Gossip一致性算法在机会网络中的仿真实现外文翻译资料

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Gossip一致性算法在机会网络中的仿真实现

2017年 3月 7 日

用于DTN协议评估的模拟器THE ONE

Ari Kerauml;nen, Jouml;rg Ott, Teemu Kauml;rkkauml;inen

Helsinki University of Technology (TKK)

通信和网络部门

{akeranen,jo,teemuk}@netlab.tkk.fi

摘要

延迟容忍网络（DTN）支持在稀疏移动自组织网络和其他传统网络故障，需要新的路由和应用协议的挑战环境中进行通信。过去DTN路由和应用协议的经验表明，它们的性能高度依赖于底层移动性和节点特性。在许多情况下评估DTN协议需要合适的仿真工具。本文介绍机会网络环境（ONE）模拟器专门设计用于评估DTN路由和应用协议。它允许用户根据不同的综合运动模型和现实世界的轨迹创建场景，并提供一个实现路由和应用协议（已经包括六个著名的路由协议）的框架。交互式可视化和后处理工具支持评估实验，仿真模式允许ONE模拟器成为真实世界DTN测试台的一部分。我们展示示例模拟演示模拟器的DTN协议评估的灵活支持。

类别和学术描述符

C.2.2 [计算机通信网络]：网络协议; I.6.7 [仿真和建模]：仿真支持系统

常用分类

性能，实验

关键词

延迟容忍网络，模拟，路由

1. 引言

诸如蜂窝电话之类的个人通信设备已经能够向移动用户进行语音和数据通信，从而通过基础设施网络（蜂窝，WLAN）实现全球连接。 设备之间的本地连接可以另外通过形成自组织网络来获得，因为移动设备实际上总是开启的并且具有用作路由器的必要的无线电接口，处理能力，存储容量和电池寿命。然而，由于节点移动引起的频繁的拓扑改变，中断和网络分区，这种通常稀疏的自组织网络通常不能支持经典的基于TCP / IP的通信所需的端到端连接类型。 相反，已经建议异步消息传递（也称为存储 - 转发网络）以使得能够在存在于这些类型的网络中的空间 - 时间路径上进行通信（例如，延迟容忍网络，DTN [10]，Haggle [24]）。

这样的机会网络的性能可以显着变化，这取决于移动节点如何移动，节点群体是多密的以及发送器和接收器有多远。 传送延迟可能从几分钟到几小时或几天不等，并且可能不传送大部分消息。 关键因素是所使用的路由和转发算法以及它们的设计假设与实际移动性模式的匹配程度。 到目前为止还没有找到理想的路由方案。

模拟在分析DTN路由和应用协议的行为中起着重要作用。 对于通常稀疏分布的节点，DTN模拟从无线链路特性的细节中提取，并且简单地假设两个节点在它们在彼此的范围内时可以通信。 这允许专注于DTN协议的评估 - 这是我们在本文中遵循的一种方法。 我们不是对较低层进行完全建模，而是对数据速率，无线电范围以及由此产生的传输量进行简化假设。

在稀疏节点群体中，由存储转发通信利用的空间 - 时间路径由节点之间的遭遇组成。 这些遭遇的频率，持续时间和其他特性在很大程度上取决于潜在的移动模式。 DTN协议的评估使用了大量的合成移动性模型以及真实世界的移动性跟踪（我们在第2节中讨论）。虽然合成生成的节点移动性允许在许多方面的微调，这通常仅覆盖有限的移动特性。相比之下，现实世界的踪迹通常仅具有粗略的时间（例如，大约几分钟的扫描间隔）或空间分辨率（例如，从WLAN接入点附接确定的位置）和覆盖（例如，仅覆盖校园区域），以及 可能由于选择用于采样的用户组而表现出偏差。

所有这些方法可以在评估DTN协议的性能时提供补充数据点。重要的是，在不同的设置下评估协议，并且这些设置可以被微调以尽可能接近地匹配预期的应用场景。在本文中，我们提出机会网络环境（ONE）模拟器，一个基于Java的工具，在一个框架提供广泛的DTN协议模拟功能，基于我们的经验分析多个DTN路由和应用协议设计1。贡献是双重的：1）ONE模拟器提供了一个可扩展的模拟框架本身支持移动性和事件生成，消息交换，DTN路由和应用协议，能量消耗的基本概念，可视化和分析，导入和导出移动轨迹，事件，和整个消息。 2）使用这个框架，我们实现了一套广泛的随时可用的模块：六个合成移动性模型，可以参数化和组合以逼近真实世界的移动性场景，六个可配置的知名DTN路由方案，一套基础用于设计应用协议的基元，基本的电池和能量消耗模型，用于与其他模拟器交互的若干输入/输出滤波器，以及用于与真实世界测试台集成的机制。 ONE模拟器以模块化方式设计，允许使用定义良好的接口实现几乎所有功能的扩展

本文的结构如下：在第2节，我们回顾了DTN的相关工作和（相关）移动性模拟。 我们在第3节深入介绍了ONE模拟器的架构和不同的特性，并描述了第4节中仿真设置中如何使用ONE。我们在第5节中展示模拟结果和对模拟器性能的评论。第6节结束本文， 总结并指出未来的工作。

1. 相关工作

在本文中，我们关注包括移动节点的延迟的自组织网络中的通信性能。 延迟容忍网络[10]越来越多地应用于在具有挑战性的网络环境中实现通信，包括稀疏传感器网络和机会性移动自组织网络。 DTNRG架构[5]提出了一个捆绑层作为覆盖层来桥接不同的（互）网络。 节点通过使用存储进位和前进范例交换的任意大小的异步消息进行通信。 消息具有有限的TTL，并在TTL到期时被丢弃。 它们也可能由于拥塞而被节点丢弃，从而产生尽力服务。 应用协议需要容忍由挑战的环境导致的延迟以及消息不及时或根本不传送的风险。 用于评估DTN协议性能的典型性能度量因此是消息传递概率和延迟。

在过去几年中已经提出了许多路由和转发方案（参见[32]和[21]概述）。 通常根据网络主要是移动自组织（例如，由人类携带的移动设备）还是基于（固定或移动）基础设施（例如，空间网络，总线网络）来应用不同的机制。 显然，混合网络也存在（例如，由基础设施节点支持的移动用户）。

各种DTN路由协议之间的主要区别是它们可用于做出转发决定的信息量[13]。自组织DTN通常应用反应协议的变体。洪泛协议如流行路由[30]不使用任何信息。例如PRoPHET [19]等预测协议使用过去的节点的相遇来预测他们将来适合传递消息到某个目标，而其他协议也利用每个节点的进一步（显式配置）调度和上下文信息。此外，它们的复制策略不同，即，它们创建的消息的多少副本，其反过来对网络上承担的负载具有直接影响。一些协议只生成一个副本[27]（例如，第一联系人[13]，直接传输/传递[27]），其他的由发送者限定的固定数目[28] [26] 19]路由可能创建“无限”数量的消息。调度策略控制在两个节点之间发生通信机会时消息以何种顺序传递。最后，队列管理策略定义何时以及哪些消息被删除，例如，如果发生拥塞。

为了评估DTN路由协议的性能，已经使用了多种设置，多数包括一些类型的节点移动性。 已经从合成移动性模型创建了移动性，（b）从通过真实世界测量获得的轨迹中获得，以及（c）通过评估真实世界中的代码。 虽然存在（c）的几个测试台（例如DieselNet [3]），它们的灵活性通常有限，大规模操作“昂贵”，并且它们的使用通常限于运行测试平台的那些。 这样的测试台还可以用于获得真实世界的轨迹（b），然后可以供其他研究人员研究。

各种项目已经收集了蓝牙设备[11]之间，用户和/或无线接入点[8]之间的联系（对等体，时间，持续时间和可能的位置）的痕迹等。 CRAWDAD项目2提供了一个存储库，其中有许多现实世界的踪迹.3这些跟踪从不同角度提供移动用户之间的真实世界交互的洞察，并构成了一个有价值的数据源，用于验证从合成模型获得的移动性和连接特性。

但是现实世界的痕迹也有它们的局限性 - 到目前为止，在这些痕迹中分析的群体自然非常有限，因此可能偏向结果。 此外，时间粒度经常受到限制，以便不会太快地耗尽移动设备电池：例如，Haggle iMotes使用5分钟的感测间隔，使得许多接触机会可以容易地未被检测到并且接触持续时间只能被同样粗略地评估。 虽然这可以看出反映能量约束，但是之后不能调整扫描间隔。 最后，结果不能随意缩放，因此限制了可以评估的内容。

因此，灵活和可扩展的模拟的唯一选择是（a）基于模型的合成移动性生成.4移动性模型的范围从简单的实体模型，如随机航点到复杂的例如随机旅行[2]考虑街道地图的车辆的兴趣点[4]（例如，[6]）。可以调整节点速度和暂停时间以匹配行人，车辆或其他节点类型和平滑转弯，可以添加加速和减速以获得更逼真的行为[1]。用于车辆网络的特定模型还考虑从简单道路设置到现实世界地图以及基于另一方面的交通流模型的简单非干扰车辆到车辆交互（距离，速度）的附加约束。建筑物内部和周围的人行道结构近似值用于使运动更逼真，传输范围和性能适用于移动节点之间的墙壁建模[14]。

在其他领域（例如，流行病扩散研究或交通规划），已经创建了更复杂的模拟模拟整个城市的人口的行为[20]。 取决于精确的设置，后者可能不具有用于评估特定人际通信的适当的焦点：例如，TRANSIMS允许在某些位置或在车辆中建模人口及其交互，但是不包括关于 这些位置限制了所生成的行人的移动性数据的适用性。 在TRANSIMS的情况下，可以提供详细的车辆信息，并已用于调查MANET协议[20]。

用于简单模型的移动发生器可用于ns-2和ns-3，作为它们各自工具集的一部分或作为特定扩展（例如[2]）; ns-2和ns-3都接受适当转换的轨迹作为输入5.后者也适用于各种开放可用的DTN模拟器（dtnsim [13]和dtnsim26），以及许多适用于特定研究需求的模拟器，基于OMNet ，OPNET或 完全新开发的7，所有这些都对DTN路由协议的支持非常有限，很容易获得。 虽然ns-2（以及现在的ns-3）和OMNet 提供了用于基于分组的通信的开放仿真平台，并且诸如JANE [7]的工具为MANET提供特定支持，但对DTN仿真的通用支持总体上相当有限。 ONE模拟器为DTN协议评估，嵌入内部和外部移动性模型，不同的DTN路由方案和交互式检查（类似于ns-2的nsnam）以及后处理提供了环境。

1. THE ONE模拟器

ONE的核心是基于代理的离散事件模拟引擎。 在每个模拟步骤，引擎更新实现主要模拟功能的多个模块。

ONE模拟器的主要功能是节点移动，节点间联系，路由和消息处理的建模。 结果收集和分析通过可视化，报告和后处理工具完成。 元素及其相互作用如图1所示。模拟器的详细描述可在[16]和ONE模拟器项目页面[29]中找到，其中源代码也可用。

节点运动由运动模型实现。这些是合成模型或现有的运动轨迹。节点之间的连接是基于它们的位置，通信范围和比特率。 路由功能由路由模块实现，路由模块决定哪些消息通过现有联系人转发。 最后，消息本身通过事件生成器生成。 消息始终是单播的，在仿真世界中具有单个源和目标主机。

模拟结果主要通过报告模块在模拟运行期间生成的报告收集。 报告模块从模拟引擎接收事件（例如，消息或连接事件），并基于它们生成结果。 所生成的结果可以是事件的日志，然后由外部后处理工具进一步处理，或者它们可以是在模拟器中计算的聚合统计。其次，图形用户界面（GUI）显示模拟状态的可视化，显示由节点携带的位置，活动联系人和消息。

3.1 节点能力

模拟器中的基本代理称为节点。节点对能够充当存储携带转发路由器（例如，具有所需硬件的行人，汽车或电车）的移动端点建模。模拟场景是从模拟世界中的节点组构建的。每个组都配置了不同的功能。

每个节点都有一组建模的基本功能。 这些是无线电接口，持久存储，移动，能量消耗和消息路由。通过参数化（例如，通信范围，比特率，对等扫描间隔和存储容量）来配置诸如仅涉及简单建模的无线电接口和持久存储的节点能力。 通过实现该能力的特定行为（例如，不同的移动性模型）的专用模块来配置诸如移动和路由的更复杂的能力。

图1：ONE仿真环境概述

每个节点都有一组建模的基本功能。 这些是无线电接口，持久存储，移动，能量消耗和消息路由。通过参数化（例如，通信范围，比特率，对等扫描间隔和存储容量）来配置诸如仅涉及简单建模的无线电接口和持久存储的节点能力。 通过实现该能力的特定行为（例如，不同的移动性模型）的专用模块来配置诸如移动和路由的更复杂的能力。

每个节点中的模块都可以访问节点的基本仿真参数和状态，包括位置，当前运动路径和当前邻居。 这允许实现例如地理路由和其他上下文特定算法。 此外，模块可以通过模块间通信总线使其任何参数可用于同一节点中的其他模块。 这样，例如，移动模块可以根据路由器模块的状态改变其行为，或者

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