灾难场景下移动机会网络路由策略研究

葛学锋　杨勃

摘要：在发生灾难、基础通信设施瘫痪的情况下，可利用移动机会网络提供网络服务并实现数据交换，本文提出用于灾后场景信息收集、分析的延迟容忍网络（DTN）网络体系结构，并且基于此体系结构，对现有的经典路由算法在仿真环境中进行性能比较分析，选用一种综合效果表现最好的算法，使得机会网络数据传输更加稳定、高效。

关键词：机会网络;灾难;路由

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）03-0121-02

0 引言

在发生如地震、泥石流等自然灾害后，基础通信等设施受到摧毁而无法使用，这时的灾后现场很难进入，无法收集灾后信息并计算、分析灾情，不能及时为救灾人员提供决策支持。基础通信设施瘫痪的情况下，建立网络架构，并使用它从受灾区域收集信息是很难完成的任务。随着手机、PDA等手持设备的大量普及，利用手持设备建立临时的移动机会网络，实现数据交换和提供网络服务，使得这项任务具有可行性。研究人员提出由人随身携带的手持设备形成的机会网络，每个设备节点既可以通过人们相遇带来的局部通信机会，也可以通过Wi-Fi或GPRS等接入Internet的全局连接转发数据，机会网络旨在充分利用手持设备的计算，存储和宽带资源，透明的利用各种连接方式，为用户提供网络服务。据此本文提出用于灾后场景信息收集、分析的延迟容忍网络（DTN）网络体系结构，并且基于此体系结构，对现有的经典路由算法在仿真环境中进行性能比较分析，选用一种综合效果表现最好的算法，使得机会网络数据传输更加稳定、高效。

1 相关研究

机会网络在灾难场景下的应用受到了许多学者的研究，该领域产生了很多的研究成果，灾后网络体系结构的搭建和路由转发机制是研究热点，Stephen等提出的Serval Project利用手机作为基础通信设施，手机通过Wi-Fi通讯;Ben-David提出的JaldiMAC利用自然界中的大山和山丘之类的“自然界的信号塔”建立网络连接，能覆盖相对广阔的区域。由于这些通讯系统的组建需要比较长的时间，在灾后实际情况中实现有很大的困难，并且它们的覆盖面积相比广大的受灾区域来讲还是太小。

机会网络中数据转发机制是非常重要的问题，在缺乏完整链路、持久联通的网络情况下，就没法在某一刻将数据从源节点到目标节点建立通信路径并传输，因此传统的MANET路由机制无法适用，需要能够容忍一定的延迟的DTN（延迟容忍网络）。DTN网络的主要目标是支持具有间歇性连通、延迟大、错误率高等通信特征的不同网络的互联和互操作。在环境监测、森林防火、地震监测、交通管理、水下探测、灾难救援等方面具有广泛的应用前景和实用价值。DTN的这些特点使得其非常适合应用于灾区的通信系统、节点消息传递的选择。灾后场景下的DTN策略需要兼顾缓存容量、传输效率、延迟高低、数据丢包等问题，现有的路由算法很难全部兼顾，已提出的经典DTN路由算法有：（1）Epidemic路由算法，当两节点相遇时交换对方没有的数据分组，经足够的交换后，理论上每个非孤立节点将收到所有数据分组，从而实现数据分组的传输，需要占用大量的网络资源;（2）PROPHET路由算法，对于数据分组传输成功的概率进行估算，选择性的复制数据分组，尽力避免生成低传输效率的数据分组副本，提高网络资源的利用效率;（3）MaxProp路由算法，为数据分组设定优先级，当两节点相遇时，依据数据分组优先级来决定复制次序，在该方法中优先级低的数据分组，不易得到传输机会，从而避免生成低效传输的数据分组副本;（4）Spray and Wait路由算法，在spray阶段，算法采用复制策略，在wait阶段，若spray阶段没有发现目的节点，则包含数据分组的节点通过直接传输的方式传输数据分组;（5）EBR路由算法，将信息分成块，注入到网络中，当目标节点收到数据块的子集足够大时，即可重构数据分组;（6）RAPID路由算法，基于洪泛的DTN协议，使用效用函数对消息排序，它以大量网络开销为代价，来提高数据传输率。

2 灾难场景下的DTN网络架构

（1）在灾难场景下如何利用救灾人员、救灾物资、交通工具、手持设备等现有资源搭建臨时的延迟容忍网络，形成一个DTN网络体系结构，便于救灾指挥中心快速、准确的收集灾情信息，计算分析数据并及时做出救灾决策。该网络体系架构拟由4层结构组成：①将受灾区域分成若干个块，每一个块可以利用学校、医院等场所作为一个避难所（SP），每个避难所中有很多的救援人员;②每一个避难点所中设置一个救援控制中心（TB）;③救灾现场的救护车、救火车、武警车、直升飞机等交通工具，它们可以为避难所之间提供通信;④整个救灾指挥中心。每个救援人员都携带智能手机，相当于一个个移动的节点，他们从灾难现场收集信息然后转发给所属区域的救援控制中心，所有的救援控制中心的数据又通过现场的交通工具转发汇总至救灾指挥中心，然后对收到的所有信息做进一步的计算分析处理，如图1所示。

（2）在该DTN网络体系架构基础上，设置特定的场景，根据灾后对消息转发机制的特点，指定相应的性能评价指标（本课题选取消息转发成功率、消息转发延迟、网络开销、消息丢包数量共4个指标），通过机会网络仿真环境ONE模拟实验，对现有的6种机会网络经典路由算法的性能、特点进行分析，选择适合灾难场景延迟容忍网络的路由算法。

3 仿真结果

在上述灾难场景下的DTN网络架构基础上，设定30个节点、围绕上述4个性能指标进行仿真实验，结果如图2所示，从图2（a）中可以看到MaxProp的消息转发成功率高于其他5个，这6种路由算法都是基于节点过去移动情况来考虑，但MaxProp路由能更好地适应节点的运动方向，两个看似有很大概率相互接触的节点，但实际上是朝着远离目标的方向移动，所以能将节点当前的移动方向考虑到最好;从图2（b）中可以看到MaxProp的消息转发延迟没有优于其他5个;从图2（C）中可以看到基于复制传染的Epidemic路由将消息传递给所有其他的任意节点，这导致了巨大的缓冲区开销，而MaxProp的网络开销比较较小，从图2（d）中也可以看到MaxProp的消息丢包数量比较低。

圖3中绘制了基于该架构上不同节点密度的性能参数曲线图。以密度为30节点、60个节点和100个节点在相同的维数2500米3500米范围内进行测试，MaxProp路由相较于其他DTN路由方法也有着优异的表现，它提供较高的消息传递概率（图3a），在密度较大的情况下，MaxProp可以更好地进行决策。MaxProp的网络开销（图3c）以及消息丢包数（图3d）也是总是相对较小，这归功于MaxProp的缓冲区管理策略。

综上所述，在灾难场景下，结合实际情况，将场景下的相关人和物作为移动中的网络节点，构造灾难场景下的DTN网络架构，可以有效解决救灾问题，在该模型基础上运用现有的6中DTN路由协议进行仿真测试，在综合考虑4种性能的基础上发现MaxProp路由算法更加适合。

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