摘 要： 針對移動Ad hoc網(wǎng)絡中節(jié)點自私性問題，提出了一種基于節(jié)點狀態(tài)的節(jié)點協(xié)作激勵機制NSIM。利用虛擬貨幣來激勵中間節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，節(jié)點的報價是綜合考慮節(jié)點狀態(tài)計算得出的，避免資源緊張的節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉發(fā)；在節(jié)點中引入安全模塊和加密機制，防止節(jié)點篡改其他節(jié)點的報價和非法增加虛擬貨幣。仿真實驗表明，NSIM機制減小了時延，提高了分組投遞率。
關鍵詞： 移動Ad hoc網(wǎng)絡；自私性；激勵機制；虛擬貨幣
在Ad hoc網(wǎng)絡[1]中，由于節(jié)點自身的處理能力、電池容量和存儲空間等各種資源都是有限制的，因此節(jié)點往往表現(xiàn)出一定的自私性，即不愿意幫助其他節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，以達到節(jié)省自身資源的目的，從而影響了網(wǎng)絡的性能。激勵自私節(jié)點進行合作是Ad hoc網(wǎng)絡迫切需要解決的問題，目前已有的節(jié)點激勵策略主要可以分為基于信任度的機制和基于合作博弈的機制兩類。但是這些激勵機制只是盲目地激勵節(jié)點參與消息轉發(fā)，并沒有進一步考慮節(jié)點狀態(tài)，即節(jié)點自身的資源以及對節(jié)點行為的影響，比如資源有限但負載相對過大的節(jié)點會因能量耗盡而過早地“死亡”，或因發(fā)生擁塞而造成丟包，因此不考慮節(jié)點狀態(tài)的激勵機制具有一定的盲目性，會造成資源的過度使用而導致網(wǎng)絡性能退化。參考文獻[2]提出的基于買賣模型的節(jié)點激勵策略，雖然考慮到了節(jié)點自身的狀態(tài)，但是這個策略實現(xiàn)的前提是節(jié)點根據(jù)定價機制真實地定價和報價，因此不具備防策略性。
本文綜合考慮網(wǎng)絡中節(jié)點擁有的有限資源，提出一種基于節(jié)點狀態(tài)的節(jié)點協(xié)作激勵機制NSIM(Node Status based Incentive Mechanism)。
1 基于節(jié)點狀態(tài)的激勵機制
NSIM機制中，節(jié)點各自管理自己的虛擬貨幣。為了避免資源緊張的節(jié)點參與數(shù)據(jù)轉發(fā)，節(jié)點的報價是根據(jù)節(jié)點的剩余能量、剩余空間及財富狀態(tài)綜合計算得出的。源節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時選擇一條轉發(fā)價格最低的路徑，并且在發(fā)送的數(shù)據(jù)包中攜帶虛擬貨幣用以支付報酬給該路徑上的節(jié)點。源節(jié)點至少要保證節(jié)點自身的財富值為正數(shù)，才可能有足夠的貨幣支付中間節(jié)點的報酬。中間節(jié)點可以通過轉發(fā)數(shù)據(jù)包獲得報酬，這樣就能激勵每一個節(jié)點去增加其財富值。節(jié)點中設置了安全模塊管理虛擬貨幣，并且在路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)包發(fā)送過程中引入加密機制，防止節(jié)點篡改其他節(jié)點的報價以及防止節(jié)點隨意增加虛擬貨幣值，保證數(shù)據(jù)包的完整性和正確性。
本文采用參考文獻[3]中的安全模塊及公鑰機制。
2 節(jié)點成本價格計算
節(jié)點的成本價格受節(jié)點的剩余能量、緩存空間及節(jié)點的財富三方面的影響。節(jié)點的報價越高，節(jié)點被選中的機會越小。當節(jié)點的剩余能量過低時，應盡量減少節(jié)點被選中的機會，防止節(jié)點因能量過早耗盡而退出；當節(jié)點緩存空間較小時，也應盡量避免節(jié)點被選中，防止丟包發(fā)生；當節(jié)點財富值較低時，應增加節(jié)點被選中的機會，因為只有幫助其他節(jié)點轉發(fā)信息才能積累財富值，才能支付其他節(jié)點幫忙轉發(fā)信息的報酬。因此，節(jié)點的成本價格綜合這三個方面考慮。
2.1 剩余能量百分比
節(jié)點的剩余能量情況用剩余能量百分比表示，定義為：
其中，Ei是節(jié)點i的剩余能量百分比；Bi是節(jié)點i的剩余空間百分比；Vi是節(jié)點i的財富狀態(tài)；是三個權重值，表示節(jié)點i的剩余能量百分比、剩余空間百分比、財富狀態(tài)對于成本價格計算的重要性。
3 數(shù)據(jù)轉發(fā)
3.1 安全模塊維護信息
安全模塊(假設用A表示)存儲了以下幾個數(shù)據(jù)：A的標識符，A所在節(jié)點的貨幣計數(shù)器，A的私鑰，由A的制造商簽發(fā)的A的公鑰證書，由A的制造商簽發(fā)的所有其他安全模塊制造商的公鑰證書，A的制造商的公鑰。
另外，安全模塊維護一個表，用來表示與鄰居節(jié)點的關系。這個表包含標識符、會話密鑰、序列號。
3.2 錢包頭和確認信息說明
(1)錢包頭
每個包必須攜帶一些虛擬貨幣值，以支付中間節(jié)點轉發(fā)包的報酬。這些貨幣值存在錢包頭PH(Purse Header)中，PH位于MAC層頭部和網(wǎng)絡層頭部之間。PH被安全模塊創(chuàng)建和操作。為了防止偽造貨幣值和非法修改貨幣值，PH被加密保護。
假設一個節(jié)點的安全模塊A創(chuàng)建了一個PH，PH中包含idA、idB、cA→B、n、PAC。其中，idA為當前節(jié)點安全模塊A的標識符；idB為下一跳節(jié)點安全模塊B的標識符；cA→B為發(fā)送序列號；n為虛擬貨幣值；PAC為錢包認證碼(Purse Authentication Code)，其值是g(idA、idB、cA→B、n、network PDU)，其中network PDU表示網(wǎng)絡層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，g是帶密鑰的哈希函數(shù)，密鑰為kAB，是安全模塊A、B的對稱會話密鑰。
(2)確認信息
當節(jié)點nB收到來自節(jié)點nA的一個包，它必須發(fā)送一個確認信息ACK，確認信息被nB的安全模塊B創(chuàng)建，被放在MAC層確認信息里。ACK包括idA、idB、cA→B、AAC。其中，cA→B指PH中收到的發(fā)送序列號；AAC即確認信息認證碼，值為g(PH)。
3.3 包發(fā)送協(xié)議
假設節(jié)點nB收到從nA發(fā)來的一個包，并且知道下一步是節(jié)點nC。nB首先將收到的PH、下一跳安全模塊C的標識符及network PDU的值交給它的安全模塊B。
B首先驗證PH，通過重新計算PAC，并將計算出的值和收到的值進行對比，如果一樣，則B知道這個PH確實是被A創(chuàng)建的，并且沒有被修改。然后驗證PH中的發(fā)送序列號cA→B是否比它收到的接收序列號cB←A大，如果是，則這個PH不是重復的，B將cB←A的值設置為PH中的發(fā)送序列號cA→B的值。
成功認證之后，B創(chuàng)建一個新的PH，包括：B和C的標識符、發(fā)送序列號cB→C、虛擬貨幣值(PH中貨幣的值減去nB的報價值)、新的PAC。B存儲新的PH，并將其復本交給節(jié)點nB。
nB將新的PH附加到包上，傳送給nC。nC必須確認接收到這個包。nC將PH交給它的安全模塊C，C創(chuàng)建ACK并交給nC。nC發(fā)送ACK給nB。
當nB收到ACK，交給B，通過ACK中C的標識符和發(fā)送序列號，B在內(nèi)存中尋找到相應的PH，如果B找到相應的PH，則驗證ACK，通過對PH重新計算AAC，并將其與ACK中的值進行對比，如果相等，則B增加貨幣值。將PH從內(nèi)存中刪除。
4 實驗仿真與結果
4.1 實驗場景和性能指標
本文以ONE[4]作為仿真平臺，驗證NSIM機制的有效性。設置以下三種方案，對比其網(wǎng)絡性能。
(1)SC方案。網(wǎng)絡中沒有自私節(jié)點，所有節(jié)點都會轉發(fā)接收到的消息。
(2)SS方案。網(wǎng)絡中全是自私節(jié)點，中間節(jié)點拒絕轉發(fā)消息，只有當源節(jié)點和目的節(jié)點在通信范圍內(nèi)時，才能將消息發(fā)送給目的節(jié)點。
(3)SS+NSIM方案。網(wǎng)絡中都是自私節(jié)點，但是每個節(jié)點收到消息后會按照NSIM機制轉發(fā)。
4.2 仿真結果及分析
(1)緩存空間、初始能量對分組投遞率的影響
分組投遞率隨緩存空間和初始能量的變化如圖1和圖2所示。由圖1、圖2可見，SC、SS和SS+NSIM的分組投遞率均隨緩存空間、初始能量的增加而增大；當緩存空間和初始能量分別受限時，SS+NSIM可以獲得較高的分組投遞率。此外，當緩存空間和初始能量較少時，SC的分組投遞率低于SS的分組投遞率，或幾乎與SS的分組投遞率相同。
(2)緩存空間、初始能量對平均端到端時延的影響
平均端到端時延隨緩存空間和初始能量的變化如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可見，SC和SS+NSIM方案中，隨著緩存空間和初始能量的增加，平均相對時延降低；SS的時延最大，SS+NSIM的時延最小。
本文針對Ad hoc中節(jié)點自私性的問題，綜合考慮網(wǎng)絡中節(jié)點自身狀態(tài)，提出一種基于節(jié)點狀態(tài)的節(jié)點協(xié)作激勵機制NSIM。仿真實驗表明，NSIM機制能夠有效地激勵節(jié)點參與消息轉發(fā)，同時又能解決節(jié)點無條件合作帶來的網(wǎng)絡性能退化的問題，從而達到減小時延、降低耗能、提高分組投遞率的目的。
參考文獻
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[2] 李云，于季弘，尤肖虎.資源受限的機會網(wǎng)絡節(jié)點激勵策略研究[J].計算機學報，2013，36(5)：947-956.
[3] BUTTYAN L，HUBAUX J.Nuglets：a virtual currency to stimulate cooperation in self-organized ad hoc networks[R].Technical Report EPFL，DSC，2001.
[4] KERIFANEN A，OTT J．The one simulator for DTN protocolevaluation[C].Proceedings of the 2nd International Confer-ence on Simulation Tools and Techniques，Brussels，Belgium，2009：1-10.