机会网络拥塞控制的研究

刘席开，刘桂开

机会网络拥塞控制的研究

刘席开1，刘桂开2

（1．湖南省通信建设有限公司 研发部，湖南 长沙 410003；2. 湖南科技大学 计算机科学与工程学院，湖南 湘潭 411201）

机会网络发生拥塞使结点的存储空间处于持续耗尽状态，将严重影响机会网络的性能。机会网络采用的是存储-携带-转发路由模式，通过利用节点移动所形成的相遇机会，逐跳转发消息来实现节点之间的通信，这种与传统网络不相同的组网方式给拥塞控制机制带来了新的挑战。首先介绍了机会网络路由与转发机制，并分析了现有路由协议有可能导致拥塞产生的原因，然后阐述了机会网络拥塞控制与延迟容忍网络之间的联系，简要叙述了自适应拥塞控制方法更适合机会网络，并对机会网络自适应拥塞控制研究进展进行了讨论，最后进行总结并展望了机会网络拥塞控制技术未来的研究方向。

机会网络；延迟容忍网络；自适应拥塞控制；分流策略；限流策略

机会网络(Opportunistic Network)是一种特殊的移动自组织网络，利用结点移动带来的相遇机会实现结点之间的通信。机会网络的有些概念来自于延迟容忍网络[1]的研究，目前还没有一个严格的定义，文献[2]对机会网络是这样描述的：机会网络不要求源结点和目的结点之间存在完整的路径，是一种利用结点移动所带来的相遇机会实现通信和组网的自组织网络。由于机会网络对组网没有全连通的要求，所以能够更好地满足实际的自组织网络需求。机会网络可以应用于网络环境恶劣、缺乏通信基础设施以及应对紧急突发事件的场合，因此在军事和民用无线通信领域都具有非常重要的研究和应用价值，如普林斯顿大学的ZebraNet项目[3]、欧盟FP6的Haggle项目[4]等。值得一提的是，面对2011年发生在日本的大地震和海啸，有学者提出在移动终端上设置灾难模式的功能[5]，当网络基础设施遭到破坏而无法正常通信时，用户可以启动灾难模式，通过移动终端之间建立机会网络来进行紧急通信，这项研究具有非常重要的现实意义。另外，从未来网络的发展来看，在普适移动计算环境中，机会网络也是一种很好的通信模式，可以充分利用各种计算资源和通信机会。

从近几年对机会网络的研究情况来看，人们关注的重点主要是机会网络的转发机制和路由协议，研究目标注重于在有限存储和传输受限的条件下，提高机会网络的性能，包括消息传输的成功率、时延、分组丢失率等方面，一般基于网络中资源的无限性假定，即假定所有机会网络结点都愿意参与到其他结点对消息的转发，帮助其他结点达到更好的转发成功率和更小的转发时延，而对于结点或网络资源的消耗、流量分布、全网资源的使用效能等方面却不是其核心关注点。但是，当流量不受限制或者负载分布不均衡时就会引起单个结点或者网络的拥塞，如果拥塞控制解决不好，文献[6]指出，在机会网络中发生拥塞所表现出来的情况是结点的存储空间会处于持续耗尽的状态，将严重影响机会网络的性能。面对机会网络的拥塞控制问题，一方面，传统的拥塞控制协议在机会网络中起不到任何作用，因为这些协议都假设网络中存在端到端的连接，并且依赖于接收端返回的确认消息。由于机会网络中没有端到端的连接，使得一个消息的发送端在消息传输过程中获取反馈信息并避免途经结点发生拥塞变得很困难。另一方面，国内外主要研究都是围绕机会网络路由，而针对机会网络的拥塞控制研究则较少。所以，需要针对机会网络的特点研究新的拥塞控制方法。合适的拥塞控制机制是机会网络获得网络可靠性、网络稳定性和网络可接受性能的关键技术，对机会网络的发展有重大影响。本文对机会网络拥塞控制研究进展进行分析。

1 机会网络路由与转发机制

在传统的移动自组织网络（MANET：Mobile Ad hoc Network）中，都假设任意两个结点之间至少存在一条完整的端到端的通信路径，如AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector)、DSR(Dynamic Source Routing)[7]、STR (Subarea Tree Routing)[8]等路由协议或路由算法的设计。不过，源结点与目的结点之间不存在端到端的通路并不能说明两个无线网络结点之间不能实现消息的传递，因为在无线网络中，结点通过自由移动，可以相互到达彼此的信号覆盖范围，从而实现信息交互，机会网络[9]就是利用这种两个结点之间的相遇机会、并经过逐跳（hop-by-hop）传输将数据从源结点传送到目的结点的网络。传统的移动自组网传送数据包采用的是“存储-转发”模式，而机会网络将消息存储和路由转发机制结合在一起，以“存储-携带-转发（Store-Carry-Forward）”模式传输数据，允许网络结点在结点稀疏、高移动性、高延迟或者链路不稳定的网络环境中进行通信。当一个结点不知道去往目的结点的下一跳结点时，先将消息缓存，随自己移动，并等待合适的转发机会，当与其他结点相遇时，就将消息转发给另一个结点，就这样依靠结点的相遇来进行消息的转发，直到转发给目的结点。由于这种新兴的组网方式与传统网络通信模式之间存在很大差别，所以引起了学术界非常大的兴趣，网络领域一些著名的会议还成立了专门的研讨会，如 PERCOM 的 ICMAN、ICDCS的 DTMN、Mobicom的CHANTS以及MobiSys的MobiOPP等。在我国，对机会网络的研究也已经逐步展开，许多科研人员对此进行了探索和研究[10-14]。

转发和路由是任何组网技术的首要问题，在机会网络中，首先要解决的就是针对每个消息如何选择合适的转发时机和确定最好的下一跳转发节点。根据转发策略的不同，可以将机会网络转发机制划分为四种：第一种是基于冗余的转发机制[15-16]，在这种机制中采用的是消息复制或编码的方法，每个消息都有多个冗余的消息在网络中传播，这样通过多条路径并行传输可以达到提高消息传输可靠性的目的。第二种是基于效用值的转发机制[17-19]，使用单路径、单消息拷贝，利用一个估计函数给每个结点赋予转发效用值(Utility)，根据网络状态信息来决定下一跳结点。第三种是冗余与效用混合转发机制[20-22]，这种转发机制综合了基于冗余的转发机制与基于效用的转发机制，其中每个消息不仅会产生多个冗余消息在网络中传播，而且每个冗余消息还需要根据基于效用值（Utility）的转发策略传递到目的结点。最后一种是基于结点主动运动的转发机制[23-24]，这种转发机制的特点是结点有目的地主动运动，因为一般情况下，机会网络中的结点都是随机移动的，是在被动地等待下一跳连接的机会。相比之下，当某些结点能够在一定的范围内经由主动运动来为其它机会结点提供数据转发或数据传输服务时，网络的传输效率无疑会得到提高。在机会网络中，除了传输受到限制外，另外一个重要的方面是，由于机会网络中需要有相遇机会才能传输数据，带来的直接影响就是端到端的长时延，导致数据在传送到目的结点之前要在网络中滞留相当长的时间，这样需要通过中继结点携带的数据会越积越多，有可能很快就将中继结点的存储空间消耗尽，因此相比于传统的移动自组织网络（MANET）而言，机会网络对缓存空间容量存在着更高的要求，文献[10]、[25]对机会网络缓存管理策略进行了研究。其他的研究还包括机会网络结点移动模型[25]、基于机会通信的数据分发和检索[27-28]等方面。现有的机会网络路由协议一般基于网络中资源的无限性假定，对拥塞控制问题研究较少。如基于冗余的转发机制，为了提高消息传输成功率和减小时延，建立了很多消息副本在网络中传送，以期至少有一个消息副本能够尽快到达目的结点。但这么多的消息副本都需要其他结点的携带和转发，在资源稀缺的机会网络中，导致拥塞产生的可能性非常大。对于基于效用的转发机制和基于结点主动运动的转发机制，同样存在拥塞产生的可能，因为流量会向连接状态好的结点或网络区域流动，达到一定的程度就会产生拥塞。另外，研究人员发现利用社区概念可以优化机会网络的转发性能[29]，但也有文献指出基于社区的转发机制会导致不均衡的流量分布[30]。可见，拥塞问题解决不好，将严重影响机会网络的性能。

2 机会网络拥塞控制

当网络的流量过大，或者网络中存在过多的报文集中流向某些结点或网络区域，就会使网络的可用资源无法满足业务对网络资源的需求，导致网络性能的下降，这种现象就称为拥塞。事实上，网络拥塞的产生主要是因为网络资源的使用和网络流量的分布不均衡所造成的，如果网络流量集中流向某些结点或网络区域，就会造成网络中局部流量过高而发生拥塞。如果对网络资源的使用和流量的分布进行控制，就能保障网络流量的畅通和网络性能的平稳，这种既能使用户服务质量得到一定保障、又能使网络吞吐量达到最大的机制就称为拥塞控制。一般来说，拥塞控制包含拥塞检测、信息反馈和拥塞处理三个环节。拥塞检测就是监控网络资源使用情况和流量分布的过程，判断网络中是否出现了拥塞。但拥塞控制的代价和拥塞控制的性能评价因出发点不同则其所关注的重点也不尽相同，对用户来说，主要考虑的是带宽、时延、吞吐量等方面；从网络的角度主要考虑网络的吞吐量、流量分布的均衡性、网络的稳定性、全网收益等；从网络结点如路由器的角度主要考虑链路利用率、分组丢失率、缓存区容量、队列长度等。检测网络拥塞程度的指标主要有重传超时时间、平均队列长度、平均分组时延、丢弃分组的比例、缓冲区容量大小、信道利用率、负载强度等。拥塞控制机制可以分为开环和闭环两种方式，其中不使用反馈信息对拥塞实施控制的是开环方式，它是一种主动的拥塞预防机制，其目的是采用静态分配资源策略，主动避免网络拥塞的产生，从而使网络平稳地运行在高吞吐量的状态之下。闭环控制是使用反馈信息对拥塞实施控制，它是一种被动的拥塞恢复机制，采用的是流量控制、缓解拥塞的解决思路，源端可以通过获取分组丢失、时延等信息来判断网络的拥塞程度，然后采取相应的控制措施把网络从拥塞的状态中恢复过来。拥塞处理就是对网络拥塞进行控制，既要预防网络出现拥塞，又要能在网络发生拥塞后将网络从拥塞中恢复过来。在Internet中进行拥塞控制可以追溯到1988年为TCP协议设计的控制机制[31]。在TCP协议中，发送结点从接收结点返回的确认消息判断是否有分组丢失或时延太大，TCP的每个端点通过改变窗口大小来控制数据的发送速率，以应对网络拥塞。TCP拥塞控制机制包含了4个基本算法，即慢启动、拥塞避免、快速重传和快速恢复。其他用于Internet的拥塞控制方法还有RED (Random Early Detection)、ECN(Explicit Congestion Notification)等。对传统移动自组织网络拥塞控制的研究，主要考虑移动自组织网络中有限的带宽资源、结点能量的限制等因素，要求路由协议合理选择路径使网络数据流快速地通过整个网络，采用的方法包括多路径均衡网络负载、拥塞自适应协议等[32-34]。网络拥塞的产生与网络的设计密切相关，所以拥塞控制机制也是在一定前提下提出来的。如前面所述，Internet拥塞控制是由源端或目的端驱动、依赖传递确认消息的闭环控制。机会网络由于与Internet相比，在路由机制、信道特性、端到端连接、可靠性、传播时延等许多方面都有较大的不同，并且不符合TCP的基本假设条件，所以，机会网络的拥塞控制适合使用开环控制。对于机会网络的拥塞控制，要从延迟容忍网络说起，因为机会网络的部分概念来自于之前针对延迟容忍网络的研究。延迟容忍网络是具有间断连接特性、信息在传递过程中会经历长时延或可变时延和高误码率的新型无线网络，其网络特性导致其路由、拥塞控制和安全都面临新的挑战，因此IRTF（Internet Research Task Force）创建了一个新的研究组 DTNRG（DTN Research Group）来研究延迟容忍网络，并引入一个新的协议层-Bundle层 。Bundle层通过建立存储-转发机制，使得延迟容忍网络中的节点在间断性的连接环境下可以通信。Bundle（有关文献将其翻译为“束”）是一种比IP包大很多的数据单元，为的是允许建立仅经过一次消息交换就能够完成应用交互的独立消息。对比机会网络与延迟容忍网络，二者的区别在于：延迟容忍网络中两个结点之间是否可以建立连接是已知的，只是连接不是一直存在，连接建立可以是定期进行，也可能是随机建立，即连接的建立存在延迟。而机会网络中两个结点之间是否可以建立连接是未知的，完全依靠相遇机会来建立连接，Pelusi L等[8]认为机会网络是一个更一般的概念，它包含了延迟容忍网络。可见，机会网络在路由、拥塞控制和安全方面更具挑战性。但由于机会网络和延迟容忍网络都处于快速发展阶段，加上二者都具有断续连接的特性，所以很多研究工作并没有将二者进行严格区分。在拥塞控制研究方面，人们首先研究的是延迟容忍网络的拥塞控制，后来有了机会网络的概念后，就将机会网络纳入到了研究的范畴。文献[36]对延迟容忍网络拥塞控制的研究进行了总结，文中根据拥塞的资源关注点不同将延迟容忍网络拥塞控制分为结点级拥塞、链路级拥塞和区域级拥塞三种类型，并指出延迟容忍网络仍然处在快速发展之中，其拥塞控制技术乃至传输控制协议需要进一步深入研究与实践。机会网络出现在延迟容忍网络之后，有关机会网络拥塞控制研究大多是基于之前对延迟容忍网络的研究，近来关注的重点是机会网络的自适应拥塞控制，因为在机会网络中，由于消息的传输时间长、网络状态变化快，自适应的拥塞控制方法更适合机会网络。

3 自适应拥塞控制

根据机会网络的特点，高效的拥塞控制机制不应基于消息建立时的网络条件，而是在消息传输过程中由消息途经结点自适应地做出拥塞控制的决定。

文献[37]提出了算法DA-SW（Density-Aware Spray-and-Wait）， 是 Spray-and-Wait算 法 的 变形，Spray-and-Wait算法可以在一定时延下动态确定一个消息在网络中分发的数量。DA-SW依赖当前平均的结点连通度，任何时候一个结点有一个Bundle需要发送，它就计算自己当前的连通度，根据计算确定导致预期时延的副本数量。但该算法没有考虑处理资源受限的问题，如结点缓存、带宽、能量消耗等。Nelson等[38]提出了算法EBR（Encounter based routing），一种基于配额（Quota）的复制协议，每个结点跟踪记录自己的相遇情况，以此来决定在一次相遇机会中要传送一个消息的多少个副本以及交换消息副本的哪些内容，但不能自适应地设置每个消息的副本数量。文献[39-40]开发了一种动态的本地方法，用于侦测拥塞并通过调整新消息的复制限定来对拥塞做出反应。其中，结点从与其他结点的连接中收集网络测量值，使用固定的衡量指标来检测是否发生拥塞。协议中每个结点都建立自己的拥塞视图CV（Congestion View），并与拥塞门限值进行比较，根据比较结果由一个退避（back-off）算法来决定新消息的复制限定是降低还是上升。不过，该方法假设网络具有一致的随机位点移动性RWP（Random waypoint mobility），实际上，网络不是一致的，拥塞程度在不同的网络区域都不相同。文献[41]提出了一种在传统的传染路由协议下基于复制率的拥塞控制算法，当节点接收新数据包缓存发生拥塞时，节点根据数据包的复制次数和经过的生命周期估算各数据包的复制率，并丢弃复制率最大的数据包，从而缓解拥塞。Radenkovic和Grundy在文献[42]中提出了一种针对社区机会网络的拥塞控制算法，将路由与拥塞避免相结合，使用启发式方法从社区信息中获取到达目的结点的最短路径，并通过缓存信息避免经过拥塞的网络区域。文献[43]中，Radenkovic和Grundy在拥塞感知转发协议基础上，建立了一种兴趣驱动的P2P内容分发方法，缓存和转发策略的确定是基于兴趣、结点可用性、社区关系以及兴趣结点的数量等因素。Pujol等[30]考虑到仅凭连接历史信息不能很好地平衡流量分布，提出通过评估结点的队列长度来达到负载分布的公平性，消息将发给与接收目的结点具有较强社区关系的结点，但仍然不能避免一般结点出现拥塞、引起分组丢失。从当前的研究来看，机会网络自适应路由和拥塞控制策略可以分为两个方面：自适应分流策略和自适应限流策略。自适应分流策略是指当检测到拥塞信号时，将负载从拥塞区域转移到拥塞程度低的区域，如采用多径路由对数据流进行分流处理。这类策略的主要不足是不能减少网络流量，只能改变流量的分布，意味着当没有分流的路由时必须承受严重拥塞所带来的影响，如文献[30,42-43]。自适应限流策略能够检测拥塞，并能减少网络流量，但不能将拥塞区域部分流量转移到流量少的区域，无法高效处理部分网络持续拥塞而其他区域流量很少的情形，如文献[37-41]。

4 结束语

机会网络不要求网络的全连通，能够更好地满足实际的自组织网络需求，因此具有广阔的应用前景，也得到了广泛的研究。目前国内外主要研究都是围绕机会网络路由，而针对机会网络的拥塞控制研究则较少，但发生拥塞会使结点存储空间处于持续耗尽的状态，严重影响机会网络的性能，而传统的拥塞控制协议又不适合在机会网络中使用，所以，需要针对机会网络的特点研究新的拥塞控制方法。从现有研究来看，机会网络拥塞控制大多是针对结点缓存管理；对于机会网络自适应拥塞控制，一般是基于分流策略或限流策略，少有文献将两种策略综合起来考虑，而且所研究的机会网络自适应分流与限流策略也还很不完善，有的还要基于一定的假设条件。所以，接下来的研究，不仅要继续对机会网络自适应分流策略和自适应限流策略进行研究，而且还要研究将两种策略结合起来，建立一种融合自适应分流策略和自适应限流策略的拥塞控制机制，这样，既能做到减轻网络负载，又能均衡网络流量的分布。现有拥塞问题研究大多局限于结点、机会连接，难以从网络全局解决拥塞问题，为此需要重点探寻在网络这个层次上，机会网络中的结点以自组织的方式一起工作时，对拥塞进行检测和处理的情况，以期在统一自适应分流与限流策略的拥塞控制机制下，根据综合分析结果自适应地改变分流和限流的行为与状态，使整个网络更加稳定、可靠。

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Study on congestion control for opportunistic network

LIU Xi-kai1, LIU Gui-kai2
(1. Research and Development Dept., Hunan Provincial Communications Construction Co. Ltd., Changsha 410003, Hunan, China;2.School of Computer Science and Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, Hunan, China)

Congestion in opportunistic networks may take the state of persistentstorage exhaustion and affects the network performance seriously. Opportunistic networks adopt “store-carry-forward” routing pattern to implement communications among nodes and take advantage of the nodes’ encounter opportunities to transfer messages in a hop-by-hop way. This networking approach, totally different from the traditional communication model, poses significant challenge for congestion control mechanism. The routing and forwarding mechanisms of opportunistic networks was firstly introduced and the reason that the existing routing protocols may result in congestion was analyzed. Thenthe relation between congestion control of opportunistic network and delay tolerant network (DTN) was expounds,and it was briefly described why the adaptive congestion control is more suitable for opportunistic networks. Also, dthe research progress of adaptive congestion control of opportunistic network was introduced. Finally, the possible research focuses for congestion control technique of opportunistic networks in the future were summarized and previewed.

opportunistic network; delay tolerant network; adaptive congestion control; diffluent policy; current limiting policy

TN915.142

A

1673-923X(2012)08-0159-06

2012-03-06

湖南省科技计划项目基金（2010GK3045）；湖南省教育厅科研基金（10C0687）；湖南省教育厅青年项目基金（10B034）

刘席开（1974—），男，湖南益阳人，硕士，高级工程师，研究方向：无线网络技术

刘桂开（1969—），男，湖南益阳人，工学博士，高级工程师，研究方向：宽带IP技术与无线网络技术

[本文编校：邱德勇]