0 引言

    機會網絡^[1]是一種不需要源節點和目的節點之間存在完整的路徑，采取“儲存-攜帶-轉發”的路由模式并利用節點移動性帶來的相遇機會實現通信的時延和分裂可容忍網絡^[2]。在實際中，由于節點自身資源的有限性，為保護自身資源，節點會表現出自私行為。針對機會網絡中節點的自私性問題具體分為兩類：基于懲罰與基于獎勵。

    基于懲罰機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，各節點都是以協作轉發策略進行博弈，之后當前節點采用對方節點在上一次博弈過程中采取的策略。

    基于獎勵機制的路由算法主要以基于虛擬貨幣的路由算法為主。GIS機制^[4]中買賣雙方輪番出價，但必須在三輪之后終止，即對于第三次的出價，另一方必須接受。該機制能夠刺激自私節點的合作并減少多次博弈中因博弈過程引起的消耗。GSCP^[5]機制是一種基于概率路由的節點議價博弈機制，該機制假設消息對于節點的價值量與節點到達目的地址的概率成正比，消息從價值量低的節點賣出并由價值量高的節點進行購買，最終消息到達目的節點。

1 網絡模型與問題描述

1.1 網絡模型

    定義1 （消息價值量）節點移動過程中，消息對于節點的價值量跟節點與該消息的目的地址的相遇概率成正相關，假設P_i，d為節點i能夠將消息m傳送到目的地址d的概率，ω為消息的初始價值量，V為消息m對于博弈參與節點i的價值量，其值為V=ω·P_i，d。

    定義2 （買賣模型）若節點B想要獲得節點S中的消息m，會向S發送購買請求，并制定出購買價格x，若在價格x下，S的效益值為正，則S同意B的出價，并將m發送給B；否則買賣雙方進行下一輪議價博弈，直至達成協定或通信中斷。 

1.2 問題描述

    在研究中發現現有的基于議價博弈的機會網絡算法存在下列問題：

    (1)現有的GSCP算法在單次博弈中只有當雙方的收益都不小于0時雙方才會達成交易并采取交易成功策略，沒有考慮賣方在數據包買入時可能已經獲利，這降低了博弈雙方交易的達成率以及采取交易成功策略的比率。

    (2)節點在進行數據包轉發前，需要先交換SV-DP消息:當兩個節點相遇，DP列表交互完成后，收到DP列表的節點能得知雙方節點到其他節點的相遇概率；此時，若該節點到SV中某些數據包的目的節點的相遇概率高于相遇節點，則相遇節點不會求購此數據包，現有機制會將該類數據包的摘要加入SV并發給相遇節點，產生了數據包摘要的冗余。

    (3)數據包交易的過程中存在冗余的控制消息。在現有相關文獻中數據包在兩節點之間交易時，請求購買數據包的求購消息需要由買方節點單獨發給賣方節點。經過研究發現，求購消息的源、目的節點與SV消息的源、目的節點相同，因此可以將SV-DP消息合并在一起進行發送，從而減小網絡開銷。

    (4)在數據包交互過程中，節點無法通過控制消息(包括hello消息及SV消息)得知數據包的TTL字段值，導致節點有可能購買生命期字段值為1的數據包，從而導致不必要的轉發開銷和操作。

2 EORB算法

    為了解決現有基于議價博弈的機會網絡路由算法中存在的以上問題，本文提出了一種高效的機會網絡路由算法——EORB(Efficient Opportunistic network Routing algorithm based on Bargaining game)，采用自適應精簡數據包摘要、自適應合并SV-DP消息和求購消息、綜合考慮買賣收益的博弈策略等機制。

2.1 EORB算法新機制

2.1.1 自適應精簡數據包摘要

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

2.1.2 自適應合并SV-DP和求購消息

    現有的機會網絡概率路由算法中，相遇節點在有消息進行交互的過程如圖1所示，此交互過程存在信令冗余的問題。

    針對此問題，本文提出“自適應合并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，當前節點在收到對方的SV-DP消息后，根據對方SV列表中消息的目的地址、對方概率列表中到該目的地址的概率及本節點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，則計算該消息在博弈均衡下的最優價格，在向對方節點發送本節點的SV列表消息時，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置為對該消息的報價。對方節點在接收到DP-SV-BUY消息后，可以提取出對應的購買消息。DP-SV-BUY消息格式如圖2所示，其改進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

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

    當賣方節點與目的節點相遇概率和買方節點與目的節點相遇概率的差值產生的效益可以抵消博弈過程中的發送與接收損耗時，由買方節點根據子博弈均衡的最優價格向賣方節點提出報價。

    否則，當產生效益不足以抵消博弈過程中的發送與接收損耗時，買方節點下調報價，新報價為自身效益為0時對應的價格，賣方節點根據判斷買進該消息的效益值與此次買方提出的新報價下的效益值的和是否大于0來決定是否接受該報價，若大于0，則接受，否則拒絕接受該報價。該機制在保證本節點綜合效益值（買進與賣出）不小于0的前提下，使博弈雙方交易成功的概率得到提高，進而加快了消息的轉發速率，降低了消息到達目的節點的時延。

2.2 EORB算法操作

    EORB算法操作步驟如下：

    (1)節點S、B進入彼此通信范圍，通過鄰居發現得知彼此能進行信息交互。

    (2)節點S將SV列表及概率列表消息組成的SV-DP消息發送給節點B，若當前節點S的SV-DP消息中沒有跳數為1的消息時，節點S直接向相遇節點B發送自身的SV-DP消息；若當前節點S的SV-DP消息中存在跳數為1的消息且該消息的目的地址不是此次相遇節點B，則將SV列表中的該消息對應的摘要從列表中刪除，然后發送SV-DP消息。

    (3)節點B收到節點S的SV-DP消息后，首先按照步驟(2)中相同的操作對自身消息進行處理，同時利用對方SV-DP消息判斷：若節點B與緩存中消息m的目的節點的相遇概率高于節點S，則從自身SV列表中將消息m對應的摘要刪除；然后利用對方SV-DP消息中每個摘要消息的目的地址、對方概率列表中到目的地址的概率及本節點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，則計算該消息在博弈均衡下的最優價格，在向對方節點發送本節點的SV消息時，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置為對該消息的報價，組合成DP-SV-BUY消息。

    (4)節點S接收到節點B的DP-SV-BUY消息后，進行SV列表檢索對比，若存在與自身SV源地址與消息標號相同的消息，則表明是求購該消息，并且目的地址的值是對該消息的報價，節點S通過綜合考慮買進與賣出的收益總和值判斷是否接受該報價。

    (5)節點S接受節點B的報價后，發送對應的消息給節點B。

    (6)節點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送給節點S。

    (7)節點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根據憑條向交易雙方賬戶進行扣費與充值。

2.3 性論分析

    引理1： 與GSCP算法相比，EORB算法的消息轉發率更高。

    在GSCP中，買賣雙方在博弈過程中效益值計算公式以及博弈均衡的最優報價為：

式中，V_i表示消息m對節點i的價值量，c_i(r)表示第r輪博弈對于節點i的開銷，u_i表示節點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表示消息交易價格。只有u_B和u_S都不小于0時，消息才能從賣方節點傳遞到買方節點，假設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發概率為：

    在EORB算法中，買方節點在u_B不小于0時會同意購買該消息，而賣方會綜合買進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，則賣方節點同意賣出該消息。由于u_b恒為正值，假設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發概率為：

    由式(3)和式(4)可知P_n>P，EORB算法的消息轉發率更高，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。

    假設網絡中有m個消息，節點發送一次消息的能耗值為δ，消息由源節點到目的節點的平均跳數為ETX，節點攜帶每個消息的平均能耗為ε，消息傳輸的時間為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延為：

    可知E_EORB<E_GSCP，T_EORB<T_GSCP，得證。

    引理3： 采用“自適應精簡數據包摘要”機制能降低SV交互階段的開銷。

    假設網絡中節點攜帶的消息個數均值為m，消息中跳數已經降為1且相遇節點非消息的目的節點的個數均值為n（n<m），單位長度的SV列表（指SV列表中只含有一個消息摘要）傳輸過程所需要的能耗為ε，則未采用“自適應精簡數據包摘要”的機制中，當前節點在與其他節點進行SV交互時所消耗的能量為：

    采用“自適應精簡數據包摘要”的機制中，當前節點在與其他節點進行SV交互時所消耗的能量為：

    可知，E_new<E_orig，得證。           

3 仿真參數與統計量

3.1 仿真參數

    本文具體仿真參數如表1所示。

3.2 仿真結果與分析

    (1)控制開銷

    從圖4可以看出，EORB算法的控制開銷在每個場景中均低于其他兩種算法。主要原因是：①自適應地精簡SV消息的內容，使得控制消息的長度得到降低；②自適應合并SV-DP消息和求購消息機制使得控制消息的個數得到降低。

    (2)網絡吞吐量

    從圖5可以看出，EORB算法的網絡吞吐量更大。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成交易成功的概率得到提高；②自適應合并SV-DP消息和求購消息機制使得控制消息的個數得到降低，減少了無效的控制消息交互。

    (3)平均端到端時延

    從圖6中可以看出，EORB算法具有較低的平均端到端時延。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自適應合并SV-DP消息和求購消息使得控制消息個數降低，控制消息的交互過程得到減少。  

    (4)消息到達率

    從圖7算法對比可知，EORB算法在消息傳送成功率上有所提升。這是因為：①綜合考慮買賣效益的博弈策略使得買賣雙方達成交易成功的概率得到提高，提高了消息到達的成功率；②自適應合并SV-DP消息和求購消息機制使得控制消息的個數得到降低，控制消息的交互過程得到減少，有利于提高消息的到達率。

4 結束語

    本文針對現有基于議價博弈的機會網絡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會網絡路由算法——EORB。該算法采用自適應精簡數據包摘要、自適應合并SV-DP消息和求購消息、綜合考慮買賣收益的博弈策略等機制，加速了消息的轉發速率，提高了消息的到達率，減少了消息的平均時延，并降低了系統的開銷。

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作者信息:

任  智，康  健，徐兆坤

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶400065）