Düğüm kodlama algısına dayalı fırsat yönlendirme yönlendirme protokolü
Yao Yukun, Wang Yu, Lu Pancheng
(Chongqing Mobil İletişim Teknolojisi Anahtar Laboratuvarı, Chongqing Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Chongqing 400065)
Düğüm kodlama fırsatlarını göz önünde bulunduran, genişletilmiş kodlamaya duyarlı yönlendirme protokolü ExCAR (kodlamaya duyarlı yönlendirme protokolü olarak adlandırılan kodlamaya duyarlı yönlendirme protokolü) olarak adlandırılan mevcut kodlamaya duyarlı yönlendirme protokolü için, iletme düğüm kümesindeki düğümler, kablosuz bağlantı kararsız olduğunda kodlama fırsatlarını hesaplarken yanlış değerlendirebilir. Ve yönlendirme düğüm setinde optimal kodlama düğümünü seçerken büyük miktarda veri paketi tampon bilgisinin değiş tokuş edilmesi ihtiyacı, büyük uçtan uca gecikme ve ağ ek yükü gibi sorunlara neden olacaktır Çok sekmeli kablosuz ağlar için uygun bir düğüm kodlama algısı önerilmektedir. Fırsatçı yönlendirme yönlendirme protokolü NAOFP (düğüm ağ kodlamasına duyarlı fırsatçı yönlendirme yönlendirme protokolü). NAOFP protokolü, dinleme olasılığına ve yönlendirme düğüm kümesinin optimum yönlendirme düğümü seçim mekanizmasına dayalı ek kimlik bilgisi ekleme mekanizmasını sunarak ağ verimini ve kodlanmış paketlerin kod çözme başarı oranını iyileştirir ve veri paketinin ortalama uçtan uca süresini azaltır. Uzantı. Simülasyon sonuçları, ExCAR protokolü ile karşılaştırıldığında, NAOFP protokolünün performansının ağ verimi, ortalama uçtan-uca gecikme ve kodlanmış paketlerin kod çözme başarı oranının etkili bir şekilde iyileştirildiğini göstermektedir.
Çok sekmeli kablosuz ağ; ağ kodlaması; kodlama algısı; fırsat iletme; müdahale olasılığı
Çin Kütüphanesi Sınıflandırma Numarası: TN92
Belge tanımlama kodu: Bir
DOI: 10.16157 / j.issn.0258-7998.166813
Çince alıntı biçimi: Yao Yukun, Wang Yu, Lu Pancheng.Düğüm kodlama algısına dayalı fırsat yönlendirme yönlendirme protokolü Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (9): 119-122.
İngilizce alıntı biçimi: Yao Yukun, Wang Yu, Lv Pancheng. Düğüm ağ kodlamasına duyarlı bir fırsatçı yönlendirme yönlendirme protokolü.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2017, 43 (9): 119-122.
0 Önsöz
2000 yılında, AHLSWEDE R ve arkadaşları ilk olarak ağ kodlama teorisini önerdiler. Ağ kodlaması, ara düğümlerin iletmeden önce verileri kodlamasına izin verir, bu da tek bir yönlendirme için bilgi miktarını artırır. Geleneksel iletim yöntemleriyle karşılaştırıldığında, bilgi aktarımlarının sayısını azaltabilir, ağ verimini artırabilir ve teorik maksimum iletim kapasitesine ulaşabilir.
Kodlama algısı, yönlendirme oluşturma sürecinde kodlama fırsatlarının dikkate alınmasını ifade eder ve ağdaki potansiyel kodlama fırsatlarını aktif olarak keşfederek, yaratarak ve kullanarak, ağın iş hacmi daha da iyileştirilebilir. Kodlama algısı ve yönlendirme algoritmasının kombinasyonu, veri yönlendirme stratejisinin önemli bir araştırma yönü haline geldi. Kablosuz çok sekmeli ağlarda ağ kodlama yönlendirme protokollerinin sürekli derinlemesine incelenmesi ile bilim adamları, mevcut yönlendirme protokollerindeki kodlama fırsatlarının tam olarak kullanılmadığını ve ağ kodlama performansının maksimize edilmediğini keşfettiler. Veri iletme sürecinde, daha fazla kodlama fırsatının nasıl keşfedileceği ve kullanılacağı, araştırmacılar tarafından araştırmanın odak noktası haline geldi.
Literatürde, Kattis ve arkadaşları ilk olarak, kablosuz ağ için uygun bir ağ kodlama yönlendirme protokolü olan COPE'yi önerdi. COPE protokolünde, düğümler veri aktarımlarının sayısını azaltmak ve ağ verimini iyileştirmek için fırsat izleme ve ağ kodlamasını kullanır. Bununla birlikte, düğümlerin periyodik olarak kontrol mesajı bilgilerini yayınlaması gerekir ve yalnızca iki sekmeli bir aralıktaki kodlama fırsatlarını keşfedebilir, bu da ağ kodlamasının performansını sınırlar. CORE ve CORMEN, kodlama algısını ve fırsatçı yönlendirmeyi birleştirir ve daha fazla kodlama fırsatına sahip düğümlerin, önce veri paketlerini iletmek için iletme düğüm kümesinde seçildiğini belirtir, böylece ağdaki kodlama fırsatları bir iletim sürecinde daha etkin bir şekilde kullanılabilir. Bu tip protokol tarafından benimsenen kodlama mekanizması da COPE'dir, ancak iki sekme aralığı içindeki tüm düğümlerin ara bellek kuyruğundaki veri paketi bilgilerini tutması gerekir ve kodlamanın neden olduğu ağ ek yükü nispeten büyüktür. Düğümler arasındaki sosyal niteliklere göre, literatür, düğüm durum algısını kodlayan, gecikmeye toleranslı bir ağ veri iletme mekanizması tasarlar Bu mekanizma, ağ kaynağı ek yükünü azaltır ve ağ kaynak kullanımını iyileştirir. Literatür, kablosuz ağ ağları için uygun, koda duyarlı ve yük dengeli bir çok noktaya yayın yönlendirme önermektedir.Koda duyarlılık temelinde, yoldaki tüm düğümlerin iletişim yoğunluğu ve ağ tıkanıklığı dikkate alınmaktadır.
Düğüm kodlama fırsatlarını tam olarak değerlendiren, kodlamaya duyarlı bir yönlendirme protokolü olan ExCAR, çoklu atlama aralığında kodlama fırsatlarını etkili bir şekilde bulabilir, ancak bu protokol, düğüm kodlama fırsatlarının hesaplanmasında yanlış yargılara sahip olabilir ve yönlendirme düğüm setinde en uygun kodlama düğümünü seçerken çok şey değiştirmesi gerekebilir. Veri paketinin önbelleğe alınan bilgileri daha büyük gecikmeye ve ağ ek yüküne neden olur. ExCAR protokolünün sorunlarını çözmek için, bu makale, çok sekmeli kablosuz ağlar-NAOFP için düğüm kodlu algılama fırsatı yönlendirme protokolü önerir ve yönlendirme protokolünün performansı üzerinde teorik analiz ve simülasyon doğrulaması gerçekleştirir.
1 ExCAR protokolü sorunun açıklaması
Derinlemesine araştırmadan sonra, ExCAR protokolünün aşağıdaki kusurlara sahip olduğu bulundu:
(1) Ara düğümdeki veri paketinin kodlama fırsatını değerlendirmek için, orijinal protokol, gerçek kablosuz ağ bağlantısının kararsızlığını dikkate almadan, gönderilecek düğümün tüm tek atlamalı komşu düğümlerinin tüm kimliklerini gönderilecek veri paketine ekler. , Kodlama fırsatını değerlendirirken yanlış yargıya neden olabilir, bu da gelen kodlanmış paketin başarısız kod çözülmesine ve ağ kaynaklarının boşa harcanmasına neden olabilir.
(2) Orijinal protokol, yönlendirme düğüm kümesinde bir yönlendirme düğümünü seçtiğinde, düğümün kendi kodlama fırsatını hesaplaması gerekir ve kümedeki her düğüm periyodik olarak kendi veri paketi bilgilerini iletir ve diğerlerini hesaplamak için önbelleğe alınmış veri paketi bilgilerini dinler. Düğümün kodlama fırsatı ve son olarak en iyi yönlendirme düğümü, diğer düğümlerle karşılaştırılarak seçilir. Bu süreçte, her bir düğümün iletim ek yükü ve hesaplama ek yükü nispeten büyüktür ve veri paketinin işlem süresi gecikmesi de, hesaplama iletme setindeki diğer düğümlerin kodlama fırsatları nedeniyle artacaktır.
(3) Orijinal protokol, önbelleği dinlerken önbelleğe ek bilgi paketi tutucular koyar, ancak bu paket sahiplerinin ek bilgilerinin kod çözme üzerinde hiçbir etkisi yoktur ve belirli miktarda önbellek alanı kaplar.
2 NAOFP protokolü
Bu makalede önerilen NAOFP protokolü, üç yeni mekanizma sunarak ExCAR protokolünün yukarıdaki üç problemini çözmektedir: müdahale olasılığına dayalı ek kimlik bilgisi ekleme, optimum yönlendirme düğümü seçimi ve verimli veri paketi önbelleğe alma. Aşağıda, NAOFP protokolünün kodlama fırsatı, önerilen yeni mekanizma ve protokolün özel uygulama adımlarının değerlendirmesine ayrıntılı bir giriş yer almaktadır.
2.1 Kodlama fırsatlarının yargılanması
2.1.1 Engelleme olasılığına dayalı ek kimlik bilgisi ekleme mekanizması
Düğüm veri paketini ilettiğinde, düğümün ID'sini ve bir sekmeli komşu düğümün ID'sini gönderilecek veri paketinin başına ekler. Kodlanmış paketin kod çözme başarı oranını sağlamak için, ek ID'ler eklenirken gönderen düğüm ile komşu düğümler arasındaki bağlantının dikkate alınması gerekir. Mekanizmanın spesifik adımları aşağıdaki gibidir:
(1) Hesaplama. Sırayla gönderen S düğümünün ve bir atlamalı komşu düğüm ni'nin dinleme olasılığını P (s, ni) hesaplayın:
Bunlar arasında, P (s, ni), komşu düğüm ni'nin S düğümü tarafından gönderilen veri paketini başarıyla algılama olasılığıdır, ni, gönderen düğüm S'nin i-inci komşu düğümüdür ve Pf (s, ni), komşu düğüm n'ye giden düğüm S'dir. Bağlantının ileri paket kayıp oranı;
(2) Yargı. Sırayla her bir komşu düğümün dinleme olasılığı P (s, ni) ve eşik Pth değerini belirleyin;
(3) Ekle. Bir komşu düğümün P (s, ni) değeri Pth eşik değerinden büyükse, bu, S'den komşu düğüme ni'ye olan bağlantının iyi durumda olduğunu gösterirse, komşu düğümün kimliği, gönderilecek olan veri paketinin (p) başına eklenir.
Şekil 1'de gösterildiği gibi, S1 düğümünün, D1 hedef düğümüne bir veri paketi p göndermesi ve S2 düğümünün, D2 hedef düğümüne bir veri paketi q göndermesi gerekmektedir. Veri paketi p'yi göndermeden önce, S1, komşu düğümleri R1, R2, D2'nin dinleme olasılıklarının tamamının karşılandığını varsayarak, gerekli düğüm kimliğini veri paketi P'nin başlığına eklemek için dinleme olasılığına dayalı ek kimlik bilgisi ekleme mekanizmasını kullanır. Yukarıdaki gereksinimler için, veri paketi p'nin ek kimlik bilgilerinin eklenmesi Şekil 2'de gösterilmektedir.
Veri paketleri buluştuğunda, veri paketinin yedeğini hangi düğümlerin önbelleğe aldığını paket tutucu bilgilerinden öğrenilebilir.
2.1.2 Kodlama fırsatlarını değerlendirmek için kurallar
Veri paketlerinin birlikte kodlanmasının ön koşulu, hedef düğümün, kodlanmış paketlerin hedef düğümde başarıyla çözülebilmesini sağlamak için kod çözme için kullanılabilen veri paketlerini önbelleğe almasıdır. Bu makale, hedef düğümün veri paketi kodlanmadan önce kod çözme için veri paketini önbelleğe alıp almadığını belirlemek için ek kimlik bilgilerini kullanır. Ara düğümün farklı veri akışlarından iki veri paketi p ve q aldığını varsayarsak, eğer denklemler (2) ve (3) aynı anda sağlanırsa, veri paketleri p ve q kodlanabilir ve gönderilebilir.
2.2 Optimum yönlendirme düğümü seçim mekanizması
Yönlendirme düğüm kümesindeki düğümlerin her biri, düğümün kodlama fırsatını hesaplar ve ardından her düğümün, düğümü en çok kez seçmek için yalnızca kodlama fırsatlarını değiştirmesi gerekir.
Yönlendirme düğüm setinde iki düğüm x ve y olduğu varsayıldığında, ek kimlik bilgisine sahip bir veri paketi p alındığında, yönlendirme düğüm kümesinden optimum yönlendirme düğümünün seçilmesi için spesifik adımlar aşağıdaki gibidir:
İlk adım: yönlendirme düğüm kümesindeki her bir düğüm, kodlama fırsatlarının sayısını, yani, x ve y düğümlerinin gönderme kuyruklarında veri paketi p ile kodlanabilen ve gönderilebilen veri paketi sayısını ayrı ayrı hesaplar. Örnek olarak x düğümünü alırsak, özel hesaplama süreci aşağıdaki gibidir.
Girdi: p; // x düğümü ek ID ile p veri paketini alır
Çıktı: count (x); // x düğümünün çıktı kuyruğundaki P ile kodlanabilen veri paketi sayısı
Prosedür:
sayım (x) = 0;
while (düğüm x çıkış kuyruğu! = Boş) {
için (i = 1; i < n; i ++) {
// Kodlama fırsatı değerlendirme kuralının karşılanıp karşılanmadığını belirleyin, burada pi düğümü temsil eder
X'in çıktı kuyruğundaki i-inci paket
Eğer (Dest_pSetpi Dest_piSetp) {
pcode1 = ppi; // pcode1 kod paketini kodlayın ve alın
Count (x) ++; // pcode1 kodlama paketi ile ilgili ek bilgileri güncelleyin
Setpcode1 = SetpSetpi;
Dest_pcode1 = Dest_pDest_pi;
pcode1 arabelleğe kaydedilir;
çıktı kuyruğundan pi'yi kaldırın;
p = pcode1;}
devam et;}
dönüş sayısı (x);}
Aynı şekilde, y düğümü de yukarıdaki işlemle p, count (y) ile kodlanabilen veri paketlerinin sayısını hesaplayabilir.
Adım 2: Yönlendirme setindeki düğümler, kodlama fırsatlarını değiştirir. Bu noktada, x düğümü count (y) 'nin değerini ve y düğümü de count (x)' in değerini bilir;
Üçüncü adım: yönlendirme düğüm kümesindeki düğümler, diğer düğümlerin sayı değerleriyle karşılaştırılır ve sayı değerlerinin en büyük olduğunu bulurlarsa, bunlar en uygun yönlendirme düğümü olarak seçilir.
2.3 Verimli paket önbelleğe alma mekanizması
Kablosuz bağlantının yayınlama özelliği nedeniyle, ağda gönderilecek veri olduğunda, düğümde bulunan komşu düğüm veri paketini belirli bir olasılıkla algılayabilir ve şifreli veri paketinin kodunu çözmek için ara belleğe koyabilir. NAOFP protokolünde, ağdaki bir düğüm bir veri paketi algıladığında, veri paketine eklenen paket sahipleri bilgilerini kaldırır ve önbelleğe koyar. Paket sahiplerinin ek bilgileri kaldırıldığı için, düğüm önbellek boyutu aynı olduğunda kod çözme için daha fazla sayıda veri paketi önbelleğe alınabilir, bu da kodlanmış paketin kod çözme başarı oranını geliştirir ve böylece ağın gerçek verimini artırır.
2.4 NAOFP protokolünün uygulama adımları
NAOFP anlaşmasının her aşamasının özel uygulama adımları aşağıdaki gibidir.
(1) Ek kimlik bilgilerinin eklenmesi
Ağdaki bir düğümün gönderilecek bir veri paketi olduğunda, gönderilecek düğümün kimliğini ve gereksinimleri karşılayan komşu düğüm kimliğini bölüm 2.1.1'de açıklanan dinleme olasılığına dayalı ek kimlik bilgisi ekleme mekanizmasına göre gönderilecek veri paketine ekleyin. Başlık, kodlama fırsatını değerlendirmek için kullanılır.
(2) Yönlendirme düğüm setinin seçimi
NAOFP protokolünde, belirlenen düğüm önceden veri paketlerini iletmek için kullanılmaz, ancak veri paketi gönderilmeden önce veri paketinin potansiyel yönlendirme düğümleri olarak çok sayıda düğüm seçilir ve bu düğümlerin seti, yönlendirme düğüm kümesidir. Yönlendirme düğüm kümesinde düğüm seçimi için karşılanması gereken koşullar şunlardır:
Düğüm, gönderen düğümün bir sonraki atlama komşu düğümü olmalıdır;
Veri paketlerinin hedef düğümden uzağa iletilmesini önlemek için düğüm, hedef düğüme daha yakın olmalıdır. Bu makale, ölçmek için ETX metrik değerini kullanır; yani, yönlendirme düğüm kümesindeki düğümün ETX metrik değeri, gönderen düğümün ETX metrik değerinden daha küçüktür;
Yönlendirme düğüm kümesindeki düğümler birbirlerini dinleyebilmelidir;
Yönlendirme düğüm kümesi tarafından seçilen düğüm sayısı 6'yı geçmemelidir.
(3) Optimum yönlendirme düğümünün seçimi
Yönlendirme düğüm setindeki düğümlere ek kimlik bilgisi içeren veri paketini gönderdikten sonra, bölüm 2.2'de açıklanan optimum yönlendirme düğümü seçim mekanizmasına göre, en fazla sayıda kodlama fırsatına sahip düğüm, veri paketinin bir sonraki sekmesi olarak seçilir. Yönlendirme düğümü. Yönlendirme düğüm kümesinde aynı sayıda kodlama fırsatına sahip birden çok düğüm görünürse, veri paketini iletmek için en küçük ETX metrik değerine sahip düğüm seçilmelidir. Yönlendirme kümesindeki diğer düğümler veri paketinin başarıyla gönderildiğini algıladıktan sonra, veri paketi gönderme kuyruğundan silinir.
Ağdaki düğümler tarafından yakalanan veri paketleri, bölüm 2.3'te açıklanan verimli paket önbellek mekanizmasına göre işlenir.
3 Simülasyon deneyi ve sonuç analizi
3.1 Simülasyon senaryoları ve parametre ayarları
Bu makale, NAOFP protokolünün ve ExCAR protokolünün performansını analiz etmek ve karşılaştırmak için bir simülasyon platformu oluşturmak için ağ simülasyon yazılımı OPNET 14.5'i kullanır. Deneysel senaryo, 500 m × 500 m'lik bir alanda 15 kablosuz düğümü rastgele dağıtmaktır ve MAC katmanı, daha yaygın IEEE 802.11b standart protokolünü kullanır. Spesifik simülasyon parametre ayarları Tablo 1'de gösterilmektedir.
3.2 Simülasyon sonuçlarının analizi
3.2.1 Ağ çıkışı
Şekil 3'te gösterildiği gibi, NAOFP protokolünün ağ çıkışı, farklı ağ yükleri altındaki ExCAR protokolününkinden daha yüksektir. Bunun nedeni, NAOFP protokolünün, veri paketine ek kimlik bilgisi ekleme sürecinde kablosuz bağlantının kararsızlığını hesaba katmasıdır.Gönderen düğümün ve komşu düğümlerin dinleme olasılığı P (s, ni), Pth eşik değerinden düşüktür, bu nedenle komşu değildir Hedef düğümde daha yüksek bir kod çözme hızı garanti edilecek ve kodlanmış paketin başarısız kod çözümünün neden olduğu ağ kaynaklarının israfı önlenecek şekilde düğümün kimliği eklenir, böylece ağ verimi etkili bir şekilde iyileştirilir.
3.2.2 Ortalama uçtan uca gecikme
Şekil 4'te gösterildiği gibi, NAOFP protokolü veri paketinin ortalama uçtan-uca gecikmesi, farklı ağ yükleri altındaki ExCAR protokolününkinden daha düşüktür. Bunun nedeni, NAOFP protokolünün yönlendirme düğüm kümesinde en fazla sayıda kodlama fırsatına sahip düğümü seçmesi, düğümlerin kendi veri paketi bilgilerini değiştirmesini gerektirmemesi ve diğer düğümler için kodlama fırsatlarının sayısını hesaplaması gerekmemesidir, bu da iletilen veri paketlerinin sayısını azaltır Düğümlerin işlem ve bekleme süresi, böylece ağdaki ortalama uçtan uca gecikme önemli ölçüde azaltılır.
3.2.3 Kodlanmış paketlerin kod çözme başarı oranı
Şekil 5'te gösterildiği gibi, NAOFP protokolü kodlanmış paketin kod çözme başarı oranı, farklı ağ yükleri altında ExCAR protokolününkinden daha yüksektir. Bunun nedeni, NAOFP protokolünün birinci adımında, kodlanmış paketin çözülebilirliğini sağlamak için yakalama olasılığına dayalı ek bir kimlik bilgisi ekleme mekanizmasının benimsenmesidir. Ek olarak, düğüm önbellek ağındaki veri paketini dinlediğinde, veri paketinin ek bilgilerini kaldırır ve daha sonra önbelleğe alır.Bu şekilde, ağ şifreleme paketlerini yapmak için, belirli bir önbellek boyutu koşulu altında kod çözme için daha fazla veri paketi önbelleğe alınabilir. Kod çözme başarı oranı etkili bir şekilde geliştirildi.
4. Sonuç
Bu makalede, ExCAR yönlendirme protokolünün kablosuz bağlantısı kararsız olduğunda, düğüm, kodlama fırsatını hesaplarken yanlış bir yargıya sahiptir ve en iyi kodlama düğümünü seçerken büyük miktarda veri paketi tampon bilgisini değiştirme ihtiyacı duymaktadır ve kodlamaya duyarlı bir düğüm önermektedir. Fırsatçı yönlendirme yönlendirme protokolü NAOFP ve protokoldeki yakalama olasılığına ve optimum yönlendirme düğümü seçim mekanizmasına dayalı ek kimlik bilgisi ekleme mekanizması sunar. Simülasyon deney sonuçları, ExCAR yönlendirme protokolü ile karşılaştırıldığında NAOFP protokolünün ağ verimi, ortalama uçtan uca gecikme ve kodlanmış paketlerin kod çözme başarı oranı açısından etkili bir şekilde iyileştirildiğini göstermektedir.
Referanslar
AHLSWEDE R, CAI N, LI S, ve diğerleri.Ağ bilgi akışı.IEEE İşlemleri Bilgi Teorisi, 2000, 46 (4): 1204-1216.
CHEN C, DONG C, MAO Y F, ve diğerleri.Kablosuz ağda ağ kodlamasına duyarlı yönlendirme üzerine anket. Journal of Software, 2015, 26 (1): 82-97.
KATTI S, RAHUL H, HU W J, ve diğerleri Havadaki XOR'lar: pratik kablosuz ağ kodlaması ACM SIGCOMM, Pisa, İtalya, 2006: 243-254.
YAN Y, ZHANG B X, ZHENG J. CORE: Kablosuz ağ ağları için kodlamaya duyarlı bir fırsatçı yönlendirme mekanizması IEEE Wireless Communications, 2010, 17 (3): 96-103.
ISLAM J, SINGH P K. CORMEN: Kablosuz ağ ağında kodlamaya duyarlı fırsatçı yönlendirme Journal of Computing, 2010, 2 (6): 71-77.
Wang Ruyan, Lou Pengwen, Fan Silong ve diğerleri Gecikme toleranslı ağ kodlama düğümlerinin durum farkındalığı için veri iletme stratejisi.Congqing University of Post and Telecommunications (Natural Science Edition), 2013, 25 (2): 215-220.
Shen Xiaojian, Chen Zhigang, Liu Li. Kablosuz ağ ağlarında koda duyarlı ve yük dengeli çok noktaya yayın yönlendirme Journal of Communications, 2015, 36 (4): 89-95.
Zhao Yunlong, Wang Bozhi, Zhang Kai ve diğerleri.Düğüm kodlama fırsatlarını tam olarak dikkate alan kodlamaya duyarlı yönlendirme protokolü. Journal of Applied Science, 2014, 32 (1): 7-12.
