0 引言

    機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)^[1]是一種不需要源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間存在完整的路徑，采取“儲(chǔ)存-攜帶-轉(zhuǎn)發(fā)”的路由模式并利用節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性帶來的相遇機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)通信的時(shí)延和分裂可容忍網(wǎng)絡(luò)^[2],。在實(shí)際中,，由于節(jié)點(diǎn)自身資源的有限性，為保護(hù)自身資源,，節(jié)點(diǎn)會(huì)表現(xiàn)出自私行為,。針對(duì)機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的自私性問題具體分為兩類：基于懲罰與基于獎(jiǎng)勵(lì)。

    基于懲罰機(jī)制的路由算法主要集中于基于TFT策略的路由算法,。TFT^[3]策略,，即在博弈開始階段，各節(jié)點(diǎn)都是以協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)策略進(jìn)行博弈,，之后當(dāng)前節(jié)點(diǎn)采用對(duì)方節(jié)點(diǎn)在上一次博弈過程中采取的策略,。

    基于獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制的路由算法主要以基于虛擬貨幣的路由算法為主。GIS機(jī)制^[4]中買賣雙方輪番出價(jià),，但必須在三輪之后終止,，即對(duì)于第三次的出價(jià)，另一方必須接受,。該機(jī)制能夠刺激自私節(jié)點(diǎn)的合作并減少多次博弈中因博弈過程引起的消耗,。GSCP^[5]機(jī)制是一種基于概率路由的節(jié)點(diǎn)議價(jià)博弈機(jī)制，該機(jī)制假設(shè)消息對(duì)于節(jié)點(diǎn)的價(jià)值量與節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的地址的概率成正比,，消息從價(jià)值量低的節(jié)點(diǎn)賣出并由價(jià)值量高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行購買,，最終消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

1 網(wǎng)絡(luò)模型與問題描述

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

    定義1 （消息價(jià)值量）節(jié)點(diǎn)移動(dòng)過程中,，消息對(duì)于節(jié)點(diǎn)的價(jià)值量跟節(jié)點(diǎn)與該消息的目的地址的相遇概率成正相關(guān),，假設(shè)P_i，d為節(jié)點(diǎn)i能夠?qū)⑾傳送到目的地址d的概率,，ω為消息的初始價(jià)值量,，V為消息m對(duì)于博弈參與節(jié)點(diǎn)i的價(jià)值量，其值為V=ω·P_i，d,。

    定義2 （買賣模型）若節(jié)點(diǎn)B想要獲得節(jié)點(diǎn)S中的消息m,，會(huì)向S發(fā)送購買請(qǐng)求，并制定出購買價(jià)格x,，若在價(jià)格x下,，S的效益值為正，則S同意B的出價(jià),，并將m發(fā)送給B,；否則買賣雙方進(jìn)行下一輪議價(jià)博弈，直至達(dá)成協(xié)定或通信中斷,。 

1.2 問題描述

    在研究中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的基于議價(jià)博弈的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)算法存在下列問題：

    (1)現(xiàn)有的GSCP算法在單次博弈中只有當(dāng)雙方的收益都不小于0時(shí)雙方才會(huì)達(dá)成交易并采取交易成功策略,，沒有考慮賣方在數(shù)據(jù)包買入時(shí)可能已經(jīng)獲利，這降低了博弈雙方交易的達(dá)成率以及采取交易成功策略的比率,。

    (2)節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)前,，需要先交換SV-DP消息:當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相遇，DP列表交互完成后,，收到DP列表的節(jié)點(diǎn)能得知雙方節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的相遇概率,；此時(shí)，若該節(jié)點(diǎn)到SV中某些數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)的相遇概率高于相遇節(jié)點(diǎn),，則相遇節(jié)點(diǎn)不會(huì)求購此數(shù)據(jù)包,，現(xiàn)有機(jī)制會(huì)將該類數(shù)據(jù)包的摘要加入SV并發(fā)給相遇節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)包摘要的冗余,。

    (3)數(shù)據(jù)包交易的過程中存在冗余的控制消息,。在現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)包在兩節(jié)點(diǎn)之間交易時(shí),，請(qǐng)求購買數(shù)據(jù)包的求購消息需要由買方節(jié)點(diǎn)單獨(dú)發(fā)給賣方節(jié)點(diǎn),。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，求購消息的源,、目的節(jié)點(diǎn)與SV消息的源,、目的節(jié)點(diǎn)相同，因此可以將SV-DP消息合并在一起進(jìn)行發(fā)送,，從而減小網(wǎng)絡(luò)開銷,。

    (4)在數(shù)據(jù)包交互過程中，節(jié)點(diǎn)無法通過控制消息(包括hello消息及SV消息)得知數(shù)據(jù)包的TTL字段值,，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)有可能購買生命期字段值為1的數(shù)據(jù)包,，從而導(dǎo)致不必要的轉(zhuǎn)發(fā)開銷和操作。

2 EORB算法

    為了解決現(xiàn)有基于議價(jià)博弈的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由算法中存在的以上問題,，本文提出了一種高效的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由算法——EORB(Efficient Opportunistic network Routing algorithm based on Bargaining game),，采用自適應(yīng)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)包摘要、自適應(yīng)合并SV-DP消息和求購消息、綜合考慮買賣收益的博弈策略等機(jī)制,。

2.1 EORB算法新機(jī)制

2.1.1 自適應(yīng)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)包摘要

    本文提出“自適應(yīng)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)包摘要”,，它的基本原理如下：節(jié)點(diǎn)在往SV-DP或 DP-SV-BUY消息中裝入數(shù)據(jù)包之前判斷數(shù)據(jù)包的生命期字段的值是否大于1，且本節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)包中的目的節(jié)點(diǎn)的相遇概率是否小于相遇節(jié)點(diǎn)到數(shù)據(jù)包中目的節(jié)點(diǎn)的相遇概率,，若是,，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)將該數(shù)據(jù)包的摘要裝入SV-DP或 DP-SV-BUY消息，從而避免裝入無用的數(shù)據(jù)包摘要,，消除了因此而帶來的冗余控制信息,。

2.1.2 自適應(yīng)合并SV-DP和求購消息

    現(xiàn)有的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)概率路由算法中，相遇節(jié)點(diǎn)在有消息進(jìn)行交互的過程如圖1所示,，此交互過程存在信令冗余的問題,。

    針對(duì)此問題，本文提出“自適應(yīng)合并SV-DP消息和求購消息”,，它的基本原理如下：

    在SV-DP消息交互階段的操作中,，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在收到對(duì)方的SV-DP消息后，根據(jù)對(duì)方SV列表中消息的目的地址,、對(duì)方概率列表中到該目的地址的概率及本節(jié)點(diǎn)概率列表中到該消息目的地址的概率來判斷是否購買該消息,。

    若購買該消息，則計(jì)算該消息在博弈均衡下的最優(yōu)價(jià)格,，在向?qū)Ψ焦?jié)點(diǎn)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的SV列表消息時(shí),，將需要購買的消息加入SV列表后面，形成新的DP-SV-BUY消息格式,，并將該消息的目的地址設(shè)置為對(duì)該消息的報(bào)價(jià),。對(duì)方節(jié)點(diǎn)在接收到DP-SV-BUY消息后，可以提取出對(duì)應(yīng)的購買消息,。DP-SV-BUY消息格式如圖2所示,，其改進(jìn)后消息的交互流程如圖3所示。

2.1.3 綜合考慮買賣收益的博弈策略

    針對(duì)問題(4),，本文提出了“綜合考慮買賣收益的博弈策略”的新機(jī)制,，該新機(jī)制基本原理如下。

    當(dāng)賣方節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)相遇概率和買方節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)相遇概率的差值產(chǎn)生的效益可以抵消博弈過程中的發(fā)送與接收損耗時(shí),，由買方節(jié)點(diǎn)根據(jù)子博弈均衡的最優(yōu)價(jià)格向賣方節(jié)點(diǎn)提出報(bào)價(jià),。

    否則，當(dāng)產(chǎn)生效益不足以抵消博弈過程中的發(fā)送與接收損耗時(shí),，買方節(jié)點(diǎn)下調(diào)報(bào)價(jià),，新報(bào)價(jià)為自身效益為0時(shí)對(duì)應(yīng)的價(jià)格，賣方節(jié)點(diǎn)根據(jù)判斷買進(jìn)該消息的效益值與此次買方提出的新報(bào)價(jià)下的效益值的和是否大于0來決定是否接受該報(bào)價(jià),，若大于0,，則接受,，否則拒絕接受該報(bào)價(jià)。該機(jī)制在保證本節(jié)點(diǎn)綜合效益值（買進(jìn)與賣出）不小于0的前提下,，使博弈雙方交易成功的概率得到提高,，進(jìn)而加快了消息的轉(zhuǎn)發(fā)速率，降低了消息到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的時(shí)延,。

2.2 EORB算法操作

    EORB算法操作步驟如下：

    (1)節(jié)點(diǎn)S,、B進(jìn)入彼此通信范圍，通過鄰居發(fā)現(xiàn)得知彼此能進(jìn)行信息交互,。

    (2)節(jié)點(diǎn)S將SV列表及概率列表消息組成的SV-DP消息發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B,，若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)S的SV-DP消息中沒有跳數(shù)為1的消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)S直接向相遇節(jié)點(diǎn)B發(fā)送自身的SV-DP消息,；若當(dāng)前節(jié)點(diǎn)S的SV-DP消息中存在跳數(shù)為1的消息且該消息的目的地址不是此次相遇節(jié)點(diǎn)B,，則將SV列表中的該消息對(duì)應(yīng)的摘要從列表中刪除，然后發(fā)送SV-DP消息,。

    (3)節(jié)點(diǎn)B收到節(jié)點(diǎn)S的SV-DP消息后,，首先按照步驟(2)中相同的操作對(duì)自身消息進(jìn)行處理，同時(shí)利用對(duì)方SV-DP消息判斷：若節(jié)點(diǎn)B與緩存中消息m的目的節(jié)點(diǎn)的相遇概率高于節(jié)點(diǎn)S,，則從自身SV列表中將消息m對(duì)應(yīng)的摘要?jiǎng)h除,；然后利用對(duì)方SV-DP消息中每個(gè)摘要消息的目的地址、對(duì)方概率列表中到目的地址的概率及本節(jié)點(diǎn)概率列表中到該消息目的地址的概率判斷是否購買該消息,。若購買該消息,，則計(jì)算該消息在博弈均衡下的最優(yōu)價(jià)格，在向?qū)Ψ焦?jié)點(diǎn)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的SV消息時(shí),，將需要購買的消息加入SV-DP消息中,，并將該消息的目的地址設(shè)置為對(duì)該消息的報(bào)價(jià)，組合成DP-SV-BUY消息,。

    (4)節(jié)點(diǎn)S接收到節(jié)點(diǎn)B的DP-SV-BUY消息后,，進(jìn)行SV列表檢索對(duì)比，若存在與自身SV源地址與消息標(biāo)號(hào)相同的消息,，則表明是求購該消息,，并且目的地址的值是對(duì)該消息的報(bào)價(jià),，節(jié)點(diǎn)S通過綜合考慮買進(jìn)與賣出的收益總和值判斷是否接受該報(bào)價(jià),。

    (5)節(jié)點(diǎn)S接受節(jié)點(diǎn)B的報(bào)價(jià)后，發(fā)送對(duì)應(yīng)的消息給節(jié)點(diǎn)B,。

    (6)節(jié)點(diǎn)B收到所購買的消息后,，生成帶有自身簽名的交易憑條并發(fā)送給節(jié)點(diǎn)S。

    (7)節(jié)點(diǎn)S收到交易憑條后,，若之后與交易清算中心相遇(CCC),，則向CCC遞交交易憑條，CCC根據(jù)憑條向交易雙方賬戶進(jìn)行扣費(fèi)與充值。

2.3 性論分析

    引理1： 與GSCP算法相比,，EORB算法的消息轉(zhuǎn)發(fā)率更高,。

    在GSCP中，買賣雙方在博弈過程中效益值計(jì)算公式以及博弈均衡的最優(yōu)報(bào)價(jià)為：

式中,，V_i表示消息m對(duì)節(jié)點(diǎn)i的價(jià)值量,，c_i(r)表示第r輪博弈對(duì)于節(jié)點(diǎn)i的開銷，u_i表示節(jié)點(diǎn)i的效益,，T(m)表示傳輸消息m的開銷,，P(m)表示接收消息m的開銷，x表示消息交易價(jià)格,。只有u_B和u_S都不小于0時(shí),，消息才能從賣方節(jié)點(diǎn)傳遞到買方節(jié)點(diǎn)，假設(shè)u_B和u_S不小于0的概率分別為P_b和P_s,，則此次博弈消息的轉(zhuǎn)發(fā)概率為：

    在EORB算法中,，買方節(jié)點(diǎn)在u_B不小于0時(shí)會(huì)同意購買該消息，而賣方會(huì)綜合買進(jìn)該消息后獲得的效益u_b及此次賣出的效益u_S和值u_t,，若u_t不小于0,，則賣方節(jié)點(diǎn)同意賣出該消息。由于u_b恒為正值,，假設(shè)u_t不小于0的概率為P_t,，u_S小于0而u_t不小于0的概率為P_s1，則此次博弈消息的轉(zhuǎn)發(fā)概率為：

    由式(3)和式(4)可知P_n>P,，EORB算法的消息轉(zhuǎn)發(fā)率更高,，即得證。

    引理2： EORB算法的控制開銷低于GSCP算法及HLPR-MG^[6]算法,。

    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中有m個(gè)消息,，節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次消息的能耗值為δ，消息由源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù)為ETX,，節(jié)點(diǎn)攜帶每個(gè)消息的平均能耗為ε,，消息傳輸?shù)臅r(shí)間為τ，則在GSCP算法中完成消息的傳送所需要的總能耗E_GSCP及時(shí)延T_GSCP為：

    而在EORB算法中完成消息的傳送所需的總能耗及時(shí)延為：

    可知E_EORB<E_GSCP,，T_EORB<T_GSCP,，得證。

    引理3： 采用“自適應(yīng)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)包摘要”機(jī)制能降低SV交互階段的開銷,。

    假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)攜帶的消息個(gè)數(shù)均值為m,，消息中跳數(shù)已經(jīng)降為1且相遇節(jié)點(diǎn)非消息的目的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)均值為n（n<m），單位長(zhǎng)度的SV列表（指SV列表中只含有一個(gè)消息摘要）傳輸過程所需要的能耗為ε,，則未采用“自適應(yīng)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)包摘要”的機(jī)制中,，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行SV交互時(shí)所消耗的能量為：

    采用“自適應(yīng)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)包摘要”的機(jī)制中,，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)在與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行SV交互時(shí)所消耗的能量為：

    可知，E_new<E_orig,，得證,。           

3 仿真參數(shù)與統(tǒng)計(jì)量

3.1 仿真參數(shù)

    本文具體仿真參數(shù)如表1所示。

3.2 仿真結(jié)果與分析

    (1)控制開銷

    從圖4可以看出,，EORB算法的控制開銷在每個(gè)場(chǎng)景中均低于其他兩種算法,。主要原因是：①自適應(yīng)地精簡(jiǎn)SV消息的內(nèi)容，使得控制消息的長(zhǎng)度得到降低,；②自適應(yīng)合并SV-DP消息和求購消息機(jī)制使得控制消息的個(gè)數(shù)得到降低,。

    (2)網(wǎng)絡(luò)吞吐量

    從圖5可以看出，EORB算法的網(wǎng)絡(luò)吞吐量更大,。這主要源自于：①綜合考慮買賣效益的博弈策略使得買賣雙方達(dá)成交易成功的概率得到提高,；②自適應(yīng)合并SV-DP消息和求購消息機(jī)制使得控制消息的個(gè)數(shù)得到降低，減少了無效的控制消息交互,。

    (3)平均端到端時(shí)延

    從圖6中可以看出,，EORB算法具有較低的平均端到端時(shí)延。這是由于：①綜合考慮買賣效益使得買賣雙方交易成功率得到提高,；②自適應(yīng)合并SV-DP消息和求購消息使得控制消息個(gè)數(shù)降低,，控制消息的交互過程得到減少。  

    (4)消息到達(dá)率

    從圖7算法對(duì)比可知,，EORB算法在消息傳送成功率上有所提升,。這是因?yàn)椋孩倬C合考慮買賣效益的博弈策略使得買賣雙方達(dá)成交易成功的概率得到提高，提高了消息到達(dá)的成功率,；②自適應(yīng)合并SV-DP消息和求購消息機(jī)制使得控制消息的個(gè)數(shù)得到降低,，控制消息的交互過程得到減少，有利于提高消息的到達(dá)率,。

4 結(jié)束語

    本文針對(duì)現(xiàn)有基于議價(jià)博弈的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由算法開銷過大與交易成功率不高的問題,，提出了一種高效的機(jī)會(huì)網(wǎng)絡(luò)路由算法——EORB。該算法采用自適應(yīng)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)包摘要,、自適應(yīng)合并SV-DP消息和求購消息,、綜合考慮買賣收益的博弈策略等機(jī)制，加速了消息的轉(zhuǎn)發(fā)速率,，提高了消息的到達(dá)率,，減少了消息的平均時(shí)延，并降低了系統(tǒng)的開銷,。

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作者信息:

任  智,，康  健,，徐兆坤

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶400065）