基于朋友社区路径预测的消息路由算法

机会网络[1]是一种无需网络基础设施、通过节点的相遇机会来提供网络服务的延时容忍网络[2].端到端的通信往往需要多跳路由，传统网络需要通过“握手方式”建立一条明确的多跳通信链路才可通信，而在机会网络中由于节点的移动，节点对消息采用“存储—携带—转发”[3]的模式，无需完整的通信链路即可实现消息传输，这更符合无线自组网通信的需求.机会网络相关研究成果不断涌现，主要应用在无法建立全连通网络的环境下，如车载网络[4]、飞行器自组织网络[5]等，充分利用节点移动的相遇机会、激活节点间的直接通信，有效减轻了网络基础设施的负载.

在机会网络现实场景下，节点通常是人随身携带的手持设备，网络中节点间消息的路由往往并非单次路由，2节点通常存在交流与沟通的行为，如在网络基础设施薄弱的地区，存在有亲属、恋人或朋友关系的2节点，利用机会网络相互发送消息来进行情感交流，若能找到相对可靠、高效的链路来连接这类频繁通信的节点，则能实现2节点的稳定通信.

四是确保灾区群众有洁净水喝。组织制定应急供水保障方案，着重解决好伤病人员、集中安置点群众、救援队伍、农村和边远地区群众的应急供水问题。组织力量抢修城乡供水设施，尽快修复城市供水管网，以集中连片解决饮水问题。近期内难以修复的供水工程要采取新设临时供水设施、应急水质处理、拉水送水等措施保障供水。组织内地水务力量较强的供水抢修队伍帮助灾区修复管网和供水设施，确保灾区群众饮水安全。

现已有多种经典路由算法用于机会网络中.Epidemic[6]算法是机会网络中的节点将消息进行洪泛传输.该算法提高了消息投递成功率，但机会网络中网络资源是有限的，该算法会浪费大量网络资源，网络冗余率的提高会使其算法性能急剧下降.为了减少浪费大量网络资源提出了CAR算法[7]和MobySpace算法[8]，其核心是采用单副本的路由方式进行消息传输，减少网络资源的浪费，但算法消息投递成功率偏低、消息平均延时会增大.Prophet[9]算法根据节点间相遇概率进行消息路由，该算法依赖于节点间的相遇机会来转发消息，消息投递成功率偏低.以上都是传统的机会网络路由算法，这些算法都没有涉及机会网络中节点存在的社会性.SimBet[10]算法利用机会网络中节点存在的社会性，选择节点中连通度相对较强的节点作为中继节点.该算法通过找关系强度大的中继节点进行数据转发，实现对相遇节点的优化选择，但存在消息投递成功率较低，消息平均延时较高的缺点.BubbleRap[11]算法把消息路由过程分为社区内消息路由和社区间消息路由2个阶段，提高了网络中消息的路由性能，该算法划分的社区是静态的，没有考虑节点随时间发生变化对社区划分产生不准确的影响.

根据以上算法的启发，同时结合机会网络的社会性，文章提出了基于朋友社区路径预测的消息路由算法，旨在避免频繁通信2节点在每次通信都需重构新的通信链路，保证消息的高效投递.为实现该算法，文章主要有以下2个方面的工作：(1)将节点与其它节点相遇的历史信息进行量化，将量化的值作为2个节点间的关系亲密度，并根据关系亲密度进行朋友社区的划分；(2)将消息路由策略分为朋友社区内路由策略和朋友社区间路由策略.朋友社区内路由策略是比较节点间的转发能力，只转发给转发能力强的节点；朋友社区间路由策略是比较节点间的预测概率，只转发给预测概率高的节点.

1 相关理论

1.1 网络模型

社区间传输消息需要找到在不同朋友社区间移动的节点.将社区比作1个比较固定的节点如图1所示，则社区间消息路由就是找到连接社区的路径.对于每1个节点来说都有可以到达的社区和不可以到达的社区.每1个节点到可达社区的路径就成了社区间消息路由的关键，对于不可到达社区则需要多个社区间的协助.

目前茶类胡萝卜素的研究仅停留在描述阶段，且多集中在含量测定、成分分析方面，对茶类胡萝卜素代谢途径的认识仅有大致的轮廓。另外，虽然利用基因组、转录组等手段，筛选了一些与茶类胡萝卜素代谢相关的基因片段，但目前仅有少部分基因得到克隆及功能验证。因此，完善茶胡萝卜素代谢途径及相关基因功能验证将是今后研究的重点。

1.2 朋友社区划分

节点在移动的过程中会遇到很多节点，将节点与其它节点相遇的历史信息进行量化，将量化的值作为2个节点间的关系亲密度.并根据关系亲密度进行朋友社区的划分.

后来我回到自己的城市开始一份新工作，公司业务繁忙，迟羽打来电话时我大多在酒桌上大着舌头跟人家谈业务，如此几次就渐渐少了联系。直到去年妹妹暑假无聊，要我带她出去玩。我忽然想到滑翔伞基地，又想着很久没见迟羽两口子了，索性直接到了那边给他们一个惊喜。

1.2.1 关系亲密度

老田陪着侯大同蹲在无花果树边。老田每次来，侯大同要么在伺弄他的无花果，要么就是抱着他的女儿。两件事都让老田摸不着头脑，一个大男人，喜欢花草倒也勉强说得过去，没听说过有谁喜欢果树的。何况，还这么痴迷。那女儿呢，都六七岁了，侯大同还整天抱着，累不累啊？老田觉得这个菜农真是怪。

在时间间隔tm内，节点a和节点b的关系亲密度M(a,b)(tm)可以表示为式(1)：

≤M(a,b)(tm)≤1

通过本研究结果初步显示，SFT对于改善ADHD患儿的家庭内部环境具有积极、有效的作用。因此，SFT作为ADHD综合治疗中的一种具有重要意义和发展前景的有效措施，值得不断地探索、实践与完善。

(1)

式中,M(a,b)(tm)为在时间间隔tm内，节点a与节点b的相遇次数，Ea(tm)为节点a在时间间隔tm内同其它任意节点的相遇次数.

1.3 社区内路由策略

划分完朋友社区之后，当携带消息节点a、相遇节点b、以及目标节点都在同一朋友社区Na时，根据朋友社区内路由策略，需要比较2节点与目标节点的转发能力，而转发能力需要关系亲密度与活跃度二者相结合来进行计算.

定义1：活跃度为在同一朋友社区内节点与其他节点在时间间隔tm内联系的频繁程度，用式(2)表示.

朋友社区划分的过程可概括为：对于1个节点a其朋友社区初始化集合形式为Na={a}.当节点a与节点b相遇时，查看两节点间的关系亲密度Ma,b.如果关系亲密度Ma,b大于阀值∂时，则节点a将节点b划进朋友社区Na.

,0≤Da(tm)≤1

(2)

在朋友社区内进行消息传输时，比较两节点的转发能力，转发能力计算公式为式(3)：

对于《红楼梦》中的儿化词，海洋女士曾做过粗略统计，仅《红楼梦》前八十回，儿化词就出现了一千次左右(包括重复使用)，平均每回达十多次，总条目达440条之多；仅第7回、24回、28回等，就各出现过80个以上，《红楼梦》中儿化词数量之多，由此可见一斑。

节点a在时间间隔tm内，其相遇过的节点集合表示为A={a1,a2,a3…an}，其中，A(tm-1)为在时间间隔tm-1内节点a同其他相遇节点的集合；A(tm)为在时间间隔tm内节点a同其他节点相遇的集合.

F(a,b)(tm)=M(a,b)(tm)×Da(tm)

(3)

朋友社区内的路由策略为：当携带消息节点a，相遇节点b以及目标节点都在同一朋友社区Na时，节点a与节点b相遇并交换对方到目标节点的转发能力.若节点b到目标节点的转发能力较强，则节点a将消息转发给节点b，否则不转发.

1.4 社区间路由策略

用网络拓扑图G(V,E)进行描述.其中V={1,2,3,4…,n},表示图G中节点的集合；E={(a, b)|a, b∈V}，表示G中节点之间边的集合.我们将有限的时间序列T以t为时间单位划分为k个时间间隔，则第m个时间间隔为tm(m≦k).

  

图1 社区间路由策略Fig.1 Intercommunal routing strategy

1.4.1 预测概率

当携带消息的节点a与节点b相遇时，第1步首先判断节点b是否为目标节点，若为目标节点将消息传输给b节点，否则，进行第2步；如果节点a、节点b以及目标节点都在同一朋友社区Na时则采用朋友社区内路由策略，相互交换对方到目标节点的转发能力.若节点b到目标节点的转发能力较强，则节点a将消息转发给节点b，否则不转发.如果节点a、节点b以及目标节点不在同一朋友社区Na时则采用朋友社区间路由策略，相互交换对方到目标社区的预测概率.若节点b到目标社区的预测概率较大，则节点a将消息转发给节点b，否则不转发.具体流程如图3所示.

1.4.2 有联社区预测概率

节点路由到有联朋友社区时，可以使消息路由到该社区.节点a到有联朋友社区的预测概率表示为：

,b∈X,0≤Pa(Cb)≤1

在社会中，每个人都是与朋友的遇见次数较多，而与陌生人遇见的次数则比较稀少，因此相遇的历史信息在一定程度上反映了人们之间的关系.在机会网络中的节点都具有社会性，所以根据节点间相遇的历史信息，可量化出节点间的关系亲密度，通过关系亲密度可进行朋友社区的划分.

(4)

式中，X为节点a的有联朋友社区集合,Ea(Cb)为节点a移动到社区Cb的次数,Ea(Cx)为节点a移动到所有有联朋友社区的次数，时间间隔tm更新一次预测概率.

1.4.3 无联社区预测概率

节点将消息路由转发到无联朋友社区，需要多个社区的协助.所有节点预测概率有可传递的属性，图2为无联社区间路由.如图2所示，携带消息节点a无法将消息路由给节点z，而节点b能够将消息路由给节点z，节点a能够与节点b相遇，将节点b选为中继节点，使节点b进行社区间消息路由.节点a与节点b的朋友社区分别是社区C1和社区C2，社区C2是节点a的有联朋友社区，社区C3是节点a的无联朋友社区.当节点a与节点b相遇时，相互查看对方的预测概率表，节点a发现社区C3是节点b的有联朋友社区.消息通过节点b路由到社区C3.

陶行知先生指出，“生活即教育，社会即学校，教学做合一”。 黄炎培先生指出:“职业教育应做学合一，理论与实习并行，知识与技能并重”。两位先生既为近代名人，又为教育名家，简单的语言中孕含着真知灼见，其理念对当下的高职教育有着重要指导意义。

  

图2 无联社区间路由Fig.2 Unreachable inter-communal routing

节点a到社区Cz的预测概率Pa(C3)为式(5)：

（2）杜绝盲目建设和重复投资。根据《热电联产管理办法》，以热水为供热介质的热电联产机组，供热半径一般按20km考虑，供热范围内原则上不再另行规划建设抽凝热电联产机组。以蒸汽为供热介质的热电联产机组，供热半径一般按10km考虑，供热范围内原则上不再另行规划建设其他热源点。加强对区域能源站等大中型分布式能源项目的管理，原则上未纳入本规划大型项目不得核准。各地能源管理部门要根据已批准的天然气分布式能源建设规划科学组织实施，杜绝盲目建设和重复投资。

Pa(C3)=Pa(C2)×F(a,b)×Pb(C3)

(5)

式中，Pa(C2)表示节点a到节点b的社区C2的预测概率，代表了路径C1→C2段.Pb(C3)表示节点b到社区C3的预测概率，代表了路径中C2→C3段.F(a,b)是节点a，b的转发能力.

节点将无联朋友社区的预测概率记录到预测概率表中，在每个时间间隔内都需要对预测概率表进行更新.更新方法如下：若节点a通过与其它节点相遇，相互查看对方的预测概率表，发现了1条到社区C3的新路径，并得到新的预测概率值，将新值与旧值比较，当新值更高时，说明新路径到达目标社区的可能性更高，则将新值替代掉旧值.

朋友社区间的路由策略为，在进行社区间消息路由时，且当携带消息节点a、相遇节点b以及目标节点不在同一朋友社区Na时，节点a与节点b比较到目标节点所在朋友社区的预测概率，若节点b的预测概率更高，则选择节点b作为转发节点，否则不转发.

线性一直以来是护栏外观追求的一项重要指标，也是为护栏涂粉增光的重要手段，所以线性的好坏很重要。既然重要，就会在此追求中投入太多，如果前面按要求做了，全线走两遍就基本可以达到线性美观、直顺的要求。第一遍对线形边走边调整高低、左右，紧跟进行螺丝的紧固，对于螺丝不能拧紧的地方进行重新钻眼，保证螺丝全部就位；第二遍就是对紧螺丝后线形不合适的地方进行调整。然后进行防盗螺丝的就位，顺带对松的螺丝进行加固。以往线型调整多次，仍有部分段落线形不顺直，就是不能采取好的施工顺序，不注重螺丝的紧固时间和二次进行螺丝紧固。一般都是紧好螺丝进行调整或者螺丝不紧，板的受约束力太小，调过的地方，前面调后面又有变形。

2 路由策略

预测概率是节点到达某一社区的概率，通过预测概率来表示节点将消息路由到某一社区的可能性.预测概率越高，表示消息到达该社区的可能性越高.每个节点需要建立1张预测概率表，通过该表进行预测概率的查询与更新.每个节点都有可以联系的朋友社区和无法联系的朋友社区，所以将预测概率分为2种：有联朋友社区的预测概率与无联朋友社区的预测概率.

  

图3 路由策略Fig.3 Pouting strategy

3 仿真实验与分析

3.1 仿真环境

本文算法利用仿真平台ONE[12]进行仿真实验，并与Prophet算法SimBet算法以及BubbleRap算法进行比较.具体仿真参数如表1所示.

 

表1 仿真参数

 

Table 1 Simulation parameters

  

参数名称参数值场景大小1 000 m×1 000 m 仿真时间72 h消息产生/s[60,120]消息大小5～10 kB消息生存时间(TTL)/h{1,6,11,16,21,24 }节点缓存15MB停留时间/s[0,300]阀值∂0.2

3.2 数据集

(1)Infocom 2006[13]

该数据集来源于2006年参加Infocom会议人员所携带的移动设备.Infocom2006具有节点连接发生频率高的特点.

(2)MIT[14]

观察两组患儿的体温恢复正常时间、肺炎复发率;使用调查评分表调查家长对于护理干预的满意度,评分85分及以上为非常满意,评分75~85分为满意,评分低于75分为不满意[2]。满意度=(非常满意+满意)/总例数×100%。

该数据集来源于麻省理工的学生所携带的移动设备.此数据集具有连接比较稀疏的特征.

在进行仿真实验时，需要对2个数据集进行简单处理：由于数据集时间较长，所以将数据集前48 h作为历史信息，采用后24 h的数据进行仿真实验.以6 h作为1个时间间隔.

3.3 性能指标

主要评价标准有以下3个：(1)消息投递成功率——目的节点接收到的消息总数与源节点发出的消息总数的比值；(2)消息冗余率——未成功投递到目标节点的消息数与成功投递到目标节点的消息数之比.消息的冗余率越高，网络中待投递的消息就越多.(3)消息平均延时——成功投递到目的节点的消息从源节点到目的节点所需的平均时间.该指标体现了路由算法的高效性.

“伤心凉粉”是店里的招牌菜，每天都吸引着无数人慕名前来，香的过瘾，辣的眼泪直流，真是越吃越“伤心”。除此之外，钵钵鸡也是必点菜品之一，这道菜其实就是五块钱买一钵沾料，配着已经拿白水煮熟的串串，独特的味道无不令人拍案叫绝！

3.4 实验结果与分析

3.4.1 消息投递成功率对比实验

消息投递成功率如图4(图4～6中，(a)为Infocom2006数据集，(b)为MIT数据集)所示：在Infocom2006数据集中的节点相遇频繁，使得各个路由算法无论在使用Infocom2006数据集的情况下消息投递成功率相对较高，而使用MIT数据集的各个算法，其消息投递成功率相对较低，主要因为MIT数据集的节点相遇机会较少导致的.将本文算法在图4中同其他的路由算法相比较，无论节点相遇频繁或者稀疏，本文算法的消息投递成功率都很高.

  

图4 消息投递成功率Fig.4 Successful delivery rate of messages

3.4.2 消息冗余率对比实验

消息冗余率如图5所示.Prophet算法在Infocom2006数据集还是MIT数据集，其消息冗余率均远大于其他路由算法.与Infocom2006数据集的消息冗余率相比，MIT数据集的消息冗余率变化比较缓慢，这是因为MIT数据集里节点相遇的机会比较少，相遇的时间间隔比较长，造成消息冗余率变化缓慢.从图5看出，在这2个数据集中，本文算法随着TTL的增长，其消息冗余率增长比较平稳，在保证其消息投递成功率的同时，可以有比较小的消息冗余率，减少了网络资源的浪费.

  

图5 消息冗余率Fig.5 Message redundancy rate

3.4.3 消息平均延时对比实验

消息平均延时如图6所示，当消息开始路由时，各个路由算法的消息平均时延相差不大，但是当TTL增加时，各算法之间消息平均时延出现差异.本文的算法能够有效地控制消息转发路径，尽量减少不必要的路由，将消息尽快的传递到目标节点，使得本文算法相对于其他基于社会属性的路由算法有较小的消息路由时延.

  

图6 消息平均延时/sFig.6 Average message delay

4 结束语

本文根据建立的网络拓扑设计了基于朋友社区路径预测的消息路由算法；本文算法利用节点间相遇的历史信息进行计算，得出节点间的关系亲密度，并依据该关系亲密度是否大于阈值提出了朋友社区的划分方法；在此基础上设计了朋友社区内与朋友社区间的2种消息路由策略.在社区内通过比较节点间转发能力进行消息路由.在社区间分为有联朋友社区和无联朋友社区2种预测概率计算方法，通过比较节点间预测概率进行消息路由，并在此基础上，设计和实现了本文算法.最后在真实数据集上验证本文消息路由算法的性能.实验表明：本文的消息路由算法与其他算法相比具有更好的路由效果．

在实际环境中，网络中的节点移动方式复杂多变．机会网络的消息路由的研究难点，便在于如何挖掘和利用节点之间潜在的行为模式信息，进而实现消息的数据路由．因为机会网络本身所具有的社会性特征，利用网络中存在的社会特性可以预测节点的移动行为，改善网络路由性能，并计划在未来研究中更加深入地分析消息在节点间的路由特性，研究节点之间存在的社会联系，从而探索研究更好的消息路由算法.

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