使用消息中继在断开连接的自组网中进行通信

https://doi.org/10.1016/S0743-7315(02)00033-3获取权限和内容

摘要

一个自组织网络是由一组移动主机在无线网络接口上形成的。以前对adhoc网络通信的研究主要集中在路由算法设计用于完全连接的网络。在断开连接的自组织网络中进行通信的传统方法是让移动计算机被动地等待网络重新连接。这种方法可能会导致不可接受的传输延迟。我们提出了一种确保消息在最短时间内传输的方法。在这种方法中,移动主机主动修改其轨迹以传输消息。我们在两个不同的假设下开发了最小化轨迹修改的算法:(a)系统中所有节点的运动已知,(b)系统中主机的运动未知。

介绍

移动计算机经常与网络断开连接,当它们重新连接时,可能会发现自己的网络连接在带宽、可靠性或延迟方面完全不同。处理移动无线网络中数据传输的方法包括传统技术,如尝试、超时、休眠、重试等,以及无线路由算法。简单的try、timeout、sleep、retry循环可能会失败,特别是当系统在短暂的重新连接期间没有重试连接时。当前的无线网络解决方案还不够,因为到目标机器的整个路径必须可用。假设您想从机器传输数据M(M)到机器M(M)并且路径包括至少一个中间节点,例如机器M(M)(由于范围限制,在无线网络中通常会出现这种情况。)为了成功传输M(M)M(M)和之间M(M)M(M)必须同时可用。此事件的概率远小于两次跳中的一次(从M(M)M(M)或来自M(M)M(M))已打开。

我们提出了adhoc无线网络中的主动通信算法。此前在这一领域的研究主要集中在完全连接的网络上,其中任何两台主机都可以直接或通过其他中间主机相互通信。在自组织网络中,可能无法进行逐跳通信,因为相邻主机可能已断开连接。主机可以使用有关其他主机位置的知识主动更改其位置以实现连接,而不是静态地等待网络重新连接。我们认为,当网络中的主机合作执行联合任务时,这种主动消息传输是可行的,并且对于需要紧急消息传递的应用程序非常有用。

在本文中,我们探讨了改变宿主轨迹以促进通信的可能性。我们将展示如何使用有关目标主机运动的信息来确定如何通过协作中间主机将消息发送到此主机。给定一个移动计算机的临时网络,其中每个节点的轨迹近似已知,我们希望开发一种算法,通过招募中间主机来帮助计算从主机a向主机B发送消息的轨迹。在我们的上下文中,招募意味着要求中间主机改变其路径,以完成主机a和B之间的路由路径。我们希望在尽可能快地传递消息的同时,尽量减少路径修改。

本文研究了两种算法。在第一种算法中,我们假设所有主机都知道主机的运动和位置信息,或者可以在一些错误参数内进行估计。第二种算法不假设主机的移动是已知的。

这种消息传输方法可以使用移动代理实现[1]。移动代理是一种可以在自己的控制下进行迁移的程序。在自组织网络中使用移动代理进行通信的主要优点是,它们可以充当消息的“包装器”。移动代理包装器(称为活动消息)为消息提供了一定程度的自治性,并允许它们驻留在网络的中间点。这使得消息能够以增量方式将自身传播到目的地,这是传统消息传输方法的一个优点,在这种方法中,从起始位置到目的地的整个路径都必须可用。因此,我们提出的通信协议是应用层协议(而不是网络层协议)。虽然由于网络分区,网络无法将消息路由到目的地,但它将尝试对本文中提出的方案进行“升级”。程序可以确定中继消息的主机的移动路径。其他应用程序,例如控制器,可以决定消息的路由是否合理,或者是否有更好的方法。例如,在部署一组机器人执行传感任务的战术机器人网络中,消息路由程序可以建议团队修改轨迹,而单个机器人可以决定最终的主机轨迹。

本文介绍了消息中继的概念,但并没有解决所有的技术问题。为了全面描述这种通信方法适用的应用程序,必须回答许多问题。我们在这里的目标是表明,通过中继的主动消息传输是adhoc无线网络中一种很有前途的通信协议。我们希望,这项工作将促进更多的研究,以了解这一概念。

本文的其余部分组织如下。第二节介绍了相关工作。第3节描述了充分了解主机运动的消息传输算法。第4节介绍了当算法使用有关主机位置的不精确信息时对算法的性能评估。第5节分析了不完全了解主机运动的消息传输算法。第6节讨论了实验。

节代码段

相关工作

我们受到三个领域最新进展的启发:即席网络、全球定位系统(GPS)位置信息辅助路由、随机路由、个人通信系统(PCS)和移动代理。

已经有很多关于自组网路由的研究[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]。路由算法必须应对无线网络的典型限制:高功耗、低无线带宽和高错误率。所有这些路由协议都假定

已知移动网络中的消息传输

在本节中,我们开发了一种用于动态自组织网络中消息传输的算法,该算法使用了一个强大的假设:系统中所有节点的移动轨迹都是已知的。这一假设适用于许多应用,尤其是当主人沿着现有道路和高速公路移动时:警车以恒定速度跟随道路,士兵在节拍上巡逻,救援人员根据详细计划移动。在接下来的部分中,我们将展示限制较少的泛化

位置错误下的消息传输

最佳中继路径算法(参见算法2)的一个重要特性是,即使主机的位置不精确(即轨迹是在特定的错误参数内指定的),该算法仍然有效。这对于实际应用(例如涉及移动的汽车和机器人)来说是一个特别有用的特性,在实际应用中,位置信息的不确定性是一个基本组成部分(移动修改可能会导致主机位置估计的误差)

未知移动网络中的消息传输

当估计位置的误差小于传输范围时,以前的算法工作良好。但是,如果随机因素使主机的运动偏离了估计的轨迹,则误差可能会很大。当误差大于传输范围时,根据以前的方案跟踪主机是不可能的。在本节中,我们将介绍一种方法,该方法可以与系统中的所有主机通信,尽管它们的移动未知。

我们提出一种方法,其中

模拟实验

我们开发了一个仿真系统来研究我们的算法。我们重点评估消息中继如何干扰主机的任务。我们使用三个指标进行评估:平均工作时间的百分比、工作时间的标准偏差与平均工作时间之间的比率以及消息的平均传输。第一个指标表示主机在自己的工作上花费的时间,而不是消息传输。第二个指标评估如何

结论

本文描述了如何利用轨迹变化在断开连接的自组织网络中传输消息。我们提出了两种算法。第一种方法使用移动主机在某些不确定性约束下的运动的完整知识。在第二种方法中,如果无法获得完整的位置信息,则使用位置更新。这些算法避免了传统的等待和重试方法,这些方法不能很好地处理断开连接。

我们认为,这种沟通方式

致谢

我们感谢Mahadev Satyanarayanan提出这个问题。我们非常感谢三位匿名审稿人提出的许多富有洞察力和帮助的评论。这项工作得到了国防部合同MURI F49620-97-1-0382和DARPA合同F30602-98-2-0107、ONR拨款N00014-01-1-0675、NSF CAREER奖IRI-9624286、本田公司和斯隆基金会的部分支持;我们感谢您的支持。

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    • 努力实现传感:驯服你的移动代码,共享机器人传感器网络

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    • 智能传感器网格的存储-处理-转发模式

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      在DTN场景中使用移动代码的出版物或研究并不多。在[22]中,一个想法是草图,但没有包含架构,也没有给出实现。另一方面,关于网格计算和DTN网络的出版物很少。

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      当代理节点连接到网络分区时,它们会传递其有效负载。另外,一些论文[8,15]提出了通过修改节点轨迹或功率水平来进行网络拓扑控制[13,24]。文献中通过移动代理改善MANET网络连接的工作非常有限。

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