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基于生物网络的延迟容忍网络容错研究

邵清  
【摘要】: 延迟容忍网络(Delay Tolerant Network,以下简称DTN),是Internet研究任务组(IRTF)的DTN研究组(DTNRG1)近年来提出的一种新型网络体系结构,在卫星通信网络、无线自组织网络、传感器网络、交通网络和网络控制系统中有着广泛应用前景。其特点是能够实现受限网络的互联,提供任意异步消息的可靠转发,并且可以和TCP/IP联合使用,但端到端之间存在着高延迟、数据传输率低,且网络链接断开频繁,使得网络拥塞控制、网络流量控制实现起来相对困难。而现有的Internet体系结构和其中的许多协议一般都假定端到端存在持续通信,分组丢失相对较少,因此无法很好地适用于这类网络。 在DTN中提高网络传输控制的可靠性是一个关键问题。目前国际上开展DTN研究的时间较短,很多机制有待进一步完善。容错技术是提高网络系统可靠性的主要方法,可使得网络在发生故障的情况下仍能实现有效的通信。然而由于DTN节点能量受限,网络拓扑非结构化且随时间变化,单纯采用容错技术还不能有效解决可靠性问题,需要研究智能化程度更高、实用性更强的方法。本文基于生物网络智能机制针对系统可靠性问题进行DTN容错研究,主要研究成果有: 首先对DTN路径失效进行容错研究。在DTN网络传输中,路径失效是一个主要问题。已有的一些研究成果都是在确定网络延迟、网络容量以及确定网络是否断开的前提下考虑选择路径的,而现实情况往往无法提前预知这些信息。本论文给出了延迟容忍网络中的一种路径失效问题模型,反映了在路径完全正常、存在部分失效以及完全失效时消息交付情况,并针对这一问题提出一种将纠删编码和完全副本相结合的容错方法,通过合理的分配策略有效地提高消息的成功交付率。设计的交通延迟容忍网络应用仿真实例验证了该方法的性能。 其次,在生物网络研究的基础上,提出了一种面向DTN网络传输的生物网络智能结构,用来模拟DTN网络环境。该结构由分布式终端层、生物网络层、生物网络扩展层、机制层以及应用接口层组成,通过多个生物智能体聚集突现形成所需的服务和应用。 第三,提出了一种基于生物网络的保管传递容错机制。在面向DTN网络传输的生物网络结构中加入保管传递容错设计层,设计具有免疫行为的生物智能体并代理保管束,生物智能体通过自组织协作完成保管传递,从而提高束传递的可靠性,降低分组丢失率。结合智能服装无线传感器网络的应用仿真实例对该机制进行分析与性能评价。试验结果表明使用基于生物网络的保管传递容错机制能够有效地提高束的传输性能。 第四,提出了一种基于生物网络的通道容错结构。在面向DTN网络传输的生物网络结构中加入通道容错设计层,通过生物智能体亲合力匹配,以及智能体之间的协商、协作规则来判断通道状态,一旦通道延迟时间超过失效检测时间,则判定通道存在失效,立即切换到备用通道,从而实现通道容错。与已有通道容错方式相比,这种设计结构缩短了分组延迟时间,同时又充分利用了带宽预留。仿真实验验证了它的通信效率。 第五,给出了一个基于生物网络的监控系统结构。分析了某水厂容错监控系统结构。为了提高系统的可靠性、动态自适应性,在生物网络结构中引入监控系统服务,建立容错监控系统结构。生物智能体在监控系统网络的背景下,引入新的属性与行为。生物智能体代理现场设备控制、数据采集以及工作站管理等系统服务,通过生物智能体的协商,满足监控系统提出的要求。 最后,对全文研究内容进行了总结,明确了下一步的研究方向。


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