[论文解读] Buffer Occupancy and Delivery Reliability Tradeoffs for Epidemic Routing

Pin‐Yu Chen, Meng-Hsuan Sung+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2016

Opportunistic and Delay-Tolerant Networks参考文献 30被引用 3

一句话总结

本文利用易感-感染-恢复（SIR）模型，分析了在中断连接网络中，爆发式路由的缓冲区占用与交付可靠性之间的权衡。提出了最优全局超时和反向数据包传播方案，表明在最优超时下，每个节点的缓冲区占用仅取决于数据包丢失率和成对会面率，且合作式反向数据包传播可显著降低缓冲区使用量，同时确保可靠交付。

ABSTRACT

To achieve end-to-end delivery in intermittently connected networks, epidemic routing is proposed for data delivery at the price of excessive buffer occupancy due to its store-and-forward nature. The ultimate goal of epidemic routing protocol design is to reduce system resource usage (e.g., buffer occupancy) while simultaneously providing data delivery with statistical guarantee. Therefore the tradeoffs between buffer occupancy and data delivery reliability are of utmost importance. In this paper we investigate the tradeoffs for two representative schemes: the global timeout scheme and the antipacket dissemination scheme that are proposed for lossy and lossless data delivery, respectively. For lossy data delivery, we show that with the suggested global timeout value, the per-node buffer occupancy only depends on the maximum tolerable packet loss rate and pairwise meeting rate. For lossless data delivery, we show that the buffer occupancy can be significantly reduced via fully antipacket dissemination. The developed tools therefore offer new insights for epidemic routing protocol designs and performance evaluations.

研究动机与目标

• 解决延迟容忍网络（DTNs）中爆发式路由存在的高缓冲区占用与可靠数据交付之间的关键权衡问题。
• 开发分析模型，量化不同免疫机制下爆发式路由中的缓冲区占用与交付可靠性。
• 为保证最大可容忍数据包丢失率，提供可扩展的、闭式解的最优全局超时值解决方案。
• 评估反向数据包传播在最小化缓冲区占用以实现无损数据交付方面的有效性。
• 为爆发式路由协议提供设计指导，以在资源使用与交付可靠性之间实现平衡。

提出的方法

• 使用易感-感染-恢复（SIR）流行病学框架对爆发式路由动态进行建模。
• 推导在全局超时方案下，携带数据（感染）节点和删除数据（恢复）节点的演化状态方程。
• 推导出确保最大可容忍数据包丢失率不被超过的最优全局超时值的闭式表达式。
• 分析反向数据包传播方案，即节点主动共享‘反向数据包’以触发冗余数据的早期删除。
• 使用常微分方程（ODE）捕捉宏观时空数据传播与缓冲区动态。
• 通过仿真验证模型，确认其在预测交付行为与缓冲区行为方面的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在爆发式路由中，确保指定最大数据包丢失率的最优全局超时值是什么？
• RQ2 在全局超时方案下，每个节点的缓冲区占用如何随网络规模变化？
• RQ3 合作式反向数据包传播在无损爆发式路由中能在多大程度上减少缓冲区占用？
• RQ4 成对会面率与数据包丢失率如何共同影响爆发式路由中的缓冲区占用？
• RQ5 所提出的模型能否准确预测DTN中系统级的数据交付与缓冲区动态？

主要发现

• 最优全局超时值确保每个节点的缓冲区占用仅取决于最大可容忍数据包丢失率和成对会面率，与总节点数无关，证明了其可扩展性。
• 采用所提出的全局超时后，系统在最小化缓冲区使用的同时实现可靠交付，适用于大规模DTNs。
• 反向数据包传播方案通过合作免疫机制，显著降低了缓冲区占用，实现冗余数据的早期删除。
• 仿真结果证实，分析模型能准确预测间歇性连接网络中数据交付动态与缓冲区占用趋势。
• 全局超时方案具有可扩展性和鲁棒性，因为当应用最优超时时，缓冲区占用在任何网络规模下均保持有界。
• 反向数据包传播机制在实现无损交付的同时，与标准爆发式路由相比，显著降低了缓冲区消耗。