基于信用激励机制的移动网络路由优化研究

葛伟伦

(安徽财贸职业学院 云桂信息学院, 安徽 合肥 230601)

为了提高数据传输的效率，移动网络中的节点使用“存储—携带—转发”方式转发数据。随着移动设备、WiFi和蓝牙技术的普及，许多研究人员开始对具有社交属性的移动网络进行研究，并提出了许多基于社会关系的路由策略。大多数的路由策略均假设移动用户愿意为其他用户进行数据转发，但实际上移动用户通常采用自私的行为来节省有限的资源或保护他们的私人信息。自私有两种形式：个人自私和社会自私[1]。具有个人自私性节点对所有其他节点具有同样的自私性，而具有社会自私的节点则倾向于基于他们的社会关系向他人提供服务。研究者们提出各种路由方案来分别解决移动网络中节点个人自私性[2-4]和社会自私性[5-6]问题。本文从博弈论角度出发，提出了一种新型基于信用激励机制的路由策略，同时解决了移动网络节点的个人自私性和社会自私性问题，从而提高移动网络的性能。

1 系统模型

本文将两个自私节点之间的数据传输建模为一个Rubinstein-Stahl讨价还价过程[7]。假设拥有数据的节点是买方，用B表示，为买方转发数据的中继节点则是卖方，用S表示。由于网络中的节点是自私的，买方和卖方均都想追求最大利益。在移动网络中，有限的节点资源(如缓存和能量)、不良的节点社会关系等都可能会影响节点之间协作。这些因素可能造成了节点的自私性，使自私的节点不为其他节点转发数据。假设每个节点都拥有虚拟货币，虚拟货币可以适当地刺激节点进行合作。移动网络存在一个控制节点作为虚拟货币的管理中心，移动网络中的节点需要在货币管理中心注册账号。当两个节点使用虚拟货币完成交易后，卖方节点会将具有数字签名的收据提交到货币管理中心。当目的地收到数据后，货币管理中心将清算该交易。中继节点为其他节点转发数据时，它们会获得一定数量的虚拟货币作为回报；当中继节点具有足够的虚拟货币时，也可以支付其他节点为其转发数据。所有节点都试图通过转发来自其他节点的消息来获得虚拟货币。假设网络中有两种节点：正常(合作)节点和自私节点。其中，自私节点不是恶意节点，不会删除、伪造和篡改数据。

2 影响节点自私性的因素

(1)

其中，α1、α2是权重，并有α1+α2=1。

由于存在不同的社交关系，节点之间存在不同的信任关系，可能会表现出社交自私性。本文根据历史信息来刻画节点的社会关系，如节点间的接触频率、接触时间、接触规律以及社会相似性。社会相似性可以反映两个节点之间的相似程度。节点i与节点j之间的信任关系Si,j可以利用以下的公式来计算：

(2)

其中，φ是权重，FSi,j是节点i和节点j之间的社会压力参数，SSi,j是节点i和节点j之间的社会相似性。FSi,j是能够反映出节点之间关系的密切性，包括了接触的频率、持续的时间和规律，计算的方式如下所示：

(3)

其中，r(t)是在时刻t之后，节点i和节点j相遇后剩余的时间。SSi,j是节点i和节点j的社会相似性，计算方式如下：

(4)

其中，NumofNeii,j是节点i和节点j共同邻居的数量，NumofNeii是节点i邻居的数量，NumofNeij是节点j邻居的数量。

3 信用激励路由优化

3.1 路由优化的Rubinstein-Stahl 讨价还价模型

买方B想以最低的价格购买卖方的服务，但也需要会考虑很多因素。首先，购买者应该考虑数据对价格的影响，比如数据的大小、数据的剩余时间(TTL)。然后，买方应考虑节点的剩余资源和持有的货币。因此，对于数据p，买方B在t时刻的开价可以表示为：

(5)

(6)

(7)

3.2 路由优化策略设计

本小节详细地阐述了基于信用激励机制的移动网络路由优化策略。为了保证数据传输的成功率并节约网络资源，路由策略会采用有限的多拷贝方式。当数据源Src想要将数据包p发送到目的地Des时，数据源会创建有限数量的数据包p副本，并将一个副本转发给Src的中继节点j。当中继节点在转发数据包p的副本时，该节点会采用单一复制方案，并删除该副本。假设节点i需要转发数据包p到目的地Des，当节点i和j相遇，节点i首先确定节点j是否为数据包p的目的地，如果是，则节点i转发数据包p到节点j；否则，节点i会通过探测包确定节点j是否有较高历史概率达到目的地。如果节点j比当前节点i具有更高的概率遇到Des，那么节点i将与节点j开始进行协商，从而激励自私节点j转发数据包p；否则，节点i将继续携带数据包p，并继续寻找新的中继节点。双方开始协商时，节点i将请求信息发送到节点j。节点j是一个自私的中继节点，向节点i出售自己的转发服务。当节点j接收到请求信息后，它首先使用公式(2)计算两个节点之间的社会关系。然后，节点j计算传输信息的价格。如果卖方j的价格高于买方i的价格，协商将结束，节点j不会为节点i转发数据包p。否则，节点j计算(xj,xi)和uj,m(xj)的值，然后将其开价、折扣因子发送给节点i。如果节点i的效用值ui,m(xi)是正数，节点i会将数据包p转发给节点j；否则，则继续下一轮讨价还价。如果讨价还价的次数比阈值高，双方就会结束协商。当双方完成交易时，他们将持有这次交易的数字签名收据。节点将在连接到互联网时会将此收据提交给货币管理中心。如果目的地Des接收到数据包p，它会发送确认信息给货币管理中心，货币管理中心将根据数字签名的收据为每个中继节点支付货币。

4 性能评估

本节将使用机会网络环境模拟器[8]对所提出的基于信用激励机制的移动网络路由优化策略的性能进行评估。在仿真实验中，设置权重α1=0.5，α2=0.5，φ=0.5，折扣因子γB=γS=0.8。数据包的大小服从U(50KB, 1024KB)的均匀分布，数据包产生的时间间隔为10秒，数据包的TTL服从U(30min, 300min)的均匀分布，节点的缓冲区大小服从U(1MB, 20MB)的均匀分布。将本文的基于信用激励机制的路由策略与Epidemic[9]、Spray-and-Wait(SaW)[10]策略进行对比。在移动网络中，节点的自私行为会影响路由策略的性能。本实验将网络中自私节点的百分比从0%增加到80%，将节点的缓冲区大小设置为15MB，数据包的TTL设置为144min。图1是交付率与网络中自私节点比例的关系，交付率是指到达目的地的数据包数量与源节点产生数据包数量的比率。从图1可知，三种策略的交付率都随着自私节点百分比的增加而下降。Epidemic策略和SaW策略具有更低的交付率,本文算法能实现最高的交付率。本文算法考虑了两种自私性，有效地激励了更多的自私节点参与合作。此外，本文算法采用有限的副本拷贝策略，可以节省有限的资源。

图1交付率与自私节点比例的关系

图2反映了路由策略的平均时延。随着自私节点比例的增加，所有路由策略的平均时延将会增加，但Epidemic的增长却很平稳。Epidemic路由策略向所有的邻居节点发送数据包，因此数据包会有更多的机会，并迅速地传递到目的地。与SaW策略相比，本文算法能获得较小的时延。本文算法利用了讨价讨价的博弈模型，考虑了多种因素来激励节点，有效地利用节点间的信任关系进行数据传输，从而更快地将信息传递到目的地。

图2平均时延与自私节点比例的关系图3交付率x(1/平均时延)x吞吐量与自私节点比例的关系

图3反映了策略的综合性能指标，即交付率×(1 /平均延迟)×吞吐量。该指标反映了路由策略的总体性能，由图3可知，本文算法在整体性能方面优于其他协议。

5 结论

本文提出了一种基于信用激励机制的路由优化策略，考虑了节点的个人自私性和社会自私性，以提高移动网络的性能。本文路由优化策略分为两个过程：基于信用的激励过程和路由转发过程。在基于信用的激励过程中，本文提出了一种新的基于讨价还价博弈的方法，考虑了节点的资源利用率、节点间的信任度，从而鼓励节点参与数据转发。在路由过程中，利用了有限的副本拷贝方式以及信息激励机制，使得自私节点能够主动地参与数据转发。仿真结果表明，本文算法能够获得较好的综合性能。在未来的工作中，我们将考虑在高速移动和可靠的通信场景中基于信用激励路由方案的效率。