45、PAR：基于年龄谣言的优先DTN路由协议及GIS在社区管理服务中的应用-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/week9/article/details/150455725

PAR：基于年龄谣言的优先DTN路由协议及GIS在社区管理服务中的应用

1. 引言

在当今的网络和社区管理领域，两项重要的技术正在发挥着关键作用。一方面，延迟容忍网络（DTNs）由于其间歇性连接、高传输延迟和错误率的特点，吸引了越来越多的关注。传统的移动自组织网络（MANET）通信模型在DTNs中并不适用，因此设计高效的DTN路由算法成为关键问题。另一方面，地理信息系统（GIS）作为一种有效管理和组织信息的技术，在社区管理和服务中展现出了巨大的应用潜力。

2. PAR路由协议

2.1 DTN网络与现有算法

延迟容忍网络（DTNs）最初是为星际网络（IPN）提出的，如今已涵盖了许多新的网络类型，如野生动物跟踪网络、口袋交换网络和军事网络等。现有的DTN路由算法主要分为基于转发的路由算法和基于复制的路由算法。基于转发的代表算法有随机路由、效用路由和seek - and - focus算法；基于复制的代表算法有流行病路由、PRoPHET和Spray - and - Wait/Focus算法。此外，还有基于年龄消息的谣言路由算法等。

传统的MANET通信模型，如AODV、DSR，要求源节点和目的节点之间至少存在一条路径，在DTNs中无法工作。DTNs通过存储 - 携带 - 转发消息交换来克服间歇性连接的问题。为了达到一定的传输速率和减少传输延迟，通常会独立传输消息的多个副本，但这会增加能量消耗，因此控制消息副本数量成为关键问题。

2.2 PAR协议提出

为了解决控制消息副本数量的问题，提出了基于年龄谣言的优先DTN路由协议（PAR）。PAR的基本思想是通过基于年龄谣言的喷洒来限制消息副本的数量，从而减少资源浪费并实现更好的交付率。

2.3 网络模型

PAR协议的网络模型具有以下特点：
- 最初，N个节点随机分布在一个M * M的方形区域内，节点的通信半径为R。
- 所有节点按照随机路点模型移动，速度恒定为v，且所有节点独立移动。随机路点模型为：随机选择目的地D，从源节点S以速度v直线移动到D，然后将D作为下一跳的起始节点，以此类推。
- 在发送消息之前，每个节点应明确目的节点（用D表示）。
- 该算法对时间要求较高，因此在节点部署后应执行时间同步机制。

2.4 算法设计与实现

基本思想 ：目的节点D广播一个非常小的年龄消息，该消息随时间变老。当一个节点收到来自同一目的地的多个年龄消息时，它会保留最小的一个。年龄消息的值将作为转发决策的标准，设置一个差异阈值作为从转发到复制的转折点。
算法参数 ：
- 年龄消息 ：记录从目的地到其他节点的时间信息，初始设置为0并随时间增长。节点i可能同时是多个节点的邻居，当收到m个年龄消息时，将m个节点及其年龄以二元组的形式存储在缓冲区中，a表示邻居节点的ID，b表示从该邻居到i的年龄，最终i的年龄是m个年龄消息中的最小值。
- 年龄差异阈值τage ：是从转发到复制的转折点，反映了两个节点将同一消息传输到目的地的能力差异，其值根据节点密度预先定义。
- 副本数量 ：在Spray and Wait/Focus中，最简单的方法是根据应用的预期延迟确定L，L取决于n和节点数量N。
算法描述 ：
1. 源节点S向D发送消息，首先泛洪一个记录目的节点ID的小消息，使包括D在内的每个节点都知道通信的目的地。然后判断D是否在S的通信半径内，如果 |SD| ≤ R，S可以直接向D发送消息；否则，进入下一步。
2. D收到小泛洪消息后，广播一个初始设置为0的年龄消息。D的所有邻居可以直接收到该消息，邻居们也会广播该年龄消息，直到网络中的所有节点都收到该年龄消息。
3. S发送消息时，首先选择年龄最小的邻居（假设S有m个邻居1, 2, 3…m），然后计算S与该节点的年龄差Δ = ages - min (age1, age2, age3…agem)，如果Δ < τage，进入步骤4；否则，进入步骤5。
4. S向L个年龄最小的邻居发送L个副本，收到副本的节点应选择年龄最小的邻居作为下一跳，重复该过程直到至少有一个副本到达目的地或消息过期。
5. S将消息发送给年龄最小的邻居（假设为i），然后将i视为源节点，返回步骤3，直到从转发转变为复制或目的地收到消息或消息过期。

以下是算法流程的mermaid流程图：

graph TD;
    A[源节点S发送小消息记录目的节点ID] --> B{判断D是否在S通信半径内};
    B -- 是 --> C[S直接向D发送消息];
    B -- 否 --> D[D广播年龄消息];
    D --> E[邻居广播年龄消息直到所有节点收到];
    E --> F[S选择最小年龄邻居并计算年龄差Δ];
    F -- Δ < τage --> G[S发送L个副本到L个最小年龄邻居];
    G --> H[收到副本节点选最小年龄邻居为下一跳，重复直到副本到目的地或消息过期];
    F -- Δ >= τage --> I[S将消息发送给最小年龄邻居i];
    I --> J[i视为源节点返回步骤3];

2.5 示例

假设S(95)向D发送消息，S有三个邻居i(74)、j(80)、k(101)，年龄差Δ = 95 - min{74, 80, 101} = 21 > τage（假设τage = 10ms），S将消息发送给i；i(74)有三个邻居l(78)、m(65)、n(54)，Δ = 74 - min{78, 65, 54} = 20 > τage，i将消息转发给n；n(54)有四个邻居q(60)、m(65)、r(52)、t(45)，Δ = 54 - min{60, 65, 52, 45} = 9 < τage，这是从转发到复制的转折点，n向其两个年龄最小的邻居t和r发送2个副本，然后两个副本独立传输，收到消息副本的节点将其转发给年龄最小的邻居，直到其中一个副本到达目的地或消息过期。

2.6 仿真

通过仿真将PAR算法与年龄谣言算法进行比较，仿真参数如下表所示：
| 参数 | 默认值 |
| ---- | ---- |
| 网络大小M * M | 100 * 100 |
| 节点数量N | 20 |
| 通信半径R（m） | 3 |
| 节点速度V（m/s） | 3 |
| 阈值τage（s） | 2 |
| 副本数量L | 3 |

在交付率方面，与年龄谣言算法相比，PAR更考虑动态拓扑。当网络拓扑频繁变化时，传统年龄谣言算法可能将消息发送到孤立节点导致数据包丢失，而PAR选择的节点分布更广泛。在平均延迟方面，由于通信前需要广播年龄消息，PAR和年龄谣言算法的平均延迟略高于其他协议，但更好的交付率有利于整个网络的性能。

3. GIS在现代社区管理和服务中的应用

3.1 GIS简介

GIS即地理信息系统，起源于20世纪60年代，随着计算机技术的进步不断发展。它利用现代计算机图形和数据库技术处理地理空间数据，将对象的地理位置和特征有机结合，并通过各种显示设备直观、全面地呈现出来。GIS是一种有效管理和组织信息的技术，符合人类的认知习惯，具有广泛的应用前景，已在资源调查、国土管理、城市规划等众多涉及国计民生的重要领域得到广泛应用。

随着信息技术的不断进步，GIS日益成熟，应用成本不断降低，应用和发展的障碍逐渐被打破。从历史发展的角度看，GIS必将从神秘而昂贵的“神坛”走进普通人的生活。

3.2 社区管理现状与需求

社区是现代社会的基本组成部分，是居民生活和休闲的主要场所。居民的生活质量在很大程度上取决于社区管理和服务的水平。随着中国城市化进程的逐渐加快，大型社区不断涌现，覆盖面积越来越大，管理的居民数量也越来越多。这一从量变到质变的过程体现了现代社区的特点，对社区管理和服务提出了更高的要求。

现代社区居民普遍受教育程度较高，他们不仅要求社区管理和服务的覆盖范围更广、质量更高，还对社区管理和服务的运营模式、效率和信息化程度提出了新的要求。近年来，地方政府加大了对社区建设的指导和支持力度。从科技推动社区发展的角度来看，北京市科学技术委员会提出在一些条件较好的社区设立“社区服务科技应用示范区”的挑战。清华大学所在的清华园社区被选为首批示范区之一，其重要内容之一就是在社区管理和服务中应用GIS技术，让这一先进技术切实服务于居民的日常生活。

3.3 GIS对社区基础设施的管理

社区基础设施包括建筑物、道路、水/热/电/气供应、污水系统、电信和消防等各种设备、设施和管道。这些基础设施分布广泛，是社区运行的基本支撑和居民正常生活的重要保障。其中，一些地上基础设施容易定位，但地下基础设施难以追踪。

在基础设施建设初期，大多数都有详细完整的文档，如蓝图、规格说明等。但这些纸质文档容易因保管不当而损坏或在交接过程中丢失，给未来的管理和维护带来诸多麻烦。特别是对于那些建设时间较长的基础设施，问题尤为突出。地理信息主要依赖老员工的记忆，导致维护成本高、效率低，统计基础设施信息也更加困难。

GIS技术可以很好地解决这些问题。由于基础设施具有明显的地理特征，其所有信息管理、统计和报告都可以通过GIS完成。GIS采用分层概念管理不同信息，将同类基础设施的信息记录在相应的图层上，实现数字化存储和管理。管理者只需简单点击鼠标即可获取所有信息。例如，选择一根水管，就可以知道其位置、铺设深度、管径、材质、使用寿命、建设时间和上级阀门等信息。当水管出现故障时，利用这些信息可以快速关闭上级阀门，找到水管的准确位置并进行挖掘和修复，与过去凭记忆挖掘寻找水管的方式相比，大大提高了工作效率。

通过使用GIS技术，信息收集变得非常容易。只需设置过滤规则，GIS就可以自动报告道路面积、管道长度等信息，使管理者更容易掌握整体情况，为相关决策提供重要依据。

根据基础设施的特点，还可以对GIS系统进行进一步开发，将管理标准添加到日常操作中。例如，消防设备需要定期检查和维护，GIS可以通过添加过期提醒模块自动提醒相关人员进行设备测试，并生成近期需要维护的设备列表，确保管理标准在日常工作中得到执行，消除人为疏忽造成的潜在安全风险。

以下是GIS管理社区基础设施的操作步骤：
1. 数据录入：将基础设施的相关信息，如位置、规格、建设时间等录入到GIS系统中。
2. 分层管理：根据基础设施的类型，将信息分层存储在GIS系统中。
3. 信息查询：管理者通过GIS系统的界面，点击相应的基础设施图标，查询详细信息。
4. 统计分析：设置过滤规则，让GIS系统自动统计和分析基础设施的相关信息。
5. 维护提醒：为需要定期维护的基础设施设置提醒规则，当达到维护时间时，GIS系统自动提醒相关人员。

3.4 GIS与GPS结合的应用

GPS即全球定位系统，通过外层空间的全球定位卫星信号定位物体。清华园社区进行了二次开发，将GIS与GPS技术相结合，构建了一个物体位置跟踪和调度系统。

该系统基于GIS、GPS和GPRS技术，使授权人员能够定位携带GPS定位终端的人员或车辆。GPS定位终端收集卫星信号，计算其所在位置的地理坐标，然后通过GPRS通信网络将这些信息上传到GIS。授权人员可以通过任何联网计算机在电子地图上直接、直观地获取被定位人员或车辆的信息，如位置、速度和移动方向等。

这个位置跟踪和调度系统在社区管理和服务中具有广阔的应用前景，目前已在以下领域得到实际应用：
- 安全监控与指挥 ：可以实时监控社区内安保人员和巡逻车辆的位置，便于及时指挥调度，提高社区安全保障能力。
- 老年人定位 ：为老年人配备GPS定位终端，当老年人走失或遇到紧急情况时，社区管理人员可以通过GIS系统快速定位其位置，提供及时帮助。
- 社区巴士位置查询 ：居民可以通过社区的信息平台查询社区巴士的实时位置和行驶路线，合理安排出行时间。

以下是GIS与GPS结合应用的mermaid流程图：

graph TD;
    A[GPS定位终端收集卫星信号] --> B[计算地理坐标];
    B --> C[通过GPRS网络上传信息到GIS];
    C --> D[授权人员在电子地图查询信息];
    D --> E{根据信息进行调度或决策};
    E -- 是 --> F[执行调度或决策];
    E -- 否 --> D;