luò)中傳送的無用數(shù)據(jù)，此時(shí)需配置一種靈活的動(dòng)態(tài)信息分發(fā)和處理系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)稱之為發(fā)布/訂閱系統(tǒng)。一個(gè)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)布/訂閱系統(tǒng)模型由3部分組成：代理節(jié)點(diǎn)（broker node）、事件發(fā)布者（publisher）、事件訂閱者（subscriber）。發(fā)布者以“事件”的形式將信息發(fā)布到系統(tǒng)中；訂閱者定義訂閱條件，表示對(duì)系統(tǒng)中某特定的事件感興趣。通常發(fā)布者首先發(fā)布信息給某些信息代理（中間的節(jié)點(diǎn)），然后訂閱者向該信息代理注冊(cè)訂閱，由信息代理進(jìn)行過濾。

2 DTN中訂閱查詢處理的相關(guān)研究

由于DTN的間斷連通性，傳統(tǒng)的發(fā)布/訂閱路由技術(shù)在DTN環(huán)境下并不適用，目前有關(guān)DTN的查詢處理和發(fā)布/訂閱系統(tǒng)的研究較少。參考文獻(xiàn)[1]根據(jù)DTN的特點(diǎn)給出了 DTSN（delay tolerant sensor network）中發(fā)布/訂閱系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)而提出了一種基于團(tuán)體的發(fā)布/訂閱系統(tǒng)事件傳輸協(xié)議——CET協(xié)議 （community-based event transmitting protocol）。參考文獻(xiàn)[2]提出了一個(gè) DTN中發(fā)布/訂閱通信的社會(huì)感知覆蓋。參考文獻(xiàn)[3]提出了一種新的傳輸協(xié)議 SPF（short-pass-feedback），它是一種基于時(shí)間數(shù)據(jù)收集、復(fù)制、分發(fā)的兩階段協(xié)議，能夠收集和分析與地理軌道有關(guān)的時(shí)間開銷。參考文獻(xiàn)[4]中使用DTN綁定協(xié)議，目標(biāo)是使用戶查詢網(wǎng)絡(luò)中任意位置上其他節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的內(nèi)容，并評(píng)估節(jié)點(diǎn)獲得尋求信息的機(jī)會(huì)。參考文獻(xiàn)[5]研究了移動(dòng)系統(tǒng)怎樣利用人們的社會(huì)交互性來改善系統(tǒng)性能和查詢命中率，建立了一個(gè)跟蹤驅(qū)動(dòng)模擬器，使得人們能夠在社會(huì)環(huán)境下重建移動(dòng)系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[6]用數(shù)據(jù)擴(kuò)散減少DTN中的查詢時(shí)延，利用社會(huì)網(wǎng)絡(luò)追蹤分類以及研究社會(huì)網(wǎng)絡(luò)中以同質(zhì)性現(xiàn)象為基礎(chǔ)的4種擴(kuò)散方法。參考文獻(xiàn)[7]提出了一種新穎的方法支持DTN中的協(xié)同緩存，該方法以概率選擇為度量來協(xié)調(diào)多個(gè)緩存節(jié)點(diǎn)響應(yīng)用戶查詢，優(yōu)化平衡了數(shù)據(jù)訪問和緩存開銷。本文的訂閱查詢處理是指訂閱者發(fā)布的訂閱信息 （以下簡(jiǎn)稱為查詢信息）中包含了某些查詢條件，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)之間在進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^程中要根據(jù)訂閱信息進(jìn)行查詢處理。與原有的發(fā)布/訂閱系統(tǒng)相比，本文的訂閱查詢處理系統(tǒng)側(cè)重于如何依據(jù)訂閱者發(fā)布的查詢信息進(jìn)行信息傳輸。

大多數(shù)DTN的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議都要用到復(fù)本，利用復(fù)本進(jìn)行傳輸又分為兩類：不限制復(fù)本的傳輸，典型代表就是ER(epidemic routing)[8]；限制復(fù)本的傳輸，典型代表是SWR(spray and wait routing)[9]。ER本質(zhì)上是一種洪泛算法，每兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相遇時(shí)都會(huì)交換對(duì)方?jīng)]有的信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)把攜帶的信息轉(zhuǎn)發(fā)給遇到的所有鄰居節(jié)點(diǎn)，讓網(wǎng)絡(luò)中盡可能多的節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)信息的復(fù)本，目的是提高信息的投遞概率，最終把信息傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)。如圖1中①把某一條信息傳給②后，下一時(shí)刻①、③相遇，③如果沒有收到此條信息，①可以繼續(xù)把該信息傳給③。SWR傳輸每條信息分為兩個(gè)階段：第一階段是spray階段，節(jié)點(diǎn)將信息分發(fā)到N（N為一條信息的最大拷貝數(shù)）個(gè)不同的、沒有存儲(chǔ)該信息的代理節(jié)點(diǎn)；第二階段是wait階段，N個(gè)不同的代理節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)等待，直到把該信息轉(zhuǎn)發(fā)給目的節(jié)點(diǎn)。SWR的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖2所示：源節(jié)點(diǎn)S想把某一信息傳給目的節(jié)點(diǎn)D，但它不能直接與D通信。假定復(fù)本數(shù)為3，第一階段S把信息轉(zhuǎn)發(fā)給沒有存儲(chǔ)該信息的前3個(gè)節(jié)點(diǎn)R，第二段由這3個(gè)R節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)該信息給D。

圖2 SWR數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議示意

與原有的研究成果相比，本文的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)在以下兩方面。

·提出了DTN訂閱查詢傳輸協(xié)議SMR，該協(xié)議充分利用了節(jié)點(diǎn)自身的信息處理能力，能夠有效地降低傳輸時(shí)延，提高傳輸效率。

·模擬實(shí)現(xiàn)了廣播式訂閱查詢處理模型和洪泛式訂閱查詢處理模型。在這兩種模型下，SMR與傳統(tǒng)的DTN傳輸協(xié)議做了比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，SMR性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的DTN傳輸協(xié)議。

3 網(wǎng)絡(luò)模型

假設(shè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為一個(gè)二維區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。其中，灰色的節(jié)點(diǎn)為訂閱節(jié)點(diǎn)（subscribe node），在系統(tǒng)中充當(dāng)訂閱者，也是發(fā)布信息的目的節(jié)點(diǎn)，主要用來發(fā)布查詢信息和收集自身感興趣的信息，當(dāng)它需要某些特定信息時(shí)，就會(huì)生成查詢信息發(fā)布到系統(tǒng)中；黑色節(jié)點(diǎn)是信息發(fā)布節(jié)點(diǎn)（publish node），發(fā)布某些特定的信息，而且能夠生成符合查詢條件的信息；透明節(jié)點(diǎn)為代理節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中充當(dāng)代理，主要是在保存自身事件信息的同時(shí)，負(fù)責(zé)協(xié)助查詢信息和發(fā)布信息的傳輸。

圖3 網(wǎng)絡(luò)模型示意

系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)信息隊(duì)列，用來存儲(chǔ)自身信息，每種信息都包含5個(gè)域，信息產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)From，表示信息由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生；信息目的節(jié)點(diǎn)To，表示一條信息最終應(yīng)被傳送給哪個(gè)節(jié)點(diǎn)；信息產(chǎn)生的Id，表示一條信息區(qū)分其他信息的編號(hào)；信息字段MegField，表示信息域；信息的Size，表示信息大小。一條信息的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 信息的結(jié)構(gòu)

根據(jù)訂閱節(jié)點(diǎn)傳輸信息距離的長短，訂閱查詢處理可以分為兩類：廣播式訂閱查詢處理和洪泛式訂閱查詢處理。廣播式訂閱查詢處理中，訂閱節(jié)點(diǎn)能夠傳輸查詢信息的距離很長；洪泛式訂閱查詢處理中，訂閱節(jié)點(diǎn)傳輸查詢信息的距離較短。

廣播式訂閱查詢處理的過程主要分為以下3個(gè)步驟。

（1）訂閱節(jié)點(diǎn)廣播查詢信息，代理節(jié)點(diǎn)和信息發(fā)布節(jié)點(diǎn)都可以收到此查詢信息。

（2）信息發(fā)布節(jié)點(diǎn)收到查詢信息后，如果自身能夠與訂閱節(jié)點(diǎn)通信，則直接把發(fā)布信息傳送給訂閱節(jié)點(diǎn)，否則先把發(fā)布信息傳送給代理節(jié)點(diǎn)，通過代理節(jié)點(diǎn)的幫助按照一定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（如SWR、ER）把發(fā)布信息反饋給訂閱節(jié)點(diǎn)。

（3）代理節(jié)點(diǎn)在接收一條信息之前，首先根據(jù)所接收查詢信息的查詢條件，判斷是不是訂閱節(jié)點(diǎn)所要接收的發(fā)布信息。如果是則接收，不是則丟棄。

洪泛式訂閱查詢處理的過程主要分為以下兩個(gè)步驟。

（1）訂閱節(jié)點(diǎn)生成查詢信息后，通過洪泛方式向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送，其他節(jié)點(diǎn)收到查詢信息后，亦通過洪泛方式向鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸。

（2）每個(gè)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備接收一條信息時(shí)，首先檢測(cè)是不是查詢信息（檢測(cè)的依據(jù)為信息是否包含查詢條件）,檢測(cè)過程分為以下兩種情況。

·如果是則接收，然后檢測(cè)其信息隊(duì)列中有沒有符合查詢條件的信息。如果沒有，保存此查詢信息；如果有而節(jié)點(diǎn)又能夠直接與訂閱節(jié)點(diǎn)通信，就直接把信息傳送給訂閱節(jié)點(diǎn)，否則通過其他節(jié)點(diǎn)按照一定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議尋找合適的機(jī)會(huì)傳送。

·如果不是，則檢測(cè)其信息隊(duì)列中是否保存有查詢信息。如果沒有，丟棄；如果有，需要與隊(duì)列中現(xiàn)存的查詢信息的查詢條件進(jìn)行比對(duì)，判斷此信息是不是符合查詢條件的信息。如不符合則丟棄；如符合則先保存，等待合適的機(jī)會(huì)按照一定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行傳送。

DTN的訂閱查詢系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題是如何使訂閱者通過發(fā)布查詢高效、可靠地收集自己感興趣的信息。訂閱事件的收集成功率是最主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時(shí)還要考慮事件信息的平均傳輸時(shí)延。

4 基于合并的DTN訂閱查詢傳輸協(xié)議SMR

因?yàn)镈TN中節(jié)點(diǎn)間的相遇機(jī)會(huì)及通信時(shí)間都非常有限，所以要想在DTN中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性比較難。如果想提高DTN中節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息傳輸效率、降低傳輸時(shí)延、增強(qiáng)實(shí)時(shí)性，可以充分利用節(jié)點(diǎn)自身處理能力，而以往DTN中的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議較少涉及DTN系統(tǒng)中的這些處理能力。

下面以A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸過程 （節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B建立連接，節(jié)點(diǎn)B向節(jié)點(diǎn)A傳送數(shù)據(jù)）為例，講述SMR的具體傳輸過程。其中，Id表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息隊(duì)列中某一信息的編號(hào)，ID表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息隊(duì)列中所有信息編號(hào)的集合，S表示某一集合，AddTo(Id,S)表示把某一編號(hào)對(duì)應(yīng)的信息加入相應(yīng)的集合，Delete(Id,S)表示從相應(yīng)的集合中刪除某一編號(hào)對(duì)應(yīng)的信息，Merger(Id1,Id2)表示合并兩個(gè)編號(hào)對(duì)應(yīng)的信息，ST表示信息傳輸集合，SM為合并信息集合，SQ表示一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息隊(duì)列中存儲(chǔ)的信息集合。具體的傳輸過程如下所述。

（1）節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B建立連接后，節(jié)點(diǎn)A檢測(cè)B.ID中的每一個(gè)B.Id，如果它不在A.ID中，節(jié)點(diǎn)B執(zhí)行AddTo(B.Id,B.ST)。

（2）傳輸開始后，節(jié)點(diǎn)B傳輸B.ST中的信息到節(jié)點(diǎn)A。

（3）如果B.ST中某一B.Id對(duì)應(yīng)信息的目的節(jié)點(diǎn)恰好為節(jié)點(diǎn)A，則在傳輸完成之后節(jié)點(diǎn)B執(zhí)行Delete(B.Id,B.SQ），并且節(jié)點(diǎn)B會(huì)通知其他信息監(jiān)聽節(jié)點(diǎn)此信息已被傳送到目的節(jié)點(diǎn)。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程如圖5所示。

圖5 SMR傳輸信息過程

（4）在節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)B的傳輸結(jié)束，而節(jié)點(diǎn)A的下一次傳輸開始之前：如果節(jié)點(diǎn)A的信息隊(duì)列中沒有存儲(chǔ)訂閱者發(fā)布的查詢信息，則節(jié)點(diǎn)A直接等待下次信息傳輸，否則節(jié)點(diǎn)A需要對(duì)部分信息進(jìn)行合并操作。合并過程分為信息查找和信息合并兩個(gè)步驟。

信息查找：節(jié)點(diǎn)A根據(jù)其信息隊(duì)列中存儲(chǔ)的查詢信息的查詢條件，對(duì)于每一個(gè)A.Id對(duì)應(yīng)的信息，如果它符合查詢條件，則節(jié)點(diǎn)A執(zhí)行AddTo（A.Id,A.SM）。信息查找過程如圖6第一階段所示。

信息合并：節(jié)點(diǎn)A對(duì)A.SM中的信息按照加入集合的先后順序進(jìn)行合并，合并操作如圖6第二階段所示。合并操作分為以下5個(gè)步驟。

①節(jié)點(diǎn) A 執(zhí)行 Merger（A.SM.Id1,A.SM.Id2）后，判斷合并后信息的Size是否小于系統(tǒng)中信息的最大Size（目的是為了防止合并信息過長，一次相遇無法傳輸完而導(dǎo)致合并信息在傳輸過程中被丟棄，不能夠被接收節(jié)點(diǎn)接收）。

②如果小于信息的最大Size，節(jié)點(diǎn)A執(zhí)行Delete（A.SM.Id1,A.SM）、Delete（A.SM.Id1,A.SQ）、Delete（A.SM.Id2,A.SM）、Delete（A.SM.Id2,A.SQ）后繼續(xù)合并上次合并后的信息與A.SM中的下一條信息。

③如果等于信息的最大Size，節(jié)點(diǎn)A停止合并，并把合并后的信息插入其信息隊(duì)列中，同時(shí)節(jié)點(diǎn)A執(zhí)行Delete（A.SM.Id1,A.SM）、Delete（A.SM.Id1,A.SQ）、Delete（A.SM.Id2,A.SM）、Delete（A.SM.Id2,A.SQ），其余信息返回步驟①繼續(xù)合并。

圖6 信息合并過程

④如果大于信息的最大Size，則節(jié)點(diǎn)A會(huì)返回上一次合并后的信息，并把該信息插入其信息隊(duì)列中，其余信息返回步驟①繼續(xù)合并。

⑤重復(fù)步驟①、②、③、④、⑤，直至A.SM為空。

（5）如果節(jié)點(diǎn)A為訂閱節(jié)點(diǎn)，收到一條滿足其查詢條件的合并信息后，節(jié)點(diǎn)A需對(duì)此合并信息進(jìn)行分割還原，獲取原信息。

通過對(duì)隊(duì)列中的信息進(jìn)行合并操作，同時(shí)利用信息傳輸過程的代理節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)的自身處理能力，可以充分利用每次傳輸機(jī)會(huì)，使得一次能夠傳輸多條信息，從而縮短傳輸時(shí)延。

5 模擬實(shí)驗(yàn)

利用第3節(jié)的網(wǎng)絡(luò)模型，筆者模擬采用ER、SWR、SMR 3種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)DTN中的廣播式訂閱查詢及洪泛式訂閱查詢，主要是查詢具有某個(gè)字段（MegField）的信息。從以下3個(gè)方面對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能進(jìn)行分析。

·從整個(gè)系統(tǒng)訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱信息的數(shù)目（即同等情況下事件的查詢結(jié)果）方面進(jìn)行性能的比較。

·從系統(tǒng)中成功訂閱信息的平均傳輸延遲方面進(jìn)行性能比較。

·SMR最大合并信息數(shù)目對(duì)其系統(tǒng)性能的影響。

5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)的軟件環(huán)境為Windows XP+JDK1.60+ONE+Eclipse-SDK-3.7.2-Win32。ONE[10]是一款專門針對(duì) DTN的模擬器，它是基于離散事件模擬引擎的，每一步模擬時(shí)引擎都會(huì)更新許多模塊，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)模擬的功能。硬件環(huán)境 為 Intel Core2 Quad Q8400@2.66 GHz （4CPU），3 GB RAM的計(jì)算機(jī)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的區(qū)域面積為4500 m×3400 m，總共有31個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中訂閱節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為1，代理節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為10。訂閱節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方式為random walk（節(jié)點(diǎn)持續(xù)選擇一個(gè)隨機(jī)的方向和速度移動(dòng)），其余節(jié)點(diǎn)移動(dòng)方式為random way point，即節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)重復(fù)3個(gè)步驟：首先，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)選取一個(gè)點(diǎn)；接著，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個(gè)速度朝著選取的方向移動(dòng)；最后，節(jié)點(diǎn)在選取的點(diǎn)的位置上隨機(jī)停留一段時(shí)間。隊(duì)列的管理按照先進(jìn)先出原則，廣播式訂閱查詢的廣播寬度覆蓋整個(gè)系統(tǒng)區(qū)域，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1，其中，預(yù)熱時(shí)間為仿真正式開始前系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的時(shí)間。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在同等網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及配置下，改變仿真時(shí)間，利用ER、SWR、SMR 3種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)的廣播式訂閱查詢處理及洪泛式訂閱查詢處理，得到不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。盡管采用不同的訂閱查詢處理方式，但相同時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中信息發(fā)布節(jié)點(diǎn)生成的符合查詢條件的總信息數(shù)目都是一樣的，因此，各個(gè)仿真時(shí)間與系統(tǒng)中生成的符合查詢條件的總信息數(shù)見表2。

表2 仿真時(shí)間與符合查詢條件的總信息數(shù)

成功訂閱信息數(shù)目為一定仿真時(shí)間內(nèi)，訂閱節(jié)點(diǎn)成功接收到的符合其查詢條件的不同信息的數(shù)目。從圖7中可以看出，系統(tǒng)利用3種傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)的2種訂閱查詢處理中，訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱的信息數(shù)目均隨著仿真時(shí)間的延長而增加，但是在同樣的時(shí)間內(nèi)同一種訂閱查詢處理中，采用SMR時(shí)訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱的信息，比采用前兩種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議時(shí)訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱的信息要多。這是因?yàn)镾MR能夠有效地利用節(jié)點(diǎn)自身及節(jié)點(diǎn)間處理能力，根據(jù)訂閱查詢要求對(duì)有效信息進(jìn)行合并操作，充分利用了節(jié)點(diǎn)之間的每次相遇機(jī)會(huì)增加有效信息傳輸量。對(duì)比分析圖 7（a）和圖 7（b），可以發(fā)現(xiàn)，同等情況下采用3種傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)的洪泛式訂閱查詢處理中，SMR的性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。這是因?yàn)楹榉菏接嗛啿樵兲幚碇校嗛喒?jié)點(diǎn)發(fā)布的查詢信息也需要借助其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，使系統(tǒng)中有效信息的傳輸條件更加苛刻，節(jié)點(diǎn)之間相遇且能夠傳輸有效信息的機(jī)會(huì)更加少，從而突出了SMR能夠充分利用節(jié)點(diǎn)間的每次相遇機(jī)會(huì)傳輸更多有效信息量這一特點(diǎn)。

圖7 成功訂閱信息數(shù)

成功訂閱信息的時(shí)延均值為成功訂閱的所有信息被訂閱節(jié)點(diǎn)接收的平均時(shí)延，如訂閱節(jié)點(diǎn)總共收到10條符合其查詢條件的不同信息，接收最后一條信息的時(shí)間距離系統(tǒng)開始仿真的時(shí)間為2 h，那么平均時(shí)延為0.2 h。由圖8可以看出，采用ER和SMR實(shí)現(xiàn)的兩種訂閱查詢處理中，成功訂閱信息的時(shí)延均值均隨著仿真時(shí)間的延長而縮短。這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)間短時(shí)有些符合查詢條件的信息沒有被訂閱節(jié)點(diǎn)成功接收。采用SWR實(shí)現(xiàn)的兩種訂閱查詢處理中，成功訂閱信息的時(shí)延均值都呈現(xiàn)了一定的波動(dòng)。這是因?yàn)镾WR中每條信息的復(fù)本數(shù)目有限，節(jié)點(diǎn)自身也沒有對(duì)信息進(jìn)行處理，同等情況下系統(tǒng)中訂閱節(jié)點(diǎn)成功接收到的訂閱信息數(shù)目有限，信息到達(dá)的時(shí)間會(huì)有不定的時(shí)延。對(duì)比分析圖 8（a）和圖 8（b），可以看出，SMR 實(shí)現(xiàn)的兩種訂閱查詢處理中，成功訂閱信息的延遲均值都是最短的，這還是因?yàn)?SMR能夠有效利用每次傳輸機(jī)會(huì)增加有效信息的傳輸量。

通過分析訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱的信息數(shù)和成功訂閱信息的時(shí)延均值，可以得出，在訂閱查詢傳輸條件越嚴(yán)格的情況下，訂閱查詢時(shí)間越長，SMR性能越突出。

在本文提出的DTN中信息大小為500 KB、采用SMR仿真，仿真時(shí)間為22 h、網(wǎng)絡(luò)中信息的最大Size超過系統(tǒng)中最大信息傳輸量（500 kbit/s）時(shí)，不斷改變最大信息合并數(shù)所得的訂閱結(jié)果如圖9（a）所示。從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中信息的最大Size超過系統(tǒng)中最大信息傳輸量，兩種訂閱查詢處理中信息最大合并數(shù)都為3時(shí)，同樣的時(shí)間內(nèi)訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱的信息數(shù)最大；當(dāng)信息最大合并數(shù)大于3時(shí)，同樣的時(shí)間內(nèi)訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱的信息數(shù)明顯降低。這說明上述系統(tǒng)中當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中信息的最大Size超過系統(tǒng)中最大信息傳輸量時(shí)，把信息的最大Size定為信息Size的3～4倍時(shí)，能體現(xiàn)SMR的最佳性能。由此可以看出，并不是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)每次傳輸?shù)男畔⒘吭酱螅琒MR的性能越佳。

圖8 成功訂閱信息的延遲均值

圖9 最大合并信息數(shù)與成功訂閱信息

信息大小為100 KB，采用SMR仿真，仿真時(shí)間為22 h，限制網(wǎng)絡(luò)中信息的最大Size超過系統(tǒng)中最大信息傳輸量時(shí)，不斷改變信息合并數(shù)所得的訂閱結(jié)果如圖9（b）所示。從圖中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中信息的最大Size不超過系統(tǒng)中最大信息傳輸量，廣播式訂閱查詢處理中信息的最大合并數(shù)為3時(shí)，訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱的信息數(shù)最大；在洪泛式訂閱查詢處理中信息的最大合并數(shù)為2或3時(shí)，訂閱節(jié)點(diǎn)成功訂閱的信息數(shù)都是最大的。由此可以看出，并不是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)每次傳輸?shù)男畔⒘慷歼_(dá)到系統(tǒng)中最大信息傳輸量時(shí)，才能使SMR體現(xiàn)最佳性能。之所以出現(xiàn)上述各種現(xiàn)象，是因?yàn)樵贒TN中采用SMR實(shí)現(xiàn)訂閱查詢處理時(shí)，最佳信息合并數(shù)目 （取得最佳訂閱結(jié)果的信息合并數(shù)）與DTN中節(jié)點(diǎn)緩存的大小、節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸率、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度、節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)模式以及系統(tǒng)中信息本身大小等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)都密切相關(guān)。

通過上述分析可以看出，在DTN中采用SMR進(jìn)行信息傳輸時(shí)，存在一個(gè)信息最佳合并數(shù)值K，本文提出的DTN模型中，筆者通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，得出K值為3，但在實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)模型中，需要根據(jù)不同的實(shí)際情況調(diào)整K值，獲取最佳通信效果。

6 結(jié)束語

與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比，DTN具有的獨(dú)特特性使得傳統(tǒng)的各種無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議不能適用于DTN，為了有目的、高效地進(jìn)行DTN中的信息收集，本文提出了一種新的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議SMR，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩種適用于DTN的訂閱查詢處理協(xié)議。但是，由于SMR沒有考慮能量方面的消耗，未來可考慮適合在能量敏感的DTN中進(jìn)行信息收集的協(xié)議，同時(shí)考慮在復(fù)雜DTN環(huán)境下的訂閱查詢的實(shí)現(xiàn)。

1 朱金奇，劉明，龔海剛等.延遲容忍傳感器網(wǎng)絡(luò)中面向發(fā)布/訂閱系統(tǒng)的事件傳輸.軟件學(xué)報(bào),2010,21（8）

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Merger-Based Subscription Query Transport Protocol in DTN

Cao Pei,Qian Jiangbo,Chen Yefang,Chen Huahui
(College of Information Science and Engineering,Ningbo University,Ningbo 315211,China)

DTN is a network model derived from self-organizing wireless networks.It is suitable for actual needs of self-organizing networks because it does not require network’s full connectivity.How to efficiently transport data to sink node without distinction is being considered in most studies of DTN transport protocols.A DTN’s merger-based subscription query transport protocol was presented,called SMR,which fully utilizes the processing capacity of the nodes themselves in the system.Experiment results show that the SMR protocol performs better than ER and SWR protocols in both DTN broadcast subscription query system and DTN flooding subscription query system.SMR could be a good candidate to enhance the real-time demand of DTN subscription query system.

delay tolerant network,subscribe query processing,message merger

10.3969/j.issn.1000-0801.2013.03.013

* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.60973047），浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.Y109118），浙江省科技廳基金資助項(xiàng)目（No.2011C21076），浙江省教育廳基金資助項(xiàng)目（No.Y201120729），寧波市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.2012A610065）

book=325,ebook=325

曹佩，女，寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)檠舆t容忍網(wǎng)絡(luò)的查詢處理等。

錢江波，男，博士，寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)流、邏輯電路設(shè)計(jì)等。

陳葉芳，女，寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)流處理等。

陳華輝，男，博士，寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)流處理和數(shù)據(jù)挖掘等。

2013-01-27）