Delay-Aware Routing

為減少路徑傳輸延遲，DARGT 提出了 Delay-aware routing 的概念。當節點收到 RREP 封 包時，首先會去確認其路由表中是否有到達此目的地節點的路徑，若是沒有，則將 RREP 傳回 的這條反向路徑登錄為新路徑；若路由表中已經存在了舊路徑，節點會經由公式(1)來比較新 舊兩條路徑的 Total cost 值，具有較小 cost 值的路徑同樣表示此路徑具有較低的傳輸延遲，節 點會選擇具有較小 cost 值的路徑來做為路由路徑，將路徑 cost 存入 rt_cost 值內並同時更新路 由表(rt_update)。

3.3 Delay-Aware Routing based on Game Theory: phase 2 (Forwarding game)

賽局理論是一種策略思考，提供了一套系統設定的數理分析方法，尋求在利害衝突下的最 適因應策略。在 DARGT phase 2 中我們應用賽局理論，提出一個傳輸賽局(forwarding game)，

用來是抑止網路中的自私行為以及促進節點間合作。傳輸賽局的組成由參與者節點(Player)、

參與者們所能選擇的策略(Strategy)以及參與者所能到的利益(Utility)組成。DARGT 中的傳輸賽 局可表示如下:

1. 參與者(Player): N = { }

假設參與者集合 N 為所有參與傳輸賽局節點的集合，設共有 n 個節點，我們可以定義出 S 為起始節點、D 為目的節點、F 則為路徑中幫忙傳送的 Forwarder。

2. 策略(Strategy): S = { } F= { }

由於賽局中角色不同，各自的策略必須分開討論。若節點為起始節點 S，做為 Sender，必 須在 x 條候選路徑中選出封包要傳送的最適路徑，路徑集合可表示為{ }；若節點 做為 Forwarder，則只要決定是否幫忙 Sender 轉送，其策略集合只有簡單的{ }。

節點做任何決策都必須是在自身能獲得足夠的利益為前提下進行。

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3. 利益值(Utility):

傳輸賽局中的利益值就是 phase1 路經搜尋中尋找最短 cost 值的路徑，經由多種參數如 delay、

system loading 等 delay-utility function 計算出路徑 cost，可以合理推測具有低 cost 值的路徑 會具有較低的傳輸延遲。而在利益值選擇的這個部份，sender 都會去爭取就有最低延遲時 間的路徑傳送封包，以最大化本身的利益。

傳輸賽局的利益值就是有關信賴值設計的部分會在章節 3.4 中詳細介紹。

3.4 Trust design

信賴值(Trust)是一個用來衡量節點是否是自私節點的數值，Trust 的值介於 0-1 之間，可 表示為 0%-100%，信賴值的上限為 100%，超過上限仍以 100%計。信賴值表示的是對其他節 點的信賴，每一個節點都會有一個對於其他節點的信賴表，對其他節點的信賴值會隨著其是否 願意幫忙傳送封包而改變。若是對某節點的信賴值很高，表示此節點值得信賴: 若收到高信賴 值的節點所廣播出的封包時，環境中的其他節點會更願意幫忙傳送；反之，若對某節點的信賴 值很低，表示此節點可能多次拒絕/丟棄廣播封包，可能是潛藏在環境中的自私節點，環境中 的其他正常節點將會避免將封包傳送往此自私節點，並且拉高幫忙自私節點傳送封包的門檻值，

以抑止自私行為，增加網路的可靠度。

在傳輸賽局中，信賴值作可做為一個傳輸門檻(threshold)，當 Forwarder node 判斷對 sender node 的信賴值大小是有超過傳輸門檻時，才幫忙傳送封包；若是幫忙傳送，sender node 對 forwarder node 的信賴值將會上升一個獎勵值 α 作為其幫忙傳送封包的獎勵；同理，若 forwarder node 拒絕幫忙廣播，sender node 對其的信賴度將下降一個懲罰值 p 作為處罰。在傳輸賽局中，

信賴度是一個相互的概念，我們期望藉由節點間信賴度交換的方法，鼓勵環境中的節點/自私 節點合作。

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圖3-2. Trust diagram.

環境中每一個節點都有自身的 trust table 用來紀錄對其他節點的信賴度，如圖 3-2 中有三 個節點 N1、N2 與 N3，在 N1 的 trust table 內會以 Tn2 表示 N1 對 N2 的信賴值，以 Tn3 表示 N1 對 N3 的信賴值；同理，N2 對 N1 的信賴值以 Tn1 表示。信賴值是常時變動的，對其他節 點的信賴值會隨著其他節點所採取的策略而變化。節點間信賴度(Trust)的變化，舉例來說，若 是 Forwarder 幫忙 Sender 傳送封包， Sender 對 Forwarder 的信賴度( )就會增加一定值 ，反 之則減少。當信賴度增加後，要是兩者立場改變，換成 Forwarder 想要傳送封包時，原本的 Sender 就會更願意幫忙其傳送。這是一個互動的概念，以信賴度作為利益值交換，期望隨著節點間信 賴值的變動，最終能達到促使環境節點互相合作的目的。在 DARGT 中，信賴值的用途依照角 色扮演的不同可分為 sender 與 forwarder part:

Sender part: Sender 請求 Forwarder 幫忙傳送時，同時會告知 Forwarder 幫忙傳送能獲得多少 Packet utility，由 Sender 給出的 Packet Utility 的值多寡，是根據 Sender 對 Forwarder 的信賴度 大小所決定，設定如下:

傳輸成功: Tf = Tf + α

傳輸失敗: Tf = Tf - p (2)

α 為一個可調整的獎勵值參數，可因應實驗需要改動， 值表示 Sender 對 Forwarder 的信 賴度，若 forwarder 幫忙傳送封包，則會獎勵些許對其的信賴值 α。

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表 3-1 Sender part 參數說明 Sender part 參數說明

參數 功能說明

Tf 紀錄 sender 對 forwarder 的信賴值 α Forwarder 幫忙傳送獲得的獎勵值

p Forwarder 拒絕傳送受到的懲罰值

舉例來說 ，若 α 值設定為 10%，且此時 Sender 對 Forwarder 的信賴值 為 50%。若 Forwarder 幫忙此次傳送，傳送後，Sender 對於 Forwarder 的信賴度將增加為 60%。

圖 3-3 Sender part trust design

注意信賴值的上限為 1 或可表示為 100% (Trust 值不超過 1)，若是超過上限仍以 100%計。對

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一個節點的信賴度為 100%，則表示完全信任此節點。

Forwarder part:

當 Forwarder Node 收到傳送要求時，首先會去檢查要求者的信賴度，我們設計了一個門檻值 (threshold)，由 Forwarder 的負載量(SL)當作門檻。Forwarder 端的流程圖可表示如下:

圖 3-4 Forwarder part flowchart.

如圖 3-4，當 Forwarder Node 收到傳輸要求時，會設定一個傳送門檻(threshold)，並檢查 Sender 的信賴度與其給予的利益值是否有超過自身的門檻。若是沒有，則 Forwarder 判斷此次 傳送是無利可圖的(因為設定節點天性自私)，將會把傳送要求 drop 掉；反之，Forwarder 會把 packet 儲存在 waiting queue 內，根據 Delay aware utility allocation 的方法計算封包的利益值並 將 queue 內部重新排列，由利益值最大的封包首先傳送。

當收到 Sender node i 送來的傳送要求時，Forwarder 節點的策略可以表示如下:

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Forwarder Forward , if ( ) >= threshold Drop , otherwise.

Forwarder 的策略單純分為傳送與丟棄封包兩種。 Ti 表示 Forwarder 對 Sender node 的信賴度，儲存在 Forwarder 自身的 trust table 內；threshold 為 forwarder 設定的門檻值，在我 們的實驗中以信賴值必須超過 50%做為門檻，只有在對 sender 的信賴值超過自身門檻(50)時，

Forwarder 判斷此次傳送有利可圖，才會幫忙傳送封包。

表 3-2 Forwarder part 參數說明 Forwarder part 參數說明

參數 功能說明

Ti 紀錄 forwarder 對 sender 的信賴值 threshold Forwarder 幫忙傳送需要的門檻值

在 DARGT phase 2 的 forwarding game 中，根據 Sender 與 Forwarder 兩者角色扮演的不同，

會有不一樣的 trust design 與策略。而無線環境中節點的角色是不斷變化的，節點可依據當前 自身扮演的腳色來決定該採取何種策略，最終達到以信賴值互換鼓勵自私節點幫忙傳送的目 的。

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3.5 DARGT 的優缺點總結

Phase1: Route discovery:

 優點

1. 考慮多項影響延遲的要素如路徑的 delay、節點的 loading 。 2. 路徑隨著網路拓樸變化及時調整、更合理且選擇方式多元。

3. 可有效提高資料傳輸的可靠度並降低延遲。

 缺點

1. 須要獲取多項參數以進行路徑 cost 計算，需要的計算複雜。

2. 關鍵資訊遺失(drop)易使判斷不公正。

3. 路徑上節點必須願意合作。

4. 低延遲的路徑可能須經過較長的 hop 數，若在高移動速度的環境下，必須隨時注意路徑 節點是否仍在路由範圍內。

Phase2: Forwarding game:

 優點

1. 以賽局理論模擬實際環境中可能存在的自私節點問題。

2. 信賴值的設計可以客觀的判斷自私節點。

3. 藉由適當的獎懲機制促使節點合作。

4. 適當的運用傳輸賽局可增加網路可靠度並減少傳輸延遲。

 缺點

1. 選擇的路徑並不是最低延遲路徑，而是高信賴度路徑。

2. 在環境中自私節點比例過高的情況下，會因為處罰機制拒絕幫忙傳送，導致可選路徑 數減少。

3. 不適合應用在節點密度稀疏情況下。

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第四章 DARGT 之系統實作

本研究利用 NS2 網路模擬器進行效能評估，因此，我們將論文第三章所提出的方法實作 到 NS2 中進行模擬，以取得模擬數據來進行比較。在 NS2 中，我們選擇以修改 AODV routing 程式碼的方法，在 AODV 的基礎架構中加入 DARGT phase 1 的最短延遲路徑選擇要素、並新 增信賴值設定以及加入自私節點干擾的因素。在本章節中，我們將詳細介紹 DARGT 在 NS2 中新增及修改了哪些模組，才得以實現最短延遲路由路徑選擇以及如何設定環境中的自私節點。

在下面的小節中，將會描述如何利用 NS2 所提供的模組來實作出 Delay-Aware Routing based on Game Theory 方法。

4.1 NS2 模組介紹

介紹 NS2 網路模擬器的架構與運作原理。

4.2 AODV 函數說明

介紹 AODV 中主要函數的運作與 DARGT 所修改點 4.3 DARGT route discovery 實作

介紹如何實作 DARGT phase 1 中低延遲路徑搜尋。

4.4 DARGT forwarding game 實作

介紹如何實作 DARGT phase 2 中傳輸賽局與信賴度設定。

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4.1 NS2 模組介紹

圖 4-1：NS2 模組架構圖

Network Simulator 2 是一種以 C++及 OTcl 語言所撰寫的非連續事件引發(discrete-event driven)及物件導向(object oriented)的網路模擬器。NS-2 提供了一個整合性的環境，實現在單一 模擬器中提供多種不同層次的細部模擬。

如圖 4-1 表示，NS2 中主要分成四個階層: application layer (AGT)、routing layer (RTR)、

MAC layer (MAC)及 PHY layer (PHY) 。Application layer 負責處理應用層的要求，如 TCP 及 UBP 等等，都被 NS2 歸類在 application layer 上的應用；routing layer 提供了不同的 routing protocol，例如傳統的 AODV、DSR、DSDV 等等路由協定；在 MAC layer 中，NS2 提供了多 種不同的模組例如 802.11 系列的 802.11b、802.11p 等等，能讓使用者能根據不同的實驗需要 來做應用。在 PHY layer 中，NS2 提供了基礎的有線及無線模組 wireless-phy。由於 NS2 於各 個階層只提供了最基本的模組，若使用者想要在 NS2 中實作自身的方法，那麼就必須針對各 個階層的協定進行修改與新增。由於本論文所提出的 DARGT 方法，屬於 NS2 中的 RTR 層協 定，因此，我們以 NS2 內同階層所提供的 AODV protocol 為基礎來進行修改，以實作出

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DARGT。

NS2 中經由 agent 處理 packet 的各種要求，封包由 agent 發出並於 agent 接收，agent 可視

NS2 中經由 agent 處理 packet 的各種要求，封包由 agent 發出並於 agent 接收，agent 可視